CN107706247B - 一种具有新型窗口层的高效三结级联砷化镓太阳电池及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有新型窗口层的高效三结级联砷化镓太阳电池，包括P型接触层、底电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、顶电池和窗口层。本发明公开了该具有新型窗口层的高效三结级联砷化镓太阳电池的制作方法。本发明采用具有粗化结构的ITO材料作为砷化镓太阳电池顶电池的窗口层。由于ITO的禁带宽度大于AlInP，可以降低窗口层对入射太阳光的吸收；同时对ITO材料进行粗化，可以有效提高太阳光的入射，并且由于ITO具有良好的导电性，可以去除传统的导电栅线，避免金属栅线带来的遮光问题，提高顶电池的电流密度，提高整个太阳电池的转换效率。综上，通过采用具有粗化结构的ITO材料作为砷化镓太阳电池顶电池的窗口层，可以增强太阳光的入射，减少太阳电池表面的遮挡，进而获得高效的太阳电池。
Description
技术领域
本发明属于高效太阳能电池技术领域，具体涉及一种具有新型窗口层的高效三结级联砷化镓太阳电池，本发明还涉及该太阳电池的制造方法。
背景技术
随着科技的不断发展，人类对能源的需求越来越大，同时，全球能源危机日益严重和生态环境日益恶化，绿色清洁的太阳光能的有效利用变得更加重要。相比于传统的Si太阳电池，GaAs太阳电池具有转换效率高，性能稳定，使用寿命长等优势，被广泛用于太空飞行器的主电源和地面发电站。目前，对于Ge衬底上生长的GaAs太阳电池，其太阳能转换效率已经达到30％，非常接近其理论转换效率极限。GaAs太阳电池转换效率难以继续提高的其中一个原因是电池的电流限制。常规GaAs太阳电池顶电池的窗口层采用AlInP材料，该材料窗口层主要存在两个缺点，首先，AlInP材料的禁带宽度只有2.27eV，会吸收一部分太阳光，造成入射太阳光的浪费；其次，AlInP的掺杂浓度不够高，一般需要生长GaAs接触层，然后蒸镀金属栅线，该结构容易在GaAs去除过程中去除不干净，吸收部分入射太阳光，并且金属栅线也会遮挡一部分太阳光，造成太阳光的浪费。为此，有必要设计一种新型的窗口层材料，用来克服上述缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构合理、工艺简单，性能可靠，生产成本低的一种高效三结级联砷化镓太阳电池。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题，
一种具有新型窗口层的高效三结级联砷化镓太阳电池，其特征在于，包括P型接触层、底电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、顶电池和窗口层；
所述底电池、中电池和顶电池为三结子电池，由下至上依次排列；
所述底电池与中电池之间通过第一隧穿结连接；
所述中电池与所述顶电池之间通过第二隧穿结连接；
所述底电池下层还设有P型接触层，所述P型接触层为P型Ge衬底；
所述顶电池的上层还设有窗口层，所述窗口层为采用ITO材料的ITO窗口层，通过磁控溅射或者电子束蒸发的方式在顶电池上层生成。
作为优化，所述底电池由下至上依次包括P-Ge基区、N-Ge发射区和GaInP成核层；在所述P型接触层表面通过PH3扩散形成N-Ge发射区和GaInP成核层，P-Ge基区为P型接触层和N-Ge发射区的过渡区，P-Ge基区作为底电池的基区；所述N-Ge发射区厚度0.1～0.3μm，所述GaInP成核层厚度0.03～0.10μm；所述底电池禁带宽度为0.67eV；
作为优化，所述第一隧穿结为N++GaAs/P++GaAs，其中，N++GaAs层和P++GaAs层厚度均在0.01～0.04μm，N++GaAs的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++GaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
作为优化，在所述第一隧穿结与底电池间设有InGaAs缓冲层，所述InGaAs缓冲层厚度为0.5～1.5μm；
作为优化，在所述第一隧穿结与中电池间设有DBR(分布式布拉格反射器)，所述DBR由15～30对AlGaAs/InGaAs结构组成，每对AlGaAs/InGaAs结构中AlGaAs层和InGaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应AlGaAs或者InGaAs材料的折射率；AlGaAs中Al摩尔组分为50％～70％；InGaAs中In的摩尔组分为1％；
作为优化，所述中电池由下至上依次包括AlGaAs背电场、InGaAs基区、InGaAs发射区、AlInP或GaInP窗口层，所述中电池禁带宽度为1.4eV，其中，AlGaAs背电场厚度0.05～0.1μm，InGaAs基区厚度1.5～2.5μm，InGaAs发射区厚度0.1～0.2μm，AlInP或GaInP窗口层厚度为0.05～0.15μm；
作为优化，所述第二隧穿结为N++GaInP/P++AlGaAs，其中，N++GaInP层与P++AlGaAs层的厚度均为0.01～0.04μm，N++GaInP的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++AlGaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
作为优化，所述顶电池由下至上依次包括AlGaInP背电场、GaInP基区及GaInP发射区，所述顶电池禁带宽度为1.8～1.9eV，其中，AlGaInP背电场、GaInP基区与GaInP发射区的总厚度为0.5～1μm；
作为优化，所述ITO窗口层为具有粗化结构的ITO，ITO的厚度为0.05～0.15μm，粗化液采用浓硫酸溶液，腐蚀温度60～80℃，腐蚀时间6～12min；该层ITO结构既具有窗口层的作用，同时具有栅线的作用，降低芯片成本，提高太阳光的入射面积。
本发明还包括该具有新型窗口层的高效三结级联砷化镓太阳电池的制作方法，其步骤为，
(1)制备底电池：在P型接触层上，通过PH3的扩散在衬底表面形成N-Ge发射区，P-Ge基区为P型接触层和N-Ge发射区的过渡区，P-Ge基区作为底电池的基区，所述N-Ge发射区厚度0.1～0.3μm；之后再生长GaInP成核层，厚度为0.03～0.10μm；所述底电池禁带宽度为0.67eV；所述P型接触层为P型Ge衬底；
(2)制备第一隧穿结：第一隧穿结为N++GaAs/P++GaAs，先生长N++GaAs，再生长P++GaAs，其中，N++GaAs层和P++GaAs层厚度均在0.01～0.04μm，N++GaAs的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++GaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
(3)制备中电池：依次生长AlGaAs背电场、InGaAs基区、InGaAs发射区、AlInP或GaInP窗口层，所述中电池禁带宽度为1.4eV，其中，AlGaAs背电场厚度0.05～0.1μm，InGaAs基区厚度1.5～2.5μm，InGaAs发射区厚度0.1～0.2μm，AlInP或GaInP窗口层厚度0.05～0.15μm；
(4)制备第二隧穿结：第二隧穿结为N++GaInP/P++AlGaAs，首先生长N++GaInP层，再生长P++AlGaAs层，其中，GaInP层与AlGaAs层的厚度均为0.01～0.04μm，N++GaInP的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++AlGaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
(5)制备顶电池：依次生长AlGaInP背电场、GaInP基区及GaInP发射区，其中GaInP材料禁带宽度为1.8～1.9eV，AlGaInP背电场，GaInP基区及GaInP发射区三者的总厚度为0.5～1μm；
(5)制备ITO窗口层：通过磁控溅射或者电子束蒸镀的方式，在顶电池GaInP发射区表面蒸镀一层ITO薄膜，厚度为0.05～0.15μm；将蒸镀好ITO薄膜放入60～80℃的浓硫酸溶液中腐蚀时间6～12min，获得具有粗化形貌的ITO表面。
作为优化，步骤(1)后制备InGaAs缓冲层，InGaAs缓冲层厚度为0.5～1.5μm；
作为优化，步骤(2)后制备分布式布拉格反射器(DBR)，所述分布式布拉格反射器为15～30对AlGaAs/InGaAs结构，其中每对AlGaAs/InGaAs结构中AlGaAs层、InGaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应AlGaAs或者InGaAs的折射率,AlGaAs层中Al摩尔组分为50％～70％；InGaAs层中In的摩尔组分为1％。
本发明采用具有粗化结构的ITO材料作为砷化镓太阳电池顶电池的窗口层。由于ITO的禁带宽度大于AlInP，可以降低窗口层对入射太阳光的吸收；同时对ITO材料进行粗化，可以有效提高太阳光的入射，并且由于ITO具有良好的导电性，可以去除传统的导电栅线，避免金属栅线带来的遮光问题，提高顶电池的电流密度，提高整个太阳电池的转换效率。综上，通过采用具有粗化结构的ITO材料作为砷化镓太阳电池顶电池的窗口层，可以增强太阳光的入射，减少太阳电池表面的遮挡，进而获得高效的太阳电池。
附图说明
图1本发明砷化镓太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
下面为实施例，旨在对本发明做进一步说明，本发明可以具有多种不同的形式，该实施例仅是说明性的，不应将其解释为限于本文所陈述的实施例。
实施例1
一种具有新型窗口层的高效三结级联砷化镓太阳电池，包括P型接触层、底电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、顶电池和窗口层；
所述底电池、中电池和顶电池为三结子电池，由下至上依次排列；
所述底电池与中电池之间通过第一隧穿结连接；
所述底电池由下至上依次包括P-Ge基区、N-Ge发射区和GaInP成核层；在所述P-Ge基区表面通过PH3扩散形成N-Ge发射区和GaInP成核层，所述N-Ge发射区厚度0.1～0.3μm，所述GaInP成核层厚度0.03～0.1μm；
在所述第一隧穿结与底电池间设有InGaAs缓冲层，InGaAs缓冲层厚度为0.5～1.5μm；
所述第一隧穿结为N++GaAs/P++GaAs，其中，N++GaAs层和P++GaAs层厚度均在0.01～0.04μm，N++GaAs的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++GaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
在所述第一隧穿结与中电池间设有分布式布拉格反射器(DBR)，所述分布式布拉格反射器由15～30对AlGaAs/InGaAs结构组成，每对AlGaAs/InGaAs结构中AlGaAs层和InGaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应AlGaAs或者InGaAs材料的折射率；AlGaAs中Al摩尔组分为50％～70％；InGaAs中In的摩尔组分为1％；
所述中电池由下至上依次包括AlGaAs背电场、InGaAs基区、InGaAs发射区及AlInP或GaInP窗口层，其中InGaAs基区和InGaAs发射区的InGaAs材料禁带宽度为1.4eV，AlGaAs背电场厚度0.05～0.1μm，InGaAs基区厚度1.5～2.5μm，InGaAs发射区厚度0.1～0.2μm，AlInP或GaInP窗口层厚度为0.05～0.15μm；
所述中电池与所述顶电池之间通过第二隧穿结连接；
所述第二隧穿结为N++GaInP/P++AlGaAs，其中，GaInP层与AlGaAs层的厚度均为0.01～0.04μm，N++GaInP的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++AlGaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
所述顶电池由下至上依次包括AlGaInP背电场、GaInP基区及GaInP发射区，其中GaInP材料禁带宽度为1.8～1.9eV，AlGaInP背电场、GaInP基区与GaInP发射区的总厚度为0.5～1μm；
所述底电池下层还设有P型接触层，所述P型接触层为P型Ge衬底；
所述顶电池的上层还设有窗口层，所述窗口层为采用ITO材料的ITO窗口层，通过磁控溅射或者电子束蒸发的方式在顶电池上层生成；
所述ITO窗口层为具有粗化结构的ITO，ITO的厚度为0.05～0.15μm，粗化液采用浓H2SO4，腐蚀温度60～80℃，腐蚀时间6～12min；该层ITO结构既具有窗口层的作用，同时具有栅线的作用，降低芯片成本，提高太阳光的入射面积。
实施例2
本实施例中各层生长均采用MOCVD技术(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)。
实施例1所述具有粗化结构的高效三结级联砷化镓太阳电池的制作方法，，其步骤为，
(1)制备底电池：在P型接触层上，通过PH3的扩散在衬底表面形成N-Ge发射区，P-Ge基区为P型接触层和N-Ge发射区的过渡区，P-Ge基区作为底电池的基区，所述N-Ge发射区厚度0.1～0.3μm；之后再生长GaInP成核层，厚度为0.03～0.10μm；所述P型接触层为P型Ge衬底；
(2)制备InGaAs缓冲层：在底电池的GaInP成核层表面生长InGaAs缓冲层，厚度为0.5～1.5μm；
(3)制备第一隧穿结：在InGaAs缓冲层表面生长第一隧穿结，所述第一隧穿结为N++GaAs/P++GaAs结构，其中，N++GaAs层和P++GaAs层厚度均在0.01～0.04μm，N++GaAs的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++GaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
(4)制备DBR：在第一隧穿结的P++GaAs层表面生长DBR(分布式布拉格反射器)，所述DBR由15～30对AlGaAs/InGaAs结构组成，每对AlGaAs/InGaAs结构中AlGaAs层和InGaAs层的厚度均根据λ/4n计算，850nm≤λ≤920nm，n为对应AlGaAs材料或者InGaAs材料的折射率；；AlGaAs结构中Al的摩尔组分为50％；InGaAs结构中In的摩尔组分为1％；
(5)制备中电池：在DBR最后一对AlGaAs/InGaAs结构的表面依次生长中电池的AlGaAs背电场、InGaAs基区、InGaAs发射区及AlInP或GaInP窗口层，所述中电池禁带宽度为1.4eV，其中所述AlGaAs背电场厚度0.05～0.1μm，所述InGaAs基区厚度1.5～2.5μm，所述InGaAs发射区厚度0.1～0.2μm，所述窗口层厚度为0.05～0.15μm；；作为选择，所述AlInP或GaInP窗口层为AlInP窗口层或GaInP窗口层；
(6)制备第二隧穿结：在中电池所述窗口层表面生长第二隧穿结，所述第二隧穿结为N++GaInP/P++AlGaAs结构，其中，N++GaAs层和P++GaAs层厚度均在0.01～0.04μm，N++GaAs的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++GaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
(7)制备顶电池：在第二隧穿结的P++AlGaAs层表面依次生长顶电池的AlGaInP背电场、GaInP基区及GaInP发射区，所述顶电池禁带宽度为1.8～1.9eV，其中AlGaInP背电场、GaInP基区与GaInP发射区的总厚度为0.5～1μm；
(8)制备窗口层：在顶电池所述GaInP发射区的表面通过磁控溅射或者电子束蒸镀的方式蒸镀一层ITO薄膜，厚度为0.05～0.15μm；将蒸镀好ITO薄膜放入60～80℃的浓硫酸溶液中腐蚀时间6～12min，获得具有粗化形貌的ITO表面。
本发明涉及一种具有粗化结构氧化铟锡(ITO)窗口层的高效三结级联砷化镓太阳电池。本发明电池包括P型接触层及通过扩散形成的底电池，缓冲层，第一隧穿结，DBR，中电池，第二隧穿结，顶电池，以及具有粗化结构的ITO窗口层，其中底电池禁带宽度为0.67eV,中电池禁带宽度为1.4eV，顶电池禁带宽度为1.9eV；此外，将顶电池的窗口层材料设计成粗化的ITO材料，由于ITO的禁带宽度大于AlInP，可以降低了窗口层对入射光的吸收，也降低了太阳光的反射，提高入射率；同时，由于ITO材料具有优异的导电性能，可以取代金属栅线，不但避免了金属栅线对入射太阳光的遮挡，而且降低了顶电池窗口层对入射光的吸收和反射，提高本发明对太阳光的吸收，提高本发明顶电池的电流密度，进而提高本发明的转换效率，而且可以降低成本。
综上，同采用具有粗化结构的ITO顶电池窗口层，不但可以降低成本，而且可以增强太阳光的有效入射，提高顶电池的电流密度，提高太阳电池的转换效率。
Claims (8)
1.一种具有新型窗口层的高效三结级联砷化镓太阳电池，其特征在于，包括P型接触层、底电池、第一隧穿结、中电池、第二隧穿结、顶电池和窗口层；
所述底电池、中电池和顶电池为三结子电池，由下至上依次排列；
所述底电池与中电池之间通过第一隧穿结连接；
所述中电池与所述顶电池之间通过第二隧穿结连接；
所述底电池下层还设有P型接触层，所述P型接触层为P型Ge衬底；
所述顶电池的上层还设有窗口层，所述窗口层为采用ITO材料的ITO窗口层，通过磁控溅射或者电子束蒸发的方式在顶电池上层生成；
所述太阳电池的制作方法，其步骤为，
(1)制备底电池：在P型接触层上，通过PH3的扩散在衬底表面形成N-Ge发射区，P-Ge基区为P型接触层和N-Ge发射区的过渡区，P-Ge基区作为底电池的基区，所述N-Ge发射区厚度0.1～0.3μm；之后再生长GaInP成核层，厚度为0.03～0.10μm；所述底电池禁带宽度为0.67eV；所述P型接触层为P型Ge衬底；
(2)制备第一隧穿结：第一隧穿结为N++GaAs/P++GaAs，先生长N++GaAs，再生长P++GaAs，其中，N++GaAs层和P++GaAs层厚度均在0.01～0.04μm，N++GaAs的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++GaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
(3)制备中电池：依次生长AlGaAs背电场、InGaAs基区、InGaAs发射区、AlInP或GaInP窗口层，所述中电池禁带宽度为1.4eV，其中，AlGaAs背电场厚度0.05～0.1μm，InGaAs基区厚度1.5～2.5μm，InGaAs发射区厚度0.1～0.2μm，AlInP或GaInP窗口层厚度0.05～0.15μm；
(4)制备第二隧穿结：第二隧穿结为N++GaInP/P++AlGaAs，首先生长N++GaInP层，再生长P++AlGaAs层，其中，GaInP层与AlGaAs层的厚度均为0.01～0.04μm，N++GaInP的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++AlGaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3；
(5)制备顶电池：依次生长AlGaInP背电场、GaInP基区及GaInP发射区，其中GaInP材料禁带宽度为1.8～1.9eV，AlGaInP背电场，GaInP基区及GaInP发射区三者的总厚度为0.5～1μm；
(6)制备ITO窗口层：通过磁控溅射或者电子束蒸镀的方式，在顶电池GaInP发射区表面蒸镀一层ITO薄膜，厚度为0.05～0.15μm；将蒸镀好ITO薄膜放入60～80℃的浓硫酸溶液中腐蚀时间6～12min，获得具有粗化形貌的ITO表面。
2.如权利要求1所述太阳电池，其特征在于，所述第一隧穿结为N++GaAs/P++GaAs，其中，N++GaAs层和P++GaAs层厚度均在0.01～0.04μm，N++GaAs的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++GaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3。
3.如权利要求1所述太阳电池，其特征在于，在所述第一隧穿结与底电池间设有InGaAs缓冲层，所述InGaAs缓冲层厚度为0.5～1.5μm。
4.如权利要求1所述太阳电池，其特征在于，在所述第一隧穿结与中电池间设有DBR(分布式布拉格反射器)，所述DBR由15～30对AlGaAs/InGaAs结构组成，每对AlGaAs/InGaAs结构中AlGaAs层和InGaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应AlGaAs或者InGaAs材料的折射率；AlGaAs中Al摩尔组分为50％～70％；InGaAs中In的摩尔组分为1％。
5.如权利要求1所述太阳电池，其特征在于，所述第二隧穿结为N++GaInP/P++AlGaAs，其中，N++GaInP层与P++AlGaAs层的厚度均为0.01～0.04μm，N++GaInP的掺杂剂为Te、Se、Si其中的一种或者多种组合，掺杂浓度3×1018～1×1019/cm3；P++AlGaAs的掺杂剂为Mg、Zn、C其中的一种或者多种组合，掺杂浓度要求2×1019～5×1019/cm3。
6.如权利要求1所述太阳电池，其特征在于，所述ITO窗口层为具有粗化结构的ITO，ITO的厚度为0.05～0.15μm，粗化液采用浓硫酸溶液，腐蚀温度60～80℃，腐蚀时间6～12min；ITO窗口层既具有窗口层的作用，同时具有栅线的作用，降低芯片成本，提高太阳光的入射面积。
7.如权利要求1所述太阳电池，其特征在于，步骤(1)后制备InGaAs缓冲层，InGaAs缓冲层厚度为0.5～1.5μm。
8.如权利要求1所述太阳电池，其特征在于，步骤(2)后制备分布式布拉格反射器(DBR)，所述分布式布拉格反射器为15～30对AlGaAs/InGaAs结构，其中每对AlGaAs/InGaAs结构中AlGaAs层、InGaAs层的厚度均根据λ/4n计算，其中850nm≤λ≤920nm，n为对应AlGaAs或者InGaAs的折射率，AlGaAs层中Al摩尔组分为50％～70％；InGaAs层中In的摩尔组分为1％。
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