本發(fā)明涉及太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種含Bi的熱光伏電池的結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：
熱光伏電池(TPV)是將高溫?zé)岚l(fā)射體發(fā)出的紅外輻射能通過半導(dǎo)體材料直接轉(zhuǎn)化為電能的一種電池。早在1956年，美國麻省理工大學(xué)(MIT)的H.H.Kolm博士就設(shè)計(jì)制造出了一個(gè)應(yīng)用硅電池的熱光伏系統(tǒng)，并推斷出其理論輸出功率可達(dá)到1W。1989年，GaSb太陽能電池的研制使得熱光伏系統(tǒng)的優(yōu)越性得到了進(jìn)一步驗(yàn)證，使得基于III-V化合物的熱光伏電池也逐漸發(fā)展了起來。20世紀(jì)末，G.D.Cody曾做出推斷，對(duì)工作在1000～1800℃的紅外發(fā)射體，禁帶寬度在0.25～0.5eV的材料能使熱光伏電池獲得最高工作效率和最大功率密度。GaSb等III-V族半導(dǎo)體材料具有較低的禁帶寬度，適合作為制備熱光伏電池的材料。目前，對(duì)III-V族半導(dǎo)體材料熱光伏電池的研究主要集中在GaSb電池、InGaAsSb/GaSb電池、InGaAs/InP電池和InAsSbP/InAs電池等。GaSb材料體系主要存在價(jià)格昂貴，均勻性差的問題。與GaSb材料相比，晶格匹配的In0.53Ga0.47As/InP材料具有更好的晶體質(zhì)量，但由于其禁帶寬度約為0.73eV轉(zhuǎn)換效率比較低。與InP襯底晶格失配的InGaAs材料的禁帶寬度達(dá)0.5～0.6eV，甚至更低，但隨著失配程度的增加，也會(huì)引入更多的失配缺陷。雖在InP襯底上生長一層InAsP材料做為緩沖層，可以實(shí)現(xiàn)晶格常數(shù)的過渡，實(shí)現(xiàn)無殘余應(yīng)力的InGaAs材料，但是，InGaAs內(nèi)的位錯(cuò)密度在106/cm2限制了器件的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有熱光伏電池的不足，本發(fā)明的目的之一在于提出一種新型的熱光伏電池器件，能有效提高轉(zhuǎn)化效率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種含Bi熱光伏電池的結(jié)構(gòu)，包括生長在InP襯底上并與所述InP襯底晶格匹配的InxGa1-xAs1-yBiy電池，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池的禁帶寬度為0.21～0.73eV。優(yōu)選地，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池為單結(jié)電池結(jié)構(gòu)，包括按照遠(yuǎn)離所述InP襯底方向依次生長的InP緩沖層、InxGa1-xAs1-yBiy子電池及歐姆接觸層。優(yōu)選地，所述InxGa1-xAs1-yBiy子電池包括按照遠(yuǎn)離所述InP襯底方向依次生長的InP背場(chǎng)層、InxGa1-xAs1-yBiy基區(qū)、InxGa1-xAs1-yBiy發(fā)射區(qū)、InP窗口層。優(yōu)選地，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池為雙結(jié)電池結(jié)構(gòu)，包括按照遠(yuǎn)離所述InP襯底的方向依次生長的InP緩沖層、第一InxGa1-xAs1-yBiy子電池、隧道結(jié)、第二InxGa1-xAs1-yBiy子電池以及歐姆接觸層；所述第一InxGa1-xAs1-yBiy子電池的禁帶寬度小于第二InxGa1-xAs1-yBiy子電池的禁帶寬度。優(yōu)選地，所述第一InxGa1-xAs1-yBiy子電池和/或第二InxGa1-xAs1-yBiy子電池分別包括按照遠(yuǎn)離所述InP襯底方向依次生長的InGaAsP或InP背場(chǎng)層、InxGa1-xAs1-yBiy基區(qū)、InxGa1-xAs1-yBiy發(fā)射區(qū)、InGaAsP或InP窗口層。優(yōu)選地，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池中，0≤x≤0.53，0＜y≤0.34。進(jìn)一步地，所述InxGa1-xAs1-yBiy電池中更優(yōu)選的x、y范圍是：0≤x≤0.48，0＜y≤0.34。優(yōu)選地，還包括分別設(shè)置在所述InP襯底底部、所述InxGa1-xAs1-yBiy電池頂部的背電極、柵電極，以及設(shè)置在所述柵電極上的抗反膜。本發(fā)明的另一目的在于提出這種含Bi熱光伏電池的制備方法，包括如下步驟：步驟A：采用有機(jī)金屬化合物化學(xué)氣相沉積或分子束外延法，在InP襯底上與所述InP襯底晶格匹配的InxGa1-xAs1-yBiy電池，使所述InxGa1-xAs1-yBiy電池的禁帶寬度為0.21～0.73eV；步驟B：分別在所述InP襯底底部、所述InxGa1-xAs1-yBiy電池頂部設(shè)置背電極、柵電極，以及在所述柵電極表面蒸鍍抗反膜。本發(fā)明的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)在于：采用與InP晶格匹配的InGaAsBi材料制作單結(jié)或雙結(jié)熱光伏電池的有源區(qū)；該InGaAsBi覆蓋禁帶寬度達(dá)到0.21～0.73eV。獲得單結(jié)熱光伏電池，InGaAsBi與InP晶格匹配，相比與InP基晶格失配的InGaAs的熱光伏電池，能更好地保證電池器件的性能；相比昂貴的GaSb基熱光伏電池具有更高的性價(jià)比。獲得雙結(jié)熱光伏電池則能在單結(jié)熱光伏電池的基礎(chǔ)上可針對(duì)特定的輻射源，優(yōu)化帶隙，獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，能夠滿足熱光伏系統(tǒng)的要求。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的熱光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的熱光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的熱光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作詳細(xì)說明。凡采用本發(fā)明的理念，針對(duì)不同的輻射源，優(yōu)化單結(jié)或雙/多結(jié)熱電池禁帶寬度以達(dá)到最大效率輸出的電池結(jié)構(gòu)均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。實(shí)施例1以禁帶寬度為0.6eV的熱光伏InxGa1-xAs1-yBiy電池為應(yīng)用實(shí)例，其中，預(yù)設(shè)x＝0.48，y＝0.035，形成基區(qū)禁帶寬度為0.6eV的In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池。如圖1所示，本實(shí)施例的熱光伏電池為單結(jié)電池結(jié)構(gòu)，其包括在InP襯底110上按照遠(yuǎn)離所述InP襯底110方向依次生長的InP緩沖層120、In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池130及歐姆接觸層140。在所述InP襯底110底部、所述歐姆接觸層140頂部還分別設(shè)有背電極150、柵電極160，所述柵電極160表面蒸鍍有抗反膜170。所述In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池130包括依次遠(yuǎn)離所述InP襯底110、在所述InP緩沖層120上生長的InP背場(chǎng)層131、In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035基區(qū)132、In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035發(fā)射區(qū)133、InP窗口層134。在其他實(shí)施例中，可以調(diào)整In、Bi組分比例來獲得不同禁帶寬度的InxGa1-xAs1-yBiy電池，滿足實(shí)際應(yīng)用需要。下面結(jié)合圖1介紹這種熱光伏電池的制備方法，本實(shí)施例的生長步驟均采用MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)或MBE(MolecularBeamEpitaxy，分子束外延)。若采用MOCVD法，則各外延層的N型摻雜原子為As或P，其余層N型摻雜原子為Si、Se、S或Te，P型摻雜原子為Zn、Mg或C；若采用MBE法，則各外延層的N型摻雜原子為As或P，其余層N型摻雜原子為Si、Se、S、Sn或Te，P型摻雜原子為Be、Mg或C。本實(shí)施例中，N+、N++分別表示摻雜濃度為1.0×1018～9.0×1018/cm2、9.0 ×1018～1.0×1020/cm2；P-、P++分別表示摻雜濃度為1.0×1015～1.0×1018/cm2、9.0×1018～1.0×1020/cm2。具體步驟如下：步驟A：采用MOCVD法在P型InP襯底110上，生長100～300nm的P型InP緩沖層120。然后按照遠(yuǎn)離所述InP襯底110的方向，依次生長50nm的P++InP背場(chǎng)層131、2.5μm的P-In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035基區(qū)132(禁帶寬度為0.6eV)、100nm的N+In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035發(fā)射區(qū)133、20～50nm的N++InP窗口層134，最后生長200～900nm的N++InGaAs作為歐姆接觸層140。步驟B：在所述InP襯底110底部、歐姆接觸層140頂部分別蒸鍍背電極150、柵電極160。然后在所述柵電極160上蒸鍍抗反膜170，獲得單結(jié)的熱光伏電池。實(shí)施例2以溫度為1500k黑體輻射光源為例，實(shí)現(xiàn)熱光伏電池將輻射光源的能量轉(zhuǎn)化為電能。本實(shí)施例的熱光伏電池是雙結(jié)電池結(jié)構(gòu)，其中，在一組子電池中預(yù)設(shè)x＝0.32，y＝0.125，獲得基區(qū)禁帶寬度為0.42eV的第一In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125子電池；在另一組子電池中預(yù)設(shè)x＝0.48，y＝0.035，獲得基區(qū)禁帶寬度為0.6eV的第二In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池。同樣地，調(diào)整In、Bi組分比例可獲得不同第一或第二InxGa1-xAs1-yBiy子電池禁帶寬度。如圖2所示，本實(shí)施例的熱光伏電池包括在InP襯底210上按照遠(yuǎn)離所述InP襯底210方向依次生長的InP緩沖層220、第一In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125子電池230、隧道結(jié)240、第二In0.48Ga0.52As0.965子電池250及歐姆接觸層260。在所述InP襯底210底部、所述歐姆接觸層260頂部還分別設(shè)有背電極270、柵電極280，所述柵電極80表面蒸鍍有抗反膜290。下面結(jié)合圖2介紹這種熱光伏電池的制備方法，包括如下步驟：步驟A：在采用MOCVD法在P型InP襯底210上，生長100～300nm的P型InP緩沖層220。然后在所述InP緩沖層220上生長第一In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125子電池230，即按照遠(yuǎn)離所述InP襯底210的方向，在InP緩沖層220上依次生長50nm的P++InP背場(chǎng)層231、2.5μm的P-In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125基區(qū)232(禁帶寬度為0.42eV)、100nm的N+In0.32Ga0.68As0.875Bi0.125發(fā)射區(qū)233、20～50nm的 N++InP窗口層234。然后在所述InP窗口層234上依次生長15～30nm的N++InP241、10～25nm的P++InP242形成隧道結(jié)240。在所述隧道結(jié)240上生長第二In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035子電池250，即按照遠(yuǎn)離所述InP襯底210的方向，隧道結(jié)240上依次生長50nm的P++InP背場(chǎng)層251、2.5μm的P-In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035基區(qū)252(禁帶寬度為0.6eV)、100nm的N+In0.48Ga0.52As0.965Bi0.035發(fā)射區(qū)253、20～50nm的N++InP窗口層254。最后在所述InP窗口層254上生長200～900nm的N++InGaAs作為歐姆接觸層260。步驟B：在所述InP襯底210底部、歐姆接觸層260頂部分別蒸鍍背電極270、柵電極280，然后在所述柵電極280上蒸鍍抗反膜290，獲得目標(biāo)的熱光伏電池。在其他實(shí)施例中，可調(diào)整In、Bi的組分來獲得不同禁帶寬度的InxGa1-xAs1-yBiy電池。實(shí)施例3本實(shí)施例的熱光伏電池結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1的類似，不同的是通過調(diào)整In、Bi的組分比例，令x＝0，y＝0.34，獲得基區(qū)禁帶寬度為0.21eV的GaAs0.66Bi0.34單結(jié)熱光伏電池，可以吸收較低溫輻射體的能量。下面結(jié)合圖3介紹本實(shí)施例GaAs0.66Bi0.34單結(jié)熱光伏電池的制備方法，包括如下步驟：步驟A：采用MBE法在P型InP襯底310上，生長100～300nm的P型InP緩沖層320。然后在所述InP緩沖層320上生長GaAs0.66Bi0.34子電池330，即按照遠(yuǎn)離所述InP襯底310的方向，依次生長50nm的P++InGaAs背場(chǎng)層331、2.5μm的P-GaAs0.66Bi0.34基區(qū)332(禁帶寬度為0.21eV)、100nm的N+GaAs0.66Bi0.34發(fā)射區(qū)333、20～50nm的N++InP窗口層334。最后在GaAs0.66Bi0.34子電池330上生長200～900nm的N++InGaAs作為歐姆接觸層340。步驟B：在所述InP襯底310底部、歐姆接觸層340頂部分別蒸鍍背電極350、柵電極360。然后在所述柵電極360上蒸鍍抗反膜370，獲得單結(jié)的熱光伏電池。