砷化镓太阳电池顶电池窗口层纳米圆锥体结构及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于砷化镓太阳电池结构技术领域，尤其是一种砷化镓太阳电池顶电池窗口层纳米圆锥体结构及制备方法。
【背景技术】
[0002]砷化镓太阳电池包括单结和多结级联、晶格匹配和晶格失配、反向和正向生长等。以上的砷化镓太阳电池从上到下依次是上栅电极、接触层和窗口层等。其中窗口层通常采用AlGaInP、AlInP、AlCaAs等宽禁带材料来抑制界面复合和限制电荷反向扩散(窗口层位于减反膜和发射层之间)。为了提高电池对于光谱的利用，通常采用Al203/Ti02、ZnS/MgF2等双层膜作为砷化镓太阳电池的减反膜。然而以上的减反膜和理想的100%的透过效果还有相当的距离，而且成本较高。
[0003]Rayleigh在1880年通过计算指出渐变性多层折射膜系可以实现宽光谱的低反射率。若膜层折射率在&和η 2两个介质之间连续过渡，就有可能做成理想的零反射的减反射膜。同时以上的渐变反射膜可以减少太阳光入射角度对反射率的影响，实现0-90度的低反射率。Sameer Chhajed 等人在 APPLIED PHYSICS LETTERS 93, 251108(2008)报道了全纳米结构的多层渐变减反射膜，实现了宽光谱和0-90度的低反射率。Peichen Yu等人在Adv.Mater.21，1618(2009)报道了用斜角沉积法在砷化镓电池表面生长ITO纳米柱作为减反膜，实现了 400?900nm和O?90度的低反射率。然而以上的方法工艺较复杂，而且由于生长过程中缺陷较多，使得电池的填充因子偏低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种制备工艺简单、与渐变折射系数多层膜效果相同的砷化镓太阳电池顶电池窗口层纳米圆锥体结构。
[0005]本发明采取的技术方案是:
[0006]一种砷化镓太阳电池顶电池窗口层纳米圆锥体结构，包括顶电池、中间电池、底电池和衬底，其特征在于:所述顶电池接触层上表面是金属栅电极，该金属栅电极下方为与所述金属栅电极相接触的顶电池接触层，该顶电池接触层下方为与所述顶电池接触层相接触的顶电池窗口层，该顶电池窗口层旁侧的其余部分顶电池窗口层由底层和圆锥体结构构成，底层与所述顶电池发射区相接触，底层的厚度为20?60纳米，底层上表面一体制出圆锥体结构，所述底层与所述圆锥体结构的高度之和为100?500纳米。
[0007]而且，所述圆锥体结构的高度为50?150纳米，圆锥体结构的上端部曲率半径小于5纳米。
[0008]而且，所述窗口层的材料为AlGalnP、Al InP或AlCaAs。
[0009]而且，所述衬底的材料为Ge、GaAs, InP或Si。
[0010]而且，所述金属栅电极厚度为2?10微米，材料为Ag、Au、Cu、T1、Pd、Ni或Al中的一种或多种的组合。
[0011]而且，所述金属栅电极占所述顶电池发射区面积的I?5%。
[0012]本发明的另一个目的是提供砷化镓太阳电池顶电池窗口层纳米圆锥体结构的制备方法，其特征在于:通过Langmuir-Blodgett法在包括完整栅电极的砷化镓太阳电池的表面上形成均勾分布的单层纳米球，纳米球和金属栅电极一起作为反应离子刻蚀Reactive1n Etching的掩模版；当窗口层剩下20?60nm时停止刻蚀，金属栅电极下面的GaAs接触层和窗口层被保留以外，其它部分的接触层完全被刻蚀，在窗口层上形成一体制出均匀分布的纳米圆锥体。
[0013]而且，包括以下步骤:
[0014]⑴采用MOCVD方法生长砷化镓太阳电池；
[0015]⑵制备金属栅电极；
[0016]⑶使用Langmuir-Blodgett法在砷化镓太阳电池表面上形成均勾分布的单层纳米球；
[0017]⑷使用Reactive 1n Etching法等向刻蚀以减小纳米球的直径；
[0018](5)使用RIE法非定向刻蚀由纳米球和金属栅电极构成的掩膜版外侧其余的接触层和窗口层，使纳米球下方形成用于支撑纳米球的圆锥体，完成刻蚀后窗口层中的底层厚度为20?60纳米；
[0019](6)使用氟化氢刻蚀除去圆锥体结构上端部的纳米球；
[0020](7)制备过程结束。
[0021]而且，所述纳米球的材料为Au、Ag、Ti02、Al203或S1 2，纳米球的初始直径为50?200纳米。
[0022]本发明的优点和积极效果是:
[0023]本发明中，在生长好的砷化镓太阳电池表面制备金属栅电极，然后使用LB法在完整金属栅电极的表面形成均布的纳米球，由金属栅电极和纳米球作为反应离子蚀刻的掩膜版，当窗口层剩下20?60纳米是停止刻蚀，最终窗口层上形成一体制出的均匀分布的纳米圆锥体。与现有技术相比，纳米结构窗口层具有窗口层和减反射膜的双重功能，纳米圆锥体可以等效成折射系数渐变的多层反射膜，实现对太阳光的充分利用，进而提高电池效率，且其制备方法简单、成本低廉、适合规模生产。
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例1中砷化镓太阳电池的结构示意图；
[0025]图2a为LB法制备的均匀分布的S12纳米球；
[0026]图2b为RIE等向蚀刻后的S12纳米球分布示意图；
[0027]图3a为等向刻蚀形成的纳米圆柱体；
[0028]图3b为非定向刻蚀形成的纳米圆锥体；
[0029]图3c为使用HF除去纳米球的示意图；
[0030]图3d为完全去除纳米球的示意图；
[0031]图4为制备好的顶电池窗口层的结构；
[0032]图5a为没有纳米圆锥体窗口层的砷化镓太阳电池的反射率；
[0033]图5b为本发明的纳米圆锥体窗口层的砷化镓太阳电池的反射率；
[0034]图6为本发明实施例2中砷化镓太阳电池的结构示意图；
[0035]图7为本发明实施例3中砷化镓太阳电池的结构示意图；。
【具体实施方式】
[0036]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。
[0037]本发明中的砷化镓太阳电池包括晶格匹配和晶格失配、反向和正向生长等、双面外延和双面键合等各种单结和多结级联砷化镓太阳电池，如图1?3所示的三种砷化镓太阳电池。砷化镓太阳电池的衬底可以是Ge、GaAs、InP、Si等。
[0038]砷化镓太阳电池顶电池窗口层纳米圆锥体结构包括顶电池、中间电池、底电池和衬底，本发明的创新在于:所述顶电池接触层上表面是金属栅电极5，该金属栅电极下方为与所述金属栅电极相接触的顶电池接触层6，该顶电池接触层下方为与所述顶电池接触层相接触的顶电池窗口层7，该顶电池窗口层旁侧的其余部分顶电池窗口层由底层2和圆锥体结构4构成，底层与所述顶电池发射区8相接触，底层的厚度为20?60纳米，底层上表面一体制出圆锥体结构，所述底层与所述圆锥体结构的高度之和为100?500纳米。
[0039]本实施例中，所述圆锥体结构的高度为50?150纳米，圆锥体结构的上端部曲率半径小于5纳米。所述窗口层的材料为AlGaInP、AlInP或AlCaAs。所述衬底的材料为Ge、GaAs, InP或Si。所述金属栅电极厚度为2?10微米，材料为Ag、Au、Cu、T1、Pd、Ni或Al中的一种或多种的组合。所述金属栅电极占所述顶电池发射区面积的I?5%。
[0040]实施例1
[0041]如图1所示的三结砷化镓太阳电池，包含In约50%的GaInP顶电池，隧穿结，含In约1%的GaInAs中间电池，隧穿结，分布式布拉格反射器(DBR)，以及Ge底电池和衬底。这里顶电池、中间电池的晶格常数和衬底的基本一致。
[0042](I)用MOCVD方法生长砷化镓太阳电池；
[0043]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?I ym η型GaInAs缓冲层，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?I μπι n++GaAs接触层。
[0044]②其中第二隧穿结包含0.03 μπι p++AlGaAs 层、0.03um n++GaInP 或 0.03 μ mn++GaAs 层、0.03 ?0.05 μ m n+AlGaAs 势皇层；
[0045]③分布式布拉格反射器(DBR)包含n(5〈