一种锗基砷化镓太阳电池及制备方法与流程

1.本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种锗基砷化镓太阳电池及制备方法。


背景技术：

2.与传统的空间用单晶硅太阳电池相比，基于锗衬底的砷化镓太阳电池具有转换效率高、耐高温、抗辐射、可靠性强等优势，已被广泛应用于航天器的一次电源中，极大地提高了空间飞行器的载荷能力和在轨寿命。目前，应用最为成熟的空间太阳电池产品为锗基三结太阳电池，其带隙分布为1.9/1.4/0.67ev，其中，由于1.4ev中电池与0.67ev锗子电池之间存在较大的带隙差异，导致各子电池的输出电流不匹配，限制了电池转换效率的进一步提升。为了获得更高的转换效率，太阳电池的设计需要进一步地考虑光谱匹配。


技术实现要素：

3.本发明提供一种锗基砷化镓太阳电池及制备方法，用于提高锗基砷化镓太阳电池的光电转换效率，增强锗基砷化镓太阳电池的抗辐照性能。
4.本发明的第一目的是提供一种锗基砷化镓太阳电池，从下至上依次包括：锗衬底、gainp成核层、gainas缓冲层、第一隧穿结、ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层、(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层、ga
1-c
incas子电池、第二隧穿结、(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层、(alga)
1-e
ineas/ga
1-e
ineas第二周期结构过冲层、ga
1-f
infas
1-g
pg子电池、第三隧穿结、(alga)
1-h
inhp子电池和ga
1-j
injas帽层；在所述锗衬底上设有下电极，在所述ga
1-j
injas帽层上设有上电极；其中：所述ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层的in组分a为从0渐变至c，0≤c≤0.5，0.4≤x≤1，0≤f≤0.8，0≤g≤1，0.4≤y≤1，0.4≤h≤1，c≥d≥0，b≥c，e≤d，0≤j≤0.5。
5.优选地，所述ga
1-c
incas子电池包括p型掺杂的ga
1-c
incas基区层、非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，其中：
6.ga
1-c
incas基区层：掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm；
7.非故意掺杂的i层是ga
1-c
incas或ga
1-x
in
x
p材料，厚度为10nm～1000nm；
8.发射区层是ga
1-c
incas或ga
1-x
in
x
p材料，掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm。
9.优选地，所述ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层的晶格常数从与所述锗衬底匹配渐变为与所述ga
1-c
incas子电池匹配。
10.优选地，所述(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层的in组分大于ga
1-c
incas子电池的in组分，所述(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层的周期数范围为2～20个，每个周期中(alga)
1-b
inbas的厚度为5nm～300nm，ga
1-b
inbas的厚度为5nm～300nm。
11.优选地，所述ga
1-f
infas
1-g
pg子电池包括p型掺杂的基区层、非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，其中：
12.ga
1-f
infas
1-g
pg基区层：掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm；
13.非故意掺杂的i层是ga
1-f
infas
1-g
pg或ga
1-y
inyp材料，厚度为10nm～1000nm；
14.发射区层是ga
1-f
infas
1-g
pg或ga
1-y
inyp材料，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm～5000nm。
15.优选地，所述(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层的in组分呈梯度渐变变化，所述(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层的晶格常数从与所述ga
1-c
incas子电池匹配渐变为与所述ga
1-f
infas
1-g
pg子电池匹配，同时每一个变化梯度均由(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构构成，周期数的范围为2～20个。
16.优选地，所述(alga)
1-e
ineas/ga
1-e
ineas第二周期结构过冲层的晶格常数不大于ga
1-f
infas
1-g
pg子电池的晶格常数；所述(alga)
1-e
ineas/ga
1-e
ineas第二周期结构过冲层的周期数范围为2～20个，每个周期中(alga)
1-e
ineas的厚度为5nm～300nm，ga
1-e
ineas的厚度为5nm～300nm。
17.优选地，所述(alga)
1-h
inhp子电池包括p型掺杂的基区层、非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层；其中：
18.基区层掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm；
19.非故意掺杂的i层厚度为10nm～1000nm；发射区层掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm。
20.优选地，所述ga
1-j
injas帽层为n型掺杂的ga
1-j
injas，其中0≤j≤0.5，掺杂浓度为1
×
10
18
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为50nm～500nm。
21.本发明的第二目的是提供一种锗基砷化镓太阳电池的制备方法，包括：
22.s1、利用mocvd技术在p型锗衬底上生长gainp成核层；其中：n型掺杂剂为si或se，生长温度为450℃～700℃，厚度范围为20～500nm，通过成核层中磷原子的扩散形成n型ge层，与p型锗衬底构成锗子电池；
23.s2、利用mocvd技术在gainp成核层上生长gainas缓冲层；其中：n型掺杂剂为si或se，生长温度为500℃～750℃，厚度范围为100～2000nm；
24.s3、利用mocvd技术在gainas缓冲层上生长第一隧穿结；第一隧穿结包括n型掺杂的gaas层和p型掺杂的algaas层，其中：gaas层的掺杂剂为se或te，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；algaas层的掺杂剂为zn或c，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；
25.s4、利用mocvd技术在第一隧穿结上生长ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层；ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层的in组分a从0逐渐渐变至c，p型掺杂，掺杂浓度1
×
10
17
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，生长温度为600℃～750℃，实现晶格常数从与所述锗衬底匹配渐变为与所述ga
1-c
incas子电池匹配；
26.s5、利用mocvd技术在ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层上生长(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层；所述(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层的掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
19
cm-3
，生长温度为600℃～750℃，in组分大于ga
1-c
incas子电池的in组分，该结构的周期数的范围为2～20个，每个周期中(alga)
1-b
inbas的厚度为5nm～300nm，ga
1-b
inbas的厚度为5nm～300nm；
27.s6、利用mocvd技术在(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层上生长ga
1-c
incas子电池；ga
1-c
incas子电池包括p型掺杂的ga
1-c
incas基区层、非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，其中：在ga
1-c
incas基区层中：0≤c≤0.5，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度是30nm～5000nm；非故意掺杂的i层是ga
1-c
incas或ga
1-x
in
x
p材料，0.4≤x≤1，厚度为10nm～1000nm；发射区层是ga
1-c
incas或ga
1-x
in
x
p材料，0.4≤x≤1，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm；
28.s7、利用mocvd技术在ga
1-c
incas子电池上生长第二隧穿结；第二隧穿结包括n型掺杂的algainp层和p型掺杂的algainas层，其中：algainp层的掺杂剂为se或te，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；algainas层的掺杂剂为zn或c，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；
29.s8、利用mocvd技术在第二隧穿结上生长(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层；(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层的in组分为梯度渐变变化的，变化范围为c≥d≥0，每一个变化梯度均由(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构构成，周期数的范围为2～20个；
30.s9、利用mocvd技术在(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层上生长(alga)
1-e
ineas/ga
1-e
ineas第二周期结构过冲层；生长温度为600℃～750℃，其晶格常数不大于ga
1-f
infas
1-g
pg子电池的晶格常数，该结构的周期数的范围为2～20个，每个周期中(alga)
1-e
ineas的厚度为5nm～300nm，ga
1-e
ineas的厚度5nm～300nm；
31.s9、利用mocvd技术在(alga)
1-e
ineas/ga
1-e
ineas第二周期结构过冲层上生长ga
1-f
infas
1-g
pg子电池；ga
1-f
infas
1-g
pg子电池包括p型掺杂的基区层、非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，在ga
1-f
infas
1-g
pg基区层中：0≤f≤0.8，0≤g≤1，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm；非故意掺杂的i层是ga
1-f
infas
1-g
pg或ga
1-y
inyp材料，0.4≤y≤1，厚度为10nm～1000nm；发射区层是ga
1-f
infas
1-g
pg或ga
1-y
inyp材料，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm；
32.s10、利用mocvd技术在ga
1-f
infas
1-g
pg子电池上生长第三隧穿结；第三隧穿结包括n型掺杂的algainp层和p型掺杂的algainas层，algainp层的掺杂剂为se或te，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；algainas层的掺杂剂为zn或c，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；
33.s11、利用mocvd技术在第三隧穿结上生长(alga)
1-h
inhp子电池；(alga)
1-h
inhp子电池包括p型掺杂的基区层，非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，0.4≤h≤1，基区层掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm；非故意掺杂的i层厚度为10nm～1000nm；发射区层掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度为30nm～5000nm；
34.s12、利用mocvd技术在(alga)
1-h
inhp子电池上生长n型掺杂的ga
1-j
injas帽层；0≤j≤0.5，掺杂浓度为1
×
10
18
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为50nm～500nm；
35.s13、制备电池上金属电极、下金属电极和减反射膜。
36.本发明具有的优点和积极效果是：
37.本发明采用晶格渐变缓冲层实现晶格常数的逐渐放大，再制备周期结构的过冲
层，同时起到应力调控和分布式布拉格反射镜的作用。在此基础上制备gainas子电池，然后在gainas子电池晶格常数的基础上，采用晶格常数逐渐缩小的周期结构渐变缓冲层和第二周期结构过冲层，起到减小晶格常数、调控应力和反射透过ga
1-f
infas
1-g
pg子电池的光子的作用，使后续生长的ga
1-f
infas
1-g
pg子电池和(alga)
1-h
inhp子电池采用较低的in组分和al组分，实现高质量外延材料的生长，提高太阳电池的转换效率；
38.本发明在1.4ev中电池与0.67ev锗子电池之间插入一个带隙1.0ev～1.2ev的子电池，形成1.9/1.4/1.0/0.67ev四结太阳电池，可以更加高效的利用原被ge子电池吸收的中长波长的光子，提高太阳电池对am0光谱的利用率，进而提高太阳电池的光电转换效率。
附图说明
39.图1为本发明优选实施例的结构图。
具体实施方式
40.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
41.如图1所示，本发明的技术方案为：
42.一种锗基砷化镓太阳电池，从下至上依次包括：锗衬底、gainp成核层、gainas缓冲层、第一隧穿结、ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层、(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层、ga
1-c
incas子电池、第二隧穿结、(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层，(alga)
1-e
ineas/ga
1-e
ineas第二周期结构过冲层、ga
1-f
infas
1-g
pg子电池、第三隧穿结、(alga)
1-h
inhp子电池、ga
1-j
injas帽层。所述锗衬底上设有下电极，所述ga
1-j
injas帽层上设有上电极。其中：
43.所述ga
1-c
incas子电池包括p型掺杂的ga
1-c
incas基区层、非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，其中ga
1-c
incas基区层：0≤c≤0.5，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3-1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm-5000nm；非故意掺杂的i层可以是ga
1-c
incas或ga
1-x
in
x
p材料，0.4≤x≤1，厚度10nm-1000nm；发射区层可以是ga
1-c
incas或ga
1-x
in
x
p材料，0.4≤x≤1，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3-1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm-5000nm。
44.所述ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层的in组分为渐变变化的，从0逐渐渐变至c，即其晶格常数从与所述锗衬底匹配渐变为与所述ga
1-c
incas子电池匹配。
45.所述(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层的in组分大于ga
1-c
incas子电池的in组分，即b≥c，起到应力调控的作用。同时，该结构的周期数的范围为2-20个，起到反射透过ga
1-c
incas子电池的光子的作用，每个周期中(alga)
1-b
inbas的厚度5nm-300nm，ga
1-b
inbas的厚度5nm-300nm。
46.所述ga
1-f
infas
1-g
pg子电池包括p型掺杂的基区层，非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，其中ga
1-f
infas
1-g
pg基区层：0≤f≤0.8，0≤g≤1，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3-1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm-5000nm；非故意掺杂的i层可以是ga
1-f
infas
1-g
pg或ga
1-y
inyp材料，0.4≤y≤1，厚度10nm-1000nm；发射区层可以是ga
1-f
infas
1-g
pg或ga
1-y
inyp材料，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3-1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm-5000nm。
47.所述(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层的in组分为梯度渐变变化的，
变化范围为c≥d≥0，即其晶格常数从与所述ga
1-c
incas子电池匹配渐变为与所述ga
1-f
infas
1-g
pg子电池。同时每一个变化梯度均由(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构构成，周期数的范围为2-20个，起到反射透过ga
1-f
infas
1-g
pg子电池的光子的作用。
48.所述(alga)
1-e
ineas/ga
1-e
ineas第二周期结构过冲层的晶格常数不大于ga
1-f
infas
1-g
pg子电池的晶格常数，起到应力调控的作用。同时，该结构的周期数的范围为2-20个，起到反射透过ga
1-f
infas
1-g
pg子电池的光子的作用，每个周期中(alga)
1-e
ineas的厚度5nm-300nm，ga
1-e
ineas的厚度5nm-300nm。
49.所述(alga)
1-h
inhp子电池包括p型掺杂的基区层，非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，其中0.4≤h≤1,基区层掺杂浓度1
×
10
16
cm-3-1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm-5000nm；非故意掺杂的i层厚度10nm-1000nm；发射区层掺杂浓度1
×
10
16
cm-3-1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm-5000nm。
50.所述ga
1-j
injas帽层为n型掺杂的ga
1-j
injas，其中0≤j≤0.5，掺杂浓度为1
×
10
18-1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为50nm-500nm。
51.上述电池的制备工艺为：
52.利用mocvd技术在p型锗衬底上依次生长gainp成核层、gainas缓冲层、第一隧穿结、ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层、(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层、ga
1-c
incas子电池、第二隧穿结、(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层，(alga)
1-e
ineas/ga
1-e
ineas第二周期结构过冲层、ga
1-f
infas
1-g
pg子电池、第三隧穿结、(alga)
1-h
inhp子电池、ga
1-j
injas帽层。其中：
53.gainp成核层的n型掺杂剂为si或se，生长温度为450℃～700℃，厚度范围为20～500nm，通过成核层中磷原子的扩散形成n型ge层，与p型锗衬底构成锗子电池；
54.gainas缓冲层的n型掺杂剂为si或se，生长温度为500℃～750℃，厚度范围为100～2000nm；
55.第一隧穿结包括n型掺杂的gaas层和p型掺杂的algaas层，其中gaas层的掺杂剂为se或te，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；其中，algaas层的掺杂剂为zn或c，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；
56.ga
1-a
inaas晶格渐变缓冲层的in组分为渐变变化的，从0逐渐渐变至c，p型掺杂，掺杂浓度1
×
10
17
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，生长温度为600℃～750℃，实现晶格常数从与所述锗衬底匹配渐变为与所述ga
1-c
incas子电池匹配。
57.(alga)
1-b
inbas/ga
1-b
inbas第一周期结构过冲层，掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
19
cm-3
，生长温度为600℃～750℃，其in组分大于ga
1-c
incas子电池的in组分，即b≥c，起到应力调控的作用。同时，该结构的周期数的范围为2-20个，每个周期中(alga)
1-b
inbas的厚度5nm～300nm，ga
1-b
inbas的厚度5nm～300nm，可以反射透过ga
1-c
incas子电池的光子，并被该结子电池重吸收，从而提高子电池量子效率和抗辐照能力。
58.ga
1-c
incas子电池包括p型掺杂的ga
1-c
incas基区层、非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，其中ga
1-c
incas基区层：0≤c≤0.5，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm～5000nm；非故意掺杂的i层可以是ga
1-c
incas或ga
1-x
in
x
p材料，0.4≤x≤1，厚度10nm～1000nm；发射区层可以是ga
1-c
incas或ga
1-x
in
x
p材料，0.4≤x≤1，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm～5000nm。
59.第二隧穿结，包括n型掺杂的algainp层和p型掺杂的algainas层，其中algainp层的掺杂剂为se或te，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；其中algainas层的掺杂剂为zn或c，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃。
60.(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构晶格渐变层的in组分为梯度渐变变化的，变化范围为c≥d≥0，即其晶格常数从与所述ga
1-c
incas子电池匹配渐变为与所述ga
1-f
infas
1-g
pg子电池。同时每一个变化梯度均由(alga)
1-d
indas/ga
1-d
indas周期结构构成，周期数的范围为2～20个，起到反射透过ga
1-f
infas
1-g
pg子电池的光子的作用。
61.(alga)
1-e
ineas/ga
1-e
ineas第二周期结构过冲层，生长温度为600
–
750℃，其晶格常数不大于ga
1-f
infas
1-g
pg子电池的晶格常数，起到应力调控的作用。同时，该结构的周期数的范围为2～20个，起到反射透过ga
1-f
infas
1-g
pg子电池的光子的作用，每个周期中(alga)
1-e
ineas的厚度5nm～300nm，ga
1-e
ineas的厚度5nm～300nm。
62.ga
1-f
infas
1-g
pg子电池包括p型掺杂的基区层，非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，其中ga
1-f
infas
1-g
pg基区层：0≤f≤0.8，0≤g≤1，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm～5000nm；非故意掺杂的i层可以是ga
1-f
infas
1-g
pg或ga
1-y
inyp材料，0.4≤y≤1，厚度10nm～1000nm；发射区层可以是ga
1-f
infas
1-g
pg或ga
1-y
inyp材料，掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm～5000nm。
63.第三隧穿结，包括n型掺杂的algainp层和p型掺杂的algainas层，其中algainp层的掺杂剂为se或te，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃；其中algainas层的掺杂剂为zn或c，掺杂浓度为1
×
10
19
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为5nm～50nm，生长温度为450℃～700℃。
64.(alga)
1-h
inhp子电池包括p型掺杂的基区层，非故意掺杂的i层和n型掺杂的发射区层，其中0.4≤h≤1,基区层掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm～5000nm；非故意掺杂的i层厚度10nm～1000nm；发射区层掺杂浓度1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
，厚度30nm～5000nm。
65.ga
1-j
injas帽层为n型掺杂，其中0≤j≤0.5，掺杂浓度为1
×
10
18
～1
×
10
21
cm-3
，厚度范围为50nm～500nm。
66.上述结构通过外延制备完成后，按照公知的电池器件工艺完成电池上下金属电极、减反射膜的制备。
67.以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。