帶勢壘層結(jié)構(gòu)的砷化銦熱光伏電池的液相外延制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光伏電池，具體涉及一種帶勢皇層結(jié)構(gòu)的砷化銦熱光伏電池的液相外延制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱光伏電池能夠?qū)彷椛潴w發(fā)出的光或者是太陽光譜中的紅外光通過半導(dǎo)體P-N結(jié)的光伏效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能[1-5]。其原理與太陽能電池相似，只是利用的輻射源不同而已。太陽能電池利用的光源是太陽光中的可見光波段，而熱光伏電池利用的輻射源既可以是太陽光中的紅外波段(太陽輻射光譜中約有43%的輻射能量在紅外光譜區(qū))，也可以是人為制造的溫度在1000°C左右的熱輻射體。由于熱輻射體的溫度遠(yuǎn)低于太陽溫度，發(fā)射的大部分都是低能量紅外光子，因此需要選擇窄禁帶半導(dǎo)體材料與之匹配。
[0003]砷化銦(INAs)為II1- V族窄禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為0.354eV，其禁帶寬度正好位于100tC溫區(qū)對應(yīng)的紅外輻射能量范圍，是帶隙最為匹配的半導(dǎo)體材料之
O
[0004]傳統(tǒng)的光伏電池設(shè)計為P-1-N結(jié)構(gòu)[6，7]，如圖2所示。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)的熱光伏電池在室溫下工作的缺陷是會產(chǎn)生較大的暗電流，從而降低了電池的效率和最終的輸出功率。該結(jié)構(gòu)探測器的暗電流主要由三種電流分量組成，分別為①反向擴(kuò)散電流:起源于耗盡區(qū)邊緣P區(qū)電子和N區(qū)空穴產(chǎn)生的少數(shù)載流子的擴(kuò)散。②產(chǎn)生-復(fù)合電流:起源于耗盡區(qū)中熱激發(fā)的載流子在電場下向勢皇區(qū)兩邊的漂移運(yùn)動以及材料中的缺陷、雜質(zhì)、位錯等禁帶中的深能級捕獲或發(fā)射載流子形成的復(fù)合電流。③表面漏電流:與表面態(tài)相關(guān)的各種漏電流[8，9]。本發(fā)明專利設(shè)計了一種帶勢皇層的光伏電池結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的P-1-N結(jié)構(gòu)中增加了一層寬禁帶阻擋層材料，如圖3a，3b所示:3a中的阻擋層阻擋了來自P區(qū)的電子擴(kuò)散電流和表面電流，而3b中的阻擋層阻擋了來自N區(qū)的空穴擴(kuò)散電流和表面電流。上述帶勢皇層的光伏電池結(jié)構(gòu)有效抑制了該結(jié)構(gòu)器件的暗電流，從而最終提高了熱光伏電池的量子效率。
[0005]生長熱光伏電池結(jié)構(gòu)的方法有分子束外延以及低壓-有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積等方法[10，11]，前者制備電池材料成本會比較高，與目前科技界主流大力發(fā)展低成本電池材料的努力方向相矛盾的。后者則由于使用的原材料均是有毒的有機(jī)金屬源，且易于侵入人體，不利于相關(guān)操作人員的身體健康。
[0006]文獻(xiàn):
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目的在于提供一種帶勢皇層結(jié)構(gòu)的砷化銦熱光伏電池的液相外延制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)高成本和高毒性的問題。
[0019]所述的光伏電池的結(jié)構(gòu)為:在襯底上依次為寬禁帶的阻擋層、砷化銦的吸收層、砷化銦的表面層；兩個電極分別做在腐蝕后臺面的襯底上以及砷化銦表面層上。
[0020]熱光伏電池的液相外延制備方法如下:
[0021](I)外延生長溫度和生長源組分的確定
[0022]根據(jù)砷化銦二元化合物相圖和銦砷銻磷四元合金相圖確定外延生長溫度點(diǎn)為550-555°C。砷化銦生長源中銦的摩爾百分比范圍為0.8-0.9，砷的摩爾百分比為0.2-0.1 ；銦砷銻磷生長源中磷的摩爾百分比范圍為0.001-0.0013，砷的摩爾百分比為0.01，銻的摩爾百分比范圍為0.40-0.4217，銦的摩爾百分比范圍為0.589-0.567。
[0023](2)銦砷銻磷四元合金摻雜類型的確定
[0024]阻擋P區(qū)電子擴(kuò)散電流的阻擋層銦砷銻磷四元合金的摻雜類型為Zn摻雜的P型；阻擋N區(qū)空穴擴(kuò)散電流的阻擋層銦砷銻磷四元合金的摻雜類型為Te摻雜的N型。
[0025](3)熱光伏電池結(jié)構(gòu)的生長
[0026]稱量各生長源；打開石英管，將相應(yīng)尺寸的砷化銦襯底，銦、銻金屬以及砷化銦，磷化銦顆?？焖俜湃胧巯鄳?yīng)的襯底槽和生長源槽中；生長源裝好后，在氫氣氣氛650°C下恒溫2小時使生長源充分溶解和均勻混合；恒溫結(jié)束后，開始執(zhí)行降溫生長程序:降溫速率為2°C /min,降溫至557-562°C時，隨后爐溫以0.2°C /min的速率緩慢降至電池結(jié)構(gòu)的實(shí)際生長溫度550-557°C時，快速拉動裝有砷化銦襯底的石墨舟托板與各個生長源接觸:其中吸收層的生長時間120-150秒，阻擋層的生長時間為10-20秒，N型或P型表面層的生長時間為10-20秒。生長完畢后襯底拉離生長源位置；爐體斷電并退出石英管，開啟電風(fēng)扇冷卻石英管。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:制備方法更為簡便，成本更為低廉，解決了現(xiàn)有技術(shù)高成本和高毒性的問題。
【附圖說明】
[0028]圖1為熱光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2為傳統(tǒng)熱光伏電池能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3為本發(fā)明專利中帶阻擋層的熱光伏電池能帶結(jié)構(gòu)示意圖，(a)中的阻擋層阻擋來自P區(qū)的電子擴(kuò)散電流和表面電流，(b)中的阻擋層阻擋來自N區(qū)的空穴擴(kuò)散電流和表面電流。
[0031]圖4為熱光伏電池液相外延生長方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]實(shí)施例1
[0033]1、生長源的配置
[0034](I)組分確定:根據(jù)砷化銦二元化合物相圖和銦砷鋪磷四元合金相圖確定外延生長溫度點(diǎn)為550°C。砷化銦生長源中銦的摩爾百分比范圍為0.9，砷的摩爾百分比為0.1 ;銦砷銻磷生長源中磷的摩爾百分比為0.001，砷的摩爾百分比為0.01，銻的摩爾百分比范圍為0.40，銦的摩爾百分比范圍為0.589。本實(shí)施例中的銦砷銻磷阻擋層InAsSbP為P型摻雜。P型摻雜劑選用鋅(Zn)元素，摻雜量占熔源總量的質(zhì)量比為0.012%。
[0035](2)生長源的稱量:根據(jù)上述的計算，用微量天平準(zhǔn)確地稱出生長所需銦(In)量、銻(Sb)量以及砷化銦(InAs)量和磷化銦(InP)量。所用的銦(In)量、銻(Sb)源均為99.99999% (7N)的高純單質(zhì)源，砷化銦(InAs)量和磷化銦(InP)為單晶材料。
[0036]2、外延生長前的準(zhǔn)備工作
[0037](I)石墨舟處理。為避免生長源玷污，舟要非常干凈，使用前要用王水浸泡24小時，去除雜質(zhì)，然后用沸騰地去離子水煮至酸堿度為中性，再在真空下進(jìn)行高溫烘烤，溫度在1000°C以上。
[0038](2