一種抗輻照三結級聯砷化鎵太陽電池及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于砷化鎵太陽電池結構技術領域，尤其是一種抗輻照三結級聯砷化鎵太陽電池及制備方法。
【背景技術】
[0002]太陽能光伏發電是一種清潔的發電方式，其將太陽光轉變為電能供人們使用，傳統較常使用多晶硅和單晶硅電池，隨著技術的發展，三結砷化鎵太陽電池得到了更廣泛的應用，這是因為該太陽電池禁帶較硅為寬，光譜響應性和光譜匹配能力較硅好，而且轉化效率更高。
[0003]在一些特殊使用場合，比如:航天器在軌飛行期間要經歷復雜惡劣的空間環境，包括高真空、熱循環、帶電粒子輻射、原子氧、空間碎片和等離子體環境等，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境參數的不同而發生變化，即常規所說的范.艾倫帶。上述帶電粒子輻射對太陽電池會產生多種晶體缺陷，造成復合中心增加，使光生載流子的壽命和擴散長度降低，造成太陽電池電學性能的變差，進而降低電池的光電轉換效率，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換效率最高。其中中間電池基區少量的In可以實現中間電池和底電池的晶格匹配。研宄發現在AMO (當太陽輻射強度為太陽能常數時，大氣質量記作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用中需要解決的首要問題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構合理、制備工藝簡便、工作終期轉化效率降低慢的一種抗輻照三結級聯砷化鎵太陽電池。
[0006]本發明采取的技術方案是:
[0007]一種抗輻照三結級聯砷化鎵太陽電池，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，中間電池和底電池之間依次為第二隧穿結、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，GaInAs中間電池和Ge底電池之間依次為第二隧穿結、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置的Al InP窗口層、GaInP發射區、GaInP基區和背場層；
[0012]所述GaInAs中間電池包含由上至下依次設置的窗口層、GaInAs發射區、GaInAs基區、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，每層材料的光學厚度為中心反射波長的1/4 ；
[0014]所述Ge底電池包含Ge發射區、Ge基區；
[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基區的厚度為1.4?2微米。
[0018]本發明的另一個目的是提供一種抗輻照三結級聯砷化鎵太陽電池的制備方法，其特征在于:使用MOCVD法或者MBE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 ] 本發明的優點和積極效果是:
[0022]本發明中，將GaInAs中間電池的GaInAs基區的厚度調整為1.4?2微米，GaInAs基區厚度的降低可以抵消輻照引起的載流子擴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底電池之間設置至少一層分布式布拉格反射器，提高了GaInAs中間電池對應光譜在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換效率，本發明經過等效于同步衛星在軌15年所受所有高能粒子總輻照的試驗后，轉換效率的衰減率僅為傳統結構太陽電池的二分之一。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明三結級聯砷化鎵太陽電池的結構示意圖；
[0024]圖2為本發明的分布式布拉格反射器在300-1800納米范圍內的反射率；
[0025]圖3為傳統結構太陽電池與本發明結構太陽電池，在電池工作初期和工作終期內，電池效率的變化情況。
【具體實施方式】
[0026]下面結合實施例，對本發明進一步說明，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明的保護范圍。
[0027]一種抗輻照三結級聯砷化鎵太陽電池，包括頂電池、中間電池和底電池，本發明的創新在于:頂電池上為接觸層，頂電池和中間電池之間為第一隧穿結，中間電池和底電池之間依次為第二隧穿結、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，GaInAs中間電池和Ge底電池之間依次為第二隧穿結、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置的AlInP窗口層、GaInP發射區、GaInP基區和背場層；所述GaInAs中間電池包含由上至下依次設置的窗口層、GaInAs發射區、GaInAs基區、背場層；所述分布式布拉格反射器DBR是在一定波長范圍內形成高反射率的半導體結構，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構，每層材料的光學厚度為中心反射波長的1/4 ;所述Ge底電池包含Ge發射區、Ge基區；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基區的厚度為1.4?2微米，基區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，來等效描述經歷空間高能粒子輻照后的狀態。
[0035]根據中間電池的禁帶寬度和基區厚度的不同，調節DBR的基本單元的光學厚度來改變中心反射波長；光的反射率可以通過調節DBR基本單元的周期數實現。
[0036]第一隧穿結包括兩層，分別是由AlGaAs和GaAs匹配的層結構以及AlGaAs勢皇層，也可以是AlGaAs和GaInP匹配的層結構以及AlGaAs勢皇層。
[0037]第二隧穿結包括兩層，分別是由AlGaAs和GaAs匹配的層結構以及AlGaAs勢皇層，也可以是AlGaAs和GaInP匹配的層結構以及AlGaAs勢皇層。
[0038]實施例1
[0039]本實施例中使用MOCVD 法(Metal Organic Chemical Vapor Deposit1n，金屬有機化合物化學氣相沉淀):
[0040]1.采用P型單面拋光Ge襯底，通過擴散的方法在Ge襯底上形成η型區域，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，GaInAs中間電池，第一隧穿結，GaInP頂電池，0.2-1 μπι n++ GaAs接觸層。
[0041]2.其中第二隧穿結包含 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。
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