专利名称：一种InAs红外光伏电池及液相外延的制备方法
技术领域：
本发明涉及薄膜太阳电池及热光伏器件，特别是指一种可以用作转换1 3μπι波 长范围的太阳辐射的太阳电池，拓宽了太阳电池的光谱利用范围，也可以用作转换热源温 度为1000 3000Κ的热光伏器件。
背景技术：
太阳能具有取之不尽、无污染的优点，是解决未来能源短缺与环境污染的理想能 源，各国政府均把发展太阳能作为一种战略部署。然而，目前太阳电池发电的成本约为传统 的电力的8倍(约5元/千瓦时)，这限制了其推广应用。太阳电池的发电成本居高不下 主要与二个因素有关，其一是高质量的原材料供不应求，其二与其光电转换效率低(约为 12% )有关，特别是对于军事装备、航空、航天等军事与空间应用领域，光电转换效率是太 阳能电池最重要的指标。为了提高光电转换效率，人们作了不懈的努力来提高电池的制备 技术和优化器件的参数，但每提高一个百分点都不容易，其根本原因是任何单一半导体材 料的光电响应频带范围相对于太阳光谱来说都太窄，只有用几种不同禁带宽度的材料分别 响应光谱的高、中、低频区，并叠加它们的效应，才可能大幅度提高太阳能电池的光电转换 效率。目前，太阳能电池(如31、6仏8丄(11^、11^仏8等)主要是转换太阳辐射能量的可见 光和很窄的近红外部分，大部分的红外光无法转换成电能，而红外光能量约占太阳辐射总 能量的43%，因此，若能够将太阳辐射中的大部分红外光转换成电能，这对提高太阳能电池 的效率是很有意义的。热光伏电池是一种转换热辐射的器件，与太阳电池的原理相同，只是辐射源不同。 与太阳电池相比，具有不受天气的影响的优势，是太阳电池的有益补充。由于热源辐射的 峰值波长主要由热源的温度决定，它们之间的关系可由维恩位移定律来确定，S卩λ ·Τ = 2898(μ m ·Κ)，因此，根据热源的温度不同，热光伏电池应选择不同禁带宽度的半导体材料。InAs是一种可工作于室温的优良红外材料，室温下其禁带宽度为0. 35eV,对应截 止波长为3. 5 μ m，因此，InAs光伏电池可转换1 3 μ m波长范围的太阳辐射的太阳电池， 拓宽了太阳电池的光谱利用范围，也可以用作转换热源温度为1000 3000K的理想热光伏 器件。
发明内容
本发明的目的是提供一种红外光伏电池及制备方法，可以用作转换1 3 μ m波长 范围的太阳辐射的太阳电池，拓宽太阳电池的光谱利用范围，也可以用作转换热源温度为 1000 3000K的热光伏器件。本发明的InAs红外光伏电池，包括Au背电极、η型非故意掺杂衬底、Zn掺杂ρ型 外延层与栅状Au前电极，其特征在于ρ型外延层的厚度1 3 μ m ；栅状Au前电极的覆盖面积为5 20%。
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本发明的InAs红外光伏电池的ρ型薄膜采用水平滑移的液相外延方法制备，其特 征在于采用过冷冷却的方法制备P型薄膜，饱和溶液的过冷度为10 15°C ；溶液均勻温度高于生长温度25 35°C，降温速率为0. 3 0. 4°C /min。本发明的InAs红外光伏电池的Au电极采用离子束溅射的方法制备，其特征在 于电极材料为Au，厚度为30 50nm。本发明的优点是1.可以用作转换1 3μπι波长范围的太阳辐射的太阳电池，拓宽了太阳电池的光 谱利用范围，也可以用作转换热源温度为1000 3000Κ的热光伏器件。2.本发明结构简单，电池参数可以很容易通过调节工艺参数控制，制备成本低。
图1为本发明的InAs红外光伏电池的结构示意图。图2为ρ型InAs薄膜的X射线衍射图。图3为实施例的InAs红外光伏电池在AMI. 5光照条件下的J-V曲线，其中插图为 电池的暗J-V曲线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明衬底的清洗与溶液的配制称量高纯In(7N)3. 65365g，InAs单晶(5Ν)0· 13124g， 高纯Zn (7N) 0. 00551g。将IOml超净水倒入IOml盐酸(M0S级)，用该溶液清洗In与Zn约 1分钟；将6ml硝酸(M0S级)倒入IOml双氧水(M0S级)，用该配比的溶液分别清洗InAs 衬底与原料约70秒。然后分别用大量的超净水冲洗，接着分别用无水乙醇(M0S级)漂洗 2次，最后用氮气吹干待用。ρ型薄膜的液相外延制备将InAs单晶衬底放入石墨舟的衬底槽，将原料(高纯 In、InAs单晶与高纯Zn)放入石墨舟的母液槽，然后采用过冷冷却工艺外延生长ρ型薄膜。 均勻化时间约为1小时，饱和溶液的过冷度约为15°C，降温速率约为0. 40C /min，生长时间 约为3分钟。见图2，X射线衍射图谱表明，制备的薄膜为(100)取向的单晶薄膜，很高的衍射强 度与窄的半高宽表明薄膜的晶体质量很好。电极的制备采用离子束溅射的方法蒸镀Au电极，溅射电流为30mA，溅射速率约 为0. 2nm/秒，电极的厚度为50nm。其中前电极为栅状，电极的覆盖面积约为20%。见图3，无光照条件下的I-V测试表明，室温下薄膜呈现出典型的窄带隙半导体
p-n结的特性。AMI. 5条件下的测试表明电池的开路电压为2. 8mV，短路电流密度为1. 5mA/
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权利要求
一种InAs红外光伏电池，包括背电极(1)、衬底(2)、p型外延层(3)与栅状前电极(4)，其特征在于所述的p型外延层(3)的InAs厚度为1～3μm；所述的背电极(1)与栅状前电极(4)所用的电极材料为Au，厚度为30～50nm；所述的栅状前电极(4)的覆盖面积为5～20％。
2.一种基于权利要求1所述结构的光伏电池的制备方法，其特征在于1)采用水平滑移液相外延方法的过冷冷却技术制备P型外延层，在溶液均勻化工艺的 过程中，温度高于生长温度25 35°C ；2)在过冷保温阶段，饱和溶液的过冷度为10 15°C；3)在ρ型外延层的生长阶段，降温速率为0.3 0. 40C /min。
全文摘要
本发明公开了一种InAs红外光伏电池及液相外延的制备方法，该电池包括非故意掺杂n型InAs单晶衬底，在衬底上外延p型InAs单晶薄膜，蒸镀在p型薄膜表面的栅状Au前电极，以及蒸镀在衬底背面的全覆盖的Au背电极。p型InAs外延薄膜采用液相外延的方法制备，溶剂为In，溶质为InAs，掺杂剂为Zn。电极采用离子束溅射的方法制备。本发明的优点是可以用作转换1～3μm波长范围的太阳辐射的太阳电池，拓宽了太阳电池的光谱利用范围，也可以用作转换热源温度为1000～3000K的热光伏器件；其次本发明结构简单，电池参数可以很容易通过调节工艺参数控制，制备成本低。
文档编号H01L31/18GK101924147SQ201010139049
公开日2010年12月22日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者吴杰, 戴宁, 王奇伟, 胡淑红, 邓惠勇, 郭少令, 陈鑫 申请人:中国科学院上海技术物理研究所