带势垒层结构的砷化铟热光伏电池的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本专利涉及一种光伏电池，具体涉及一种带势皇层结构的砷化铟热光伏电池。
【背景技术】
[0002]热光伏电池能够将热辐射体发出的光或者是太阳光谱中的红外光通过半导体P-N结的光伏效应转换成电能[1-5]。其原理与太阳能电池相似，只是利用的辐射源不同而已。太阳能电池利用的光源是太阳光中的可见光波段，而热光伏电池利用的辐射源既可以是太阳光中的红外波段(太阳辐射光谱中约有43%的辐射能量在红外光谱区)，也可以是人为制造的温度在1000°C左右的热辐射体。由于热辐射体的温度远低于太阳温度，发射的大部分都是低能量红外光子，因此需要选择窄禁带半导体材料与之匹配。
[0003]砷化铟(InAs)为II1- V族窄禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为0.354eV，其禁带宽度正好位于1000°c温区对应的红外辐射能量范围，是带隙最为匹配的半导体材料之
O
[0004]传统的光伏电池设计为P-1-N结构[6，7]，如图2所示。这种设计结构的热光伏电池在室温下工作的缺陷是会产生较大的暗电流，从而降低了电池的效率和最终的输出功率。传统P-1-N结构探测器的暗电流主要由三种电流分量组成，分别为①反向扩散电流:起源于耗尽区边缘P区电子和N区空穴产生的少数载流子的扩散。②产生-复合电流:起源于耗尽区中热激发的载流子在电场下向势皇区两边的漂移运动以及材料中的缺陷、杂质、位错等禁带中的深能级捕获或发射载流子形成的复合电流。③表面漏电流:与表面态相关的各种漏电流[8，9]。
[0005]本专利设计了一种带势皇层的光伏电池结构，在传统的P-1-N结构中增加了一层宽禁带阻挡层材料，如图3(a)，3(b)所示:3(a)中的阻挡层阻挡了来自P区的电子扩散电流和表面电流，而3(b)中的阻挡层阻挡了来自N区的空穴扩散电流和表面电流。上述带势皇层的光伏电池结构有效抑制了该结构器件的暗电流，从而最终提高了热光伏电池的量子效率。
[0006]文献:
[0007]1.R.R.Siergiejj S.SiNharoyj T.Valkoj R.J.Wehrerj B.WerNsmaNj S.D.1iNkj R.1 Schultz, aNd R.J.Messham.AIP CoNf.Proc.738，480 (2004).
[0008]2.JiaN YiN aNd Roberto Paiella.APPlied PhysicsLetters.98,041103(2011).
[0009]3.ANdreev V Mj Khvostikov V P, Khvostikova O A et al.31th IEEEPhotovoltaic SPecialist CoNfereNce aNd Exhibit1Nj OrlaNdoj JaNuary 3-7(2005).
[0010]4.ANdreev V Mj Khvostikov V Pj Khvostikova 0 A et al.ThermoPhotovoltaicGeNerat1N of Electricity:6th NREL CoNfereNce:Freiburg, JuNej 2004[C].AIP CoNf.Proc.738,96(2004).
[0011]5.Frass L M，MiNkiN LeoNid.ThermoPhotovoltaic GeNerat1N ofElectricity:7th NREL CoNfereNce:Madrid, SePtember 25, (2006).
[0012]6.V.A.Gevorkyan, V.M.Arout1unian, Κ.M.Gambaryan, 1.A.Andreev, L.V.Golubev and Yu.P.Yakovlev.Technical Physics Letters.Vol.34, Nol, 69-71(2008).
[0013]7.V.P.Khvostikov, V.D.Rumyantsev, 0.A.Khvostikova, Μ.Z.Shvarts, P.Y.Gazaryan, S.V.Sorokina, N.A.Kaluzhniy, V.M.Andreev.Presented at 6thConferenceon Thermophotovolatic Generat1n of Electricity.Freiburg, June 2004.
[0014]8.S.MaimoN aNd G.W.Wicks.Applied Physics Letters 89, 151109(2006).
[0015]9.李成，李好斯白音，李耀耀，王凯，顾溢，张永刚。《半导体光电》2009年12月第30卷第6期。
【发明内容】
[0016]本专利的目的在于设计一种带势皇层结构的砷化铟热光伏电池:在传统的P-1-N结构中增加一层宽禁带阻挡层材料，起到抑制光伏电池结构中的暗电流，从而提高热光伏电池的量子效率的作用。
[0017]本专利中带势皇层结构的砷化铟热光伏电池包括衬底、阻挡层、吸收层和表面层，其中:
[0018]所述的光伏电池的结构为:在衬底上依次为宽禁带的阻挡层、砷化铟的吸收层、砷化铟的表面层；两个电极分别做在腐蚀后台面的衬底上以及砷化铟表面层上；
[0019]所述的衬底是P型砷化铟或N型砷化铟衬底；
[0020]所述的宽禁带的阻挡层是厚度为100-200纳米的铟砷锑磷四元合金薄膜层，合金室温禁带宽度为0.50eV ；
[0021]所述的砷化铟的吸收层的厚度为3-5微米；
[0022]所述的砷化铟的表面层为N型砷化铟或P型砷化铟，厚度为100-200纳米。
【附图说明】
[0023]图1为热光伏电池结构示意图。
[0024]图2为传统热光伏电池能带结构示意图。
[0025]图3为本发明专利中带阻挡层的热光伏电池能带结构示意图，(a)中的阻挡层阻挡来自P区的电子扩散电流和表面电流，(b)中的阻挡层阻挡来自N区的空穴扩散电流和表面电流。
[0026]图4为热光伏电池制备方法示意图.
【具体实施方式】
[0027]实施例1
[0028]电池结构为:P型砷化铟衬底上依次为厚度100纳米的铟砷锑磷四元合金阻挡层、厚度3微米的砷化铟吸收层、厚度为100纳米的N型砷化铟表面层。两个电极分别做在腐蚀后台面的P型砷化铟衬底上以及N型砷化铟表面层上。
[0029]实施例2
[0030]电池结构为:N型砷化铟衬底上依次为厚度200纳米的铟砷锑磷四元合金阻挡层、厚度5微米的砷化铟吸收层、厚度为200纳米的P型砷化铟表面层。两个电极分别做在腐蚀后台面的N型砷化铟衬底上以及P型砷化铟表面层上。
[0031]实施例3
[0032]电池结构为:P型砷化铟衬底上依次为厚度150纳米的铟砷锑磷四元合金阻挡层、厚度4微米的砷化铟吸收层、厚度为150纳米的N型砷化铟表面层。两个电极分别做在腐蚀后台面的P型砷化铟衬底上以及N型砷化铟表面层上。
[0033]上述实施例中的热光伏电池的制备方法采用液相外延方法制备，具体步骤如下:
[0034](I)外延生长温度和生长源组分的确定
[0035]根据砷化铟二元化合物相图和铟砷锑磷四元合金相图确定外延生长温度点为550-555°C，砷化铟生长源中铟的摩尔百分比范围为0.8-0.9，砷的摩尔百分比为0.2-0.1 ；铟砷锑磷生长源中磷的摩尔百分比小于范围为0.001-0.0013,砷的摩尔百分比为0.01，锑的摩尔百分比范围为0.4-0.4217，铟的摩尔百分比范围为0.589-0.567。
[0036](2)铟砷锑磷四元合金掺杂类型的确定
[0037]阻挡P区电子扩散电流的阻挡层铟砷锑磷四元合金的掺杂类型为Zn掺杂的P型；阻挡N区空穴扩散电流的阻挡层铟砷锑磷四元合金的掺杂类型为Te掺杂的N型。
[0038](3)热光伏电池结构的生长
[0039]称量各生长源；打开石英管，将相应尺寸的砷化铟衬底，铟、锑金属以及砷化铟，磷化铟颗粒快速放入石墨舟相应的衬底槽和生长源槽中；生长源装好后，在氢气气氛650°C下恒温2小时使生长源充分溶解和均匀混合；恒温结束后，开始执行降温生长程序:降温速率为2°C /min,降温至557-562°C时，随后炉温以0.2°C /min的速率缓慢降至电池结构的实际生长温度550-555°C时，快速拉动装有砷化铟衬底的石墨舟托板与各个生长源接触:其中吸收层的生长时间100-150秒，阻挡层的生长时间为10-30秒，N型或P型表面层的生长时间为10-30秒。生长完毕后衬底拉离生长源位置；炉体断电并退出石英管，开启电风扇冷却石英管。
【主权项】
1.一种带势皇层结构的砷化铟热光伏电池，包括衬底、阻挡层、吸收层和表面层，其特征在于: 所述的光伏电池的结构为:在衬底上依次为宽禁带的阻挡层、砷化铟的吸收层、砷化铟的表面层；两个电极分别做在腐蚀后台面的衬底上以及砷化铟表面层上； 所述的衬底是P型砷化铟或N型砷化铟衬底； 所述的宽禁带的阻挡层是厚度为100-200纳米的铟砷锑磷四元合金薄膜层，合金室温禁带宽度为0.50eV ； 所述的砷化铟的吸收层的厚度为3-5微米； 所述的砷化铟的表面层为N型砷化铟或P型砷化铟，厚度为100-200纳米。
【专利摘要】本专利公开了一种带势垒层结构的砷化铟热光伏电池，电池的结构为:在P型砷化铟或N型砷化铟衬底上，依次为宽禁带阻挡层、砷化铟吸收层、N型砷化铟表面层或P型砷化铟表面层。电极分别做在腐蚀后台面的砷化铟衬底上以及N型(P型)砷化铟表面层上。本专利的优点在于：利用宽禁带势垒层阻挡PN结两侧产生的扩散暗电流，从而最终提高热光伏电池的量子效率。
【IPC分类】H01L31/0725, H01L31/0735, H01L31/02
【公开号】CN204680680
【申请号】CN201520372603
【发明人】胡淑红, 王洋, 吕英飞, 孙艳, 戴宁
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月2日