專利名稱：新型三結(jié)砷化鎵太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種新型三結(jié)砷化鎵太陽電池。
背景技術(shù)：
太陽能具有清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是一種可再生的能源，光電之間地轉(zhuǎn)換由太陽電池完成，目前較常采用的hfe(Al)PAnGaAS/Ge三結(jié)砷化鎵太陽電池在聚光或非聚光條件下，都獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率。三結(jié)砷化鎵太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示 包括由 AlInP (n+, 35nm) /InGa (Al) P (η/ρ, 520nm) /AlInP (ρ+, 40nm)構(gòu)成的頂電池、由 AlInP (n+，50nm)/InGaAs (η/ρ，3. 5um) /AlGaAs (ρ+, IOOnm)構(gòu)成的中電池和由 InGa(Al) P (n+, IOOnm) /Ge (η+, IOOnm) /Ge (ρ+, 170um)構(gòu)成的底電池；三個電池之間的隧穿結(jié)分別由 AlGaAs (p++) -InGa (Al)P (η++)和 GaAs (ρ++) -GaAs (η++)構(gòu)成。三結(jié)砷化鎵太陽電池的光譜響應(yīng)性和轉(zhuǎn)化效率均較高，耐溫性也較好，但是 ^!(^(ADPAnGaAs/Ge三結(jié)疊層太陽電池為電學(xué)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的頂電池和中電池短路電流匹配出現(xiàn)矛盾，總電流會受到子電池最小電流的限制，而且現(xiàn)有的太陽電池的整體成本很高，限制了其應(yīng)用，導(dǎo)致三結(jié)砷化鎵太陽電池的研制進(jìn)展越發(fā)困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計合理、能有效提高轉(zhuǎn)換效率的新型三結(jié)砷化鎵太陽電池。本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，包括頂電池、中電池和底電池，在頂電池和中電池之間以及中電池和底電池之間分別設(shè)有一隧穿結(jié)，中電池由中電池窗口層、中電池發(fā)射區(qū)、 中電池本征區(qū)、中電池基區(qū)和中電池背場層構(gòu)成，其特征在于所述中電池本征區(qū)的總厚度為0. 1 2. 4微米且由多個周期的量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層相互疊加構(gòu)成；每周期的量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層中位于下部的量子點(diǎn)層的材料*hxGai_xAs，厚度為1 6個亞單層，位于量子點(diǎn)層上方的應(yīng)變補(bǔ)償層的材料為GaNyASl_y，厚度為0. 02 0. 04 微米，所述0.4彡χ彡1,0. 001彡y彡0.5。而且，所述中電池本征區(qū)的總厚度為0. 2 2微米，每個量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層中的量子點(diǎn)層厚度為1. 82 5. 8個亞單層，應(yīng)變補(bǔ)償層厚度為0. 02微米，所述χ為0. 45，所述y為0. 01。而且，所述周期的數(shù)量為5 100。而且，所述中電池窗口層的材料為AlzGivzAs,厚度為0. 02 0. 06微米，所述 0. 01 彡 ζ 彡 0. 05。而且，所述ζ為0.04，厚度為0.03微米。而且，所述中電池基區(qū)厚度為0.5 2微米。而且，所述中電池發(fā)射區(qū)厚度為0. 15 0. 5微米。
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本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本發(fā)明中，在中電池本征區(qū)中引入量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，形成中間帶，利用應(yīng)變補(bǔ)償層，使量子點(diǎn)層上的量子點(diǎn)密度達(dá)到IO11每平方厘米，整體尺寸均勻，可以有效的利用不同波段的太陽光，使太陽電池的整體電流密度顯著增加，提高了電池的轉(zhuǎn)換效率，而且解決了現(xiàn)有三結(jié)砷化鎵太陽電池頂電池與中電池電流匹配的問題。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是中電池中本征區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步說明，下述實(shí)施例是說明性的，不是限定性的， 不能以下述實(shí)施例來限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。一種新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，如圖1 2所示，包括主要由^ifei(Al)P構(gòu)成的頂電池、中電池和主要由Ge構(gòu)成的底電池，在頂電池和中電池之間以及中電池和底電池之間分別設(shè)有一隧穿結(jié)的結(jié)構(gòu)，中電池由中電池窗口層、中電池發(fā)射區(qū)、中電池本征區(qū)、中電池基區(qū)和中電池背場層構(gòu)成，本發(fā)明的創(chuàng)新在于中電池本征區(qū)的總厚度為0. 1 2.4微米且由多個周期的量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層相互疊加構(gòu)成；每周期的量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層中位于下部的量子點(diǎn)層3的材料為InxGi^xAs,厚度為1 6個亞單層，位于量子點(diǎn)層上方的應(yīng)變補(bǔ)償層1的材料為GaNyASl_y，厚度為0. 02 0. 04微米，所述0. 4彡χ彡1，0. 001彡y彡0. 05，量子點(diǎn)層上的應(yīng)變量子點(diǎn)2密度達(dá)到IO11 個/平方厘米。 優(yōu)選方案是中電池本征區(qū)的總厚度為0. 2 2微米，每個量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層中的量子點(diǎn)層厚度為1. 82 5. 8個亞單層，應(yīng)變補(bǔ)償層厚度為0. 02微米，上述周期的數(shù)量為 5 100，χ 為 0. 45，y 為 0. 01。本實(shí)施例中，中電池窗口層的材料為AlzGEihAs,厚度為0. 02 0. 06微米， 0.01 ^ ζ ^0. 05，優(yōu)選的方案是z為0. 04，厚度為0. 03微米，中電池基區(qū)厚度為0. 5 2 微米，中電池發(fā)射區(qū)厚度為0. 15 0. 5微米。上述太陽電池采用 MOCVD (Metal-organic Chemical vapor D印osition，金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積)工藝制成，制備中涉及低壓金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積設(shè)備或分子束外延(MBE)設(shè)備。MOCVD的基本原理是由三族烷基化合物和五族元素的氫化物反應(yīng)生成，高溫下發(fā)生裂解反應(yīng)，于襯底上生成化合物。以GaAs材料生長為例，其它外延材料的基本機(jī)理與 GaAs材料相同，反應(yīng)過程如下TMGa+AsH3 — GaAs+CH4由上式可知，選擇合適的三族烷基化合物和五族元素的氫化物，并選則相應(yīng)的攙雜物便可制作各種材料的PN結(jié)構(gòu)。MOCVD中，反應(yīng)室壓力設(shè)定為5000 洸670. OPa,優(yōu)選6660 13000Pa ；金屬有機(jī)物為三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMh)。V族氫化物為高純AsH3、PH3、NH3, η型摻雜源為吐稀釋的硅烷(SiH4)、硒化氫OBe) ；ρ型摻雜源為金屬有機(jī)物二乙基鋅 (DESi)、四氯化碳(CC14)。采用經(jīng)鈀管純化的H2作為載氣，純度大于99. 99999%，生長溫度為450 1100°C之間，優(yōu)選溫度為450 800°C。上述太陽電池的制備方法包括如下步驟1.采用ρ型摻雜的單晶鍺(Ge)襯底，厚度為100 200微米，優(yōu)選厚度為140微米，摻雜濃度為IO17 IO18每立方厘米，作為底電池基區(qū)。2.準(zhǔn)備設(shè)備，進(jìn)入MOCVD生長。3.在鍺襯底上構(gòu)造鍺底電池鍺底電池具有η型摻雜的鍺底電池發(fā)射區(qū)和η型摻雜的GaAs底電池窗口層。η型鍺底電池發(fā)射區(qū)厚度為0. 1 0. 3微米，優(yōu)選0. 25微米，摻雜濃度為IOw IO19每立方厘米；η型GaAs底電池窗口層厚度為0. 1 0. 4微米，優(yōu)選0. 3 微米，摻雜濃度為IOw IO19每立方厘米。4.生長位于底電池窗口層上部的隧穿結(jié)隧穿結(jié)包括厚度為0. 01 0. 03微米的 η型摻雜GaAs層和厚度為0. 01 0. 03微米的ρ型摻雜的GaAs層，η型摻雜GaAs層和ρ 型摻雜的GaAs層的優(yōu)選厚度分別為0. 015微米和0. 015微米，隧穿結(jié)摻雜濃度大于IO18 IO20每立方厘米。5.生長位于隧穿結(jié)上部的ρ型摻雜的^ifei(Al)P中電池背場層厚度為0. 01 0. 1微米，優(yōu)選厚度0.05微米，摻雜濃度為IOw IO19每立方厘米，該中電池背場層用于阻止中電池基區(qū)的光生電子擴(kuò)散到底電池。6.生長ρ型摻雜的GaAs中電池基區(qū)厚度為0. 5 2微米，摻雜濃度為IO17 IO18每立方厘米，再生長10周期的kfiihAs/GaN/Sh量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層作為中電池本征區(qū)，10周期的總厚度為0. 1 2. 4微米。7.中電池本征區(qū)如圖2所示，在每周期的量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層中，每個量子點(diǎn)層的材料為LxGiVxAs (銦鎵砷)，其中χ為h組分，范圍為0. 4彡χ彡1，優(yōu)選值為0. 45，厚度為1 6個亞單層，優(yōu)選為1. 82 5. 8個亞單層，每個應(yīng)變補(bǔ)償層的材料為GaNyASl_y (鎵氮砷)，其中y為N組分，范圍為0. 001彡y彡0. 05，優(yōu)選值為0. 01，厚度為0. 02 0. 04微米，量子點(diǎn)層上的應(yīng)變量子點(diǎn)密度達(dá)到IO11個/平方厘米。8.生長η摻雜的GaAs中電池發(fā)射區(qū)厚度為0. 15 0. 5微米，優(yōu)選0. 15微米型， 摻雜濃度為IO17 IO18每立方厘米。9.生長ρ型摻雜的AlzGai_zAs中電池窗口層摻雜濃度為IOw IO19每立方厘米， 其中ζ為Al組分，范圍為0. 01 < ζ < 0. 05，優(yōu)選值為0. 04，厚度為0. 02 0. 06微米，優(yōu)選厚度為0. 03微米。10.生長位于中電池窗口層上部的隧穿結(jié)隧穿結(jié)包括厚度為0. 01 0. 03微米的η型摻雜GaAs層和厚度為0. 01 0. 03微米的ρ型摻雜的GaAs層，η型摻雜GaAs層和ρ 型摻雜的GaAs層的優(yōu)選厚度分別為0. 015微米和0. 015微米，隧穿結(jié)摻雜濃度IO18 102° 每立方厘米。11.生長ρ型摻雜^ifei(Al)P頂電池背場層厚度為0. 01 0. 1微米，優(yōu)選厚度 0. 05微米的，摻雜濃度為IO18 IO19每立方厘米。12.生長ρ型摻雜的^ifei (Al) P頂電池基區(qū)厚度為0.4 1.5微米，優(yōu)選厚度為 1微米的，摻雜濃度為IO17 IOw每立方厘米。
13.生長η型摻雜的^ifei(Al)P頂電池發(fā)射區(qū)厚度為0. 1 0.5微米，優(yōu)選厚度為0. 1微米的摻雜濃度為IO17 IO18每立方厘米。14.生長η型AlInP頂電池窗口層厚度為0.03 0.06微米，優(yōu)選厚度為0.035
微米，摻雜濃度為IOw IO19每立方厘米。15.生長η型GaAs歐姆接觸層厚度為0. 1 1微米，摻雜濃度為IOw IO19每立方厘米。16.采用電子束蒸發(fā)蒸鍍Ti02/Si02減反射膜，并進(jìn)行電池芯片制作。后期生長包括光刻、蒸發(fā)、選擇性腐蝕熱退火等，太陽電池背面電極為PdAg，正面電極為AuGeNi/Au，通過氙燈太陽模擬器對樣品進(jìn)行短路電流密度分析。本發(fā)明中應(yīng)變補(bǔ)償量子點(diǎn)的原理在晶格失配外延系統(tǒng)中，采用自組織生長量子點(diǎn)陣列是常用的量子點(diǎn)制備方法。 晶格失配應(yīng)變是量子點(diǎn)自組織生長的驅(qū)動力，材料通過應(yīng)變弛豫生成量子點(diǎn)，但是系統(tǒng)會仍然存在剩余的應(yīng)變積累，這會導(dǎo)致位錯、缺陷以及島合并現(xiàn)象出現(xiàn)，引起量子點(diǎn)陣列質(zhì)量下降。要解決這一問題，可以在生長過程中引入張應(yīng)變的補(bǔ)償層來平衡和補(bǔ)償量子點(diǎn)層的壓應(yīng)變，即所謂的應(yīng)變補(bǔ)償。由于GaNAs等稀氮材料的晶格常數(shù)小于hGaAs，產(chǎn)生張應(yīng)變， InGaAs晶格常數(shù)大于GaAs，產(chǎn)生壓應(yīng)變。在壓應(yīng)變的InGaAs層上生長張應(yīng)變的GaNAs層， 能夠有效的改善InGaAs量子點(diǎn)的均勻性，使得量子點(diǎn)的密度增加。本發(fā)明中，中電池本征區(qū)中引入量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，形成中間帶，利用GaNAs制成的應(yīng)變補(bǔ)償層，使InGaAs制成的量子點(diǎn)層上的量子點(diǎn)密度預(yù)期能達(dá)到1011，整體尺寸均勻，使太陽電池可以有效的利用不同波段的太陽光，解決了目前hfei(Al)P/InGaAS/Ge三結(jié)砷化鎵太陽電池中的頂電池與中電池之間電流匹配的問題，無量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中電池的電流密度為 15. 23mA/cm2，本發(fā)明的中電池的電流密度預(yù)期能達(dá)到18. 7mA/cm2左右，鑒于目前hfei(Al) P/InGaAs/Ge三結(jié)砷化鎵太陽電池的短路電流密度取決于中電池的短路電流密度，因此本發(fā)明的三結(jié)砷化鎵太陽電池整體電流密度會顯著增加，這樣的結(jié)構(gòu)更好地實(shí)現(xiàn)了帶隙匹配，從而提高了三結(jié)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。目前常用的三結(jié)砷化鎵太陽電池的轉(zhuǎn)換效率為 30% (AM0，1個太陽光照下)，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換效率預(yù)期能接近40% (AM0，1個太陽光照下)。
權(quán)利要求
1.一種新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，包括頂電池、中電池和底電池，在頂電池和中電池之間以及中電池和底電池之間分別設(shè)有一隧穿結(jié)，中電池由中電池窗口層、中電池發(fā)射區(qū)、中電池本征區(qū)、中電池基區(qū)和中電池背場層構(gòu)成，其特征在于所述中電池本征區(qū)的總厚度為 0. 1 2. 4微米且由多個周期的量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層相互疊加構(gòu)成；每周期的量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層中位于下部的量子點(diǎn)層的材料為^ixGahAs,厚度為 1 6個亞單層，位于量子點(diǎn)層上方的應(yīng)變補(bǔ)償層的材料為GaNyASl_y，厚度為0. 02 0. 04 微米，所述0.4彡χ彡1,0. 001彡y彡0.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，其特征在于所述中電池本征區(qū)的總厚度為0. 2 2微米，每個量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層中的量子點(diǎn)層厚度為1. 82 5. 8個亞單層，應(yīng)變補(bǔ)償層厚度為0. 02微米，所述χ為0. 45，所述y為0. 01。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，其特征在于所述周期的數(shù)量為5 100。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，其特征在于所述中電池窗口層的材料為AlzGa1=As,厚度為0. 02 0. 06微米，所述0. 01彡ζ彡0. 05。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，其特征在于所述ζ為0.04，厚度為0. 03微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，其特征在于所述中電池基區(qū)厚度為0.5 2微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，其特征在于所述中電池發(fā)射區(qū)厚度為0. 15 0. 5微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型三結(jié)砷化鎵太陽電池，所述中電池本征區(qū)的總厚度為0.1～2.4微米且由多個周期的量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層相互疊加構(gòu)成；每周期的量子點(diǎn)層/應(yīng)變補(bǔ)償層中位于下部的量子點(diǎn)層的材料為InxGa1-xAs，厚度為1～6個亞單層，位于量子點(diǎn)層上方的應(yīng)變補(bǔ)償層的材料為GaNyAs1-y，厚度為0.02～0.04微米，所述0.4≤x≤1，0.001≤y≤0.5。本發(fā)明中，在中電池本征區(qū)中引入量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，形成中間帶，利用應(yīng)變補(bǔ)償層，使量子點(diǎn)層上的量子點(diǎn)密度達(dá)到1011每平方厘米，整體尺寸均勻，可以有效的利用不同波段的太陽光，使太陽電池的整體電流密度顯著增加，提高了電池的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/0352GK102339890SQ20111029526
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者劉如彬, 孫強(qiáng), 康培, 張啟明, 王帥, 穆杰 申請人:天津藍(lán)天太陽科技有限公司