i(40nm)/Au(200nm)背电极；
[0046] 8.电极合金化：将上述Gaxlni xSb/GaSb外延片放入退火炉，通入氮气，在295°C条 件下进行1分钟的合金化处理，形成欧姆接触的上电极和背电极，从而完成本发明所述的 基于GaSb的Gaxlni xSb/GaSb串联结构热光伏电池的制备。
[0047] 依照以上的流程制备电池器件，得到了GaSb/GalnSb串联结构TPV电池。安装 在具有滤波器的热光伏系统中，其中滤波器对能量低于禁带宽度的光子的反射率为97%， 对能量高于禁带宽度的光子的反射率为13%、吸收率为2%时，本发明中所制备的GaSb/ GalnSb串联结构TPV电池在辐射体温度为1500K，电池工作温度为300K时，短路电流密度 达到3. 49A/cm2、开路电压为0. 75V、最大输出功率可达2. 3W/cm2。
【主权项】
1. 一种基于GaSb的GaxlnixSb/GaSb串联结构热光伏电池，其特征在于：结构从上到下 依次为上电极、重掺杂的P+型ZnS窗口层、p型GaSb有源区、η型GaSb衬底、重掺杂的n+ 型GaSb隧穿层、重掺杂的p+型GaSb隧穿层、p型Gaulr^xlSb有源区、η型Gaulr^x2Sb有源 区、重掺杂的n+型GaSb背面电场层、η型GaSb衬底和背电极。2. 如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxlnixSb/GaSb串联结构热光伏电池，其特 征在于：所述的η型GaSb衬底是掺Te的η型GaSb抛光单晶片，净施主Te的掺杂浓度为 3.5父1017/〇113~4.5\10 17/〇113，厚度为 485 ~515 4111，晶向由（100)方向向（110)方向偏 2° 〇3. 如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxlnixSb/GaSb串联结构热光伏电池，其特 征在于：所述的P型Gaulr^xlSb有源区和η型Gaulr^x2Sb有源区均为与η型GaSb衬底晶 格匹配的GaxQInixQSb三元合金材料，其中~、七、知取0. 6~0. 8,对应的禁带宽度为0. 4~ 0.54eV〇4. 如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxlnixSb/GaSb串联结构热光伏电池，其特 征在于：重掺杂的n+型GaSb背面电场层和重掺杂的p+型ZnS窗口层的厚度和掺杂浓度均 为 45 ~60nm和 1X1019~2X10 19/cm3。5. 如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxlnixSb/GaSb串联结构热光伏电池，其特 征在于：所述的P型GaSb有源区的厚度为4~5μ m，掺杂浓度为1X1016~3X10 16/cm3; η型GaSb有源区的厚度为0· 1~0.4μm，掺杂浓度为5ΧΙΟ18~1X10 19/cm3。n+型GaSb 隧穿区的厚度为40~100nm，掺杂浓度为IX1019~3X10 19/cm3，p+型GaSb隧穿区的厚度 为40~lOOnm，掺杂浓度为1X1019~3X1019/cm3。p型GaxlInlxlSb有源区的厚度为2~ 3μm，掺杂浓度为1X1016~3X10 16/cm3,η型Gax2Inix2Sb有源区的厚度为0· 1~0· 2μm， 掺杂浓度为3X1017~5X10 17/cm3。6. 如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxlnixSb/GaSb串联结构热光伏电池，其特 征在于：所述重掺杂的n+型GaSb背面电场层、n+型GaSb隧穿区、η型Gaulr^x2Sb有源区 层和η型GaSb有源区的掺杂剂均为Te，p+型GaSb隧穿区、p型Gaulr^xlSb有源区层和p 型GaSb有源区的掺杂剂均为Zn，p+型ZnS窗口层的掺杂剂为As。7. 如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxlnixSb/GaSb串联结构热光伏电池，其特 征在于：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= 7 :3,第一层 Au-Pb合金层厚度为30~50nm，第二层Au金属层厚度为100~200nm;上电极的面积占电 池上表面总面积的10~15% ;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= 80 :16 :4,第一层Au-Ge-Ni合金层厚度为30~50nm，第二层Au金属层厚度为 200 ~280nm〇8. 如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxlnixSb/GaSb串联结构热光伏电池的制备 方法，其步骤如下： 1) 衬底的清洗及腐蚀：将η型GaSb衬底在硝酸、盐酸和冰醋酸的混合液中腐蚀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；硝酸、盐酸和 冰醋酸的用量范围为2~4mL:10~20mL:30~60mL; 2) 生长程序设定：将所要制备的器件的各层材料的生长参数进行设定； 3) 反应室抽真空：将压强设定为生长所需要的值20~lOOmbar，启动机械栗给反应室 抽真空，同时通入氢气置换反应室的氮气，并通入旋转气体H2使衬底旋转； 4) 衬底的热处理：将温度设定为460~520°C，启动中频炉加热衬底，温度上升至 330~360°C时通入TESb对衬底表面予以保护，当温度达到设定值并稳定后通入载气氢气， 处理的时间10~15分钟； 5) 生长各层外延层：待衬底热处理后，进入外延层生长程序，进行各外延层的生长；首 先，升高温度至520~560°C，生长GaSb背面电场层；然后降温至480~520°C，生长η型Gax2lnix2Sb有源层和ρ型GaxllnixlSb有源层；最后将温度升高至520~560°C，依次生长ρ+ 型GaSb隧穿层、n+型GaSb隧穿层、η型GaSb有源层和p型GaSb有源层；得到结构为η型 GaSb衬底/η+型GaSb背面电场层/η型Gax2Sb有源层/ρ型GaxlI%xlSb有源层/ρ+型 GaSb隧穿层/η+型GaSb隧穿层/η型GaSb有源层/ρ型GaSb有源层的器件； 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； 7) 清洗：分别用三氯乙烯、丙酮和酒精超声清洗制备好上述器件2~3次，每次5~10 分钟，然后用高纯N2吹干； 8) 烘烤：用烘箱将制备好的器件在75~85°C条件下烘烤20~25分钟； 9) 制作窗口层：在真空热蒸发系统中分别放入装有掺杂浓度为1X1019~2X10 19/cm3 的ρ型ZnS的石墨舟，对热蒸发系统抽真空至IX10 3~3X10 3Pa，通过控制加热电流改变 石墨舟的温度，从而控制蒸发速率，在P型GaSb有源层上蒸镀ZnS，用膜厚监控仪监控厚度， 形成厚度为l〇nm~100nm的窗口层。 10) 上电极制作：在p+型ZnS窗口层的上表面用电子束蒸发的方法制作Au-Pb/Au上电 极，首先，制作一个材料为铜片、与η型GaSb衬底尺寸相同的掩膜版，在掩膜版的正中央挖 去一个长方形的孔，挖去的面积占掩膜版面积的5%~10%，并将掩膜版与器件上表面重 合压紧，将其一并放入蒸发腔内，固定器件并使器件上表面面对坩锅；将Au:Pb合金靶材放 入蒸发腔内的坩锅内，再通过设定电子束的速率达到调节沉积到器件表面的材料厚度的目 的；用分子栗将腔内抽真空，当真空度达到4X10 4帕斯卡以下时，打开电子束开关进行电 子束蒸发，3~5分钟后关闭电子束开关；充氮气，再抽真空，再冲氮气直达压强恢复常压； 待合金靶材冷却后，打开腔门，取出合金靶材换上Au金属靶材，然后重复上述电子束蒸发 合金的步骤进行Au金属的蒸发，蒸发时间为10~15分钟，完成后关闭电子束开关，等待靶 材冷却，腔内压力恢复到常压，打开腔门取出器件，去除掩膜版，上电极制作完成； 11) 减薄衬底：首先采用目数为260~350的粗砂将上述热光伏电池的η型GaSb衬底 背面打磨至300~340μm，然后改用目数为2400~3000的细砂研磨至200~240μm，最 后用金刚砂抛光； 12) 背电极制作：在上述器件的η型GaSb衬底背面用电子束蒸发的方法制作 Au-Ge-Ni/Au背电极； 13) 退火：将上述制备的热光伏器件放入退火炉，通入氮气，在250~300°C条件下 进行1~2分钟的合金化处理，形成欧姆接触的上电极和背电极，从而完成基于GaSb的 GaxlnixSb/GaSb串联结构热光伏电池的制备。
【专利摘要】一种基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb串联结构的热光伏电池及其制备方法，属于热光伏电池技术领域。结构从上到下依次为：上电极、重掺杂的p+型ZnS窗口层、p型GaSb有源区、n型GaSb、重掺杂的n+型GaSb隧穿层、重掺杂的p+型GaSb隧穿层、p型Gax1In1-x1Sb有源区、n型Gax2In1-x2Sb有源区、重掺杂的n+型GaSb背面电场层、n型GaSb衬底和背电极。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GaSb衬底上制备结构为n型GaSb衬底/n+型GaSb背面电场层/n型Gax2In1-x2Sb有源层/p型Gax1In1-x1Sb有源层/p+型GaSb隧穿层/n+型GaSb隧穿层/n型GaSb有源层/p型GaSb有源层/p+型ZnS窗口层的基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb串联结构热光伏电池。
【IPC分类】H01L31/0687, H01L31/0693, H01L31/18
【公开号】CN105355698
【申请号】CN201510900948
【发明人】张宝林, 吕游, 李国兴, 徐佳新, 徐德前
【申请人】吉林大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年12月9日