1．河海大学 能源与电气学院 江苏省南京市 211100；2．中国科学院 电工研究所 北京市 100190
摘要：本文研究了锑化镓热光伏电池发射极的优化制备过程，建立了镓空位和间隙态镓共存的扩散方法解释了锌在锑化镓中的扩散过程。研究发现，发射极中锌扩散曲线的高浓度扩散前沿中扩散率与浓度呈二次方关系，而制备电池所需的低浓度扩散前沿中扩散率与浓度呈一次方关系。
关键词：锑化镓，热光伏发电，热光伏电池，发射极优化
Abstract：The fabrication process for the emitter of GaSb thermophotovoltaic cells are investigated in this article，the diffusion method which considering the existing of the Ga vacancies and Ga interstitials are used to explain the Zn diffusion process in GaSb. The relationship of the diffusion coefficient（D）and concentration（C）is D∝C2 in the heavily doped emitter，while the relationship of D∝C exists in the lightly doped emitters，which is fit for GaSb cell fabrication.
1 引 言
锑化镓是三五族化合物半导体材料，其禁带宽度约为0.72eV，可有效将300~1700nm波段的近红外光子转化为电能，由锑化镓材料制成的热光伏电池可应用于1200~1600K的热光伏发电系统。在温度为1500K的黑体辐射条件下，锑化镓电池的电能输出密度达1.5W/cm2。
为制备锑化镓热光伏电池，首先需要将P型杂质锌扩散到N型锑化镓中以制备电池的发射极，发射极中锌浓度曲线的形貌与电池性能有直接关系。近年来，国外学者对锑化镓电池发射极的制备进行了大量的实验与理论分析工作，德国菲劳恩霍夫太阳能研究所的贝特 [1-3]等人做了大量的实验，分析了扩散时间、扩散温度、晶片表面清洗过程以及在扩散源锌中增加锑颗粒对扩散曲线的影响；尼克尔[4]等应用间隙式扩散机制对扩散后锑化镓中没有扩展缺陷的发射极进行了模拟，但无法模拟扩散后晶体中存在扩展缺陷的双扩散前沿锌曲线。
本文根据多组实验结果研究了双扩散前沿锌扩散曲线的生成规律，优化了锑化镓电池发射极制备。理论比较了优化前后的锑化镓电池的量子效率。
2 实验装置与方法
锑化镓电池发射极制备所需的扩散过程在由5N的高纯石墨舟中进行。锑化镓半导体晶片采用中科院半导体所提供的掺杂了碲（n=2~5×1017cm-3）、<100>晶向的N型锑化镓晶片，扩散源为锌-锑合金（锌重量含量为3%）颗粒。
发射极制备之前，在充满氮气的手套箱内需在稀盐酸、丙酮、二甲苯清洗锑化镓晶片、然后用氮气枪吹干。扩散炉采用合肥科晶公司生产的OTF-1200X电阻式加热炉。在扩散实验结束后，迅速将承载石墨舟的石英管移出炉体，快速冷却至室温，然后打开石英管端部的密封法兰，取出石墨舟。
为保证扩散实验的可重复性，在每次实验之前，都要在1000℃和高真空条件下烘烤石墨舟10小时以上。在扩散实验结束后，将石墨舟放置于在扩散炉中，抽真空并充入氢氩保护气。
3 实验结果与分析
扩散法制备发射极结束后，采用二次例子质谱仪可测量锌在发射极中的浓度分布，锌扩散曲线形貌为双扩散前沿型[2]，下面研究了扩散温度和时间对发射极制备过程的影响。
3.1扩散温度对扩散曲线的影响
为使发射极内部锌曲线稳定，可使用锌-锑合金扩散源。由于锑化镓为三五族化合物半导体，镓原子相对稳定，而锑原子容易溢出，因此在扩散过程中加入少量的锑可有效的缩短高浓度扩散前沿的产生 [3]。库尼比亚等[6]也做了纯锌和锌-锑合金作为扩散源的对比实验，在扩散温度500℃、扩散4小时后，以锌-锑合金为扩散源的发射极扩散结深比纯Zn扩散条件下减小了0.7um。
图1 扩散温度500℃、扩散5小时后发射极锌扩散曲线
当扩散时间固定，升高扩散温度可增加发射极扩散深度。当扩散时间为5h，扩散温度为460~500℃时，扩散后得出的锌扩散曲线见图1。研究发现，扩散后锑化镓晶片表面锌浓度维持在3×1020cm-3左右，并且随着温度的升高几乎是不变的。上述现象与过去的研究结果有较大区别，贝特等[2]得出锑化镓表面锌浓度是随着温度的升高呈增长趋势的，而且其最大值仅为1.9×1020cm-3。分析图1，可以得出结深和扭曲点（kink点）深度随温度的变化情况，结果如图2所示，此结深和kink点与扩散总深度随温度变化的趋势与贝特[2]的研究结果是相似的。
图2扩散温度升高时，结深和kink点深度的增长趋势
3.2扩散温度对扩散曲线的影响
同样，当扩散温度固定时，通过改变扩散时间也可以使扩散曲线发生变化，图3为我们实验中扩散温度为500℃时，扩散2h和5h后的样品内杂质锌浓度曲线。发射极顶层锌浓度值和kink点处锌浓度值与时间的增长无关，这个结论也与贝特等[1]得到的结论相同，另外，贝特还获得了扩散温度相同，增长扩散时间时的扩散曲线（图4），得出发射极深度与扩散时间的二分之一次方呈线性增长趋势，此研究结果对于实际的电池制备中发射极的深度精确控制有重要作用。
图3扩散温度500℃，不同扩散时间下的发射极中锌曲线
图4扩散温度480℃，扩散时间增长时发射极中锌曲线
3.3锌扩散率与浓度关系的研究
采用玻尔兹曼方法[7-10]可计算双扩散前沿锌曲线中扩散率与浓度的关系。计算结果（图5）发现，在表面高浓度扩散层，扩散率与浓度呈二次方关系，而在低浓度扩散的尾部区域，扩散率与浓度呈一次方关系。顶层的高浓度扩散区域中，由于掺杂浓度过高，光生少子的寿命很短，因此需要采用精确腐蚀法将其去除。
图5 采用玻尔兹曼分析得出发射极中双扩散前沿锌曲线的扩散率与浓度的关系
4 结论
作者实验研究了制备锑化镓热光伏电池涉及到的扩散过程，研究了扩散温度、时间等参数对扩散的影响外。研究发现，在相同扩散时间不同扩散温度下，扩散率和温度的倒数呈现线性关系，而发射极表面锌浓度不随温度的增加而上升；在相同扩散温度不同扩散时间下，发射极表面锌浓度和扩散率是稳定不变的。根据研究所的发射极中双扩散前沿锌扩散曲线的规律，可制备精确发射极结构的锑化镓热光伏电池，提高批量电池之间的输出性能稳定性。
参考文献
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[10]赵爱英 叶玉堂 吴云峰 2005激光与光电子学进展 42 39
论文作者:汤亮亮1,刘珠明2
论文发表刊物:《电力技术》2016年第11期
论文发表时间:2017/3/1
标签：发射极论文; 温度论文; 浓度论文; 曲线论文; 电池论文; 时间论文; 光伏论文; 《电力技术》2016年第11期论文;