輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池及其製作方法
2023-05-11 09:03:06 2
輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池及其製作方法
【專利摘要】本申請公開了一種輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池，所述的雷射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個電池單元，包括1個第一電池單元，以及環繞設於所述第一電池單元四周的4個第二電池單元，電池單元之間串聯連接。本發明在電池中間設有一個佔電池總面積五分之一的圓形電池，減少常用雷射電池中間隔離槽的面積，可大大增加對光斑中央位置高能量密度光的吸收，提高了電池的光電轉換效率，可作為高效雷射光伏電池廣泛應用。
【專利說明】輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池及其製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雷射光伏電池，尤其涉及一種輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池及其製作方法。
【背景技術】
[0002]雷射供能系統是一個創新的能量傳遞系統，憑藉這個系統，將雷射光源發出的光通過光纖輸送到雷射光伏電池上，可以提供穩定的電源輸出。通過光纖傳導光轉化為電比傳統的金屬線和同軸電纜電力傳輸技術有更多的優點，可以應用在需要消除電磁幹擾或需要將電子器件與周圍環境隔離的情況下，在無線電通信、工業傳感器、國防、航空、醫藥、能源等方向有重要應用。雷射光伏電池的工作原理與太陽能電池類似，只是可以獲得更高的轉換效率，更大的輸出電壓，能傳遞更多的能量，光源採用適合光纖傳輸的790 nm - 850nm波長的雷射。
[0003]常規的5V電壓輸出的雷射光伏電池通常為將符合雷射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子電池，如圖1，這樣將在子電池的中心交叉隔離槽處產生更大的槽，將大大減小電池中心處有源區的面積。另外從光纖射出的光能量密度呈高斯分布或接近於高斯分布，導致入射到電池中央的光的能量最強，所以圖1中常規的雷射電池結構會降低電池的光電轉換效率。
【發明內容】
[0004]本發明的目的提供一種輸出電壓約為5V的GaAs雷射光伏電池結構，其可有效增加電池中心有源區面積，從而提高雷射光伏電池的轉換效率。
[0005]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案:
本申請公開一種輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池，所述的雷射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個電池單元，包括I個第一電池單元，以及環繞設於所述第一電池單元四周的4個第二電池單元，電池單元之間串聯連接。
[0006]作為本發明的進一步改進，所述的光伏電池包括依次形成於半絕緣襯底上的N型導電層、P/N結電池、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結電池和N型導電層。
[0007]優選的，所述的光伏電池還包括位於所述N型導電層和P/N結電池之間的勢壘層。
[0008]優選的，所述第一電池單元的截面為圓形，所述的4個第二電池單元截面積相同，且其截面為弧形，所述的4個第二電池單元環繞所述第一電池單元構成一個圓柱體結構。
[0009]作為本發明的進一步改進，對於均勻的圓形雷射光斑，所述的第一電池單元和每一個的第二電池單元的受光面積相等。
[0010]作為本發明的進一步改進，對於中心對稱的非均勻圓形雷射光斑，所述的4個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的第二電池單元的光電
流相等。[0011]相應地,本申請還公開了一種輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池的製作方法,包括:
(1)在半絕緣襯底上生長N型導電層；
(2)在上述N型導電層上生長勢壘層；
(3)在上述勢壘層上依次生長N型吸收層和P型吸收層形成P/N結電池；
(4)在上述P/N結電池上生長P型窗口層；
(5)在上述P型窗口層上生長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結電池、勢壘層、N型導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)製備正電極、負電極、減反射層以及電極引線，獲得目標產品。
[0012]作為本發明的進一步改進，所述導電層為N型摻雜濃度IXlO18 cm-3以上的GaAs導電層；所述勢壘層為摻雜濃度IXlO18 cm_3以上的N型AlGaAs或AlGaInP勢壘層；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]作為本發明的進一步改進，所述步驟(7)中，依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結電池、N型勢壘層，直至露出N型導電層以形成負電極窗口，而後再經該負電極窗口於N型導電層上製備負電極，在P型接觸層上製備正電極。
[0014]與現有技術相比，本發明的優點在於:
1.本發明設i十一種輸出電壓約為5V的GaAs雷射光伏電池結構可避免電池中心產生較大的槽；
2.本發明設計一種輸出電壓約為5V的GaAs雷射光伏電池結構可更高效的吸收入射光。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1所不為現有技術中輸出電壓為5V的雷射光伏電池的結構不意圖；
圖2所示為本發明具體實施例中輸出電壓為5V的雷射光伏電池的結構示意圖；
圖3所示為圖2中沿直徑方向的剖視圖。
【具體實施方式】
[0017]本申請實施例公開了一種輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池,所述的雷射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個電池單元，包括I個第一電池單元，以及環繞設於所述第一電池單元四周的4個第二電池單元，電池單元之間串聯連接。
[0018]相應地，本申請實施例還公開了一種輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池的製作方法，包括:
(I)在半絕緣襯底上生長N型導電層；(2)在上述N型導電層上生長勢壘層；
(3)在上述勢壘層上依次生長N型吸收層和P型吸收層形成P/N結電池；
(4)在上述P/N結電池上生長P型窗口層；
(5)在上述P型窗口層上生長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結電池、勢壘層、N型導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)製備正電極、負電極、減反射層以及電極引線，獲得目標產品。
[0019]在上述的雷射光伏電池中，優選的，所述的半絕緣襯底、N型導電層、以及P型接觸層的材料均為GaAs，所述P/N結電池為GaAs電池，所述P型窗口層的材料為AlxGapxAs (I >X ^ 0.2)或Gaa51 Ina49P。其中，導電層為N型摻雜濃度I X 118 cm—3以上的GaAs導電層；所述勢壘層為摻雜濃度I X 118 cm_3以上的N型AlGaAs或AlGaInP勢壘層；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]優選的，正電極、負電極是通過電子束蒸發、熱蒸發或磁控濺射分別在P型接觸層和N型導電層上沉積一層或多層金屬並退火形成歐姆接觸而製成的。正、負電極通過金屬壓焊或蒸鍍金屬的方式實現光伏電池中各單元電池的串聯。
[0021]優選的，減反射層是通過化學氣相澱積技術或鍍膜機製備的ZnSe/MgF或T12/S12減反射膜。
[0022]作為一種可選用的實施方式，該光伏電池中的各層是採用MOCVD或MBE方法生長形成的，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]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0024]本實施例中的一種輸出電壓約為5V的GaAs雷射光伏電池結構滿足下述條件:
①4個第二子電池10和第一子電池20之間應用幹法或溼法刻蝕隔離槽，並進行填充；
②4個第二子電池10和第一子電池20的光電流相等；
③每個第二子電池10和第一子電池20上通過幹法或溼法刻蝕相同面積的負電極窗
Π ；
④對於均勻的圓形雷射光斑，每個第二子電池10和第一子電池20上的受光面積相
等;
⑤對於中心對稱的非均勻圓形雷射光斑，每個第二子電池10的受光面積相等，同時設計第二子電池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生的電流相等;
⑥正、負電極通過金屬壓焊或蒸鍍金屬的方式實現電池中各單元電池的串聯，形成一個完整的輸出電壓約為5 V的GaAs雷射光伏電池器件。
[0025]參閱圖2和圖3，該一種輸出電壓約為5V的GaAs雷射光伏電池結構的晶片的製作工藝包括下列步驟:1、通過MOCVD或MBE在半絕緣GaAs襯底01上生長外延結構形成光伏電池基體，該外延結構包括電池的下導電層N型的高摻GaAs層02、N型AlGaAs或AlGaInP勢壘層03、GaAs的 PN 結 04、P 型 Ga0.511% 49P 窗口層 05、P 型 GaAs 接觸層 06 ；
2、結合圖3所示，在光伏電池基體上通過幹法或溼法刻蝕至半絕緣GaAs襯底，再通過填膠或氧化矽電絕緣等材料進行隔離，形成隔離槽30 ；
3、通過幹法或溼法刻蝕依次刻蝕至N型GaAs導電層，形成負電極窗口(圖未示)；
4、通過電子束蒸發、熱蒸發或磁控濺射等方式分別在P型GaAs接觸層06上製備Pd/Zn/Pd/Au = 5/10/20/200 nm金屬材料的正電極、在導電層02上製備AuGe/Ni/Au =35/10/100 nm金屬材料的負電極形成歐姆接觸，並進行電極Au加厚至2 μπι ；
5、通過選擇性腐蝕將除電極下面以外的接觸層去除，應用鍍膜機製備Ti02/Si02減反射層；
6、製備電極引線，實現電池串聯；
7、劃片後形成單組雷射光伏電池晶片。
[0026]本發明的雷射電池包括4個弧形電池和一個圓形電池，所述4個弧形電池和圓形電池的光電流相等，4個弧形電池圍繞圓形電池構成一個整體圓形結構，5個子電池通過串聯連接實現約為5V的輸出電壓。本發明在電池中間設有一個佔電池總面積五分之一的圓形電池，減少常用雷射電池中間隔離槽的面積，可大大增加對光斑中央位置高能量密度光的吸收，提高了電池的光電轉換效率。
[0027]在其他實施例中，雷射光伏電池中PN結電池也可反向設置；隔離槽也可將4個第二子電池非均等分割。
[0028]需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「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程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素 。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0029]以上所述僅是本申請的【具體實施方式】，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護範圍。
【權利要求】
1.一種輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池，其特徵在於:所述的雷射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個電池單元，包括I個第一電池單元，以及環繞設於所述第一電池單元四周的4個第二電池單元，電池單元之間串聯連接。
2.根據權利要求1所述的輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池,其特徵在於:所述的光伏電池包括依次形成於半絕緣襯底上的N型導電層、P/N結電池、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結電池和N型導電層。
3.根據權利要求2所述的輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池,其特徵在於:所述的光伏電池還包括位於所述N型導電層和P/N結電池之間的勢壘層。
4.根據權利要求1所述的輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池,其特徵在於:所述第一電池單元的截面為圓形，所述的4個第二電池單元截面積相同，且其截面為弧形，所述的4個第二電池單元環繞所述第一電池單元構成一個圓柱體結構。
5.根據權利要求1所述的輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池,其特徵在於:對於均勻的圓形雷射光斑，所述的第一電池單元和每一個的第二電池單元的受光面積相等。
6.根據權利要求1所述的輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池,其特徵在於:對於中心對稱的非均勻圓形雷射光斑，所述的4個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的第二電池單元的光電流相等。
7.權利要求1至6任一所述的輸出電壓為5V的GaAs雷射光伏電池的製作方法,其特徵在於，包括: (1)在半絕緣襯底上生長N型導電層； (2)在上述N型導電層上生長勢壘層； (3)在上述勢壘層上依次生長N型吸收層和P型吸收層形成P/N結電池； (4)在上述P/N結電池上生長P型窗口層； (5)在上述P型窗口層上生長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結電池、勢壘層、N型導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)製備正電極、負電極、減反射層以及電極引線，獲得目標產品。
8.根據權利要求7所述的雷射光伏電池的製作方法，其特徵在於:所述導電層為N型摻雜濃度IX 118 cm_3以上的GaAs導電層；所述勢壘層為摻雜濃度I X 118 cm_3以上的N型AlGaAs或AlGaInP勢壘層；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.根據權利要求7所述的雷射光伏電池的製作方法，其特徵在於:所述步驟(7)中，依次刻蝕P型接觸層、P型窗口層、P/N結電池、N型勢壘層，直至露出N型導電層以形成負電極窗口，而後再經該負電極窗口於N型導電層上製備負電極，在P型接觸層上製備正電極。
【文檔編號】H01L27/142GK104037178SQ201310072324
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月7日 優先權日:2013年3月7日
【發明者】趙春雨, 董建榮, 於淑珍, 趙勇明, 李奎龍, 孫玉潤, 曾徐路, 楊輝 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所