一種抗輻照三結(jié)級聯(lián)砷化鎵太陽電池及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于砷化鎵太陽電池結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種抗輻照三結(jié)級聯(lián)砷化鎵太陽電池及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能光伏發(fā)電是一種清潔的發(fā)電方式，其將太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┤藗兪褂?，傳統(tǒng)較常使用多晶硅和單晶硅電池，隨著技術(shù)的發(fā)展，三結(jié)砷化鎵太陽電池得到了更廣泛的應(yīng)用，這是因為該太陽電池禁帶較硅為寬，光譜響應(yīng)性和光譜匹配能力較硅好，而且轉(zhuǎn)化效率更高。
[0003]在一些特殊使用場合，比如:航天器在軌飛行期間要經(jīng)歷復(fù)雜惡劣的空間環(huán)境，包括高真空、熱循環(huán)、帶電粒子輻射、原子氧、空間碎片和等離子體環(huán)境等，其中的帶電粒子輻射主要是地球磁場俘獲的各種高能粒子引起的，其通量隨粒子能量和軌道環(huán)境參數(shù)的不同而發(fā)生變化，即常規(guī)所說的范.艾倫帶。上述帶電粒子輻射對太陽電池會產(chǎn)生多種晶體缺陷，造成復(fù)合中心增加，使光生載流子的壽命和擴(kuò)散長度降低，造成太陽電池電學(xué)性能的變差，進(jìn)而降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率，直接影響航天器在軌工作的可靠性和使用壽命。航天器上使用的太陽電池表面都覆蓋有玻璃蓋片，該玻璃蓋片可阻擋小于0.3MeV的相對低能粒子，避免其對太陽電池表面的輻照，并能略微降低高能粒子的能量，所以需要注意的輻照主要是大于0.3MeV的高能粒子。
[0004]目前，正向生長的三結(jié)砷化鎵太陽電池是航天器使用的最廣泛的太陽電池，其包括GaInP頂電池，GaInAs中間電池和Ge底電池，不同能量的光子能夠被不同禁帶寬度的子電池吸收，每個子電池都有相應(yīng)的短路電流。通常在頂電池和中間電池電流匹配條件下的轉(zhuǎn)換效率最高。其中中間電池基區(qū)少量的In可以實現(xiàn)中間電池和底電池的晶格匹配。研宄發(fā)現(xiàn)在AMO (當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度為太陽能常數(shù)時，大氣質(zhì)量記作ΑΜ0)條件下，GaInAs中間電池比GaInP頂電池的電池性能衰減的快，因此如何提高GaInAs中間電池的抗輻照性能是實際應(yīng)用中需要解決的首要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理、制備工藝簡便、工作終期轉(zhuǎn)化效率降低慢的一種抗輻照三結(jié)級聯(lián)砷化鎵太陽電池。
[0006]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0007]一種抗輻照三結(jié)級聯(lián)砷化鎵太陽電池，包括頂電池、中間電池和底電池，其特征在于:頂電池上為接觸層，頂電池和中間電池之間為第一隧穿結(jié)，中間電池和底電池之間依次為第二隧穿結(jié)、至少一層分布式布拉格反射器、緩沖層和成核層，底電池下為襯底。
[0008]而且，所述頂電池為GaInP頂電池，中間電池為GaInAs中間電池，底電池為Ge底電池，GaInP頂電池上為GaAs接觸層，GaInP頂電池和GaInAs中間電池之間為第一隧穿結(jié)，GaInAs中間電池和Ge底電池之間依次為第二隧穿結(jié)、至少一層分布式布拉格反射器、GaInAs緩沖層和GaInP成核層，Ge底電池下為Ge襯底。
[0009]而且，所述GaInP頂電池、GaInAs中間電池和Ge底電池的禁帶寬度分別為1.90±0.05eV、l.39±0.05eV、0.67eV。
[0010]而且，所述GaInAs中間電池與GaInP頂電池的短路電流密度之差為O?0.5mA/
2
cm ο
[0011 ] 而且，所述GaInP頂電池包含由上至下依次設(shè)置的Al InP窗口層、GaInP發(fā)射區(qū)、GaInP基區(qū)和背場層；
[0012]所述GaInAs中間電池包含由上至下依次設(shè)置的窗口層、GaInAs發(fā)射區(qū)、GaInAs基區(qū)、背場層；
[0013]所述分布式布拉格反射器DBR由η個周期的基本單元組成，每層材料的光學(xué)厚度為中心反射波長的1/4 ；
[0014]所述Ge底電池包含Ge發(fā)射區(qū)、Ge基區(qū)；
[0015]η大于5且小于15。
[0016]而且，所述GaInP頂電池和GaInAs中間電池的背場層的材料為AlxGahInP或AlGaAs，所述GaInAs中間電池的窗口層的材料為AlInP或GalnP，所述基本單元的材料為AlAs/GaAs、AlxGahAs/GalnAs、AlxGahAs/AlAs，所述 x 大于 O 且小于 I。
[0017]而且，所述GaInAs中間電池的GaInAs基區(qū)的厚度為1.4?2微米。
[0018]本發(fā)明的另一個目的是提供一種抗輻照三結(jié)級聯(lián)砷化鎵太陽電池的制備方法，其特征在于:使用MOCVD法或者M(jìn)BE法依次生長制得成品。
[0019]而且，所述MOCVD法中Ge層的N型摻雜原子為^或P，其余層N型摻雜原子為S1、Se、S或Te，P型摻雜原子為Zn、Mg或C。
[0020]而且，所述MBE法中Ge層的N型摻雜原子為^或P，其余層N型摻雜原子為S1、Se、S、Sn或Te，P型摻雜原子為Be、Mg或C。
[0021 ] 本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:
[0022]本發(fā)明中，將GaInAs中間電池的GaInAs基區(qū)的厚度調(diào)整為1.4?2微米，GaInAs基區(qū)厚度的降低可以抵消輻照引起的載流子擴(kuò)散長度下降造成的收集問題，提高了抗輻照能力，同時在GaInAs中間電池和Ge底電池之間設(shè)置至少一層分布式布拉格反射器，提高了GaInAs中間電池對應(yīng)光譜在GaInAs中間電池的光通路徑，提高了短路電流密度，在工作終期仍能保持較高的轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明經(jīng)過等效于同步衛(wèi)星在軌15年所受所有高能粒子總輻照的試驗后，轉(zhuǎn)換效率的衰減率僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)太陽電池的二分之一。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明三結(jié)級聯(lián)砷化鎵太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明的分布式布拉格反射器在300-1800納米范圍內(nèi)的反射率；
[0025]圖3為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)太陽電池與本發(fā)明結(jié)構(gòu)太陽電池，在電池工作初期和工作終期內(nèi)，電池效率的變化情況。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)一步說明，下述實施例是說明性的，不是限定性的，不能以下述實施例來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]一種抗輻照三結(jié)級聯(lián)砷化鎵太陽電池，包括頂電池、中間電池和底電池，本發(fā)明的創(chuàng)新在于:頂電池上為接觸層，頂電池和中間電池之間為第一隧穿結(jié)，中間電池和底電池之間依次為第二隧穿結(jié)、至少一層分布式布拉格反射器、緩沖層和成核層，底電池下為襯底。
[0028]本實施例中，所述頂電池為GaInP頂電池，中間電池為GaInAs中間電池，底電池為Ge底電池，GaInP頂電池上為GaAs接觸層，GaInP頂電池和GaInAs中間電池之間為第一隧穿結(jié)，GaInAs中間電池和Ge底電池之間依次為第二隧穿結(jié)、至少一層分布式布拉格反射器、GaInAs緩沖層和GaInP成核層，Ge底電池下為Ge襯底。
[0029]其中，所述GaInP頂電池、GaInAs中間電池和Ge底電池的禁帶寬度分別為1.90±0.05eV、l.39±0.05eV、0.67eV。所述GaInAs中間電池與GaInP頂電池的短路電流密度之差為O?0.5mA/cm2。
[0030]所述GaInP頂電池包含由上至下依次設(shè)置的AlInP窗口層、GaInP發(fā)射區(qū)、GaInP基區(qū)和背場層；所述GaInAs中間電池包含由上至下依次設(shè)置的窗口層、GaInAs發(fā)射區(qū)、GaInAs基區(qū)、背場層；所述分布式布拉格反射器DBR是在一定波長范圍內(nèi)形成高反射率的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，由η個周期的基本單元組成，由兩種不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列組成的周期結(jié)構(gòu)，每層材料的光學(xué)厚度為中心反射波長的1/4 ;所述Ge底電池包含Ge發(fā)射區(qū)、Ge基區(qū)；η大于5且小于15。
[0031]所述Ga I ηΡ頂電池和Ga I nA s中間電池的背場層的材料為AI JiGa1 _χ I ηΡ或AI GaA s，所述GaInAs中間電池的窗口層的材料為AlInP或GaInP，所述基本單元的材料為AlAs/GaAs、Al^GahAs/GalnAs、AlxGahAsZAlAs，所述 X 大于 O 且小于 I。
[0032]所述GaInAs中間電池的GaInAs基區(qū)的厚度為1.4?2微米，基區(qū)的摻雜可以是梯度摻雜、輕摻、非摻Q層)。
[0033]由于同步軌道通信衛(wèi)星在軌工作15年，是目前受輻照水平最高的，為表述太陽電池的抗輻照能力，所指的EOL(End of life，工作終期)是太陽電池在同步衛(wèi)星軌道在軌15年時的工作終期，BOL(Beginning of life，工作初期)。
[0034]或者EOL可以用接受lX101Qe/cm2.s瞬時劑量，I X 1015e/cm2累積通量的IMeV電子輻照后的狀態(tài)，來等效描述經(jīng)歷空間高能粒子輻照后的狀態(tài)。
[0035]根據(jù)中間電池的禁帶寬度和基區(qū)厚度的不同，調(diào)節(jié)DBR的基本單元的光學(xué)厚度來改變中心反射波長；光的反射率可以通過調(diào)節(jié)DBR基本單元的周期數(shù)實現(xiàn)。
[0036]第一隧穿結(jié)包括兩層，分別是由AlGaAs和GaAs匹配的層結(jié)構(gòu)以及AlGaAs勢皇層，也可以是AlGaAs和GaInP匹配的層結(jié)構(gòu)以及AlGaAs勢皇層。
[0037]第二隧穿結(jié)包括兩層，分別是由AlGaAs和GaAs匹配的層結(jié)構(gòu)以及AlGaAs勢皇層，也可以是AlGaAs和GaInP匹配的層結(jié)構(gòu)以及AlGaAs勢皇層。
[0038]實施例1
[0039]本實施例中使用MOCVD 法(Metal Organic Chemical Vapor Deposit1n，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀):
[0040]1.采用P型單面拋光Ge襯底，通過擴(kuò)散的方法在Ge襯底上形成η型區(qū)域，與ρ型襯底形成Ge底電池，按照晶格匹配的方法依次生長0.05-0.2 μπι η型GaInP成核層，0.2-1 μ m η型GaInAs緩沖層，多組分布式布拉格反射器(DBR)，第二隧穿結(jié)，GaInAs中間電池，第一隧穿結(jié)，GaInP頂電池，0.2-1 μπι n++ GaAs接觸層。
[0041]2.其中第二隧穿結(jié)包含 0.03 μπι ρ++ AlGaAs 層、0.03um n++GaInP、0.03-0.05 μ mn+AlGaAs 勢皇層。
[0042]3.分布式布拉格反射器(DBR)包含15個周期的0.03-0.1 μπι η+ Al (Ga)As和0.03-0.1ymn+ Ga (In) As。
[00