專利名稱：三結(jié)太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化合物半導(dǎo)體太陽能電池領(lǐng)域，具體涉及一種三結(jié)太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
高倍聚光光伏技術(shù)(CPV)是一種將太陽光通過菲涅爾透鏡聚光透鏡，將500倍乃至1000倍以上太陽能量的光聚焦到面積很小的電池芯片上實(shí)現(xiàn)發(fā)電的技術(shù)，用廉價(jià)的透鏡取代昂貴的半導(dǎo)體材料，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本的降低，隨著電池效率的進(jìn)一步提升，隨著 CPV產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，原材料成本的進(jìn)一步下降，高倍聚光太陽能發(fā)電技術(shù)在不久的將來將會(huì)實(shí)現(xiàn)平價(jià)發(fā)電。作為第三代太陽能電池的高倍聚光三結(jié)太陽能電池是由三個(gè)不同帶隙的半導(dǎo)體子電池通過隧穿結(jié)連接而成的，不同子電池吸收不同波段的太陽光譜，從而可以實(shí)現(xiàn)更寬波段范圍的太陽光譜吸收，而傳統(tǒng)的太陽能電池由于自身半導(dǎo)體材料特性的限制，只能吸收較窄波段范圍的太陽光譜，因此三結(jié)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率比硅太陽能電池高出很
^^ O2011年4月，美國Solar junction公司宣布其研制出世界最高效率的三結(jié)太陽能電池，在400倍聚光、大氣光學(xué)質(zhì)量AMI. 5、25°C的測試條件下，5. 5mmx5. 5mm大小的電池效率達(dá)到了 43. 5%。目前國際上聚光光伏(CPV)的主要生產(chǎn)商Spectrolab制備的InGaP/ (In)GaAs/Ge三結(jié)電池效率在500倍聚光下為量產(chǎn)的平均效率達(dá)到39. 8%。由于三結(jié)太陽能電池材料禁帶寬度組合的靈活性，相信在未來幾年，隨著電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，隨著外延生長技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，三結(jié)太陽能電池的效率將突破50%。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種三結(jié)太陽能電池及其制作，其在頂電池和中電池中采用 AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)背電場來提高電池的開路電壓(Voc)和短路電流(Isc)，從而進(jìn)一步提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，三結(jié)太陽能電池，包括頂電池、中電池、底電池以及兩個(gè)隧穿結(jié)，其特征在于頂電池和中電池的背電場均采用AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述頂電池的AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGai_xAs的Al組分χ取值范圍為:0.4 ^ χ<1。優(yōu)選地，所述中電池的AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGai_xAs的Al組分χ取值范圍為0. 2彡χ<1。優(yōu)選地，所述頂電池及中電池的Alx(}ai_xAS/AlAS異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGiVxAs的厚度為 l(T200nm。優(yōu)選地，所述頂電池及中電池的AlxGivxAsAlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlAs的厚度為 10 200nm。
優(yōu)選地，所述頂電池及中電池的AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGai_xAs摻雜濃度為 ι χ IO17 1 X IO19 /cm3。優(yōu)選地，所述頂電池及中電池的Alx(iai_xAS/AlAS異質(zhì)結(jié)背電場中AlAs的厚度為 10 200nm。優(yōu)選地，所述頂電池及中電池的AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlAs摻雜濃度為 IXlO17 IXlO19 /cm3。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，三結(jié)太陽能電池的制備方法，其包括下列步驟: AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)背電場的三結(jié)太陽能電池外，包括下面步驟提供Ge襯底上，通過 P/As的擴(kuò)散形成Ge底電池；在底電池之上外延生長GaAs隧穿結(jié)；在GaAs隧穿結(jié)上外延生長中電池的AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)背電場(BSF)；在Alx(iai_xAS/AlAS背電場上外延生長 (In)GaAs中電池；在中電池之上外延生長GaAs/AWaAs隧穿結(jié)；在GaAs/AWaAs隧穿結(jié)上外延生長頂電池的AlxGai_xAs/AlAs ；在AlxGai_xAs/AlAs背電場上外延生長(Al)feilnP頂電池。本發(fā)明技術(shù)效果體現(xiàn)在在AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)背電場上外延生長的頂電池半導(dǎo)體材料(Al)GaInP具有更高的禁帶寬度(Eg)，由于三結(jié)電池的開路電壓與材料的禁帶寬度(Eg)成正比關(guān)系，因此三結(jié)電池的開路電壓(Voc)得到提升；同時(shí)由于背電場為 AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可有效降低光生載流子的復(fù)合，增加頂電池和中電子基區(qū)光生載流子的收集，提高三結(jié)電池的短路電流(Isc);由于Voc和Isc的提升，三結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。雖然在下文中將結(jié)合一些示例性實(shí)施及使用方法來描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，并不旨在將本發(fā)明限制于這些實(shí)施例。反之，旨在覆蓋包含在所附的權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)的所有替代品、修正及等效物。
附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。圖1是本發(fā)明涉及的一種高倍聚光多結(jié)太陽能電池側(cè)面剖視圖。圖中各層分別為
100底電池
101:p型Ge襯底
102m型InGaP形核層
103:n型MGaAs緩沖層 200 中電池
210中電池 AlxGai_xAs/AlAs 背電場
211中電池AlxGai_xAs/AlAs背電場中的AlAs層212 中電池AlxGai_xAs/AlAs背電場中的AlGaAs層
220 :p-(In) GaAs中電池基區(qū)
230 :n-(In) GaAs中電池發(fā)射區(qū)
240 中電池的n-Al InP或n-GalnP窗口層
300 頂電池
310頂電池 AlxGai_xAs/AlAs 背電場
311頂電池AlxGai_xAs/AlAs背電場中的AlAs層
312頂電池AlxGai_xAs/AlAs背電場中的AlGaAs層 320 :p-(Al)feJnP頂電池基區(qū)
330 :n-(Al)feiInP頂電池發(fā)射區(qū) 340 頂電池的η-Α1ΙηΡ窗口層 410 =GaAs隧穿結(jié) 420 (Al)GaAs/AlGaAs 隧穿結(jié) 500 :n-GaAs歐姆接觸層。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。需要說明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個(gè)實(shí)施例以及各實(shí)施例中的各個(gè)特征可以相互結(jié)合， 所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。如圖1所示，一種三結(jié)太陽能電池包括頂電池300、中電池200、底電池100以及兩個(gè)隧穿結(jié)410、420，頂電池和中電池的背電場均采用Alx(iai_xAS/AlAS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。對于各子電池的細(xì)節(jié)下面將結(jié)合制備方法進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明所公開的三結(jié)太陽能電池的制作方法，主要包括各子電池100、200、300及各子電池之間各層的形成工藝，具體制備工藝包括下面步驟。首先，提供一 ρ型Ge襯底101，通過P/As的擴(kuò)散形成( 底電池100。具體工藝如下將ρ型Ge襯底放入載片盤，將載片盤傳輸至MOCVD反應(yīng)腔體，首先在45(T650°C下預(yù)通 PH3，通過P的擴(kuò)散形成Ge底電池的發(fā)射區(qū)，然后在65(T750 °C下脫氧10分鐘。下一步，在Ge底電池100上形成η型Ga0.5In0.5P形核層102和η型In0.01Ga0.99As 緩沖層103。其具體外延生長條件為外延生長溫度為55(T650°C，五三族源摩爾流量比為 10 100。形核層102的厚度為5nnTl00nm，緩沖層103的厚度為0. 5 μ m 2 μ m。下一步，在η型GEia5Ina5P形核層102上形成GaAs隧穿結(jié)410。下一步，在GaAs隧穿結(jié)410上外延生長中電池200，其至下而上包括背電場 210、基區(qū)220、發(fā)射區(qū)230、窗口層Μ0。背電場210采用AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中AlxGa1^xAs層211的Al組分控制在0. 2彡χ<1，厚度為10 200nm ；AlAs層212的厚度為 10"200nm, AlxGa1^xAs 層 211 及 AlAs 層 212 的摻雜濃度為 1X1017— IXlO19 /cm3。基區(qū) 220 的材料為P型an)GaAs，厚度為2μπΓ5μπι。發(fā)射區(qū)230的材料為η型an)GaAs，厚度為 50nnT500nm。窗口層 MO 的材料為 η 型 AUnP 或 feJnP，厚度為 lOnnTlOOnm。下一步，在中電池200的頂部外延生長(Al)GaAs/AWaAs隧穿結(jié)420。
下一步，在(ADGaAs/AWaAs隧穿結(jié)420上延長生長頂電池300，其至下而上包括背電場310、基區(qū)320、發(fā)射區(qū)330、窗口層340。背電場310采用AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，其中AlxGa1^xAs層311的Al組分控制在0. 4彡χ<1，厚度為10 200nm ；AlAs層312的厚度為 10 200nm ；AlxGi^xAs 層 311 及 AlAs 層 312 摻雜濃度為 1 X IO17 1 X IO19/cm3。基區(qū) 320的材料ρ型(Al) GaInP,厚度為0. 5 μ πΓ . 5 μ m。發(fā)射區(qū)330的材料為η型(Al) GaInP, 厚度為50nnT300nm。窗口層340的材料為η型AUnP窗口層，厚度為lOnnTlOOnm。下一步，在頂電池300上外延生長η型GaAs歐姆接觸層500，構(gòu)成三結(jié)太陽能電池。以上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變化。因此，所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.三結(jié)太陽能電池，包含頂電池、中電池、底電池以及兩個(gè)隧穿結(jié)，其特征在于頂電池和中電池的背電場均為Alx(}ai_xAS/AlAS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述頂電池的AlxGai_xAS/ AlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGa1^xAs的Al組分χ取值范圍為0. 4彡χ<1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述中電池的AlxGai_xAS/ AlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGai_xAs的Al組分χ取值范圍為0. 2彡χ<1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述頂電池及中電池的 AlxGa1^AsZAlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGai_xAs的厚度為l(T200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述頂電池及中電池的 AlxGa1^AsZAlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlAs的厚度為l(T200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述頂電池及中電池的 AlxGa1^AsZAlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGa^As摻雜濃度為1 X IO17 1 X IO19 /cm3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述頂電池及中電池的 AlxGa1^AsZAlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlAs摻雜濃度為1 X IO17 1 X IO19 /cm3。
8.三結(jié)薄膜太陽能電池的制作方法，包括以下步驟提供Ge襯底，通過P/As的擴(kuò)散形成Ge底電池；在底電池之上外延生長GaAs隧穿結(jié)；在GaAs隧穿結(jié)上外延生長中電池的AlxGai_xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)背電場；在AlxGai_xAs/AlAs背電場上外延生長(M)GaAs中電池；在中電池之上外延生長GaAs/AWaAs隧穿結(jié)；在GaAs/AWaAs隧穿結(jié)上外延生長頂電池的AlxGai_xAs/AlAs ；在AlxGai_xAs/AlAs背電場上外延生長(Al)feilnP頂電池。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三結(jié)太陽能電池的制作方法，其特征在于所述頂電池的 AlxGa1^AsZAlAs異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGa1^xAs的Al組分χ取值范圍為:0· 4≤χ<1。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三結(jié)太陽能電池的制作方法，所述中電池的AlxGivxAsAlAs 異質(zhì)結(jié)背電場中AlxGai_xAs的Al組分χ取值范圍為0. 2彡χ<1。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三結(jié)太陽能電池及其制備方法，其特征在于三結(jié)電池中的頂電池和中電池的背電場均采用AlxGa1-xAs/AlAs異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可提高頂電池外延生長材料的禁帶寬度(Eg)，提高三結(jié)電池的開路電壓(Voc)，同時(shí)可增加頂電池和中電子基區(qū)光生載流子的收集，提高三結(jié)電池的短路電流(Isc)，從而進(jìn)一步提高三結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號(hào)H01L31/0735GK102569476SQ20121006478
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者丁杰, 劉建慶, 林桂江, 畢京鋒, 王良均, 蔡文必 申請人:天津三安光電有限公司