輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池及其制作方法
【專利摘要】本申請(qǐng)公開(kāi)了一種輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池，所述的激光光伏電池包括隔離槽，該隔離槽將所述的光伏電池分隔成5個(gè)電池單元，包括1個(gè)第一電池單元，以及環(huán)繞設(shè)于所述第一電池單元四周的4個(gè)第二電池單元，電池單元之間串聯(lián)連接。本發(fā)明在電池中間設(shè)有一個(gè)占電池總面積五分之一的圓形電池，減少常用激光電池中間隔離槽的面積，可大大增加對(duì)光斑中央位置高能量密度光的吸收，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，可作為高效激光光伏電池廣泛應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光光伏電池，尤其涉及一種輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光供能系統(tǒng)是一個(gè)創(chuàng)新的能量傳遞系統(tǒng)，憑借這個(gè)系統(tǒng)，將激光光源發(fā)出的光通過(guò)光纖輸送到激光光伏電池上，可以提供穩(wěn)定的電源輸出。通過(guò)光纖傳導(dǎo)光轉(zhuǎn)化為電比傳統(tǒng)的金屬線和同軸電纜電力傳輸技術(shù)有更多的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用在需要消除電磁干擾或需要將電子器件與周?chē)h(huán)境隔離的情況下，在無(wú)線電通信、工業(yè)傳感器、國(guó)防、航空、醫(yī)藥、能源等方向有重要應(yīng)用。激光光伏電池的工作原理與太陽(yáng)能電池類似，只是可以獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，更大的輸出電壓，能傳遞更多的能量，光源采用適合光纖傳輸?shù)?90 nm - 850nm波長(zhǎng)的激光。
[0003]常規(guī)的5V電壓輸出的激光光伏電池通常為將符合激光光斑大小的圓形電池平均分配成相同大小相同形狀的五個(gè)子電池，如圖1，這樣將在子電池的中心交叉隔離槽處產(chǎn)生更大的槽，將大大減小電池中心處有源區(qū)的面積。另外從光纖射出的光能量密度呈高斯分布或接近于高斯分布，導(dǎo)致入射到電池中央的光的能量最強(qiáng)，所以圖1中常規(guī)的激光電池結(jié)構(gòu)會(huì)降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的提供一種輸出電壓約為5V的GaAs激光光伏電池結(jié)構(gòu)，其可有效增加電池中心有源區(qū)面積，從而提高激光光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
本申請(qǐng)公開(kāi)一種輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池，所述的激光光伏電池包括隔離槽，該隔離槽將所述的光伏電池分隔成5個(gè)電池單元，包括I個(gè)第一電池單元，以及環(huán)繞設(shè)于所述第一電池單元四周的4個(gè)第二電池單元，電池單元之間串聯(lián)連接。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的光伏電池包括依次形成于半絕緣襯底上的N型導(dǎo)電層、P/N結(jié)電池、P型窗口層和P型接觸層，所述的隔離槽分別貫穿所述P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池和N型導(dǎo)電層。
[0007]優(yōu)選的，所述的光伏電池還包括位于所述N型導(dǎo)電層和P/N結(jié)電池之間的勢(shì)壘層。
[0008]優(yōu)選的，所述第一電池單元的截面為圓形，所述的4個(gè)第二電池單元截面積相同，且其截面為弧形，所述的4個(gè)第二電池單元環(huán)繞所述第一電池單元構(gòu)成一個(gè)圓柱體結(jié)構(gòu)。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)于均勻的圓形激光光斑，所述的第一電池單元和每一個(gè)的第二電池單元的受光面積相等。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)于中心對(duì)稱的非均勻圓形激光光斑，所述的4個(gè)第二電池單元具有相同的受光面積，且所述的第一電池單元和每一個(gè)的第二電池單元的光電
流相等。[0011]相應(yīng)地,本申請(qǐng)還公開(kāi)了一種輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池的制作方法,包括:
(1)在半絕緣襯底上生長(zhǎng)N型導(dǎo)電層；
(2)在上述N型導(dǎo)電層上生長(zhǎng)勢(shì)壘層；
(3)在上述勢(shì)壘層上依次生長(zhǎng)N型吸收層和P型吸收層形成P/N結(jié)電池；
(4)在上述P/N結(jié)電池上生長(zhǎng)P型窗口層；
(5)在上述P型窗口層上生長(zhǎng)P型接觸層用作歐姆接觸；
(6)依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、勢(shì)壘層、N型導(dǎo)電層直至露出半絕緣襯底或部分刻蝕半絕緣襯底以形成隔離槽；
(7)制備正電極、負(fù)電極、減反射層以及電極引線，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述導(dǎo)電層為N型摻雜濃度IXlO18 cm-3以上的GaAs導(dǎo)電層；所述勢(shì)壘層為摻雜濃度IXlO18 cm_3以上的N型AlGaAs或AlGaInP勢(shì)壘層；所述卩型窗口層為摻雜濃度在IXlO18 cm_3以上的窗口層；所述P型接觸層為摻雜濃度在2X 118cm以上的GaAs接觸層。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟(7)中，依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、N型勢(shì)壘層，直至露出N型導(dǎo)電層以形成負(fù)電極窗口，而后再經(jīng)該負(fù)電極窗口于N型導(dǎo)電層上制備負(fù)電極，在P型接觸層上制備正電極。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1.本發(fā)明設(shè)i十一種輸出電壓約為5V的GaAs激光光伏電池結(jié)構(gòu)可避免電池中心產(chǎn)生較大的槽；
2.本發(fā)明設(shè)計(jì)一種輸出電壓約為5V的GaAs激光光伏電池結(jié)構(gòu)可更高效的吸收入射光。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1所不為現(xiàn)有技術(shù)中輸出電壓為5V的激光光伏電池的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖2所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中輸出電壓為5V的激光光伏電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3所示為圖2中沿直徑方向的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本申請(qǐng)實(shí)施例公開(kāi)了一種輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池,所述的激光光伏電池包括隔離槽，該隔離槽將所述的光伏電池分隔成5個(gè)電池單元，包括I個(gè)第一電池單元，以及環(huán)繞設(shè)于所述第一電池單元四周的4個(gè)第二電池單元，電池單元之間串聯(lián)連接。
[0018]相應(yīng)地，本申請(qǐng)實(shí)施例還公開(kāi)了一種輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池的制作方法，包括:
(I)在半絕緣襯底上生長(zhǎng)N型導(dǎo)電層；(2)在上述N型導(dǎo)電層上生長(zhǎng)勢(shì)壘層；
(3)在上述勢(shì)壘層上依次生長(zhǎng)N型吸收層和P型吸收層形成P/N結(jié)電池；
(4)在上述P/N結(jié)電池上生長(zhǎng)P型窗口層；
(5)在上述P型窗口層上生長(zhǎng)P型接觸層用作歐姆接觸；
(6)依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、勢(shì)壘層、N型導(dǎo)電層直至露出半絕緣襯底或部分刻蝕半絕緣襯底以形成隔離槽；
(7)制備正電極、負(fù)電極、減反射層以及電極引線，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。
[0019]在上述的激光光伏電池中，優(yōu)選的，所述的半絕緣襯底、N型導(dǎo)電層、以及P型接觸層的材料均為GaAs，所述P/N結(jié)電池為GaAs電池，所述P型窗口層的材料為AlxGapxAs (I >X ^ 0.2)或Gaa51 Ina49P。其中，導(dǎo)電層為N型摻雜濃度I X 118 cm—3以上的GaAs導(dǎo)電層；所述勢(shì)壘層為摻雜濃度I X 118 cm_3以上的N型AlGaAs或AlGaInP勢(shì)壘層；所述P型窗口層為摻雜濃度在IX 118 cm_3以上的窗口層；所述P型接觸層為摻雜濃度在2X 118 cm_3以上的GaAs接觸層。
[0020]優(yōu)選的，正電極、負(fù)電極是通過(guò)電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射分別在P型接觸層和N型導(dǎo)電層上沉積一層或多層金屬并退火形成歐姆接觸而制成的。正、負(fù)電極通過(guò)金屬壓焊或蒸鍍金屬的方式實(shí)現(xiàn)光伏電池中各單元電池的串聯(lián)。
[0021]優(yōu)選的，減反射層是通過(guò)化學(xué)氣相淀積技術(shù)或鍍膜機(jī)制備的ZnSe/MgF或T12/S12減反射膜。
[0022]作為一種可選用的實(shí)施方式，該光伏電池中的各層是采用MOCVD或MBE方法生長(zhǎng)形成的，其中MOCVD的N型摻雜原子為S1、Se、S或Te，P型摻雜原子為Zn、Mg或C ；MBE的N型摻雜原子為S1、Se、S或Te，P型摻雜原子為Be、Mg或C。
[0023]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0024]本實(shí)施例中的一種輸出電壓約為5V的GaAs激光光伏電池結(jié)構(gòu)滿足下述條件:
①4個(gè)第二子電池10和第一子電池20之間應(yīng)用干法或濕法刻蝕隔離槽，并進(jìn)行填充；
②4個(gè)第二子電池10和第一子電池20的光電流相等；
③每個(gè)第二子電池10和第一子電池20上通過(guò)干法或濕法刻蝕相同面積的負(fù)電極窗
Π ；
④對(duì)于均勻的圓形激光光斑，每個(gè)第二子電池10和第一子電池20上的受光面積相
等;
⑤對(duì)于中心對(duì)稱的非均勻圓形激光光斑，每個(gè)第二子電池10的受光面積相等，同時(shí)設(shè)計(jì)第二子電池10的受光面積與第一子電池20的受光面比例使得各子電池產(chǎn)生的電流相等;
⑥正、負(fù)電極通過(guò)金屬壓焊或蒸鍍金屬的方式實(shí)現(xiàn)電池中各單元電池的串聯(lián)，形成一個(gè)完整的輸出電壓約為5 V的GaAs激光光伏電池器件。
[0025]參閱圖2和圖3，該一種輸出電壓約為5V的GaAs激光光伏電池結(jié)構(gòu)的芯片的制作工藝包括下列步驟:1、通過(guò)MOCVD或MBE在半絕緣GaAs襯底01上生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)形成光伏電池基體，該外延結(jié)構(gòu)包括電池的下導(dǎo)電層N型的高摻GaAs層02、N型AlGaAs或AlGaInP勢(shì)壘層03、GaAs的 PN 結(jié) 04、P 型 Ga0.511% 49P 窗口層 05、P 型 GaAs 接觸層 06 ；
2、結(jié)合圖3所示，在光伏電池基體上通過(guò)干法或濕法刻蝕至半絕緣GaAs襯底，再通過(guò)填膠或氧化硅電絕緣等材料進(jìn)行隔離，形成隔離槽30 ；
3、通過(guò)干法或濕法刻蝕依次刻蝕至N型GaAs導(dǎo)電層，形成負(fù)電極窗口(圖未示)；
4、通過(guò)電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或磁控濺射等方式分別在P型GaAs接觸層06上制備Pd/Zn/Pd/Au = 5/10/20/200 nm金屬材料的正電極、在導(dǎo)電層02上制備AuGe/Ni/Au =35/10/100 nm金屬材料的負(fù)電極形成歐姆接觸，并進(jìn)行電極Au加厚至2 μπι ；
5、通過(guò)選擇性腐蝕將除電極下面以外的接觸層去除，應(yīng)用鍍膜機(jī)制備Ti02/Si02減反射層；
6、制備電極引線，實(shí)現(xiàn)電池串聯(lián)；
7、劃片后形成單組激光光伏電池芯片。
[0026]本發(fā)明的激光電池包括4個(gè)弧形電池和一個(gè)圓形電池，所述4個(gè)弧形電池和圓形電池的光電流相等，4個(gè)弧形電池圍繞圓形電池構(gòu)成一個(gè)整體圓形結(jié)構(gòu)，5個(gè)子電池通過(guò)串聯(lián)連接實(shí)現(xiàn)約為5V的輸出電壓。本發(fā)明在電池中間設(shè)有一個(gè)占電池總面積五分之一的圓形電池，減少常用激光電池中間隔離槽的面積，可大大增加對(duì)光斑中央位置高能量密度光的吸收，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0027]在其他實(shí)施例中，激光光伏電池中PN結(jié)電池也可反向設(shè)置；隔離槽也可將4個(gè)第二子電池非均等分割。
[0028]需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素 。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0029]以上所述僅是本申請(qǐng)的【具體實(shí)施方式】，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本申請(qǐng)?jiān)淼那疤嵯拢€可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池，其特征在于:所述的激光光伏電池包括隔離槽，該隔離槽將所述的光伏電池分隔成5個(gè)電池單元，包括I個(gè)第一電池單元，以及環(huán)繞設(shè)于所述第一電池單元四周的4個(gè)第二電池單元，電池單元之間串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池,其特征在于:所述的光伏電池包括依次形成于半絕緣襯底上的N型導(dǎo)電層、P/N結(jié)電池、P型窗口層和P型接觸層，所述的隔離槽分別貫穿所述P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池和N型導(dǎo)電層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池,其特征在于:所述的光伏電池還包括位于所述N型導(dǎo)電層和P/N結(jié)電池之間的勢(shì)壘層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池,其特征在于:所述第一電池單元的截面為圓形，所述的4個(gè)第二電池單元截面積相同，且其截面為弧形，所述的4個(gè)第二電池單元環(huán)繞所述第一電池單元構(gòu)成一個(gè)圓柱體結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池,其特征在于:對(duì)于均勻的圓形激光光斑，所述的第一電池單元和每一個(gè)的第二電池單元的受光面積相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池,其特征在于:對(duì)于中心對(duì)稱的非均勻圓形激光光斑，所述的4個(gè)第二電池單元具有相同的受光面積，且所述的第一電池單元和每一個(gè)的第二電池單元的光電流相等。
7.權(quán)利要求1至6任一所述的輸出電壓為5V的GaAs激光光伏電池的制作方法,其特征在于，包括: (1)在半絕緣襯底上生長(zhǎng)N型導(dǎo)電層； (2)在上述N型導(dǎo)電層上生長(zhǎng)勢(shì)壘層； (3)在上述勢(shì)壘層上依次生長(zhǎng)N型吸收層和P型吸收層形成P/N結(jié)電池； (4)在上述P/N結(jié)電池上生長(zhǎng)P型窗口層； (5)在上述P型窗口層上生長(zhǎng)P型接觸層用作歐姆接觸； (6)依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、勢(shì)壘層、N型導(dǎo)電層直至露出半絕緣襯底或部分刻蝕半絕緣襯底以形成隔離槽； (7)制備正電極、負(fù)電極、減反射層以及電極引線，獲得目標(biāo)產(chǎn)品。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光光伏電池的制作方法，其特征在于:所述導(dǎo)電層為N型摻雜濃度IX 118 cm_3以上的GaAs導(dǎo)電層；所述勢(shì)壘層為摻雜濃度I X 118 cm_3以上的N型AlGaAs或AlGaInP勢(shì)壘層；所述P型窗口層為摻雜濃度在I X 118 cm_3以上的窗口層；所述P型接觸層為摻雜濃度在2 X 118 cm_3以上的GaAs接觸層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光光伏電池的制作方法，其特征在于:所述步驟(7)中，依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結(jié)電池、N型勢(shì)壘層，直至露出N型導(dǎo)電層以形成負(fù)電極窗口，而后再經(jīng)該負(fù)電極窗口于N型導(dǎo)電層上制備負(fù)電極，在P型接觸層上制備正電極。
【文檔編號(hào)】H01L27/142GK104037178SQ201310072324
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月7日
【發(fā)明者】趙春雨, 董建榮, 于淑珍, 趙勇明, 李奎龍, 孫玉潤(rùn), 曾徐路, 楊輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所