Sb/GaSb应变量子阱中间能带热光伏电池及其制备方法
【技术领域】
[OOOU本发明属于热光伏电池技术领域，具体设及一种基于Ga訊的Irv,Ga,Sb/Ga訊应变 量子阱中间能带热光伏电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 热光伏（Thermphotovoltaic;TPV)技术是一种利用半导体p-n结在光照下的光生 伏特效应将热福射体福射出的红外光子转换为电能的光伏转换技术，具有输出电功率密度 高、光谱控制下的能量转换效率高和静音便携等优点。热光伏电池系统的两大核屯、组件是 热福射体和TPV电池。热福射体的热源可来源于工业废热、垃圾焚烧热、化石燃料燃烧热、 核热能等，因此，热光伏发电将可应用于环保节能汽车、垃圾焚烧处理、热电两用等场合，形 成巨大的产业。热福射体的福射特性满足普朗克福射定律，温度范围在950~1500°C，对应 半导体材料最佳禁带宽度在0. 3~0. 7eV之间，低温热福射源的TPV电池系统具有稳定性 好、安全性高等优势。另外，热福射体离TPV电池很近，可获得5~30W/cm2的高光功率输 入密度。
[000引铺化物材料是国际上公认的TPV器件的首选材料。美国的JXhystal公司已 将Ga訊TPV单节器件实现了商业化，热光伏系统效率为24%，此外，据报道，单节S元 Gajrv,訊TPV能量转换效率最高为13%，单节四元Ga,Ini_,ASy訊能量转换效率最高为 28%。可见，单节热光伏电池的转换效率低，其原因主要是光谱利用率低。然而，多节和量 子阱TPV电池却能弥补单节TPV电池的不足。
[0004] 多节铺化物TPV器件主要是二元Ga訊顶电池与四元GayIrii_yASy訊底电池通过 重渗杂的Ga訊隧道结连接形成叠层TPV器件。顶电池吸收能量大的光子，底电池吸收能 量小的光子，该样就拓宽了光谱的吸收范围，从而达到提高转换效率的目的。然而，GaSb和 Ga,Ini_,ASy訊1_^形成叠层TPV器件的条件要求两者晶格匹配，W便减少失配位错等晶格缺陷 引起器件性能下降。因此，多节热光伏电池在各个子电池材料与隧道结材料的匹配和选择 方面受到限制。
[0005] 量子阱电池是通过在p-i-n结构中引入比有源区禁带宽度小的量子阱结构的材 料代替本征区的材料而形成，该结构有两方面优势：一是通过改变量子阱结构中材料厚度 或组分从而改变材料有效禁带宽度，达到拓宽对光谱利用的目的，利用该种机制的器件为 量子阱太阳能电池或量子阱TPV电池，该概念由英国伦敦大学皇家学院的K.Barnham提 出；二是利用量子尺寸效应，在有源区的禁带中形成中间能带，该样价带底的电子不但可W 吸收能量高的光子跃迁到导带，还可W通过吸收能量低的光子先跃迁到中间能带，再通过 吸收低能光子跃迁到导带，该样进一步拓宽了对光谱的利用效率，利用该种机制的器件为 量子阱中间带太阳能电池或量子阱中间能带TPV电池，此概念由西班牙马德里理工大学的 A.Luque和A.Marti提出。无论是哪种优势，都打破了多节器件在材料选择方面限制的瓶 颈，增加了在器件设计中对材料的选择灵活性。另外，与一般单节和多节的光电池相比，量 子阱光电池具有的另一个优势是其短路电流和开路电压基本是由量子阱的阱材料和垒材 料分开决定，因此可W分别优化。对于量子阱TPV器件而言，阱区产生的光生载流子除了通 过光激发的机制跃迁到导带，还可W通过热电子发射的方式跃迁到导带，该样降低了量子 阱TPV器件对温度的敏感性，使之能在温度较高的环境下也能正常工作。
[0006] 目前，文献报道比较多的是量子阱结构在太阳能电池方面的应用，而在TPV方面 的应用，已经有英国伦敦帝国大学等单位报道了量子阱TPV光电池，但是他们主要用应变 平衡的原理，并无中间能带的应用，即他们并没有利用中间能带的特点。
【发明内容】
[0007] 为了解决现有技术中存在的不足，本发明通过在Ga訊材料p-n结的结构中，插入 GaJrVxSb/Ga訊多量子阱结构，利用足够薄的阱材料Gaxirvx訊的量子尺寸效应和垒材料 GaSb对阱材料的限制作用，在阱材料中产生束缚态，形成中间能带。
[0008] 本发明所述的一种基于Ga訊的Gajrv,訊Aia訊应变量子阱中间能带热光伏电池， 结构从上到下依次为；上电极、重渗杂的P型AldGai_dASyi訊窗口层、P型GaSb有源区、 本征GayIrii_ySb/Ga訊多量子阱、n型Ga訊有源区、重渗杂的n型Aly2Gai_y2ASy2訊i_y2背面电 场层、n型Ga訊衬底和背电极，其中，本征Ga,Irv,訊Aia訊多量子阱的个数为4~5个。
[0009] 进一步的，前面所述的n型Ga訊衬底是通过购买获得，它是渗Te的n型Ga訊抛 光单晶片，净施主Te的渗杂浓度约为4. 7X10"/cm3,厚度为500±25ym，晶向由（100)向 (110)方向偏2。。
[0010] 前面所述的重渗杂的n型Al,2Gai_,2ASy2訊i_y2背面电场层和重渗杂的P型 AlxiGawASyi訊窗口层均为与Ga訊衬底晶格匹配的A1 1倘1_1/3^。訊1_^。四元合金材料，其 组分x〇、Xi、X2和y〇、yi、y2满足关系：y〇= 0. 〇93x〇/(1+0. 061x〇)，Yi= 0. 093xi/(l+0. 061xi)， Y2= 0. 〇93x2/"(l+0. 061x2)，X。、Xi、X2均取 0. 05 ~0. 35,y。、Yi、Y2均取 0. 005 ~0. 03,对应 的禁带宽度均为0. 807~1. 22eV，重渗杂的n型Al,2Gai_,2ASy2訊i_y2背面电场层和重渗杂的 P型AlxiGawASyi訊窗口层的厚度和渗杂浓度均为45~60nm和1X10 19~2X10 19/畑13。 重渗杂的P型AlxiGa^ASyi訊窗日层的作用是阻挡光生电子，减少表面复合，从而提高开 路电压運渗杂的n型Alx2Gai_x2ASy2訊i_y满面电场层的作用是阻挡光生空穴的界面复合，提 高开路电压。
[0011] 前面所述的63,1]11_,訊/63訊多量子阱，量子阱个数为4~5,垒材料为本征GaSb， 其厚度为10~15皿，阱材料为本征GaxIrVxSb，其厚度为5. 5~6. 5皿，组分X在0. 25~ 0.35之间。
[001引前面所述的n型Ga訊有源区的厚度为6~8ym，渗杂浓度为9. 5X10"~2X10IS/cm3,P型Ga訊有源区的厚度为0. 2~0. 4ym，渗杂浓度为9. 5X10"~2X10is/cm3。
[001引前面所述重渗杂的n型Al,2Gai_,2ASy2訊背面电场层和n型Ga訊有源区的渗杂 剂均为Te，重渗杂的P型AlxiGai_xiASyi訊窗日层和P型Ga訊有源区的渗杂剂均为化。
[0014] 前面所述上电极的材料是双层的Au-Pb/Au材料，合金质量比例为Au;Pb= 6 ;4， 第一层Au-Pb合金层厚度为40~60皿，第二层Au金属层厚度为100~150皿；上电极的面 积占电池上表面总面积的8~10% ;背电极的材料为双层的Au-Ge-Ni/Au材料，合金质量 比例为Au;Ge;Ni= 84 ;14 ;2,第一层Au-Ge-Ni合金层厚度为20~40nm，第二层Au金属 层厚度为200~300nm。
[0015] 本发明利用低压金属有机物化学气相外延（LP-MOCVD)技术，在n型Ga訊衬底上 制备结构为n型Ga訊衬底/n+型A1y2Gai_y2ASy2訊i_y2背面电场层/n型Ga訊有源层/4~5 个本征GaxIrVxSb/Ga訊多量子阱/p型Ga訊有源层V型A1xiGa^ASyi訊窗口层的基于 Ga訊的Gajrv,訊/fei訊应变量子阱中间能带热光伏电池。
[0016] 金属有机源和渗杂有机源的源瓶均置于高精度控温冷阱中，压强由各个压力控制 器（PC)控制，通入源瓶的载气的流量由各个质量流量控制器（MFC)控制，每分钟由载气带 出源瓶中源的物质的量是上述S个量的函数。生长所用的Al、Ga、In、As和Sb有机源分别 为S己基侣（TEA1)、S甲基嫁（TMGa)、S甲基铜（TMLn)、神烧（As&)和S己基铺（TESb)，H2 作为载气，P型渗杂源和n型渗杂源分别为二己基锋值EZn)和二己基蹄值ETe)。由MOCVD 设备运行将预先编好的In,Gai_，訊Aia訊应变量子阱中间能带TPV光电池各层材料生长的程 序，进行各层材料的外延生长，再通过器件工艺制备出TPV结构。
[0017] 本发明所述的一种基于Ga訊的Irv,Ga,Sb/Ga訊应变量子阱中间能带热光伏电池 的制备方法，其具体步骤如下：
[00化]1)衬底的清洗及腐蚀；将n型Ga訊衬底在硝酸、盐酸和冰醋酸的混合液（歴〇3、 肥1、C&COOH的用量范围为1~3血；5~15血；40~60血）中腐蚀10~15分钟后，立即 用去离子水清洗、高纯氮吹干放入LP-M0CVD设备的反应室中；
[0019] 。生长程序设定；将所要制备的器件的各层材料（n+型A1cGai_x2ASy2訊满面电 场层/n型Ga訊有源层/4~5个本征1]1典31_,訊/&1訊多量子阱/p型Ga訊有源层/p+型 AlxiGa^ASyi訊窗口层）的生长参数进行设定，包括每一层材料的生长温度，生长每一层 材料时各有机源和渗杂的流量及载气氨气化2)的流量；
[0020] 3)反应室抽真空：将压强设定为生长所需要的值20~50mbar，启动机械累给反应 室抽真空，同时通入氨气置换反应室的氮气，并通入旋转气体使衬底旋转；
[0021] 4)衬底的热处理；将温度设定为580~620°C，启动中频炉加热衬底，温度上升至 330~360°C时通入TE訊对衬底表面予W保护，因为Ga訊衬底中的訊在高温下会从衬底 表面解离，通入TE訊是对訊原子解离的抑制，当温度达到设定值并稳定后，高温下载气氨 气会与衬底表面的氧化物反应，将反应的产物随氨气带出反应室，W达到对衬底表面氧化 物解吸附处理的目的，处理的时间10~20分钟；
[0022] 5)生长各层外延层：待衬底热处理后，降温，并进入外延层生长程序，进行各外延 层的生长；
[0023] 6)降温取样；生长结束后，待温度降至室温和反应室恢复到常压后，取出反应室 中制备得到的器件；
[0024]7)清洗：分别用CCI4、丙酬和酒精超声清洗制备好的n型Ga訊衬底/n+型 Alx2Gai_x2As口訊1-Y2背面电场层/n型G