[发明专利]一种基于GaxIn1-xAs1-ySby四元半导体的异质结热光伏电池

说明书

技术领域

本发明属于热光伏技术领域，具体涉及一种基于晶格匹配的Ga_xIn_1-xAs_1-ySb_y四元半导体体系的高转换效率的异质结热光伏电池。

背景技术

热光伏技术是将高温热辐射体发出的光子通过半导体p-n结的光伏效应直接转换成电能的技术，它具有输出电功率密度高、可以通过光谱控制实现高光电转换效率、静音、携带轻便、无机械结构、构造简单、不宜发生故障、单位体积或单位重量的发电功率比高等优点。完整的热光伏系统主要包括热辐射体、光学滤波器、热光伏电池、热回收器和辅助组件，热辐射体和热光伏电池是系统的核心组件。目前最常用的热辐射体材料SiC的辐射特性与黑体相似，根据黑体辐射的普朗克定律，热辐射体的温度越低，其辐射光功率密度谱的峰位对应的光子能量越低，辐射光子分布在波长越长的区域，要有效吸收利用这些长波段的光子，热光伏电池需要选择禁带宽度更窄的半导体。出于材料性能和安全原因，目前能够控制的热辐射器的温度低于1500℃，对应单结电池获得最高效率的禁带宽度低于0.7eV，热辐射体的温度越低，TPV系统的稳定性和安全系数越高，应用领域越广泛，对应半导体的最佳禁带宽度也越低。

基于上述原因，应用于低温热辐射体热光伏系统的窄禁带半导体热光伏电池成为近年来的一个研究热点。目前所报道的热光伏电池大多是异型同质结器件，美国Bechtel Bettis公司的Bernard Wernsman等人在InP衬底上制备了同质结InGaAs热光伏电池，在禁带宽度为0.6eV，工作在热辐射器温度为950℃并具有光谱控制系统的热光伏系统中，电池的工作温度为52℃时，所获得的最高系统效率(定义为电池的输出电功率密度与其吸收的光功率密度之比)和最高输出电功率密度分别为22％和0.32w/cm²。四元半导体Ga_xIn_1-xAs_1-ySb_y在与GaSb衬底晶格匹配时通过调节组分可获得0.296-0.72eV范围的禁带宽度，容易制作晶格匹配的高性能异质结光电器件，适合制备应用于低温热辐射体热光伏系统的热光伏电池，目前应用于低温热辐射器热光伏系统的同质结Ga_xIn_1-xAs_1-ySb_y热光伏电池已有大量报道，其中美国MIT林肯实验室的C.A.Wang和Lockheed Martin公司的Michael W Dashiell等人合作所做的工作最具有代表性，他们所制备的异型同质结Ga_xIn_1-xAs_1-ySb_y热光伏电池在禁带宽度为0.53eV，工作在热辐射器温度为950℃并具有光谱控制系统的热光伏系统中时，所获得的最高系统效率和最高输出电功率密度在电池工作温度为27℃时分别为19.9％和0.58w/cm²，电池工作温度为50℃时分别为16.9％和0.52w/cm²，电池的工作温度为70℃时分别为14.6％和0.45w/cm²，计算得到工作温度为27℃时的理论最高系统效率和输出电功率密度为28％和0.85w/cm²。虽然InGaAs热光伏电池的效率较高，但由于其禁带宽度较大，其输出电功率密度大大低于Ga_xIn_1-xAs_1-ySb_y热光伏电池，导致其单位体积或单位重量的发电功率比低于Ga_xIn_1-xAs_1-ySb_y热光伏电池，而在实际应用中尤其是在交通工具、航天器等领域迫切需要单位体积或单位重量的发电功率比高的供能系统。

由此可见，Ga_xIn_1-xAs_1-ySb_y热光伏电池应用于低温热辐射器热光伏系统具有更大的优势，但是窄禁带半导体自身的缺陷影响同质结电池的性能：当半导体的禁带宽度降低时，少子的俄歇复合速率增加，导致开路电压降低，影响电池的效率和输出电功率密度，若对材料施行重掺杂，可以提高同质结的内建电场，从而提高开路电压，但是重掺杂会导致俄歇复合速率进一步增加，严重影响器件的性能。