一种两结激光电池外延层及其制备方法与流程

本发明属于太阳能电池领域，尤其是涉及一种两结激光电池外延层及其制备方法。

背景技术：

目前，激光电池在空间无线能量传输领域有很大的应用前景，适合在空间无线传输中(高轨的空间飞行器太阳电池阵实现太阳能转换为电能，电能再转换为激光，借助激光电池实现激光对地面激光电池阵供能、激光对临近空间的无人机供能、激光对低轨的空间飞行器供能)，作为能量接收器使用或信号接收器使用。然而目前国内还没有任何公司或者研究所研究出相关的商用产品，对多结激光电池的研究尚属空白。

以GaAs为代表的III-V族化合物具有许多优点，例如它具有直接带隙的能带结构，光吸收系数大，还具有良好的抗辐照性能和较小的温度系数，是作为激光电池的理想材料。对于功率较高的激光来说，采用多结的GaAs太阳电池可以减小总电流，从而可以减小串联电阻引起的功率损失，提高转换效率。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种两结激光电池外延层及其制备方法，其晶体质量较好，稳定性强，易于制作，并可在将来作为完整的电池直接应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种两结激光电池外延层，包括从下至上依次设置在GaAs衬底上的GaAs缓冲层、第一隧道结、第一GaAs电池、第二隧道结、第二GaAs电池和cap层。

技术方案中，优选的，GaAs缓冲层使用n型掺杂剂，掺杂剂的掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，GaAs缓冲层的厚度为100nm-4000nm。

技术方案中，优选的，第一隧道结包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n⁺-GaInP层和p型掺杂剂掺杂的p⁺-AlGaAs层，n⁺-GaInP层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，p⁺-AlGaAs层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3。

技术方案中，优选的，第一GaAs电池包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂剂掺杂的p-GaAs基区层，发射区层的厚度为50nm-1000nm，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，基区层的厚度为500nm-5000nm，掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10¹⁸cm^-3。

技术方案中，优选的，第二隧道结包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n⁺-GaInP层和p型掺杂剂掺杂的p⁺-AlGaAs层，n⁺-GaInP层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，p⁺-AlGaAs层的厚度为10nm-100nm，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3。

技术方案中，优选的，第二GaAs电池包括依次设置的n型掺杂剂掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂剂掺杂的p-GaAs基区层，发射区层的厚度为50nm-1000nm，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，基区层的厚度为500nm-5000nm，掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10¹⁸cm^-3。

技术方案中，优选的，cap层为n型掺杂剂掺杂的n⁺-Ga_1-xIn_xAs，其中0.01≤x≤0.4，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度为50nm-1000nm。

技术方案中，优选的，p型掺杂剂为Zn、Mg或C。

技术方案中，优选的，n型掺杂剂为Si、Se或Te。

一种制备两结激光电池外延层的方法，包括以下步骤：采用金属有机化学气相沉积技术在GaAs衬底上沉积GaAs缓冲层；在GaAs缓冲层上依次生长第一隧道结、第一GaAs子电池、第二隧道结、第二GaAs子电池和cap层。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、该两结激光电池采用两个子电池串联减小总电流，从而可以减小串联电阻引起的功率损失，提高转换效率。

2、本发明的一种两结激光电池外延层的制备方法，采用金属有机化学气相沉积技术，生长过程可以得到精确控制，形成的晶体质量好。

3、本发明的两结激光电池外延层易于生长，后续工艺流程成熟，产品电池稳定性好，具有大批生产的潜力。

附图说明

图1为本发明一种两结激光太阳电池结构示意图。

图中：

1、GaAs衬底 2、GaInAs缓冲层 3、第一隧道结

4、GaAs子电池 5、第二隧道结 6、GaAs子电池

7、cap层

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

一种两结激光太阳电池，包括砷化镓衬底，从下至上依次为GaAs缓冲层、第一隧道结、(AlGa)_1-xIn_xAs渐变缓冲层、GaAs电池、第二隧道结、GaAs电池和cap层。其制作过程为：

1.采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)在砷化镓衬底上面沉积GaAs缓冲层；

GaAs缓冲层，其n型掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，反应室压力为50-200mbar，生长温度为600–700℃，厚度范围为100-4000nm；

2.在GaAs缓冲层上生长第一隧道结，包括依次生长n型掺杂的n+-GaInP层和p型掺杂的p+-AlGaAs层，其中n+-GaInP层的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范围为10nm-100nm，生长温度为550–650℃；其中p+-AlGaAs层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范围为10nm-100nm，生长温度为550–650℃；

3.在第一隧道结上生长第一GaAs子电池，包括依次生长n型掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂的p-GaAs基区层，其中n-GaAs发射区层的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为50nm-1000nm，生长温度为600–700℃；其中p-GaAs基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10¹⁸cm^-3，厚度范围为500nm-5000nm，生长温度为600–700℃；

4.在第一GaAs子电池上生长第二隧道结，包括依次生长n型掺杂的n+-GaInP层和p型掺杂的p+-AlGaAs层，其中n+-GaInP层的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范围为10nm-100nm，生长温度为550–650℃；其中p+-AlGaAs层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范围为10nm-100nm，生长温度为550–650℃；

5.在第二隧道结上生长第二GaAs子电池，包括依次生长n型掺杂的n-GaAs发射区层和p型掺杂的p-GaAs基区层，其中n-GaAs发射区层的掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为50nm-1000nm，生长温度为600–700℃；其中p-GaAs基区层的掺杂剂为Zn、Mg或C，掺杂浓度为1×10¹⁵-1×10¹⁸cm^-3，厚度范围为500nm-5000nm，生长温度为600–700℃；

6.在第二子电池上生长cap层；

帽层为n型掺杂的n+-Ga1-xInxAs，其中0.01≤x≤0.4，掺杂剂为Si、Se或Te，掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²¹cm^-3，厚度范围为50nm-1000nm，生长温度为550–700℃。

上述各层材料生长之后，总时间为1-3小时，之后的器件工序和正向匹配三结太阳电池完全相同，是公知的技术。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。