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CN102651417B - 三结级联太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

三结级联太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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CN102651417B
CN102651417B CN201210154999.6A CN201210154999A CN102651417B CN 102651417 B CN102651417 B CN 102651417B CN 201210154999 A CN201210154999 A CN 201210154999A CN 102651417 B CN102651417 B CN 102651417B
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Abstract

本发明提供一种三结级联太阳能电池包括GaAs或Ge的衬底，以及在所述衬底上依次设置的第一渐变过渡层、InGaAs子电池、第二渐变过渡层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。本发明还提供一种如上述的三结级联太阳能电池的制备方法，步骤为在衬底上依次生长第一渐变过渡层、InGaAs子电池、第二渐变过渡层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。

Description

三结级联太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及三结级联太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在太阳能电池领域，研究较多且技术较为成熟的体系是晶格匹配生长的GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.7eV)三结电池，目前其最高转换效率为32%-33%(一个太阳)。由于该三结电池中Ge底电池覆盖较宽的光谱，其短路电流最大可达到另外两结电池的2倍，使Ge底电池对应的太阳光谱的能量没有被充分转换利用，限制了该三结电池效率的提高。
为了解决这一问题，科学家们提出了一些解决方案，如利用应力补偿量子阱或中间带结构提高GaAs中间电池的光电流密度；在GaAs和Ge电池中间插入一带隙为1.00 eV的InGaAsN材料，以降低Ge底电池的光电流密度；最终实现光电流匹配，提高电池效率。前一方案在物理上提出了提高三结电池效率方法。第二种方案中四结电池在保持短路电流不变的情况下，将电池开路电压提高约0.60 V，转换效率可望达到约39%(一个太阳)。但InGaAsN材料本身的特点决定使用其制作高效太阳能电池的技术难度很大。因此研究人员积极寻求别的途径来获得高效的太阳能电池，如采用晶片键合的方法将晶格失配的具有合理带隙组合的电池键合在一起，实现电流匹配，提高电池效率。
但是晶片键合电池往往存在两个主要问题：以GaInP/GaAs(1.9/1.42eV)和InGaAsP/InGaAs(1.05/0.74eV)双结电池的键合为例，晶片键合电池需要GaAs和InP两个衬底，这大大增加了电池的制作成本；二是晶片键合电池的键合部分需要良好的欧姆接触和良好的透光率，这给工艺带来很大的挑战，增加了电池的制作难度。 
如何实现多结太阳能电池合理的带隙组合，减小电流失配同时而又不提高电池制作成本和难度成为当前Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供三结级联太阳能电池及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种三结级联太阳能电池，包括GaAs或Ge的衬底，以及在所述衬底上依次设置的第一渐变过渡层、InGaAs子电池、第二渐变过渡层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。
所述GaAs或Ge的衬底和InGaAs子电池之间进一步包括第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层和第三势垒层，所述第三势垒层为AlGaAs或Al(Ga)InP。
所述第一渐变过渡层和第二渐变过渡层的材料均为 AlyGa1-x-yInxAs，第一渐变过渡层x的范围为0至0.27，y的范围为0至0.4；第二渐变过渡层的x的范围为0.27至0，y的范围为0.4至0。所述第二渐变过渡层的带隙大于GaAs子电池的带隙。
所述InGaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的材料为AlGaInAs的第一背场层、InGaAs的第一基区、InGaAs的第一发射区和第一窗口层，所述第一窗口层的材料为GaInP、InGaAlAs与AlInP中任意一种。
所述第一隧道结包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层和第一势垒层，所述第一势垒层的材料为AlGaAs或Al(Ga)InP。
所述GaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的材料为GaInP的第二背场层、GaAs的第二基区、GaAs的第二发射区和Al(Ga)InP的第二窗口层。
所述第二隧道结包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的GaInP或GaAs层和(Al)GaAs层。
所述GaInP子电池包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的材料为Al(Ga)InP的第三背场层、GaInP的第三基区、GaInP的第三发射区和AlInP的第三窗口层。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种如上述的三结级联太阳能电池的制备方法，步骤为在衬底上依次生长第一渐变过渡层、InGaAs子电池、第二渐变过渡层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结和GaInP子电池和GaAs接触层。
在所述衬底上生长第一渐变过渡层的步骤之前，进一步包括步骤：在所述衬底上生长第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层、第三势垒层，所述第三势垒层的材料为AlGaAs或Al(Ga)InP。
本发明提供三结级联太阳能电池及其制备方法，优点在于：
1. 该三结级联太阳能电池中的InGaAs子电池、GaAs子电池和GaInP子电池带隙组合分别为~1.00 eV，1.42 eV， 1.90 eV，各个子电池的电流匹配，减小了光电转换过程中的热能损失,提高了电池效率；
2. 该三结级联太阳能电池采用正装生长方法生长，器件制作与标准电池工艺兼容，避免了倒置生长电池结构需要先与其它支撑衬底材料键合再去除GaAs或Ge衬底的复杂工艺，降低了电池的制作难度；
3. 该三结级联太阳能电池通过选择适合的渐变过渡层材料，从而克服GaAs与InGaAs之间的失配。
附图说明
图1是本发明提供的三结级联太阳能电池的第一具体实施方式的结构示意图；
图2是本发明提供的三结级联太阳能电池第一具体实施例的产品结构示意图；
图3是本发明提供的三结级联太阳能电池实施例二的结构示意图；
图4是本发明提供的三结级联太阳能电池实施例二的产品结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的三结级联太阳能电池及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施方式
图1所示为本发明所述三结级联太阳能电池的第一具体实施方式的结构示意图。
本实施方式提供一种基于晶格异变法生长的GaInP/GaAs/InGaAs三结级联太阳能电池，包括衬底26，以及在所述衬底26上依次设置的第一渐变过渡层01、InGaAs子电池02、第二渐变过渡层03、第一隧道结04、GaAs子电池05、第二隧道结06、GaInP子电池07和GaAs接触层25。三个子电池之间通过隧道结串联。
该三结级联太阳能电池采用GaAs或Ge作为衬底26，以正装生长的方式进行生长。底层的InGaAs子电池02为InGaAs单结电池，与GaAs晶格失配；顶层的GaInP子电池07和GaAs子电池05组成的GaInP/GaAs双结电池与GaAs晶格匹配。上述单结电池和双结电池之间通过晶格异变生长渐变过渡层的方式串联在一起。
所述InGaAs子电池02、GaAs子电池05和GaInP子电池07的带隙组合分别为~1.00 eV、1.42 eV和1.90 eV。
所述InGaAs子电池02包含依次按照逐渐远离衬底26的方向设置的材料为AlGaInAs的第一背场层08、InGaAs的第一基区09、InGaAs的第一发射区10以及第一窗口层11，所述第一窗口层11的材料为GaInP、InGaAlAs与AlInP中任意一种；
所述第一隧道结04包含依次按照逐渐远离衬底26的方向设置的GaInP或GaAs层12、(Al)GaAs层13和第一势垒层14，所述第一势垒层14的材料为AlGaAs或Al(Ga)InP； 
其中，本申请中所出现的(Al)GaAs为AlGaAs或GaAs之意；本申请中所出现的Al(Ga)InP为AlInP或AlGaInP之意。
所述GaAs子电池05包含依次按照逐渐远离衬底26的方向设置的材料为GaInP的第二背场层15、GaAs的第二基区16、GaAs的第二发射区17和Al(Ga)InP的第二窗口层18；
所述第二隧道结06包含依次按照逐渐远离衬底26的方向设置的GaInP或GaAs层19、(Al)GaAs层20；
所述GaInP子电池07包含依次按照逐渐远离衬底26的方向设置的材料为Al(Ga)InP的第三背场层21、GaInP的第三基区22、GaInP的第三发射区23和AlInP的第三窗口层24。
所述第一渐变过渡层01和第二渐变过渡层03均为 AlyGa1-x-yInxAs，第一渐变过渡层01中x的范围为0至0.27，y的范围为0至0.4；第二渐变过渡层03中x的范围为0.27至0，y的范围为0.4至0。所述第二渐变过渡层03的带隙大于GaAs子电池的带隙，即1.42eV 。
作为可选实施方式，所述GaAs或Ge的衬底26和InGaAs子电池02之间进一步包括第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底26方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层和第三势垒层，所述第三势垒层为AlGaAs或Al(Ga)InP。
作为可选实施方式，所述GaAs子电池05中材料为Al(Ga)InP的第二窗口层18，也可作为第二隧穿结06的势垒层。
作为可选实施方式，所述GaInP子电池07中材料为Al(Ga)InP的第三背场层21，也可以作为第二隧穿结06的势垒层。
图2所示为本发明所述三结级联太阳能电池第一具体实施例的产品结构示意图。
如图2，所述GaInP/GaAs/InGaAs三结级联太阳能电池的产品，为在图1的结构基础上进一步包括上电极28、下电极27，分别位于接触层25的裸露表面上和衬底26的裸露表面上。
第二具体实施方式
本实施方式提供一种如图1所述的GaInP/GaAs/InGaAs三结级联太阳能电池的生长制备方法，采用正装生长方式在所述衬底26上依次生长第一渐变过渡层01、InGaAs子电池02、第二渐变过渡层03、第一隧道结04、GaAs子电池05、第二隧道结06、GaInP子电池07和 GaAs接触层25。三个子电池之间通过隧道结串联。
上述三结级联太阳能电池的制备方法，进一步包括制备上电极28、下电极27的制备步骤，所述上电极28的制备步骤为直接在所述GaAs接触层25的裸露表面上制备上电极28；所述下电极27的制备步骤为采用对所述衬底26的裸露表面上制备下电极27。
本实施方式中，采用晶格异变生长AlyGa1-x-yInxAs的第一渐变过渡层01的方法释放应力，实现由GaAs或Ge的衬底26到InGaAs子电池02的过渡，其中x的取值由0变化至0.27，y的取值由0变化至0.4，实现GaAs晶格常数到InGaAs晶格常数的过渡；克服了GaAs或Ge衬底26与InGaAs子电池02之间的失配。
本实施方式中，采用晶格异变生长AlyGa1-x-yInxAs的第二渐变过渡层03的方法释放应力，实现由InGaAs子电池02到GaAs子电池05的过渡，x的取值再由0.27变化至0，y的取值由0.4变化至0，该AlyGa1-x-yInxAs的第二渐变过渡层03的带隙大于GaAs子电池的带隙，即1.42 eV，不会吸收InGaAs子电池02的光谱，克服了GaAs子电池05与InGaAs子电池02之间的失配。
作为可选的实施方式，材料为AlyGa1-x-yInxAs的第一渐变过渡层01与第二渐变过渡层03均可以采用In组分和Al组分线性渐进的方法生长，使应力释放。
作为可选的实施方式，材料为AlyGa1-x-yInxAs的第一渐变过渡层01与第二渐变过渡层03均可以采用In组分和Al组分步进的方法生长，通过形成多个界面促进应力释放同时抑制穿透位错到达有源区。
作为可选的实施方式，材料为AlyGa1-x-yInxAs的第一渐变过渡层01与第二渐变过渡层03均可以采用In组分和Al组分线性渐进和步进相结合的方法生长使应力释放，抑制穿透位错到达有源区。
作为可选的实施方式，InGaAs子电池02和GaAs子电池05之间首先生长AlyGa1-x-yInxAs的第二渐变过渡层03，然后生长第一隧道结04。
作为可选的实施方式，采用晶格异变法生长的GaInP/GaAs/InGaAs三结级联太阳能电池选用P型的GaAs或Ge作为衬底26。首先在P型GaAs或Ge的衬底26上生长P型AlyGa1-x-yInxAs的第一渐变过渡层01，利用第一渐变过渡层01将GaAs晶格常数过渡到InGaAs子电池02的晶格常数，以便生长InGaAs子电池02；然后采用N型AlyGa1-x-yInxAs的第二渐变过渡层03将InGaAs的晶格常数过渡到GaAs子电池05的晶格常数，以便生长GaAs子电池05与GaInP子电池07，各个子电池之间通过隧道结串联。
作为可选实施方式，采用晶格异变法生长的GaInP/GaAs/InGaAs三结级联太阳能电池选用N型的GaAs或Ge作为衬底26，在所述衬底26上生长第一渐变过渡层01的步骤之前，进一步包括步骤：在所述衬底26上生长第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底26方向设置的N型的GaInP或GaAs层、P型的(Al)GaAs层、P型的第三势垒层，所述第三势垒层材料为AlGaAs或Al(Ga)InP。
作为可选实施方式，所有所述生长均采用MOCVD法, 则所述N型掺杂的掺杂原子为Si、Se、S以及Te中任意一种，所述P型掺杂的掺杂原子为Zn、Mg以及C中任意一种。
作为可选实施方式，所有所述生长均采用MBE法生长，则所述N型掺杂的掺杂原子为Si、Se、S、Sn以及Te中任意一种，所述P型掺杂的掺杂原子为Be、Mg以及C中任意一种。
接下来给出本发明的几个实施例。
实施例一
本实施例中，提供一种晶格异变生长方法生长的GaInP/GaAs/InGaAs三结级联太阳电池的制备方法，包括下列步骤：
(一)采用MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ，金属有机化合物化学气相沉淀）方法生长GaInP/GaAs/InGaAs三结级联太阳电池，其结构如图1所示：
     (1) 在P型GaAs或Ge的衬底26上生长P型掺杂4×1017 cm-3的2.6微米的AlyGa1-x-yInxAs 的第一渐变过渡层01，以实现GaAs晶格常数到InGaAs晶格常数的过渡；
 (2) 在AlyGa1-x-yInxAs 的第一渐变过渡层01上生长P型掺杂浓度约1×1018 cm-3的0.1微米的AlGaInAs 08作为InGaAs子电池02的第一背场层08，然后在第一背场层08上生长P型掺杂浓度约3×1017 cm-3的3.0微米的InGaAs 作为InGaAs子电池02的第一基区09，再在第一基区09上生长N型掺杂浓度约2×1018 cm-3的0.2微米的InGaAs作为InGaAs子电池02的第一发射区10, 然后在第一发射区10上生长N型高掺杂的0.05微米的AlGaInAs 或GaInP或AlInP作为InGaAs子电池02的第一窗口层11；
(3) 在InGaAs子电池02上生长N型掺杂浓度约4×1017 cm-3的2.6微米的AlyGa1-x-yInxAs 的第二渐变过渡层03，以实现InGaAs晶格常数到GaAs晶格常数的过渡；
(4) 在第二渐变过渡层03上生长N型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的0.02微米的GaInP 或GaAs层12，然后在GaInP 或GaAs层12上生长P型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的0.02微米的(Al)GaAs层13，再在(Al)GaAs层13上生长P型掺杂浓度约1×1018 cm-3的0.05微米的AlGaAs或Al(Ga)InP 作为隧道结P型层的第一势垒层14，形成第一隧道结04；
(5) 在第一隧道结04上生长P型掺杂浓度约2×1018 cm-3的0.05微米的GaInP层作为GaAs子电池05的第二背场层15，防止光生电子向下扩散；在第二背场层15上生长P型掺杂浓度约1×1017 cm-3的2.8微米的GaAs层作为GaAs子电池05的第二基区16,然后在第二基区16上生长N型掺杂浓度约2×1018 cm-3的0.15微米的GaAs层作为GaAs子电池05的第二发射区17；
(6) 在第二发射区17上生长一层N型高掺杂的0.05微米的Al(Ga)InP作为GaAs子电池05的第二窗口层18，以减少光生载流子的复合，也可作为第二隧穿结06的N型层的势垒层；
(7) 在GaAs子电池05上生长N型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的0.015微米的GaInP或GaAs 层19，在GaInP或GaAs 层19上生长P型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的0.015微米的(Al)GaAs 层20，然后在(Al)GaAs 层20上生长P型掺杂浓度约1×1018 cm-3的0.05微米的Al(Ga)InP作为隧道结P型层的势垒层21，形成第二隧道结06，也可作为GaInP子电池07的第三背场层21；
(8) 在第二隧道结06上生长P型掺杂浓度约为1×1017 cm-3的0.5微米的GaInP作为GaInP子电池07的第三基区22，然后在第三基区22上生长N型掺杂浓度约为2×1018 cm-3的0.2微米的GaInP作为GaInP子电池07的第三发射区23；
(9) 在第三发射区23上生长N型高掺杂的0.02微米的AlInP作为GaInP 07电池的第三窗口层24，然后在第三窗口层24上生长N型掺杂浓度约为6×1018 cm-3的0.5微米的GaAs作为GaInP子电池07的GaAs接触层25，用于实现欧姆接触层。
 (二) 电极制备工艺
(10) 在N型GaAs接触层25上和P型GaAs或Ge的衬底26上分别制备上电极28、下电极27，所述上电极28为N型电极，下电极27为P型电极，获得所需的太阳能电池的产品，其产品结构如附图2所示。
本实施例中，N型掺杂的掺杂原子为Si、Se、S以及Te中任意一种，所述P型掺杂的掺杂原子为Zn、Mg以及C中任意一种。
实施例二
       图3所示为所述三结级联太阳能电池实施例二的结构示意图。
本实施例提供一种GaInP/GaAs /InGaAs三结级联太阳能电池，其结构为在图1中三结级联太阳能电池结构的基础上，在所述GaAs或Ge的衬底26和第一渐变过渡层01之间增加第三隧道结29，所述第三隧道结29与图1中第一隧道结04的结构相同，包含依次按照逐渐远离衬底26方向设置的GaInP或GaAs层30、(Al)GaAs层31、第三势垒层32，所述第三势垒层32为AlGaAs或Al(Ga)InP。
本实施例还提供一种GaInP/GaAs/InGaAs三结级联太阳电池的制备方法，包括下列具体步骤：
(一) 采用MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）方法进行所述GaInP/GaAs/InGaAs三结级联太阳能电池的生长
(1) 在N型GaAs或Ge的衬底26上生长第三隧道结29；
(2) 在第三隧道结29上生长P型AlyGa1-x-yInxAs的第一渐变过渡层01；
(3) 在第一渐变过渡层01上生长InGaAs子电池02；
(4) 在InGaAs子电池02上生长N型AlyGa1-x-yInxAs的第二渐变过渡层03，其带隙大于1.42 eV；
(5) 在第二渐变过渡层03上生长第一隧道结04，包括沿逐渐远离InGaAs子电池02的方向依次设置的N型GaInP或GaAs重掺层12，P型(Al)GaAs重掺层13和P型AlGaAs或Al(Ga)InP势垒层14；
(6) 在第一隧道结04上生长GaAs子电池05；
(7) 在GaAs子电池05上生长第二隧道结06，包括沿逐渐远离GaAs子电池05的方向依次设置的N型Al(Ga)InP势垒层19，N型GaInP或GaAs重掺层20，P型(Al)GaAs重掺层和P型Al(Ga)InP势垒层21；
(8) 在第二隧道结06上生长GaInP子电池07；
(9) 在GaInP子电池07上生长N型GaAs层作为GaAs接触层25，用于实现欧姆接触层；
图4为所述三结级联太阳能电池实施例二的产品结构示意图。
 (二) 电极制备工艺
(10)在GaAs接触层25上和GaAs或Ge衬底26上分别制备上电极28与下电极27，获得所需的太阳能电池。
本实施例中，N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn和Te中任意一种，P型掺杂原子为Be、Mg和C中任意一种。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种三结级联太阳能电池，其特征在于，包括GaAs或Ge的衬底，以及在所述衬底上依次设置的第一渐变过渡层、InGaAs子电池、第二渐变过渡层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层，其中InGaAs子电池、GaA s子电池及GaInP子电池对应的带隙分别为1.00 eV、1.42 eV、1.90 eV，所述第二渐变过渡层的材料为 AlyGa1-x-yInxAs，第二渐变过渡层x的范围为0.27至0，y的范围为0.4至0。
2.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaAs或Ge的衬底和InGaAs子电池之间进一步包括第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层和第三势垒层，所述第三势垒层为AlGaAs或Al(Ga)InP。
3.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述第一渐变过渡层的材料为 AlyGa1-x-yInxAs，第一渐变过渡层x的范围为0至0.27，y的范围为0至0.4，所述第二渐变过渡层的带隙大于GaAs子电池的带隙。
4.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述InGaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的材料为AlGaInAs的第一背场层、InGaAs的第一基区、InGaAs的第一发射区和第一窗口层，所述第一窗口层的材料为GaInP、InGaAlAs与AlInP中任意一种。
5.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述第一隧道结包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层和第一势垒层，所述第一势垒层的材料为AlGaAs或Al(Ga)InP。
6.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的材料为GaInP的第二背场层、GaAs的第二基区、GaAs的第二发射区和Al(Ga)InP的第二窗口层。
7.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述第二隧道结包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的GaInP或GaAs层和(Al)GaAs层。
8.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaInP子电池包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的材料为Al(Ga)InP的第三背场层、GaInP的第三基区、GaInP的第三发射区和AlInP的第三窗口层。
9.一种制备权利要求1所述的三结级联太阳能电池的方法，其特征在于，步骤为在衬底上依次生长第一渐变过渡层、InGaAs子电池、第二渐变过渡层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结和GaInP子电池和GaAs接触层，其中InGaAs子电池、GaA s子电池及GaInP子电池对应的带隙分别为1.00 eV、1.42 eV、1.90 eV。
10.根据权利要求9所述的三结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，在所述衬底上生长第一渐变过渡层的步骤之前，进一步包括步骤：在所述衬底上生长第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层、第三势垒层，所述第三势垒层的材料为AlGaAs或Al(Ga)InP。 
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