[发明专利]基于NPN结构的激光光伏电池及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于NPN结构的高效激光光伏电池的制作方法，具体涉及一种高效的激光光伏电池，尤其是以在半绝缘GaAs衬底上以GaAs同质PN结为光电转换层的光电池及其制备方法。

背景技术

激光供能系统在户外远程电子系统如智能电网、偏远地区通讯系统、医疗系统、工业传感、航空器油箱监控等需要提供稳定电源或需要避免电火花的环境中电子系统的供电方面具有重要应用。激光供能采用大功率半导体激光器光源，将光能用光纤输送到需要供电的远端恶劣环境中，再用激光电池将光能转化为电能，经过稳压后提供稳定的电源输出。

激光电池是整个激光供能系统的一个核心技术，与一般太阳能电池不同的是，其光源采用适合光纤传输的790-850nm波长的激光，这样使得光的传输损耗很低。对于790-850nm波长的激光敏感的光伏器件采用GaAs光电池将激光能量转换为电能，提供稳定的电源输出。GaAs是III/V族半导体材料，室温下的禁带宽度Eg是1.43eV，(理论计算表明，当Eg在1.2～1.6eV范围时，电池转换效率最高)与太阳光谱匹配，是理想的太阳能电池材料。GaAs太阳能电池具有高的光电转换效率，单结GaAs太阳能电池的转换效率可达28％。GaAs PN结电池可以用于将808nm的激光能量转换为电能，用作激光供能系统中的激光电池(参阅US005342451)。由于要求每个激光电池元件要有几伏的输出电压(如6V)，而GaAs电池的开路电压约为1V，这就需要GaAs电池的设计中每个光电池上需要有几个电池单元串联以获得所需的输出电压。

激光电池光敏面接收的功率密度较高，相当于几百个太阳的照射强度，光电流密度在每平方厘米十几到几十安培的量级。如此大的电流密度下，减小串联电阻非常有助于提高电池的转换效率。早期的激光光伏电池一般采用在半绝缘衬底上生长N型缓冲层，再生长P/N结，P型窗口层和接触层，其后在接触层上制备金属栅状电极，而后再将未分布在金属栅状电极下方的接触层去除，该金属栅状电极设计要得到尽量小的串联电阻，又不能对入射到电池上的光能有太大的遮挡。目前主要采用增加P型窗口层和P性吸收层的厚度或掺杂浓度的方式来减小电池的串联电阻，但这样又会增加材料生长时间，从而大幅提高制造成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于NPN结构的激光光伏电池及其制备工艺，其可有效减小激光光伏电池的串联电阻，增加其转换效率，从而获得高效激光光伏电池。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于NPN结构的激光光伏电池，其特征在于：所述光伏电池包括依次生长在半绝缘衬底上的N型导电层、P/N结和N型窗口层，所述P/N结与N型导电层之间经隧穿结连接。

具体而言，所述光伏电池包括依次生长在半绝缘GaAs衬底上的N型GaAs导电层、隧穿结和GaAs电池，所述GaAs电池包括沿逐渐远离衬底的方向依次分布的P/N结和N型窗口层。

优选的，所述GaAs电池包括沿逐渐远离衬底的方向依次分布的P型势垒层、P/N结、N型窗口层和N型接触层。

优选的，所述P/N结包括沿逐渐远离衬底的方向依次分布的P型吸收层和N型吸收层。

所述N型GaAs导电层和隧穿结之间还设有N型势垒层，且所述N型GaAs导电层直接生长于半绝缘GaAs衬底上。

所述光伏电池包括依次生长在半绝缘GaAs衬底上的N型GaAs导电层、N型AlGaAs((Al)GaInP)势垒层、隧穿结N型GaAs(Ga_0.51In_0.49P)层、隧穿结P型(Al)GaAs层、P型AlGaAs((Al)GaInP)势垒层、P型GaAs电池基区、N型GaAs电池发射区、N型GaAs窗口层和N型GaAs接触层。

一种如上所述基于NPN结构的激光光伏电池的制备方法，其特征在于，该方法为：在半绝缘衬底上依次生长N型导电层、隧穿结、P/N结、N型窗口层及N型接触层，形成光伏电池基体，其后在前述光伏电池基体上加工形成隔离槽、正电极、负电极、减反射层以及电极引线，制得目标产物。

进一步的讲，该方法包括如下步骤：

(1)在半绝缘GaAs衬底上生长N型掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3以上的GaAs导电层；