基于垂直多结结构的大功率激光能量接收器

Large power laser energy receiver is composed of many perpendicular pn junctions with horizontal series arranging. Its advantages are on bearing large laser power, being high open circuit voltage, matching with load-power, having no metal-grid shading, becoming high solar voltaic efficiency. This will play an important role in laser energy transmission in Chinese space and terrestrial and in-water applications. This project concerns the investigation of carrier dynamics under high photo-electron injection, including dependence of silicon electrical properties on surface depth, carrier concenrtration toward surface induced by photo-electron conductor, Auger combination increasing, Ohmic contact locally improving. This project concerns computer simulation on the relationship between silicon perpendicular pn junction structure parameters (junction depth, dopant concentration distribution) and opto-electron properties (open circuit voltage, short circuit current and opto-electron transform)，preparasion and analysis of single junction and unit. This project concerns technology research of weak and deep doping, metallized bonding, wire cutting, surface damage removing, surface passivation and surface light-reflection reduction, electrode welding. This project concerns measurement analysis on heat dissipation, power transport and energy transform efficiency of silicon perpendicular multi-junctions device. This project concerns the analysis of carrier producing, separating, transporting and collecting in laser energy receiver, mechanism research of open-circuit voltage increasing as laser power increasing.

基于垂直多结结构的大功率激光能量接收器是由多个垂直于表面的硅pn结串联横向排列而成，其优势在于承受激光功率密度大、单结开路电压高、功率输出与负载匹配、表面无金属栅电极遮挡、光电转换效率高，这对我国航天航空事业、地面及水下国防事业中的大功率激光输能将起到巨大的促进作用。本课题主要涉及光电子大注入下的载流子动力学研究，包括材料电学特性随表面深度的变化、光电导诱发的载流子表层聚集、Auger复合加剧和欧姆接触局部自发改善；涉及硅垂直单结结构参数（结深、杂质浓度分布）与单结特性（开路电压、短路电流、光电转换）之间的模拟计算，以及单结单元的制备与测试；涉及轻掺深扩、金属化连接、横向切片、端面去损、钝化减反、电极焊接等工艺研究；涉及硅垂直多结芯片散热、接收器输出功率特性及能量转换效率的测试分析；涉及接收器中光生载流子产生、分离、输运和收集的过程分析，以及开路电压随激光功率增强而提高的机理研究。

垂直多结电池是由一定数量的竖立PN结横向串联而成，所以该电池在相同光强辐照下可以输出高电压和低电流。由于光沿PN结入射，入射方向与PN结平行，与载流子收集方向垂直，正负电极在电池的两侧，因此电池表面没有栅线遮光问题，也没有大电流引起的大损耗问题，所以其电功率输出随着光强的增加而增加，其转换效率可以在聚光倍数增强时保持不变。我们开展了垂直结电池的计算模拟以及制备工艺等大量工作：1）采用实验室光刻工艺路线对晶体硅平行结太阳电池进行了研究，我们深信只有用高效的晶硅电池堆叠才能形成良好的垂直结器件，我们对电池表面进行制绒以便减反；对表面沉积薄膜以便钝化表面悬挂键同时减少反射；对pn结深度进行调整以便有效地进行光生载流子分离；对背面注入硼离子以便形成背场，最后研制出20%效率的晶体硅太阳电池。2）对垂直多结光伏电池的侧面掺杂浓度、侧结深、侧背场进行了仔细的计算，澄清了此前的一些模糊认识；在多倍太阳光下对垂直多结光伏电池的热效应进行了模拟，分析了聚光下的散热问题；对多倍太阳光下垂直多结光伏电池的电学特性进行了模拟，优化了该电池的结构参数，并提出了改进和创新。3）在器件研制方面进行了有益的探索，制备了4至6片堆叠的垂直结光伏电池，解决了多片晶体硅的金属化连接问题，解决了p和n区连接处互不影响的问题，探索了表面损伤去除的关键工艺，掌握了第一手资料，明确了今后努力方向。由于在工艺实施中遇到了很大的困难，当用化学试剂去除端面损伤时，金属迅速被溶解，而用等离子去除时，因样品厚而无法进入设备，需要购置特殊设备，因此器件指标没有完成。我们正在积极争取设备经费，以便继续进行实验。本项目在人才培养方面，有6位博士研究生毕业、2位硕士研究生毕业；在文章发表方面，共发表论文18篇，其中国内文章8篇，国外文章10篇；在专利申请方面，共申请专利8项，除器件指标外，其他都完成了预期设定的目标。