一种超薄激光光伏电池及其制备方法

本发明属于激光光伏电池，具体设计涉及一种超薄激光光伏电池及其制备方法，尤其涉及一种非对称亚波长法布里-珀罗(fabry-pérot,fp)谐振腔结构的激光光伏电池及其制备方法。

背景技术：

1、激光能量转换系统是一种新型的能量传输系统，常用于无线和光纤能量传输领域。光伏电池接收高能量的激光并转化为电能，早期主要用于空间能量传输，如给空间站、卫星等供能。随着民用化需求的增加，激光能量转换器也开始用于无人驾驶的飞行器、传感器等远距离无线供能领域和光纤能量传输领域，其中光纤能量传输是现阶段激光能量转换器最有应用潜力的领域。光纤传能系统具有优秀的抗电磁干扰能力和环境稳定性，在一些电网无法进入的领域如极地、海底、弹药库、矿井、油田中发挥着重要的作用。光纤传能系统主要由激光源、光纤和激光能量转换器(也就是激光光伏电池)三部分组成。由此可见，激光光伏电池为光纤传能系统的核心部件之一。

2、传统结构的红外激光光伏电池为了充分吸收激光，通常要求吸收层厚度很厚，一般在几个微米甚至十几个微米量级，远大于工作波长，这不但使得器件的制备成本较高，而且限制了器件的电学性能。想要克服这些困难，需要把器件吸收层的厚度做到尽可能薄，但是厚度的减薄会减少激光的吸收，从而降低器件的量子效率和最终的光电转换效率。因此设计一种能够充分吸收入射光同时拥有超薄亚波长量级厚度的激光光伏电池将具有十分重要的实际应用价值。本发明公开一种基于非对称亚波长法布里-珀罗谐振腔结构的亚波长超薄激光光伏电池。该结构具有一定的普适性，能针对不同波长进行优化调整，以适应不同波长激光的使用需求。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种性能稳定、使用寿命长且具有一定普适性的超薄激光光伏电池及其制备方法。

2、本发明提供的超薄激光光伏电池，采用au/inp/in1-xgaxasyp1-y/inp非对称fp腔结构，通过精心设计，器件结构厚度不但远小于工作波长具有亚波长特征，且基于强干涉效应，器件可做到近100％吸收入射光。inp/in1-xgaxasyp1-y是一组晶格匹配良好的可调节禁带宽度的材料体系，通过调节x和y的值，可以在保持in1-xgaxasyp1-y晶格常数和inp相匹配的情况下得到不同禁带宽度的吸收区材料，从而匹配不同波长的激光。

3、具体地，本发明提供的超薄激光光伏电池，其结构参见图1所示，包括依次叠合的金属反射层1、背场层2、基区层3、发射层4、前场层5和电极接触层6；基区层和发射层组合成为超吸收层结构；改变超吸收层的材料组分参数以实现对不同波长激光的能量转化，改变超吸收层的厚度以在工作波长下实现超吸收；其中：

4、所述金属反射层1，采用电子束蒸发制备的金薄膜，厚度为50-200nm；

5、所述背场层2，为重掺杂的p型inp，用于阻挡电子向界面的扩散，厚度为50-300nm,；

6、所述基区层3和发射层4，分别为p型轻掺杂的in1-xgaxasyp1-y和n型重掺杂的in1-xgaxasyp1-y，统合为超吸收层，根据工作波长确定材料组分，根据超吸收条件确定超吸收层厚度，厚度范围10-800nm；

7、所述前场层5，在太阳能电池中也叫窗口层，为重掺杂的n型inp，用于阻挡空穴向界面的扩散，同时钝化发射层4的表面，其厚度为50-300nm；

8、所述电极接触层6，为重掺杂的n型in1-xgaxasyp1-y，用于顶电极做欧姆接触，同时阻止电极合金化过程和退火过程中向吸收层的渗透。

9、本发明中，所述超吸收层结构为金属/非吸收介质/介质/非吸收介质的非对称fp腔结构，通过精心设计其结构厚度远小于工作波长，且基于强干涉效应可做到近100％吸收入射光；具体地，电池采用au/inp/in1-xgaxasyp1-y/inp结构，通过调节介质in1-xgaxasyp1-y的组分来改变其禁带宽度，以实现对不同波长激光的吸收；通过调节介质in1-xgaxasyp1-y的厚度来达成超吸收条件，以实现对工作波长激光近100％的超吸收。具体地，in0.53ga0.47as与inp晶格常数相同，基于inp衬底的与衬底晶格常数保持一致的in1-xgaxasyp1-y可视为inp与in0.53ga0.47as按一定比例组合而成，改变x，y的值可以使in1-xgaxasyp1-y禁带宽度在0.74ev和1.35ev之间连续分布，据此x，y的取值范围分别为0≤x≤0.47,0≤y≤1。介质in1-xgaxasyp1-y的厚度为10-800nm，以满足吸收层厚度处于工作波长的亚波长范围。

10、本发明中，器件整体厚度处于亚波长范围。

11、本发明中，背反射层(1)的材料视所选材料在工作波段的吸收情况可选择银、铝、铂、铜等金属。优选为金。

12、本发明中，所述背场层2的材料为p型重掺杂的inp，基区层3和发射层4分别为p型轻掺杂的in1-xgaxasyp1-y和n型重掺杂的in1-xgaxasyp1-y，组分根据工作波长调节，前场层5为n型重掺杂的inp，电极接触层6为n型重掺杂的in1-xgaxasyp1-y，以上材料可使用mocvd或mbe法生长。

13、本发明还提供上述超薄激光光伏电池的制备方法，具体步骤为：

14、(1)超薄激光光伏电池器件光学设计：对于inp/in1-xgaxasyp1-y材料体系，选取x和y的取值，得到与inp晶格匹配的inp/in1-xgaxasyp1-y材料，包括禁带宽度，匹配的波长，激光的光子能量；确定相应材料的光参后，对au/inp/in1-xgaxasyp1-y/inp器件结构进行光学优化计算，得到满足超吸收条件的in1-xgaxasyp1-y吸收层的厚度；

15、(2)超薄激光光伏电池器件电学设计：在得到满足超吸收条件的in1-xgaxasyp1-y吸收层的厚度后，针对这个光学结构进行电学结构设计，将吸收层分解为高掺杂的n型重掺杂发射层和p型轻掺杂吸收层，使其总厚度等于超吸收条件的吸收层厚度；两个inp层分别对应p型重掺的inp背场层和n型重掺的inp前场层，接触设为理想欧姆接触，确定器件每层的厚度、迁移率、禁带宽度、掺杂浓度、电子亲和势等电学参数后，对器件进行电学仿真，计算器件的光电转换效率，得到最佳的器件结构；

16、(3)超薄激光光伏电池器件制备：通过光学和电学设计得到合适的器件参数后，根据优化的器件参数进行实际制作；在inp单晶衬底上依次生长ingaas牺牲层、p型重掺的inp背场层、p型轻掺的in1-xgaxasyp1-y吸收层、n型重掺的in1-xgaxasyp1-y发射层、n型重掺的inp前场层、n型重掺的in1-xgaxasy p1-y电极层；在电极层上蒸镀条状顶电极后用h3po4/h2o2混合液腐蚀掉多余的电极层，保护好器件区后再用浓盐酸和h3po4/h2o2混合液依次腐蚀掉多余的inp前场层和两层in1-xgaxasyp1-y层，在inp背场层上的器件外区域蒸镀底电极，退火后既可得到需要的电池结构；将器件正面用光刻胶保护并用石蜡粘附于石英衬底上，背面inp衬底和ingaas牺牲层依次用盐酸和h3po4/h2o2混合液去除，用电子束蒸发法在inp背场层的背面蒸镀au，并用粘附剂粘附于石英或硅衬底上，用四氯化碳和丙酮去除正面的石蜡和光刻胶，得到具有au/inp/in1-xgaxasyp1-y/inp结构的电池器件。

17、与现有技术相比，本发明的优点在于：

18、1、选择合适的材料体系后通过组分参数的调节可以得到在一定范围内具有普适性的器件设计方案；

19、2、使用非对称fp腔结构获得具有超薄吸收层的激光光伏电池，其在工作波长内可以做到超吸收，使器件在不损失光吸收的前提下得到优于传统器件的电学性能；

20、3、通过仿真优化器件参数，指导器件的结构设计和工艺设计，减少试错成本。

21、该激光光伏电池可作为后端的监控、传感器、照明设备等仪器的电能来源，在弹药库、矿井、海底等领域展现出广阔的应用和良好的发展前景。