一种抗辐照三结级联砷化镓太阳电池及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于砷化镓太阳电池结构技术领域，尤其是一种抗辐照三结级联砷化镓太阳电池及制备方法。
【背景技术】
[0002]太阳能光伏发电是一种清洁的发电方式，其将太阳光转变为电能供人们使用，传统较常使用多晶硅和单晶硅电池，随着技术的发展，三结砷化镓太阳电池得到了更广泛的应用，这是因为该太阳电池禁带较硅为宽，光谱响应性和光谱匹配能力较硅好，而且转化效率更高。
[0003]在一些特殊使用场合，比如:航天器在轨飞行期间要经历复杂恶劣的空间环境，包括高真空、热循环、带电粒子辐射、原子氧、空间碎片和等离子体环境等，其中的带电粒子辐射主要是地球磁场俘获的各种高能粒子引起的，其通量随粒子能量和轨道环境参数的不同而发生变化，即常规所说的范.艾伦带。上述带电粒子辐射对太阳电池会产生多种晶体缺陷，造成复合中心增加，使光生载流子的寿命和扩散长度降低，造成太阳电池电学性能的变差，进而降低电池的光电转换效率，直接影响航天器在轨工作的可靠性和使用寿命。航天器上使用的太阳电池表面都覆盖有玻璃盖片，该玻璃盖片可阻挡小于0.3MeV的相对低能粒子，避免其对太阳电池表面的辐照，并能略微降低高能粒子的能量，所以需要注意的辐照主要是大于0.3MeV的高能粒子。
[0004]目前，正向生长的三结砷化镓太阳电池是航天器使用的最广泛的太阳电池，其包括GaInP顶电池，GaInAs中间电池和Ge底电池，不同能量的光子能够被不同禁带宽度的子电池吸收，每个子电池都有相应的短路电流。通常在顶电池和中间电池电流匹配条件下的转换效率最高。其中中间电池基区少量的In可以实现中间电池和底电池的晶格匹配。研宄发现在AMO (当太阳辐射强度为太阳能常数时，大气质量记作ΑΜ0)条件下，GaInAs中间电池比GaInP顶电池的电池性能衰减的快，因此如何提高GaInAs中间电池的抗辐照性能是实际应用中需要解决的首要问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构合理、制备工艺简便、工作终期转化效率降低慢的一种抗辐照三结级联砷化镓太阳电池。
[0006]本发明采取的技术方案是:
[0007]一种抗辐照三结级联砷化镓太阳电池，包括顶电池、中间电池和底电池，其特征在于:顶电池上为接触层，顶电池和中间电池之间为第一隧穿结，中间电池和底电池之间依次为第二隧穿结、至少一层分布式布拉格反射器、缓冲层和成核层，底电池下为衬底。
[0008]而且，所述顶电池为GaInP顶电池，中间电池为GaInAs中间电池，底电池为Ge底电池，GaInP顶电池上为GaAs接触层，GaInP顶电池和GaInAs中间电池之间为第一隧穿结，GaInAs中间电池和Ge底电池之间依次为第二隧穿结、至少一层分布式布拉格反射器、GaInAs缓冲层和GaInP成核层，Ge底电池下为Ge衬底。
[0009]而且，所述GaInP顶电池、GaInAs中间电池和Ge底电池的禁带宽度分别为1.90±0.05eV、l.39±0.05eV、0.67eV。
[0010]而且，所述GaInAs中间电池与GaInP顶电池的短路电流密度之差为O?0.5mA/
2
cm ο
[0011 ] 而且，所述GaInP顶电池包含由上至下依次设置的Al InP窗口层、GaInP发射区、GaInP基区和背场层；
[0012]所述GaInAs中间电池包含由上至下依次设置的窗口层、GaInAs发射区、GaInAs基区、背场层；
[0013]所述分布式布拉格反射器DBR由η个周期的基本单元组成，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4 ；
[0014]所述Ge底电池包含Ge发射区、Ge基区；
[0015]η大于5且小于15。
[0016]而且，所述GaInP顶电池和GaInAs中间电池的背场层的材料为AlxGahInP或AlGaAs，所述GaInAs中间电池的窗口层的材料为AlInP或GalnP，所述基本单元的材料为AlAs/GaAs、AlxGahAs/GalnAs、AlxGahAs/AlAs，所述 x 大于 O 且小于 I。
[0017]而且，所述GaInAs中间电池的GaInAs基区的厚度为1.4?2微米。
[0018]本发明的另一个目的是提供一种抗辐照三结级联砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于:使用MOCVD法或者MBE法依次生长制得成品。
[0019]而且，所述MOCVD法中Ge层的N型掺杂原子为^或P，其余层N型掺杂原子为S1、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C。
[0020]而且，所述MBE法中Ge层的N型掺杂原子为^或P，其余层N型掺杂原子为S1、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
[0021 ] 本发明的优点和积极效果是:
[0022]本发明中，将GaInAs中间电池的GaInAs基区的厚度调整为1.4?2微米，GaInAs基区厚度的降低可以抵消辐照引起的载流子扩散长度下降造成的收集问题，提高了抗辐照能力，同时在GaInAs中间电池和Ge底电池之间设置至少一层分布式布拉格反射器，提高了GaInAs中间电池对应光谱在GaInAs中间电池的光通路径，提高了短路电流密度，在工作终期仍能保持较高的转换效率，本发明经过等效于同步卫星在轨15年所受所有高能粒子总辐照的试验后，转换效率的衰减率仅为传统结构太阳电池的二分之一。
【附图说明】
[0023]图1为本发明三结级联砷化镓太阳电池的结构示意图；
[0024]图2为本发明的分布式布拉格反射器在300-1800纳米范围内的反射率；
[0025]图3为传统结构太阳电池与本发明结构太阳电池，在电池工作初期和工作终期内，电池效率的变化情况。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
[0027]一种抗辐照三结级联砷化镓太阳电池，包括顶电池、中间电池和底电池，本发明的创新在于:顶电池上为接触层，顶电池和中间电池之间为第一隧穿结，中间电池和底电池之间依次为第二隧穿结、至少一层分布式布拉格反射器、缓冲层和成核层，底电池下为衬底。
[0028]本实施例中，所述顶电池为GaInP顶电池，中间电池为GaInAs中间电池，底电池为Ge底电池，GaInP顶电池上为GaAs接触层，GaInP顶电池和GaInAs中间电池之间为第一隧穿结，GaInAs中间电池和Ge底电池之间依次为第二隧穿结、至少一层分布式布拉格反射器、GaInAs缓冲层和GaInP成核层，Ge底电池下为Ge衬底。
[0029]其中，所述GaInP顶电池、GaInAs中间电池和Ge底电池的禁带宽度分别为1.90±0.05eV、l.39±0.05eV、0.67eV。所述GaInAs中间电池与GaInP顶电池的短路电流密度之差为O?0.5mA/cm2。
[0030]所述GaInP顶电池包含由上至下依次设置的AlInP窗口层、GaInP发射区、GaInP基区和背场层；所述GaInAs中间电池包含由上至下依次设置的窗口层、GaInAs发射区、GaInAs基区、背场层；所述分布式布拉格反射器DBR是在一定波长范围内形成高反射率的半导体结构，由η个周期的基本单元组成，由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4 ;所述Ge底电池包含Ge发射区、Ge基区；η大于5且小于15。
[0031]所述Ga I ηΡ顶电池和Ga I nA s中间电池的背场层的材料为AI JiGa1 _χ I ηΡ或AI GaA s，所述GaInAs中间电池的窗口层的材料为AlInP或GaInP，所述基本单元的材料为AlAs/GaAs、Al^GahAs/GalnAs、AlxGahAsZAlAs，所述 X 大于 O 且小于 I。
[0032]所述GaInAs中间电池的GaInAs基区的厚度为1.4?2微米，基区的掺杂可以是梯度掺杂、轻掺、非掺Q层)。
[0033]由于同步轨道通信卫星在轨工作15年，是目前受辐照水平最高的，为表述太阳电池的抗辐照能力，所指的EOL(End of life，工作终期)是太阳电池在同步卫星轨道在轨15年时的工作终期，BOL(Beginning of life，工作初期)。
[0034]或者EOL可以用接受lX101Qe/cm2.s瞬时剂量，I X 1015e/cm2累积通量的IMeV电子辐照后的状态，来等效描述经历空间高能粒子辐照后的状态。
[0035]根据中间电池的禁带宽度和基区厚度的不同，调节DBR的基本单元的光学厚度来改变中心反射波长；光的反射率可以通过调节DBR基本单元的周期数实现。
[0036]第一隧穿结包括两层，分别是由AlGaAs和GaAs匹配的层结构以及AlGaAs势皇层，也可以是AlGaAs和GaInP匹配的层结构以及AlGaAs势皇层。
[0037]第二隧穿结包括两层，分别是由AlGaAs和GaAs匹配的层结构以及AlGaAs势皇层，也可以是AlGaAs和GaInP匹配的层结构以及AlGaAs势皇层。
[0038]实施例1
[0039]本实施例中使用MOCVD 法(Metal Organic Chemical Vapor Deposit1n，金属有机化合物化学气相沉淀):
[0040]1.采用P型单面抛光Ge衬底，通过扩散的方法在Ge衬底上形成η型区域，与ρ型衬底形成Ge底电池，按照晶格匹配的方法依次生长0.05-0.2 μπι η型GaInP成核层，0.2-1 μ m η型GaInAs缓冲层，多组分布式布拉格反射器(DBR)，第二隧穿结，GaInAs中间电池，第一隧穿结，GaInP顶电池，0.2-1 μπι n++ GaAs接触层。
[0041]2.其中第二隧穿结包含 0.03 μπι ρ++ AlGaAs 层、0.03um n++GaInP、0.03-0.05 μ mn+AlGaAs 势皇层。
[0042]3.分布式布拉格反射器(DBR)包含15个周期的0.03-0.1 μπι η+ Al (Ga)As和0.03-0.1ymn+ Ga (In) As。
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