专利名称：双结GaAs叠层激光光伏电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及激光光伏电池领域，尤其涉及双结GaAs叠层激光光伏电池及其制备方法。
背景技术：
激光供能系统是ー个创新的能量传递系统，凭借这个系统，将激光光源发出的光通过光纤输送到激光光伏电池上，可以提供稳定的电源输出。通过光纤传导光转化为电比传统的金属线和同轴电缆电カ传输技术有更多的优点，可以应用在需要消除电磁干扰或需要将电子器件与周围环境隔离的情况下，在无线电通信，エ业传感器，国防，航空，医药、能源等方向有重要应用。激光光伏电池的工作原理与太阳能电池类似，只是有可获得更高的转换效率，更大的输出电压，能传递更多的能量，与一般太阳能电池不同的是，光源采用适合光纤传输的790 nm - 850 nm波长的激光。 GaAs是III/V族半导体材料，室温下的禁带宽度Eg是1.428 eV，GaAs PN结电池可以用于将808 nm的激光能量转换为电能，用作激光供能系统中的激光电池，但是GaAs电池的开路电压只有为I V，不能够直接用于电子器件电路中的电源。早期的激光光伏电池是将几个单结电池単元串联以获得所需的输出电压，通过刻蚀隔离沟槽的方式将单位面积的电池芯片进行隔离，再通过引线的方式将几个单结电池単元串联。隔离沟槽的个数越多就会导致电池的有效受光面积就越小，为解决此问题我们提出将每个电池单元设计为通过隧穿结连接的双结电池结构，这样可以减小隔离沟槽的影响，增大激光光电池的有效受光面积，减小电池互联的串联电阻，有助于提高器件的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供双结GaAs叠层激光光伏电池及其制备方法。为了解决上述问题，本发明提供了一种双结GaAs叠层激光光伏电池，包括GaAs衬底，以及在所述衬底上依次设置的N型GaAs的导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、顶电池、AlGaAs (Ga。.51In0 49P)的窗ロ层以及GaAs接触层。所述的双结GaAs叠层激光光伏电池，进ー步包括隔离槽，所述隔离槽为从GaAs接触层向衬底方向贯穿，直至显露出衬底，并且所述隔离槽中填充有氧化硅或聚酰亚胺胶。所述第一隧穿结、第二隧穿结均包括按照远离衬底方向依次设置的N型GaAs(Gatl 51Intl 49P)层、P 型(Al)GaAs 层和 P 型 AlGaAs ((Al)GaInP)层。所述底电池、顶电池均为基于GaAs的PN结电池，且所述底电池和顶电池各自的P区、N区均依次远离衬底。所述的双结GaAs叠层激光光伏电池,进一步包括正电极窗ロ，所述正电极窗ロ为从GaAs接触层往导电层方向贯穿，直至显露出导电层。所述的双结GaAs叠层激光光伏电池，进ー步包括ZnSe/MgF或Ti02/Si02的减反射膜，置于所述窗ロ层的裸露表面上。
为了解决上述问题，本发明还提供了ー种如上述的双结GaAs叠层激光光伏电池制备方法，包括步骤(I)提供GaAs衬底；(2)在衬底上依次生长导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、顶电池、窗ロ层与GaAs接触层；
所述的双结GaAs叠层激光光伏电池的制备方法，进ー步包括步骤(3)采用干法或湿法刻蚀方法从GaAs接触层向衬底方向刻蚀，直至显露出衬底表面，形成隔离槽；(4)在隔离槽中填充氧化硅或聚酰亚胺胶。所述的双结GaAs叠层激光光伏电池的制备方法，进ー步包括步骤(5)采用干法或湿法刻蚀方法从GaAs接触层向衬底方向刻蚀，直至显露出导电层表面，形成正电极窗□。所述的双结GaAs叠层激光光伏电池的制备方法，进ー步包括步骤采用干法或湿法刻蚀方法刻蚀指定区域的GaAs接触层，直至显露出窗ロ层的表面；在窗ロ层的裸露表面上生长减反射膜，所述生长减反射膜的方法为化学气相淀积、蒸发和溅射中任意ー种。本发明提供双结GaAs叠层激光光伏电池及其制备方法,优点在于
1.双结GaAs叠层激光光伏电池实现了每个单元有两个电池串联，减小了串联电阻，有利于电池效率的提闻;
2.本发明中，对于同等开路电压的光伏电池，減少了隔离沟槽所占受光面积的比例，减少了入射光在隔离沟槽上的损失，有利于电池效率的提高；
3.本发明中，GaAs接触层和导电层都采用N型GaAs，在电池エ艺中ー步可以完成正、负电极的欧姆接触金属的蒸发或电镀加厚，減少一歩光刻、一歩剥离エ艺，減少一张光刻版，节省エ艺加工时间和降低成本；
4.本发明提供的双结GaAs叠层激光光伏电池通过N个单元串联可获得约2N伏的输出电压。
图I是本发明提供的双结GaAs叠层激光光伏电池第一具体实施方式
的截面示意 图2是本发明提供的双结GaAs叠层激光光伏电池第一具体实施方式
隔离槽结构截面示意 图3是本发明提供的双结GaAs叠层激光光伏电池第一具体实施方式
的产品结构截面示意 图4A至图4D分别是本发明提供的2V、4V、6V、12V双结GaAs叠层激光光伏电池的俯视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明提供的双结GaAs叠层激光光伏电池及其制备方法的具体实施方式
做详细说明。第一
具体实施例方式 图I为所述双结GaAs叠层激光光伏电池第一具体实施方式
的截面示意图。 图2为所述双结GaAs叠层激光光伏电池第一具体实施方式
隔离槽结构截面示意图。本实施方式提供一种双结GaAs叠层激光光伏电池，包括半绝缘GaAs衬底01，以及在所述衬底01上依次生长的N型GaAs的导电层02、第一隧穿结17、底电池18、第二隧穿结19、顶电池20、窗ロ层15与GaAs接触层16。所述双结GaAs叠层激光光伏电池进ー步还包括隔离槽22，所述隔离槽22为从GaAs接触层16向衬底01方向贯穿，直至显露出衬底01，并且所述隔离槽22中填充有氧化娃或聚酰亚胺胶(Polyimide,简称PI胶)。本实施方式中在隔离槽22中填充的氧化硅或聚酰亚胺胶，而本发明不限于此，在隔离槽22中填充物还可包括其他类似PI胶的光敏性的胶。所述第一隧穿结17包括按照远离衬底方向依次生长的N型第一GaAs(Gaa51Ina49P)层 04、P 型第一(Al) GaAs 层 05 和 P 型 AlGaAs ((Al) GaInP)的第一势垒层06。 所述第二隧穿结19包括按照远离衬底01方向依次生长的N型第二GaAs(Gaa51Ina49P)层 10、P 型第二 (Al)GaAs 层 11 和 P 型 AlGaAs ((Al)GaInP)的第二势垒层12 ；
作为可选实施方式，所述第一隧穿结17进ー步包括N型AlGaAs ((Al)GaInP)的第三势垒层03,位于导电层02和N型第一 GaAs(Gaa51Ina49P)层04之间。作为可选实施方式，所述第二隧穿结19进ー步包括N型AlGaAs ((Al)GaInP)的第四势垒层09，位于底电池18和N型第二 GaAs (Gaa51Ina49P)层10之间，也可作为底电池18
的窗ロ层。其中，本申请中所出现的AlGaAs((Al)GaInP)为AlGaAs或AlxGai_xInP之意，其中X为大于等于O且小于等于I。其中,本申请中所出现的GaAs(Gaa51Ina49P)为GaAs或Gaa51Ina49P之意。其中，本申请中所出现的(Al)GaAs为AlxGahAs之意，其中X大于等于O且小于等于I。所述底电池18为基于GaAs的PN结电池，包括P型GaAs吸收层的第一 P区07与N型GaAs吸收层的第一 N区08，且底电池18的第一 P区07、第一 N区08均依次远离衬底01。所述窗ロ层15 为 AlGaAs(Gaa51Ina49P)层。所述顶电池20为基于GaAs的PN结电池，包括P型GaAs吸收层的第二 P区13与N型GaAs吸收层的第二 N区14，且顶电池20的第二 P区13、第二 N区14均依次远离衬底01。所述GaAs接触层16为N型的GaAs。根据按图I的结构制备获得电池的串联电阻比在相同电压输出情况下通过引线连接的多个单PN结构电池的串联电阻更低，有利于电池接收更高的光功率密度并提高电池效率，因此上述结构具有比PN结电池更高的转换效率，具有很好的实际应用价值。图3是本发明提供的双结GaAs叠层激光光伏电池第一具体实施方式
的产品结构截面示意图。所述双结GaAs叠层激光光伏电池产品，在所述双结GaAs叠层激光光伏电池结构上进ー步包括正电极窗ロ，所述正电极窗ロ依次贯穿所述GaAs接触层16直至显露出导电层02。所述双结GaAs叠层激光光伏电池产品进一步包括正电极24和负电极23,所述正电极24置于所述正电极窗口中导电层02的裸露表面上；所述负电极23置于窗ロ层15的裸露表面上。进ー步包括ZnSe/MgF或Ti02/Si02的减反射膜25，置于所述窗ロ层15的裸露表面。第二
具体实施例方式 制备结构如图I所述的双结GaAs叠层激光光伏电池，包括步骤
(1)在半绝缘GaAs衬底01上生长N型GaAs导电层02;
(2)在N型GaAs导电层02上生长N型AlGaAs((Al) GaInP)第三势垒层03 ；
(3)在第三势垒层03上生长N型掺杂浓度大于IX IO19CnT3的第一 GaAs (Gaa51Ina49P)层04，再生长P型掺杂浓度大于I X IO19CnT3的第一(Al) GaAs层05，形成第一隧穿结17 ；
(4)在第一(Al)GaAs层05上生长第一隧穿结17的P型AlGaAs ((Al) GaInP)第一势垒层06，也可作为底电池18的背场层；
(5)在上述第一势垒层06上生长P型GaAs吸收层的第一P区07，在P型GaAs吸收层的第一 P区07上生长N型GaAs吸收层的第一 N区08，形成ー个PN结，作为底电池18 ；
(6)在底电池18上生长N型AlGaAs((Al) GaInP)的第四势垒层09 ；
(7)在第四势垒层09上生长N型掺杂浓度IXlO19cnT3以上的第二GaAs(Gaa51Ina49P)层10，再生长P型掺杂浓度lX1019cm_3以上的第二(Al)GaAs层11，形成第二隧穿结19 ；
(8)在第二(Al)GaAs层11上生长第二隧穿结19的P型AlGaAs((Al) GaInP)的第二势垒层12，也可作为顶电池20的背场层；
(9)在上述第二势垒层12上生长P型GaAs吸收层的第二P区13，在第二 P区13上生长N型GaAs吸收层的第二 N区14，形成ー个PN结，作为顶电池20 ；
(10)在第二N 区 14 上生长 N 型 AlxGahAs (Gaa51Ina49P)的窗ロ层 15;
(11)在上述窗ロ层15上生长N型高掺杂浓度的GaAs接触层16，用作欧姆接触。
上述步骤(I)至(11)均采用MOCVD或MBE方法制备所述双结GaAs叠层激光光伏电池。若步骤(I)至(11)中的生长均采用MOCVD法，则所述N型掺杂的掺杂原子为Si、Se、S以及Te中任意ー种，所述P型掺杂的掺杂原子为Zn、Mg以及C中任意ー种。若步骤(I)至(11)中的生长均采用MBE法生长，则所述N型掺杂的掺杂原子为Si、Se、S、Sn以及Te中任意ー种，所述P型掺杂的掺杂原子为Be、Mg以及C中任意ー种。进ー步应用电池标准エ艺进行双结GaAs叠层激光光伏电池的制备，包括步骤
(12)如图2所示，按照电池标准エ艺，通过干法或湿法刻蚀方法从GaAs接触层16向衬底01方向刻蚀，直至显露出N型衬底01表面，再通过填胶或氧化硅等材料进行隔离，形成隔离槽22 ；
(13)如图3所示，按照电池标准エ艺，通过干法或湿法刻蚀方法从GaAs接触层16向衬底01方向刻蚀,直至显露出导电层02表面,形成电池的正电极窗ロ ；
(14)按照电池标准エ艺，电池的负电极23和正电极24通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式制备，所述负电极23和正电极24的均为AuGe/Ni/Au ；Ag ；Au金属材料，井分别与GaAs接触层16和导电层02形成欧姆接触；
(15)按照电池标准エ艺，采用干法或湿法刻蚀方法将除负电极23正下方GaAs接触层16以外的GaAs接触层16去除，直至显露出窗ロ层15的表面；
(16)按照电池标准エ艺，电池的减反射膜25通过化学气相淀积、蒸发或溅射的方法在裸露的窗ロ层15上制备ZnSe/MgF或Ti02/Si02减反射膜25，且减反射膜25的高度低于GaAs接触层16的高度；
(17)按照电池标准エ艺，采用电极弓丨线26将电池进行相邻单元正电极24与负电极23互联实现电池串联。接下来给出本发明的ー实施例。
一种双结叠层激光光伏电池的制作方法，结构如图I所示，具体包括下列步骤
一、应用MOCVD或MBE的方法生长GaAs双结叠层激光光伏电池。I)、采用半绝缘GaAs衬底01，厚度范围在200至500微米；
2)、进入MOCVD或MBE的生长室，先生长ー层厚度范围为IOOOnm至5000nm的N型GaAs导电层02，掺杂浓度范围为I X IO18CnT3至I X IO19CnT3 ；
3)、在导电层02上生长掺杂浓度lX1018cm_3以上的厚度范围为IOnm至50nm的N型AlGaAs((Al)GaInP)的第三势垒层 03 ；
4)、在第三势垒层03上生长N型掺杂浓度大于IX IO19CnT3的厚度范围为IOnm至50nm的第一 GaAs (Gaa51Ina49P)层04,再生长P型掺杂浓度大于I X IO19CnT3的约IOnm至50nm的第一(Al)GaAs层05，形成第一隧穿结17，使底电池18的第一 P区07和下面的N型GaAs的导电层02能够很好连接；
5)、在第一(Al)GaAs层05上生长掺杂浓度大于IX IO18CnT3的50nm至IOOnm的P型AlGaAs((Al)GaInP)的第一势垒层06，并可作为底电池18的背场层；
6)、在第一势垒层06上生长2500nm至3500nm的P型的掺杂浓度为5XIO16CnT3至5X IO17CnT3的GaAs吸收层，即第一 P区07，作为底电池18的基区，再生长IOOnm至300nm的N型掺杂浓度为I X IO17CnT3至4X IO18CnT3的GaAs吸收层，即第一 N区08，作为底电池18的发射区；形成ー个PN结，作为底电池18 ；
7)、在第一N区08上生长掺杂浓度大于IXlO18Cnr3的厚度范围为20nm至IOOnm的N型AlGaAs ((Al)GaInP)的第二隧穿结19的第四势垒层09，同时也可作为底电池18的窗ロ层；
8)、在第四势垒层09上生长N型掺杂浓度大于IX IO19CnT3的厚度范围为IOnm至50nm的第二 GaAs (Gaa51Ina49P)层10，再生长P型掺杂浓度大于IXlO19cnT3的厚度范围为IOnm至50nm的第二(Al)GaAs层11,形成第二隧穿结19 ；
9)、在第二(Al)GaAs层11上生长掺杂浓度IX 1018cm_3以上的50nm至IOOnm的P型AlGaAs((Al)GaInP)的第二势垒层12，并可作为顶电池20的背场层；
10)、在第二势垒层12上生长300nm至600nm的P型的掺杂浓度为5X IO16至5 X IO17CnT3的GaAs吸收层，即第二 P区13，作为顶电池20的基区，再生长IOOnm至300nm的N型掺杂浓度为I X IO17至4X IO18CnT3的GaAs吸收层，即为第二 N区14，(第二 P区13和第二 N区14的总厚度范围为600nm至800nm)，作为顶电池20的发射区；形成ー个PN结，并作为顶电池20 ；
11)、在第二N区14上生长IOOOnm至3000nm的掺杂浓度大于IX IO18CnT3的N型的AlxGa1^xAs或Gaa51Ina49P的窗ロ层15,其中x的范围为大于等于O. 2,且小于等于I ;
12)、在窗ロ层15上生长厚度范围为IOOnm至300nm的掺杂浓度大于IX IO18CnT3的N型GaAs接触层16，用来做欧姆接触。ニ、应用标准エ艺制备双结叠层激光光伏电池。13)、电池的隔离槽22通过干法或湿法刻蚀方法刻蚀GaAs接触层16，窗ロ层15，顶电池20，P型的第二势垒层12，第二隧穿结19，N型的第四势垒层09，底电池18，P型的第一势垒层06，第一隧穿结17，N型的第三势垒层03，导电层02，直至显露出半绝缘GaAs衬底OI，再通过填胶或氧化硅电绝缘等材料进行隔离，如图2。14)、电池的正电极窗ロ为通过干法或湿法刻蚀方法刻蚀GaAs接触层16，窗ロ层 15，顶电池20，P型的第二势垒层12，第二隧穿结19，N型的第四势垒层09，底电池18，P型的第一势垒层06，第一隧穿结17，N型的第三势垒层03，直至显露出N型GaAs的导电层02，如图3。15)、通过电子束蒸发、热蒸发或磁控派射等方式制备AuGe/Ni/Au =35/10/100nm ；Ag=l μ m ；Au=100nm金属材料的负电极23和正电极24,并形成欧姆接触,如图3。16)、通过干法或湿法刻蚀方法将除负电极23正下方的GaAs接触层16以外的GaAs接触层16去除，直至显露出窗ロ层15。17)、通过化学气相淀积技术、蒸发或溅射方法在裸露的窗ロ层15上制备减反射膜25，采用ZnSe/MgF或Ti02/Si02等作减反射膜材料，如图3。 18)、制备电极弓丨线26，用电极弓丨线26对电池进行相邻单元正电极24与负电极23互联实现电池串联，如图3。图4A、图4B、图4C、图4D所示分别为2V、4V、6V、12V的双结GaAs叠层激光光伏电池俯视图。依照本发明提供的双结GaAs叠层激光光伏电池制作方法制成的电池，通过几个电池单元串联以获得所需的输出电压。一个双结GaAs叠层激光光伏电池单元的开路电压约为2V，这样每个电池元件有几个单元串联就有约几伏的输出电压(如2、4、6、12V)。电池生长在半绝缘GaAs衬底上以便在随后的电池加工エ艺中实现每个单元之间的电学隔离，然后将一个电池的正极与另一个相邻电池单元的负极相连而制作几个单元的串联连接。这样设计的结果是电池的正电极和负电极都从电池的外延面ー侧引出，如此设计可减少电极的遮光比、充分吸收照射到电池光敏面上的激光能量，正电极在电池光敏面的外围，和电池底部的导电层相连。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种双结GaAs叠层激光光伏电池，其特征在于，包括GaAs衬底，以及在所述衬底上依次设置的N型GaAs的导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、顶电池、AlGaAs (Ga。. 51In0 49P)的窗口层以及 GaAs 接触层。
2.根据权利要求I所述的双结GaAs叠层激光光伏电池，其特征在于，进一步包括隔离槽，所述隔离槽为从GaAs接触层向衬底方向贯穿，直至显露出衬底，并且所述隔离槽中填充有氧化硅或聚酰亚胺胶。
3.根据权利要求I所述的双结GaAs叠层激光光伏电池，其特征在于，所述第一隧穿结、第二隧穿结均包括按照远离衬底方向依次设置的N型GaAs (Gaa51Ina49P)层、P型(Al)GaAs层和 P 型 AlGaAs ((Al)GaInP)层。
4.根据权利要求I所述的双结GaAs叠层激光光伏电池，其特征在于，所述底电池、顶电池均为基于GaAs的PN结电池，且所述底电池和顶电池各自的P区、N区均依次远离衬底。
5.根据权利要求I所述的双结GaAs叠层激光光伏电池，其特征在于，进一步包括正电极窗口，所述正电极窗口为从GaAs接触层往导电层方向贯穿，直至显露出导电层。
6.根据权利要求I所述的双结GaAs叠层激光光伏电池，其特征在于，进一步包括ZnSe/MgF或Ti02/Si02的减反射膜，置于所述窗口层的裸露表面上。
7.—种如权利要求I所述的双结GaAs叠层激光光伏电池制备方法,其特征在于,包括步骤(I)提供GaAs衬底；(2)在衬底上依次生长导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、顶电池、窗口层与GaAs接触层。
8.根据权利要求7所述的双结GaAs叠层激光光伏电池的制备方法,其特征在于,进一步包括步骤(3)采用干法或湿法刻蚀方法从GaAs接触层向衬底方向刻蚀，直至显露出衬底表面，形成隔离槽；(4)在隔离槽中填充氧化硅或聚酰亚胺胶。
9.根据权利要求8所述的双结GaAs叠层激光光伏电池的制备方法，其特征在于，进一步包括步骤(5)采用干法或湿法刻蚀方法从GaAs接触层向衬底方向刻蚀，直至显露出导电层表面，形成正电极窗口。
10.根据权利要求7所述的双结GaAs叠层激光光伏电池的制备方法,其特征在于，进一步包括步骤采用干法或湿法刻蚀方法刻蚀指定区域的GaAs接触层，直至显露出窗口层的表面；在窗口层的裸露表面上生长减反射膜，所述生长减反射膜的方法为化学气相淀积、蒸发和溅射中任意一种。
全文摘要
本发明提供一种双结GaAs叠层激光光伏电池，包括GaAs衬底，以及在衬底上依次生长的N型GaAs的导电层、第一隧穿结、P型AlGaAs((Al)GaInP)的第一势垒层、底电池、第二隧穿结、P型AlGaAs((Al)GaInP)的第二势垒层、顶电池、AlGaAs(Ga0.51In0.49P)的窗口层与GaAs接触层，还包括隔离槽，隔离槽依次贯穿GaAs接触层直至显露出衬底，并在隔离槽中填充有氧化硅或聚酰亚胺胶。本发明还提供一种上述的双结GaAs叠层激光光伏电池制备方法，包括步骤(1)提供衬底；(2)在衬底上依次生长导电层、第一隧穿结、第一势垒层、底电池、第二隧穿结、第二势垒层、顶电池、窗口层与GaAs接触层；(3)采用干法或湿法刻蚀方法刻蚀GaAs接触层直至显露出衬底表面，形成隔离槽；(4)在隔离槽中填充氧化硅或聚酰亚胺胶。
文档编号H01L31/0725GK102651420SQ201210154978
公开日2012年8月29日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者于淑珍, 孙玉润, 李奎龙, 杨辉, 董建荣, 赵勇明, 赵春雨 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所