一种异质PN结空间电池外延片制造技术

本实用新型专利技术公开了一种异质PN结空间电池外延片，属于太阳能电池技术领域，其技术方案要点是，包括从上至下依次叠加组合在一起的GaAs欧姆接触层、顶电池、GaInP/AlGaAs隧穿结层、中电池、GaAs隧穿结层、GaAs/GaInAs缓冲层和底电池，其中顶电池包括从上至下依次叠加组合在一起的AlInP窗口层、GaInP发射区层、GaInP基区层和AlGaInP背面场层，中电池包括从上至下依次叠加组合在一起的AlInP窗口层以及GaInAs发射区层、GaInAs基区层、AlGaInAs背面场层和GaInAs/AlGaInAs分布式布拉格反射镜反射层，底电池包括从上至下依次叠加组合在一起的GaInP发射区层以及GaInP成核层和Ge衬底，底电池为异质Ge/GaInP PN结结构。该种异质PN结空间电池外延片实现了在不显著增加空间太阳能电池外延片制造成本的同时还能够获得更高的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种异质PN结空间电池外延片
本技术涉及太阳能电池
，具体为一种异质PN结空间电池外延片。
技术介绍
GaAs太阳能电池是目前空间飞行器的主要动力来源，和Si、CuInGaSe等光伏电池相比，具有光电转换效率高、抗辐照性能好、耐高温等特点。空间用GaAs电池外延片最常用的结构为晶格参数匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池结构（如图1），此结构优点是工艺简单、成本较低，但由于晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池能隙组合为1.90/1.40/0.67eV，其Ge底电池能隙较小，吸收的光谱范围较宽，其光生电流远大于GaInAs中电池和GaInP顶电池层，如此一来，各子电池电流的不匹配造成了太阳光利用率的损失，因此其光电转换效率较低，只能达到30%（AM0）左右。如今为了提高电池的光电转化效率，出现了倒装、失配、多结等电池结构，但这些结构与衬底Ge或GaAs不匹配，需要较厚的缓冲层消除应力，造成了其工艺复杂、制造成本高等缺点，限制了其广泛的应用。因此，在不显著增加空间太阳能电池外延片制造成本的同时还能够获得更高的光电转换效率仍是目前空间电池行业的难点之一。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种异质PN结空间电池外延片，该种异质PN结空间电池外延片实现了在不显著增加空间太阳能电池外延片制造成本的同时还能够获得更高的光电转换效率。本技术具体采用如下技术方案：一种异质PN结空间电池外延片，包括从上至下依次叠加组合在一起的GaAs欧姆接触层、顶电池、GaInP/AlGaAs隧穿结层、中电池、GaAs隧穿结层、GaAs/GaInAs缓冲层和底电池，其中所述顶电池包括从上至下依次叠加组合在一起的AlInP窗口层、GaInP发射区层、GaInP基区层和AlGaInP背面场层，所述中电池包括从上至下依次叠加组合在一起的所述AlInP窗口层以及GaInAs发射区层、GaInAs基区层、AlGaInAs背面场层和GaInAs/AlGaInAs分布式布拉格反射镜反射层，所述底电池包括从上至下依次叠加组合在一起的所述GaInP发射区层以及GaInP成核层和Ge衬底，所述底电池为异质Ge/GaInPPN结结构。进一步的，所述底电池中，N型材料为GaInP。综上所述，本技术具有以下有益效果：该种异质PN结空间电池外延片，将底电池PN结由传统的Ge同质PN结改进为异质Ge/GaInPPN结结构，并且在底电池PN结结构中，N型材料为GaInP，从而能够增大底电池的开路电压，提升了电池的光电转化率，另外，改进的结构对电池外延片的制造成本和工艺复杂度没有增加，适合广泛的推广，实现了在不显著增加空间太阳能电池外延片制造成本的同时还能够获得更高的光电转换效率。附图说明图1为常规的晶格匹配三结GaInP/GaInAs/Ge电池结构示意图；图2为本技术的异质PN结三结GaInP/GaInAs/Ge电池结构示意图。图中：1、GaAs欧姆接触层；2、AlInP窗口层；3、GaInP发射区层；4、GaInP基区层；5、AlGaInP背面场层；6、GaInP/AlGaAs隧穿结层；7、GaInAs发射区层；8、GaInAs基区层；9、AlGaInAs背面场层；10、GaInAs/AlGaInAs分布式布拉格反射镜反射层；11、GaAs隧穿结层；12、GaAs/GaInAs缓冲层；13、AlGaInP成核层；14、Ge衬底；15、GaInP成核层。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。请参阅图2，一种异质PN结空间电池外延片，包括从上至下依次叠加组合在一起的GaAs欧姆接触层1、顶电池、GaInP/AlGaAs隧穿结层6、中电池、GaAs隧穿结层11、GaAs/GaInAs缓冲层12和底电池，其中顶电池包括从上至下依次叠加组合在一起的AlInP窗口层2、GaInP发射区层3、GaInP基区层4和AlGaInP背面场层5，中电池包括从上至下依次叠加组合在一起的AlInP窗口层2以及GaInAs发射区层7、GaInAs基区层8、AlGaInAs背面场层9和GaInAs/AlGaInAs分布式布拉格反射镜反射层10，这里的分布式布拉格反射镜可缩写为DBR（distributedBraggreflection），底电池包括从上至下依次叠加组合在一起的GaInP发射区层3以及GaInP成核层15和Ge衬底14，底电池为异质Ge/GaInPPN结结构，并且在底电池中，N型材料为GaInP。传统的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池光电转化效率与开路电压、短路电流和填充因子有关。晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge电池结构由于Ge底电池能隙较低，只有0.67eV左右，较多光能被底电池吸收，造成了与中电池和顶电池的电流不匹配，从而影响了其光电转化效率。为了提升电池的光电转化效率，一种途径是提升电池的短路电流，即增加中电池和顶电池电流、减少底电池电流，从而使电流更匹配，提升太阳光能的利用率，如失配、倒装等结构；另一种途径是提升电池的开路电压，采用优化各子电池的能隙组合或增加电池结数等方法，如顶电池无序、四结电池结构等。上述第一种途径中的失配、倒装等电池结构，由于衬底和外延层晶格不匹配，需要较厚的缓冲层来减少失配、倒装等结构的位错，从而增加了电池外延片的制造成本。因此本技术采用的是第二种途径：提升电池的开路电压。三结GaInP/GaInAs/Ge电池开路电压为各子电池的开路电压数值之和。增加任何一个子电池的开路电压都能提升电池的整体开路电压。开路电压与各子电池内建电场电势差正相关，内建电势差越大，内建电场强度越强，光生载流子收集效率越高，载流子复合越小，电池开路电压越大。内建电势差与电池PN结材料的禁带宽度、电子亲和势、掺杂激活能等都有关联。对于PN结电池的N极材料，电子亲和势和掺杂激活能越小、禁带宽度越大，PN结内建电势差越大。由于中电池和顶电池短路电流远低于底电池短路电流，如果提升中电池或顶电池的开路电压，将导致其吸收的太阳光波段更窄，从而造成更严重的电流不匹配问题，得不偿失。对比图1和图2可知，本技术在晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池基础上，将底电池设计为异质Ge/GaInPPN结结构（即将AlGaInP成核层13替换成了GaInP发射区层3和GaInP成核层15），相比于改进前底电池同质GePN结结构，增加了底电池的开路电压，提升了电池的整体光电效率。并且在异质Ge/GaInPPN结中，N型材料为GaInP掺杂Si，相比于改进前的Ge掺杂P材料，其电子亲和势和掺杂激活能更小，禁带宽度更大，因此能显著增加底电池的开路电压。改进后，由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异质PN结空间电池外延片，包括从上至下依次叠加组合在一起的GaAs欧姆接触层（1）、顶电池、GaInP/AlGaAs隧穿结层（6）、中电池、GaAs隧穿结层（11）、GaAs/GaInAs缓冲层（12）和底电池，其中所述顶电池包括从上至下依次叠加组合在一起的AlInP窗口层（2）、GaInP发射区层（3）、GaInP基区层（4）和AlGaInP背面场层（5），所述中电池包括从上至下依次叠加组合在一起的所述AlInP窗口层（2）以及GaInAs发射区层（7）、GaInAs基区层（8）、AlGaInAs背面场层（9）和GaInAs/AlGaInAs分布式布拉格反射镜反射层（10），其特征在于：所述底电池包括从上至下依次叠加组合在一起的所述GaInP发射区层（3）以及GaInP成核层（15）和Ge衬底（14），所述底电池为异质Ge/GaInP PN结结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种异质PN结空间电池外延片，包括从上至下依次叠加组合在一起的GaAs欧姆接触层（1）、顶电池、GaInP/AlGaAs隧穿结层（6）、中电池、GaAs隧穿结层（11）、GaAs/GaInAs缓冲层（12）和底电池，其中所述顶电池包括从上至下依次叠加组合在一起的AlInP窗口层（2）、GaInP发射区层（3）、GaInP基区层（4）和AlGaInP背面场层（5），所述中电池包括从上至下依次叠加组合在一起的所述AlInP窗口层（2）以及G...

【专利技术属性】
技术研发人员：万智，徐培强，林晓珊，张银桥，王向武，潘彬，
申请(专利权)人：南昌凯捷半导体科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江西;36