[实用新型]一种表面纳米阵列结构的锗半导体热光伏电池

说明书

本实用新型公开了一种表面纳米阵列结构的锗半导体热光伏电池，其特征是：包括p型衬底；背面电极，其设置在p型衬底的底面；n型层，其设置在p型衬底的表面且纵截面呈“凹”字型；及栅条形表面电极，其设置在n型层的表面；纳米阵列，其设置在n型层的凹面上。本实用新型是利用纳米光子学结构的光学散射共振效应增强光电转换有源区的光吸收，从而提升器件的光电转换效率。本实用新型选择成本较低的窄带隙锗半导体作为光电转换材料，可以采用自组装纳米球掩膜刻蚀方法制备纳米阵列结构，不需要引入复杂的多层光学薄膜便可以获得较高的光电转换效率，具有工艺过程简单、材料成本低、转换效率高等特点。

技术领域

本实用新型涉及一种热光伏电池，具体涉及一种表面纳米阵列结构的锗半导体热光伏电池。

背景技术

热光伏技术可以利用光伏效应直接将热能转换为电能，在工业废热回收、新能源开发利用、深太空探测、水下潜艇供电等领域具有广阔的应用前景。热光伏发电系统的基本组件包括热源、辐射体、热光伏电池，热光伏电池将辐射体发射的光转换为电能，是系统核心组件。人造的热辐射体温度一般低于2000K，辐射光子主要分布在长波区，因此需要选择窄带隙半导体作为光电转换材料。锗的室温禁带宽度0.67eV，对应本征吸收截止波长超过1800nm，且材料成本低，是应用于热光伏电池的重要材料。但是锗是一种间接带隙半导体，其在截止波长附近的光吸收系数低，且较高的折射率较导致表面光反射率较高，因此，为了提升光电转换效率，需要设计合适的光学结构以对锗电池进行光管理。

传统的方法主要是在表面引入多层光学膜以降低表面光反射，本实用新型提出在锗电池表面直接制作纳米阵列结构，利用亚波长纳米阵列结构的光学散射共振效应，不仅可以降低光反射率，还可以将入射光有效耦合到电池的光电发射有源区进行吸收，从而提升电池的光电转换效率。

实用新型内容

针对现有锗热光伏电池存在的有源区光吸收率低的问题，本实用新型提供一种表面纳米阵列结构的锗半导体热光伏电池。

本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种表面纳米阵列结构的锗半导体热光伏电池，采用Ge作为原材料，包括p型衬底，在p型衬底表面采用外延技术生长一层n型层，n型层的纵截面呈“凹”字型，在n型层的表面利用光刻和电子束蒸发技术沉积制备栅条形表面电极，在n型层表面未被栅条形表面电极覆盖的位置即凹面上利用自组装纳米球掩膜技术和刻蚀技术制备纳米阵列结构，在p型衬底下表面采用电子束蒸发技术依次沉积Au/Ge/Ni/Au金属作为背面电极。

在本实用新型中，纳米阵列结构为二维周期性点阵排列，排列方式为正方形或者正六边形，二维周期性纳米点阵的重复单元是纳米柱，其直径在100-1000nm之间，高度在50-500nm之间，相邻纳米柱圆心间距与纳米柱直径的比值在1.0-3.0之间。

在本实用新型中，利用电子束蒸发技术在n型层表面依次沉积Pd/Ti/Pd/Ag金属，并采用光刻技术制备栅条形表面电极，也是电池的负极。

在本实用新型中，利用电子束蒸发技术在p型衬底背面依次沉积Pd/Ti/Pd/Ag金属，形成背面电极，也是电池的正极。

在本实用新型中，栅条形表面电极的电极覆盖面积在10％至15％之间。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型利用表面纳米阵列的光学共振效应对电池进行光管理，不仅可以大幅度降低表面反射率，还可以将入射光有效限制在光电转换p-n结有源区吸收，从而提升光电转换效率。

2)本实用新型表面纳米阵列可以采用自组装刻蚀法制备，工艺过程简单，避免了多层光学膜的引入，可以降低电池成本。

3)本实用新型采用的原材料是锗，与此前常用的热光伏材料III-V族化合物相比，锗的工艺技术更成熟，材料成本更低。

附图说明