專利名稱：一種激光光纖供能電池及激光光纖供能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及太陽能聚光電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光光纖供能電池及激光光纖供能系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于光纖具有絕緣，抗腐蝕，非易燃易爆的特點(diǎn)，因此相比較傳統(tǒng)電力銅纜，使用光纖來傳遞能量能夠更為可靠，并且在一些例如高壓，易爆，易腐蝕或者太空領(lǐng)域的常規(guī)電力銅纜無法正常使用的場(chǎng)合，激光光纖供能則能夠發(fā)揮更大的作用。激光光纖供能系統(tǒng)一般由激光器，傳能光纖，光伏電池三部分組成，高效率的光伏電池是系統(tǒng)中的核心，它是利用光生伏特效應(yīng)將高密度的入射單色光直接轉(zhuǎn)換為電能給負(fù)載進(jìn)行供電。為了盡量獲取更多的電力，高效率是光供能電池最重要的指標(biāo)之一，由于入射光譜正好位于電池最大外量子效率點(diǎn)，因此相比較常規(guī)的廣譜太陽能電池來說，光供能電池能夠提供更高的光電轉(zhuǎn)換效率。砷化鎵材料是激光光纖供能電池最常用的材料，這個(gè)主要是因?yàn)樯榛壥侵苯訋栋雽?dǎo)體材料，吸收系數(shù)高，溫度系數(shù)低，禁帶寬度大，并且砷化鎵太陽能電池能夠無缺陷直接外延在半絕緣的砷化鎵材料上，因此在激光光纖供能電池中得到廣泛應(yīng)用。但是砷化鎵材料相比較其它半導(dǎo)體材料，其成本較高，并且砷化鎵材料本身非常易碎，因此在制作中需要額外注意。此外，相對(duì)于砷化鎵材料的最大吸收峰值在830nm附近，因此在此類光供能系統(tǒng)中，激光器一般米用830nm大功率激光器,而對(duì)應(yīng)的激光器往往米用招鎵砷/砷化鎵異質(zhì)結(jié)激光器，或者采用多光束的陣列激光器或者固體激光器，而此類激光器的成本較高，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)上升。另外對(duì)于傳能光纖來說，盡管830nm正好位于光通信損耗較小的第一窗口，但是相比較損耗更小的第二窗口 1310nm和第三窗口 1550nm來說，830nm的光能損耗依舊接近其它兩個(gè)窗口的兩倍，而對(duì)于砷化鎵材料來說由于其截止波長在870nm附近，因而不能夠直接使用損耗更小的第二和第三窗口，導(dǎo)致這樣的砷化鎵光供能系統(tǒng)在長距離能源傳輸中受限比較大。為了解決這個(gè)問題，也有人提出采用禁帶寬度更小的磷化銦材料來制作光供能電池，從而能夠在光纖傳輸損耗更小的第二窗口使用，但是由于磷化銦材料的禁帶寬度較小，因而開路電壓較低，因此需要額外更多數(shù)量的電池串聯(lián)來達(dá)到負(fù)載需求，并且這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)制作工藝復(fù)雜，從而成本進(jìn)一步增加。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中砷化鎵材料制成的激光光纖供能電池成本較高，采用的激光器造價(jià)高導(dǎo)致整個(gè)激光光纖供能系統(tǒng)的造價(jià)上升的缺陷，提供一種激光光纖供能電池及激光光纖供能系統(tǒng)。[0009]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種激光光纖供能電池，包括半絕緣襯底和蓋帽層，所述的半絕緣襯底采用未摻雜的鍺基底。按上述方案，所述激光光纖供能電池的電極結(jié)構(gòu)從下到上依次為N電極導(dǎo)電層、背反射層、基極層、發(fā)射極層和P電極導(dǎo)電層；N電極導(dǎo)電層外延生長在半絕緣襯底上，蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上。按上述方案，所述激光光纖供能電池的半絕緣襯底厚度為IOOum到700um; N電極導(dǎo)電層厚度為0.5um到5um ;背反射層在N電極導(dǎo)電層之上，厚度為002um到0.2um ;基極層在背反射層之上，厚度為0.5um到3um ;發(fā)射極層在基極層之上，厚度為0.05um到Ium ；P電極導(dǎo)電層在發(fā)射極層之上，厚度為0.5um到5um ;蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上，厚度為0.2um到 0.5umο按上述方案，所述的N電極導(dǎo)電層采用高摻雜濃度并且具有一定厚度的材料。按上述方案，所述的背反射層采用高禁帶寬度和高摻雜濃度的材料。按上述方案，所述的背反射層采用稼銦磷或者鋁稼砷。按上述方案，其特征在于，該激光光纖供能電池是將多個(gè)子電池串聯(lián)在同一個(gè)半絕緣襯底上根據(jù)上述激光光纖供能電池，本實(shí)用新型還提供一種激光光纖供能系統(tǒng)，其技術(shù)方案為:一種激光光纖供能系統(tǒng)，包括激光器，傳能光纖和光伏電池，所述光伏電池包括半絕緣襯底和蓋帽層，其特征在于，所述的半絕緣襯底采用未摻雜的鍺基底。按上述方案，所述光伏電池的電極結(jié)構(gòu)從下到上依次為N電極導(dǎo)電層、背反射層、基極層、發(fā)射極層和P電極導(dǎo)電層，N電極導(dǎo)電層外延生長在半絕緣襯底上，蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上。按上述方案，所述光伏電池的半絕緣襯底厚度為IOOum到700um ； N電極導(dǎo)電層厚度為0.5um到5um ;背反射層在N電極導(dǎo)電層之上，厚度為002um到0.2um ;基極層在背反射層之上，厚度為0.5um到3um ;發(fā)射極層在基極層之上，厚度為0.05um到Ium ；P電極導(dǎo)電層在發(fā)射極層之上，厚度為0.5um到5um ;蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上，厚度為0.2um到
0.5um。按上述方案，所述光伏電池的N電極導(dǎo)電層采用高摻雜濃度并且具有一定厚度的材料。按上述方案，所述光伏電池的背反射層采用高禁帶寬度和高摻雜濃度的材料。按上述方案，所述光伏電池的背反射層采用稼銦磷或者鋁稼砷。按上述方案，所述光伏電池是將多個(gè)子電池串聯(lián)在同一個(gè)半絕緣襯底上。按上述方案，所述的激光器為大功率980nm泵浦激光器。本實(shí)用新型產(chǎn)生的有益效果是:1.砷化鎵材料本身非常易碎，鍺材料硬度比砷化鎵要高，因此在工藝制作過程中不易碎。2.相對(duì)砷化鎵材料，其截至波長在950nm附近，因而對(duì)于砷化鎵光供能電池是不能直接使用損耗更低的1310窗口和1550窗口 ；鍺材料在900nm到1800nm都有比較高的量子效率，因此可以直接使用1310nm和1550nm的低損耗窗口，這樣就避免了需要不同窗口使用不同材料電池的問題，具有一定的窗口兼容性3.由于鍺材料在980nm附近也有比較高的量子效率，因此，供能系統(tǒng)能夠直接使用已經(jīng)非常成熟的大功率980nm泵浦激光器，與830nm的鋁鎵砷/砷化鎵異質(zhì)結(jié)激光器相t匕，大功率980nm泵浦激光器廣泛用于光纖通信系統(tǒng)光放大器，不僅成本更為便宜，而且長
期可靠性更高。

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，附圖中:圖1是激光光纖供能系統(tǒng)不意圖；圖2是砷化鎵電池的外量子效率；圖3是鍺電池的外量子效率；圖4是多模光纖傳輸損耗圖；圖5是本實(shí)用新型所提出的鍺激光電池結(jié)構(gòu)圖；圖6是本實(shí)用新型所提出的鍺激光電池串聯(lián)側(cè)面結(jié)構(gòu)圖；圖7是本實(shí)用新型所提出的鍺激光電池表面電極圖；其中，I是未摻雜的鍺襯底，2是N型Ge導(dǎo)電層，3是背面反射層，4是電池基極，5是電池發(fā)射極，6是P極導(dǎo)電層，7是Ge蓋帽層，8是金屬電極，9是二氧化硅鈍化層，10是聚酰亞胺絕緣層。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型明。在本實(shí)施例中，如圖1所示，激光光纖供能系統(tǒng)由大功率激光器，傳能光纖，光伏電池三部分組成。為了保證光供能電池的最大轉(zhuǎn)換效率,大功率激光器的波長選擇一般在光供能電池的最大外量子效率點(diǎn)附近，對(duì)于常用的砷化鎵光供能電池，其最大外量子效率點(diǎn)在SOOnm左右，因而一般采用輸出波長在830nm的鋁鎵砷/砷化鎵異質(zhì)結(jié)激光器。圖2給出了砷化鎵電池的量子效率，可以看出對(duì)于砷化鎵材料，其截至波長在950nm附近，因而對(duì)于砷化鎵光供能電池是不能直接使用損耗更低的1310窗口和1550窗口。為了解決這個(gè)問題，我們提出一種以鍺材料為基礎(chǔ)的光供能電池，鍺材料的禁帶寬度是0.67ev,經(jīng)常使用在三結(jié)聚光太陽能電池GalnP/GaAs/Ge中的最下一結(jié)，用來吸收能量更低的長波。鍺材料硬度比砷化鎵要高，因此在工藝制作中不易碎。如圖3所示，鍺材料在900nm到1800nm都有比較高的量子效率，因此可以直接使用1310nm和1550nm的低損耗窗口，這樣就避免了需要不同窗口使用不同材料電池的問題，具有一定的窗口兼容性。另外，由于鍺材料在980nm附近也有比較高的量子效率，因此，能夠直接使用已經(jīng)非常成熟的大功率980nm泵浦激光器，與830nm的鋁鎵砷/砷化鎵異質(zhì)結(jié)激光器相比，大功率980nm泵浦激光器廣泛用于光纖通信系統(tǒng)光放大器，已經(jīng)產(chǎn)品化多年，市場(chǎng)規(guī)模大，穩(wěn)定性和可靠性滿足20年以上要求，在成本方面則更為便宜。此外，圖4給出了多模光纖傳輸百公里損耗，可以看出盡管在光纖傳輸中980nm損耗依舊高于第二窗口和第三窗口損耗，但是與常規(guī)850nm的砷化鎵激光光纖供能電池相比的損耗則降低了很多，由此可見，更寬的窗口兼容性，成本更低并且更可靠的激光光源，更低的傳輸損耗，這些優(yōu)點(diǎn)使得我們所提出的基于鍺材料的激光光纖供能系統(tǒng)有更多優(yōu)勢(shì)。圖5給出了本發(fā)明所提的鍺激光光纖供能電池的一種結(jié)構(gòu)，可以采用PPNN的結(jié)構(gòu)。從下到上依次為，半絕緣襯底，N電極導(dǎo)電層，背反射層，基極層，發(fā)射極層，P電極導(dǎo)電層和蓋帽層。其中，半絕緣襯底為最底層，典型厚度為IOOum到700um;重?fù)诫s的N電極導(dǎo)電層外延生長在半絕緣襯底上，典型厚度為0.5um到5um ;背反射層在N電極導(dǎo)電層之上，典型厚度為002um到0.2um ;基極層在背反射層之上，典型厚度為0.5um到3um ;發(fā)射極層在基極層之上，典型厚度為0.05um到Ium ；P電極導(dǎo)電層在發(fā)射極層之上，典型厚度為0.5um到5um ;蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上，典型厚度為0.2um到0.5um。所述的鍺激光光纖供能電池結(jié)構(gòu)中的半絕緣襯底可以采用未摻雜的鍺基底，這樣一方面基底材料和外延材料可以保證晶格匹配，另外，由于鍺材料的高硬度性，因而可以使得電池制作過程中不易碎裂；N電極導(dǎo)電層需要高摻雜濃度并且需要一定厚度，這樣在電流傳導(dǎo)時(shí)可以保證阻抗最??；背反射層一般為高禁帶寬度和高摻雜濃度的材料，本發(fā)明中可以采用稼銦磷或者鋁稼砷，這層的作用有兩個(gè)，一是可以利用內(nèi)部勢(shì)壘差將部分沒有完全吸收的光生載子反射回去，另外一個(gè)是在采用濕法刻蝕時(shí)可以作為刻蝕停止層；高濃度高厚度的基極層和薄厚度的發(fā)射極層構(gòu)成了 P/N結(jié)，用來分離和收集光生載子；頂層的高摻雜濃度蓋帽層則可以保證金屬電極和外延層的接觸阻抗最小。為了保證有足夠的輸出電壓，本發(fā)明所提出的電池結(jié)構(gòu)還要對(duì)多個(gè)子電池進(jìn)行串聯(lián)，圖6給出了側(cè)面結(jié)構(gòu)，利用微電子工藝將多個(gè)電池串聯(lián)在同一個(gè)半絕緣襯底上，可以保證激光光纖供能電池有效收光面積最大，并且這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證電池有足夠的散熱，從而提聞了光電轉(zhuǎn)換效率。圖7給出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)例的表面電極圖形，為了保證激光電池輸出高的光電轉(zhuǎn)換效率，電極設(shè)計(jì)需要考慮遮擋面積和接觸阻抗，考慮到輸入光斑為一典型高斯分布，因而可以設(shè)計(jì)內(nèi)密外疏的電極分布，保證電流匹配。需要說明的是，不同電極圖案只是表面圖形有所區(qū)別，但還符合本專利所保護(hù)的范圍。利用這樣的鍺激光光纖供能電池，可以與980nm泵浦激光器構(gòu)成一種低成本、高可靠性的激光光纖供能系統(tǒng)，并且可以擴(kuò)展到多個(gè)其它窗口。本發(fā)明中基于鍺襯底的激光電池的制作工藝可以采取如下步驟，分為電池外延制作和電池后工藝制作兩個(gè)部分:一、電池外延制作可采用MOCVD或者M(jìn)BE來生長其外延結(jié)構(gòu)，分下面幾個(gè)步驟:I)采用半絕緣未摻雜的鍺襯底1，典型厚度在IOOum到700um之間，來作為襯底同質(zhì)生長鍺外延材料。2)首先生長一層典型厚度在Ium到5um的N型Ge導(dǎo)電層2，摻雜濃度大于lxl019cm-3;3)在N極Ge導(dǎo)電層2上再生長典型厚度在0.02um到0.2um之間的N型GaxIn (1-x) P背面反射層3，其摻雜濃度大于lX1018cm-3，作為激光電池的背電場(chǎng)，X的取值可以在0.2到0.6之間；4)在GaxIn(l_x)P背面反射層3上再生長一層典型厚度在0.5um到3um之間的N型Ge吸收層，作為激光電池基極4，摻雜濃度大于lxl017cm-3，再在其之上生長典型厚度為0.05um到Ium之間的P型Ge吸收層，作為激光電池發(fā)射極5，該層的摻雜濃度大于lxl018cm-3，這兩層結(jié)構(gòu)形成電池的P/N結(jié)；5)在電池發(fā)射極5上再生長一層典型厚度為Ium到5um,摻雜濃度大于lxl018cm-3的P型GaxIn (1-x) P材料，作為P極導(dǎo)電層6，該X的取值可以在0.2到0.6之間；6)最后在P極導(dǎo)電層6之上再生長一層摻雜濃度大于lxl019cm_3的P型Ge蓋帽層7，用來與金屬電極形成低阻抗的歐姆接觸。以上步驟完成鍺激光電池材料的外延生長，下一步驟是對(duì)電池的后工藝制作。二、為了滿足實(shí)際負(fù)載的電壓需求，電池后工藝制作需要串聯(lián)多個(gè)電池以便達(dá)到需求電壓，其基本步驟如下:I)在鍺激光電池基體上制作N極臺(tái)面，可以通過濕法或者干法依次從上到下刻蝕蓋帽層7，P極導(dǎo)電層6，Ge電池發(fā)射極5，Ge基極4，背面反射層3后露出N型導(dǎo)電層2，可以采用光刻膠或者二氧化硅作為掩模，根據(jù)刻蝕時(shí)間來確定刻蝕深度，而根據(jù)材料刻蝕選擇比不同而得到需要臺(tái)面；2)通過干法或者濕法來刻蝕深隔離槽，所需刻蝕的典型深度應(yīng)該大于電池的外延厚度，在I步驟的基礎(chǔ)上從上到下刻蝕N型導(dǎo)電層2直到鍺襯底I上，然后生長二氧化硅鈍化膜防止側(cè)面復(fù)合效率，并旋涂一層聚酰亞胺絕緣層來實(shí)現(xiàn)電氣隔離；3)利用光刻來制作表面電極圖形掩模層，并通過電子束蒸發(fā)，濺射等方式制作Ti/Pt/Au金屬電極，由于是在大功率高輻射強(qiáng)度的激光條件下使用，因此金屬電極需要盡量增厚，從而減少接觸電阻，典型厚度在Ium到4um之間,最后利用lift-off工藝對(duì)表面電極進(jìn)行剝離，實(shí)現(xiàn)表面電極圖形化；4)利用濕法對(duì)表面蓋帽層進(jìn)行選擇性腐蝕，露出電池發(fā)射極5 ；5)對(duì)電池表面進(jìn)行單波長增鍍抗反膜，可以選擇Ti02/Si02 ；6)利用金絲鍵合工藝對(duì)各個(gè)子電池進(jìn)行串聯(lián)，為了保證大電流的低阻抗傳輸，金絲直徑應(yīng)該大于IOum ；7)最后可以將制作好的鍺激光光纖供能電池封裝在TO管芯上，實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品。根據(jù)上述制作流程，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提出的一種基于鍺材料的激光光纖供能電池。上述基于鍺材料的激光光纖供能電池的N電極導(dǎo)電層可采用高摻雜濃度并且具有一定厚度的材料。上述基于鍺材料的激光光纖供能電池的背反射層采用高禁帶寬度和高摻雜濃度的材料。這種材料可以是采用稼銦磷或鋁稼砷。利用這樣的鍺激光光纖供能電池，可以與980nm泵浦激光器，傳能光纖共同構(gòu)成一種低成本、高可靠性的激光光纖供能系統(tǒng)，并且可以擴(kuò)展到多個(gè)其它窗口。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種激光光纖供能電池，其特征在于，包括半絕緣襯底和蓋帽層，所述半絕緣襯底采用未摻雜的鍺基底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光纖供能電池，其特征在于，所述激光光纖供能電池的電極結(jié)構(gòu)從下到上依次為N電極導(dǎo)電層、背反射層、基極層、發(fā)射極層和P電極導(dǎo)電層；N電極導(dǎo)電層外延生長在半絕緣襯底上，蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光光纖供能電池，其特征在于，所述半絕緣襯底厚度為IOOum到700um ； N電極導(dǎo)電層厚度為0.5um到5um ;背反射層在N電極導(dǎo)電層之上，厚度為002um到0.2um ;基極層在背反射層之上，厚度為0.5um到3um ;發(fā)射極層在基極層之上，厚度為0.05um到Ium ；P電極導(dǎo)電層在發(fā)射極層之上，厚度為0.5um到5um ;蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上，厚度為0.2um到0.5um。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光光纖供能電池，其特征在于，所述N電極導(dǎo)電層采用高摻雜濃度并且具有一定厚度的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光光纖供能電池，其特征在于，所述背反射層采用高禁帶寬度和高摻雜濃度的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光光纖供能電池，其特征在于，所述背反射層采用稼銦磷或者鋁稼砷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光纖供能電池，其特征在于，該激光光纖供能電池是將多個(gè)子電池串聯(lián)在同一個(gè)半絕緣襯底上。
8.一種激光光纖供能系統(tǒng)，包括激光器，傳能光纖和光伏電池，所述光伏電池包括半絕緣襯底和蓋帽層，其特征在于，所述的半絕緣襯底采用未摻雜的鍺基底。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光光纖供能系統(tǒng),其特征在于,所述光伏電池的的電極結(jié)構(gòu)從下到上依次為N電極導(dǎo)電層、背反射層、基極層、發(fā)射極層和P電極導(dǎo)電層；N電極導(dǎo)電層外延生長在半絕緣襯底上，蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光光纖供能系統(tǒng)，其特征在于，所述光伏電池半絕緣襯底厚度為IOOum到700um ； N電極導(dǎo)電層厚度為0.5um到5um ;背反射層在N電極導(dǎo)電層之上，厚度為002um到0.2um ;基極層在背反射層之上，厚度為0.5um到3um ;發(fā)射極層在基極層之上，厚度為0.05um到Ium ；P電極導(dǎo)電層在發(fā)射極層之上，厚度為0.5um到5um ;蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上，厚度為0.2um到0.5um。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種激光光纖供能系統(tǒng)，包括激光器，傳能光纖和光伏電池，其中光伏電池包括半絕緣襯底和蓋帽層，該激光光纖供能電池的電極結(jié)構(gòu)從下到上依次為N電極導(dǎo)電層、背反射層、基極層、發(fā)射極層和P電極導(dǎo)電層；N電極導(dǎo)電層外延生長在半絕緣襯底上，蓋帽層在P電極導(dǎo)電層之上，半絕緣襯底采用未摻雜的鍺基底。本實(shí)用新型中采用鍺材料制作光伏電池，由于鍺材料硬度且在900nm到1800nm都有比較高的量子效率，因此可以直接使用980納米、1310納米和1550納米的激光器和普通多模光纖，傳輸損耗更低，并且在工藝制作過程中不易碎。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK203071094SQ201220744999
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者劉守華, 高倩, 溫成龍, 呂輝, 王雙保 申請(qǐng)人:武漢凹偉能源科技有限公司