光伏器件及其制备方法与流程

本发明涉及光伏器件领域，具体地讲，涉及一种光伏器件及其制备方法。

背景技术：
激光供能系统是一个创新的能量传递系统，凭借这个系统，将激光光源发出的光通过光纤输送到激光光伏电池上，可以提供稳定的电源输出。通过光纤传导光转化为电比传统的金属线和同轴电缆电力传输技术有更多的优点，可以应用在需要消除电磁干扰或需要将电子器件与周围环境隔离的情况下，在无线电通信、工业传感器、国防、航空、医药、能源等方向有重要应用。激光光伏电池的工作原理与太阳电池类似，只是可以获得更高的转换效率，更大的输出电压，能传递更多的能量，与一般太阳能电池不同的是，光源采用适合光纤传输的790nm～850nm波长的激光。GaAs是III/V族化合物半导体材料，室温下的禁带宽度Eg是1.428eV，GaAsP/N结电池可以用于将808nm～830nm的激光能量转换为电能，可用作激光供能系统中的激光电池，但是GaAs电池的开路电压只有1V，不能够直接用于电子器件电路中的电源。早期的激光光伏电池是将多个单结电池单元串联以获得所需的输出电压，通过刻蚀隔离槽的方式将电池芯片进行隔离，再通过引线的方式将几个单结电池单元串联得到高电压输出。但由于半绝缘GaAs衬底在光照下电阻明显变小，在光电池工作时的并联电导显著增加，即光电池PN结漏电严重，致使I-V曲线变形，导致光伏电池的填充因子减小和转换效率的降低。

技术实现要素：
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种光伏器件，该光伏器件具有湿氧氧化层，其可有效地防止半绝缘衬底光照下导致的漏电问题，同时可有效地增大光伏电池的并联电阻，增加其转换效率。为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：一种光伏器件，包括衬底以及形成于所述衬底上的光伏电池，所述衬底和所述光伏电池之间还设有Al2O3材料层。进一步地，所述光伏电池包括串联的多个子电池。进一步地，所述光伏电池为GaAs电池。进一步地，所述GaAs电池包括叠层设置的N+型接触层、N型背场层、N型基区、P型发射区、P型窗口层及P+型接触层；其中，N+型接触层与所述湿氧氧化层连接，P+型接触层上设有正电极，N+型接触层上设有负电极。进一步地，所述P型窗口层上还设置有减反射层；其中，所述减反射层选自ZnSe/MgF减反射膜、TiO2/SiO2减反射膜中的任意一种。进一步地，所述N+型接触层为掺杂浓度不低于6×1018cm-3的N+型GaAs；所述N型背场层为掺杂浓度不低于1×1018cm-3的N型GaInP；所述N型基区为掺杂浓度为5×1016cm-3～5×1017cm-3的N型GaAs；所述P型发射区为掺杂浓度为1×1017cm-3～4×1018cm-3的P型GaAs；所述P型窗口层为掺杂浓度不低于1×1018cm-3的P型AlxGa1-xAs或P型GaInP，x不小于0.2；所述P+型接触层为掺杂浓度不低于6×1018cm-3的P+型GaAs。进一步地，所述N+型接触层的厚度为100nm～500nm，所述N型背场层的厚度为50nm～100nm，所述N型基区的厚度为2500nm～3500nm，所述P型发射区的厚度为100nm～600nm，所述P型窗口层的厚度为200nm～1000nm，所述P+型接触层的厚度为100nm～300nm。本发明的另一目的还在于提供了一种上述的光伏器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：A、在衬底上生长Al(Ga)As材料层；B、在所述Al(Ga)As材料层上生长光伏电池；C、通过湿氧氧化法将所述Al(Ga)As材料层横向氧化成Al2O3材料层，形成湿氧氧化层。进一步地，在所述Al(Ga)As材料层上生长光伏电池之后，首先刻蚀所述光伏电池直至所述Al(Ga)As材料层暴露出，形成隔离槽，所述隔离槽将所述光伏电池分割为多个子电池；然后将分割获得的所述多个子电池相互串联。进一步地，采用金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺生长所述Al(Ga)As材料层；采用金属有机物化学气相沉积工艺或分子束外延工艺生长所述光伏电池；采用电子束蒸发工艺、热蒸发工艺、磁控溅射工艺中的任意一种方法生长所述正电极和负电极；采用化学气相沉积工艺或镀膜工艺制备所述减反射层。进一步地，所述Al(Ga)As材料层中的Al(Ga)As为Ga1-xAlxAs，其中x不小于0.5。本发明的光伏器件，通过在衬底与光伏电池之间设置湿氧氧化层，可有效地防止半绝缘衬底在光照下导致的漏电问题，同时还可有效地增大光伏电池的并联电阻，增加其转换效率。附图说明通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：图1是根据本发明的实施例的单个激光光伏电池的制备方法的流程图；图2是根据本发明的实施例的单个激光光伏电池在湿氧氧化前的剖面图；图3是根据本发明的实施例的单个激光光伏电池在湿氧氧化后的剖面图；图4是根据本发明的实施例的串联激光光伏电池的制备方法的流程图；图5是根据本发明的实施例的串联激光光伏电池在湿氧氧化前的剖面图；图6是根据本发明的实施例的串联激光光伏电池在湿氧氧化后的剖面图。具体实施方式以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。本发明提供了一种光伏器件，其包括衬底以及生长于衬底上的光伏电池，还包括设置于衬底和光伏电池之间的Al2O3材料层；也就是说，光伏电池通过一湿氧氧化层连接到衬底上，上述Al2O3材料层即为湿氧氧化层；具体地，湿氧氧化层是通过在衬底上生长一Al(Ga)As材料层，再将Al(Ga)As材料层湿氧氧化形成Al2O3材料层获得的。本发明还提供了制备上述光伏器件的制备方法，包括如下步骤：A、在衬底上生长Al(Ga)As材料层；B、在Al(Ga)As材料层上生长光伏电池；C、通过湿氧氧化法将Al(Ga)As材料层横向氧化成Al2O3材料层，形成湿氧氧化层。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。实施例1采用金属有机物化学气相沉积法或分子束外延技术的方法生长单个激光光伏电池的步骤参照图1，具体步骤如下：在步骤110中，在衬底100上生长Al(Ga)As材料层210。具体地，采用半绝缘GaAs衬底100作为用来同质生长GaAs材料的衬底，其厚度为200μm～500μm；再将衬底100置入金属有机物化学气相沉积或分子束外延的生长室，在衬底100上生长一层厚度为200nm～500nm的Al(Ga)As材料层210。其中，Al(Ga)As材料层中的Al(Ga)As为Ga1-xAlxAs，其中x不小于0.5。在步骤120中，在Al(Ga)As材料层210上生长光伏电池300。具体方法为：在Al(Ga)As材料层210上依次生长N+型接触层310、N型背场层320、N型基区331、P型发射区332、P型窗口层340及P+型接触层350；其中，N型基区331和P型发射区332形成P/N结电池330。在本实施例中，N+型接触层310的厚度为100nm～500nm，N型背场层320的厚度为50nm～100nm，N型基区331的厚度为2500nm～3500nm，P型发射区332的厚度为100nm～600nm，P型窗口层340的厚度为200nm～1000nm，P+型接触层350的厚度为100nm～300nm；且N+型接触层310为掺杂浓度大于6×1018cm-3的N+型GaAs，N型背场层320为掺杂浓度大于1×1018cm-3的N型GaInP，N型基区331为掺杂浓度为5×1016cm-3～5×1017cm-3的N型GaAs，P型发射区332为掺杂浓度为1×1017cm-3～4×1018cm-3的P型GaAs，P型窗口层340为掺杂浓度大于1×1018cm-3的P型AlxGa1-xAs或P型GaInP，其中，x不小于0.2，P+型接触层350为掺杂浓度大于6×1018cm-3的P+型GaAs。其中，P+型接触层350用来做欧姆接触。更为具体地，Al(Ga)As材料层210及光伏电池300均可采用金属有机物化学气相沉积法或分子束外延技术生长；其中，当采用金属有机物化学气相沉积法时，N+型接触层310、N型背场层320和N型基区331的掺杂原子选自Si、Se、S、Te中的任意一种，P型发射区332、P型窗口层340和P+型接触层350的掺杂原子选自Zn、Mg、C中的任意一种；当采用分子束外延技术时，N+型接触层310、N型背场层320和N型基区331的掺杂原子选自Si、Se、S、Sn、Te中的任意一种，P型发射区332、P型窗口层340和P+型接触层350的掺杂原子选自Be、Mg、C中的任意一种。在本实施例中，Al(Ga)As材料层210及光伏电池300均采用金属有机物化学气相沉积法生长，且N+型接触层310、背场层320和N型吸收层331的掺杂原子均为Si，P型吸收层332、P型窗口层340和P+型接触层350的掺杂原子均为C。同时，在光伏电池300上还需制备正电极360、负电极370、减反射层380以及电极引线390。具体地，正电极360和负电极370形成的方法可采用电子束蒸发工艺、热蒸发工艺或磁控溅射工艺中的任意一种，具体方法为：分别在N+型接触层310和P+型接触层350上沉积若干层金属，并退火形成欧姆接触；减反射层380可以是ZnSe/MgF减反射膜、TiO2/SiO2减反射膜中的任一种，且减反射层380可通过化学气相沉积工艺或镀膜工艺制备。在本实施例中，通过电子束蒸发的方式制备35nm/10nm/100nmAuGe/Ni/Au；1μmAg；100nmAu的金属材料的负电极370和正电极360，并形成欧姆接触。经步骤110及步骤120得到的单个激光光伏电池在湿氧氧化前的剖面如图2所示。在步骤130中，通过湿氧氧化法将Al(Ga)As材料层210横向氧化成Al2O3材料层，形成湿氧氧化层200。如此形成单个激光光伏电池，参照图3。具体地，将步骤120得到的单个激光光伏电池置入氧化炉中，氧化炉内温度为350℃～500℃，再将携带有80℃左右的水蒸气的N2通过氧化炉，N2流量约为100mL/min左右，Al(Ga)As材料层210即可横向氧化成Al2O3材料层，形成湿氧氧化层200。在衬底100与光伏电池300之间设置湿氧氧化层200，可有效地防止半绝缘衬底在光照下导致的漏电问题。实施例2根据本发明的实施例的激光光伏电池还可以是串联激光光伏电池，即光伏电池包含若干个串联的子电池。图4是根据本发明的实施例的串联激光光伏电池的制备方法的流程图，图5是根据本发明的实施例的串联激光光伏电池在湿氧氧化前的剖面图，图6是根据本发明的实施例的串联激光光伏电池在湿氧氧化后的剖面图。根据本发明的实施例的串联激光光伏电池的制备方法参照图4，具体地，在实施例2的描述中，与实施例1的相似之处在于步骤210、220、240分别对应相似于步骤110、120、130，具体方法在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。实施例2与实施例1的不同之处在于：在Al(Ga)As材料层210上生长光伏电池300之后，首先刻蚀光伏电池300直至Al(Ga)As材料层210暴露出，形成隔离槽400，隔离槽400将光伏电池300分割为多个子电池300a，此处每个子电池300a的结构均与分割前的光伏电池300结构一致；然后将分割获得的多个子电池300a相互串联。具体地，在步骤230中，刻蚀光伏电池300直至Al(Ga)As材料层210暴露出，形成隔离槽400，同一衬底100上形成多个子电池300a。经步骤210-230得到的串联激光光伏电池在湿氧氧化前的剖面图参照图5。在步骤250中，衬底100上的多个子电池300a相互串联。如此形成了串联GaAs激光光伏电池，如图6所示。根据本发明的实施例2的串联GaAs激光光伏电池，通过在衬底100与光伏电池300之间设置湿氧氧化层200，不仅可以阻止载流子的向下输运，有效地防止半绝缘衬底在光照下导致的漏电问题，同时还可有效地增大光伏电池的并联电阻，增加了转换效率。根据本发明的实施例2的串联激光光伏电池通过多个子电池300a串联以获得所需的输出电压，其中GaAs电池的开路电压约为1V，如此串联激光光伏电池有几个上述子电池300a串联就有约几伏的输出电压。光伏电池300生长在半绝缘GaAs衬底100上以便在随后的电池加工工艺中实现每个子电池300a之间电学隔离，然后将一个子电池300a的正极与另一个子电池300a的负极依次相连而制作几个子电池300a的串联连接。但是半绝缘GaAs衬底100在光照下容易电阻变小而导致光伏电池300的并联电阻降低，即表现为P/N结330漏电。在衬底100与每个子电池300a之间设置湿氧氧化层200，能够有效阻止载流子的向下运输，通过此方法可以很好的解决衬底漏电的问题，提高电池性能。易于想到的是，在其他实施例中，串联激光光伏电池也可通过隔离槽400分隔成任意数量的子电池300a，如通过一道隔离槽400形成2个子电池300a，2道交叉隔离槽400形成4个子电池300a，通过3道交叉隔离槽400形成6个子电池300a，依此类推。虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。