一种基于GaSb的In1-xGaxSb/GaSb应变量子阱中间能带热光伏电池及其制备方法技术

一种基于GaSb的In1-xGaxSb/GaSb应变量子阱中间能带热光伏电池及其制备方法，属于热光伏电池技术领域。从上到下依次为上电极、重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口层、p型GaSb有源区、本征GaxIn1-xSb/GaSb多量子阱、n型GaSb有源区、重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层、n型GaSb衬底和背电极；其中，本征GaxIn1-xSb/GaSb多量子阱的个数为4～5个，上电极的面积占电池上表面总面积的8～10％。本发明专利技术利用低压金属有机物化学气相外延技术，在n型GaSb衬底上制备结构为各层结构，并利用电子束蒸发技术制备上电极和背电极。本发明专利技术的热光伏电池在辐射器温度为1050℃，电池的工作温度为25℃时，能量转换效率能达到36.4％，输出电功率密度能达到5.6W/cm2。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热光伏电池
，具体涉及一种基于GaSb的In1-xGaxSb/GaSb应变量子阱中间能带热光伏电池及其制备方法。
技术介绍
热光伏(Thermphotovoltaic：TPV)技术是一种利用半导体p-n结在光照下的光生伏特效应将热辐射体辐射出的红外光子转换为电能的光伏转换技术，具有输出电功率密度高、光谱控制下的能量转换效率高和静音便携等优点。热光伏电池系统的两大核心组件是热辐射体和TPV电池。热辐射体的热源可来源于工业废热、垃圾焚烧热、化石燃料燃烧热、核热能等，因此，热光伏发电将可应用于环保节能汽车、垃圾焚烧处理、热电两用等场合，形成巨大的产业。热辐射体的辐射特性满足普朗克辐射定律，温度范围在950～1500℃，对应半导体材料最佳禁带宽度在0.3～0.7eV之间，低温热辐射源的TPV电池系统具有稳定性好、安全性高等优势。另外，热辐射体离TPV电池很近，可获得5～30W/cm2的高光功率输入密度。锑化物材料是国际上公认的TPV器件的首选材料。美国的JX Crystal公司已将GaSb TPV单节器件实现了商业化，热光伏系统效率为24％，此外，据报道，单节三元GaxIn1-xSb TPV能量转换效率最高为13％，单节四元GaxIn1-xAsySb1-y能量转换效率最高为28％。可见，单节热光伏电池的转换效率低，其原因主要是光谱利用率低。然而，多节和量子阱TPV电池却能弥补单节TPV电池的不足。多节锑化物TPV器件主要是二元GaSb顶电池与四元GaxIn1-xAsySb1-y底电池通过重掺杂的GaSb隧道结连接形成叠层TPV器件。顶电池吸收能量大的光子，底电池吸收能量小的光子，这样就拓宽了光谱的吸收范围，从而达到提高转换效率的目的。然而，GaSb和GaxIn1-xAsySb1-y形成叠层TPV器件的条件要求两者晶格匹配，以便减少失配位错等晶格缺陷引起器件性能下降。因此，多节热光伏电池在各个子电池材料与隧道结材料的匹配和选择方面受到限制。量子阱电池是通过在p-i-n结构中引入比有源区禁带宽度小的量子阱结构的材料代替本征区的材料而形成，该结构有两方面优势：一是通过改变量子阱结构中材料厚度或组分从而改变材料有效禁带宽度，达到拓宽对光谱利用的目的，利用这种机制的器件为量子阱太阳能电池或量子阱TPV电池，该概念由英国伦敦大学皇家学院的K.Barnham提出；二是利用量子尺寸效应，在有源区的禁带中形成中间能带，这样价带底的电子不但可以吸收能量高的光子跃迁到导带，还可以通过吸收能量低的光子先跃迁到中间能带，再通过吸收低能光子跃迁到导带，这样进一步拓宽了对光谱的利用效率，利用该种机制的器件为量子阱中间带太阳能电池或量子阱中间能带TPV电池，此概念由西班牙马德里理工大学的A.Luque和A.Martí提出。无论是哪种优势，都打破了多节器件在材料选择方面限制的瓶颈，增加了在器件设计中对材料的选择灵活性。另外，与一般单节和多节的光电池相比，量子阱光电池具有的另一个优势是其短路电流和开路电压基本是由量子阱的阱材料和垒材料分开决定，因此可以分别优化。对于量子阱TPV器件而言，阱区产生的光生载流子除了通过光激发的机制跃迁到导带，还可以通过热电子发射的方式跃迁到导带，这样降低了量子阱TPV器件对温度的敏感性，使之能在温度较高的环境下也能正常工作。目前，文献报道比较多的是量子阱结构在太阳能电池方面的应用，而在TPV方面的应用，已经有英国伦敦帝国大学等单位报道了量子阱TPV光电池，但是他们主要用应变平衡的原理，并无中间能带的应用，即他们并没有利用中间能带的特点。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术通过在GaSb材料p-n结的结构中，插入GaxIn1-xSb/GaSb多量子阱结构，利用足够薄的阱材料GaxIn1-xSb的量子尺寸效应和垒材料GaSb对阱材料的限制作用，在阱材料中产生束缚态，形成中间能带。本专利技术所述的一种基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb应变量子阱中间能带热光伏电池，结构从上到下依次为：上电极、重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口层、p型GaSb有源区、本征GaxIn1-xSb/GaSb多量子阱、n型GaSb有源区、重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层、n型GaSb衬底和背电极，其中，本征GaxIn1-xSb/GaSb多量子阱的个数为4～5个。进一步的，前面所述的n型GaSb衬底是通过购买获得，它是掺Te的n型GaSb抛光单晶片，净施主Te的掺杂浓度约为4.7×1017/cm3，厚度为500±25μm，晶向由(100)向(110)方向偏2°。前面所述的重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层和重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口层均为与GaSb衬底晶格匹配的Alx0Ga1-x0Asy0Sb1-y0四元合金材料，其组分x0、x1、x2和y0、y1、y2满足关系：y0＝0.093x0/(1+0.061x0)，y1＝0.093x1/(1+0.061x1)，y2＝0.093x2/(1+0.061x2)，x0、x1、x2均取0.05～0.35，y0、y1、y2均取0.005～0.03，对应的禁带宽度均为0.807～1.22eV，重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层和重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口层的厚度和掺杂浓度均为45～60nm和1×1019～2×1019/cm3。重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口层的作用是阻挡光生电子，减少表面复合，从而提高开路电压；重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层的作用是阻挡光生空穴的界面复合，提高开路电压。前面所述的GaxIn1-xSb/GaSb多量子阱，量子阱个数为4～5，垒材料为本征GaSb，其厚度为10～15nm，阱材料为本征GaxIn1-xSb，其厚度为5.5～6.5nm，组分x在0.25～0.35之间。前面所述的n型GaSb有源区的厚度为6～8μm，掺杂浓度为9.5×1017～2×1018/cm3，p型GaSb有源区的厚度为0.2～0.4μm，掺杂浓度为9.5×1017～2×1018/cm3。前面所述重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层和n型GaSb有源区的掺杂剂均为Te，重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于GaSb的GaxIn1‑xSb/GaSb应变量子阱中间能带热光伏电池，其特征在于：从上到下依次为上电极、重掺杂的p型Alx1Ga1‑x1Asy1Sb1‑y1窗口层、p型GaSb有源区、本征GaxIn1‑xSb/GaSb多量子阱、n型GaSb有源区、重掺杂的n型Alx2Ga1‑x2Asy2Sb1‑y2背面电场层、n型GaSb衬底和背电极；其中，本征GaxIn1‑xSb/GaSb多量子阱的个数为4～5个，上电极的面积占电池上表面总面积的8～10％。

【技术特征摘要】
1.一种基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb应变量子阱中间能带热光伏电池，其特
征在于：从上到下依次为上电极、重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口层、
p型GaSb有源区、本征GaxIn1-xSb/GaSb多量子阱、n型GaSb有源区、重掺
杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层、n型GaSb衬底和背电极；其中，
本征GaxIn1-xSb/GaSb多量子阱的个数为4～5个，上电极的面积占电池上表
面总面积的8～10％。
2.如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb应变量子阱中间能
带热光伏电池，其特征在于：n型GaSb衬底是掺Te的n型GaSb抛光单晶片，
净施主Te的掺杂浓度为4.7×1017/cm3，厚度为500±25μm，晶向由(100)
向(110)方向偏2°。
3.如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb应变量子阱中间能
带热光伏电池，其特征在于：重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层
和重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口层均为与GaSb衬底晶格匹配的
Alx0Ga1-x0Asy0Sb1-y0四元合金材料，其组分满足关系y0＝0.093x0/
(1+0.061x0)，y1＝0.093x1/(1+0.061x1)，y2＝0.093x2/(1+0.061x2)，x0、
x1、x2均取0.05～0.35，y0、y1、y2均取0.005～0.03，对应的禁带宽度均为
0.807～1.22eV，重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层和重掺杂的p
型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口层的厚度和掺杂浓度均为45～60nm和
1×1019～2×1019/cm3。
4.如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb应变量子阱中间能
带热光伏电池，其特征在于：GaxIn1-xSb/GaSb多量子阱中垒材料为本征
GaSb，其厚度为10～15nm，阱材料为本征GaxIn1-xSb，其厚度为5.5～6.5
nm，组分x取0.25～0.35。
5.如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb应变量子阱中间能
带热光伏电池，其特征在于：n型GaSb有源区的厚度为6～8μm，掺杂浓度
为9.5×1017～2×1018/cm3，p型GaSb有源区的厚度为0.2～0.4μm，掺杂浓
度为9.5×1017～2×1018/cm3。
6.如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb应变量子阱中间能

\t带热光伏电池，其特征在于：重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层
和n型GaSb有源区的掺杂剂均为Te，重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口
层和p型GaSb有源区的掺杂剂均为Zn。
7.如权利要求1所述的一种基于GaSb的GaxIn1-xSb/GaSb应变量子阱中间能
带热光伏电池，其特征在于：上电极的材料是双层的Au-Pb/Au材料，合金
质量比例为Au：Pb＝6：4，第一层Au-Pb合金层厚度为40～60nm，第二层
Au金属层厚度为100～150nm；背电极的材料为双层的Au-Ge-Ni/Au材料，
合金质量比例为Au：Ge：Ni＝84：14：2，第一层Au-Ge-Ni合金层厚度为
20～40nm，第二层Au金属层厚度为200～300nm。
8.权利要求1所述的一种基于GaSb的In1-xGaxSb/GaSb应变量子阱中间能带热
光伏电池的制备方法，其步骤如下：
1)衬底的清洗及腐蚀：将n型GaSb衬底在硝酸、盐酸和冰醋酸的混合液
中腐蚀10～15分钟后，立即用去离子水清洗、高纯氮吹干放入
LP-MOCVD设备的反应室中；其中，硝酸、盐酸和冰醋酸的用量范围
为1～3mL：5～15mL：40～60mL；
2)生长程序设定：将重掺杂的n型Alx2Ga1-x2Asy2Sb1-y2背面电场层/n型
GaSb有源层/4～5个本征InxGa1-xSb/GaSb多量子阱/p型GaSb有源层/
重掺杂的p型Alx1Ga1-x1Asy1Sb1-y1窗口层的生长参数进行设定，包括每一
层材料的生长温度，生长每一层材料时各有机源和掺杂的流量及载气氢
气...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宝林，刘仁俊，王连锴，吕游，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22