專利名稱：摻雜超晶格結構的太陽能電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能電池領域，尤其涉及摻雜超晶格結構的太陽能電池及其制備方法。
背景技術：
隨著全球范圍的能源危機和生態(tài)環(huán)境問題的日益惡化，大家對于取之不盡用之不竭且潔凈無污染之虞的太陽能和太陽能電池，莫不寄予極大之期望，成為市場上最被看好的產業(yè)之一。在眾多太陽能電池中，傳統(tǒng)GalnP/GaAs/Ge三結電池已成功應用于空間和地面光伏領域，但進一步提升轉換效率遇到瓶頸。根據(jù)帶隙組成和太陽光光譜的匹配，使用與 GaAs或Ge襯底晶格匹配的0. 8 I. 4eV帶隙電池替代Ge電池可顯著提升電池的轉換效率，而且未來可結合Ge襯底構成四結及四結以上的超高效率晶格匹配電池。近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN、InGaAsN、GaNP和GaNAsP材料受到了重視。人們發(fā)現(xiàn)增加了少量氮的砷化鎵其帶隙不是預期的增加，反而產生了相反的效果，從而導致帶隙迅速減小，不是預期的藍移，而是紅移，這種不尋常的行為引起了相當大的興趣，人們認為這是材料物理學上一個新的觀點以及存在潛在的應用空間，這些新化合物被稱為稀氮化物。稀氮化物已擺脫傳統(tǒng)的III-V族半導體，當?shù)迦氲轿遄逶氐木Ц?，對材料的性能產生了深遠影響，并允許能帶工程進一步發(fā)展。在常規(guī)的GaAs和InP基III-V族化合物中只加入少量的氮(小于5% )，結果可以造成非常大的能帶彎曲，這形成了許多有趣的微電子和光電應用。除了能帶彎曲，少量的氮也導致帶結構的改變，只有0.5%的氮，GaP帶隙產生從間接到直接的變化，且在650nm紅光范圍具有很強的發(fā)光。與GaAs或Ge襯底晶格匹配的帶隙為IeV的GaInNAs太陽電池已研制成功，如圖1，包括襯底101，以及在襯底101上依次設置的緩沖層102、背場層103、第一 GaAs層104、第二 GaAs層105和接觸層106，但電流密度和開路電壓仍較低，轉換效率也不高。其主要原因是采用GaInNAs四元體系的體材料，由于In、N共存生長，容易產生應變與組分起伏，降低少子壽命，遷移率也不高，吸收光子所產生的電子-空穴對在被收集之前就已經復合，限制了電流輸出，轉換效率的提升有限。雖有通過In、N分離的超晶格和量子阱來獲得該帶隙的太陽能電池，但由于是單一壘層厚度的超晶格，當獲得足夠厚的有源區(qū)時易產生失配位錯，最終影響電池的性能。于是，研究人員試圖尋找其他有效方法突破這個技術難關。研究人員試圖尋找其他有效方法突破這個技術難關。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供摻雜超晶格結構的太陽能電池及其制備方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種摻雜超晶格結構的太陽能電池，包括第一GaAs層和有源區(qū)，所述有源區(qū)置于第一 GaAs層裸露表面上，所述有源區(qū)包括第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構，所述第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構設置于第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構表面，所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同，且第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構中InGaAs層和GaNAs層均摻雜同種導電類型的雜質。所述摻雜超晶格結構的太陽能電池，進一步包括GaAs電池和GaAs緩沖層，所述GaAs電池置于GaAs緩沖層的裸露表面上,所述GaAs電池包括依次設置的AlGaAs背場層、第一 GaAs層、有源區(qū)、第二 GaAs層和AlGaAs窗口層,其中第一 GaAs層的導電摻雜類型與第二 GaAs層的導電摻雜類型相反。所述摻雜超晶格結構的太陽能電池，進一步包括Ge或GaAs的襯底，以及包括依次在Ge或GaAs的襯底上設置的GaAs緩沖層、GaA s電池和GaAs接觸層，所述襯底的摻雜類型與第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構的摻雜類型一致。所述摻雜超晶格結構的太陽能電池，所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構的周期范圍分別為I納米至10納米。為了解決上述問題，本發(fā)明還提供了一種上述摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法，包括步驟3)在第一 GaAs層裸露表面生長有源區(qū)，
所述步驟3)進一步包括步驟
31)在第一GaAs層的裸露表面生長第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構；
32)在第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面生長第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構；
其中，所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同，且第一
GaNAs/InGaAs超晶格結構中InGaAs層和GaNAs層均摻雜同種導電類型的雜質。所述步驟3 )之前進一步包括步驟
1)在GaAs緩沖層的裸露表面生長AlGaAs背場層；
2)在AlGaAs背場層表面生長第一GaAs層；
所述步驟3)之后進一步包括步驟 4)在有源區(qū)表面生長第二 GaAs層；
5)在第二 GaAs層表面生長AlGaAs窗口層。所述摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法，所述步驟I)之前包括步驟在Ge或GaAs的襯底的裸露表面生長GaAs緩沖層；
所述步驟5)之后包括步驟在AlGaAs窗口層表面生長GaAs接觸層，所述襯底的摻雜類型與第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構的摻雜類型一致。所述摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法，所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構的生長均采用In與N空間分離的生長方式。本發(fā)明提供摻雜超晶格結構的太陽能電池及其制備方法，優(yōu)點在于
1.上述太陽電池帶隙范圍為0.8^1. 4eV，與傳統(tǒng)的帶隙為IeV的GaInNAs電池相比，可與技術成熟的GalnP/GaAs及Ge形成更合理的帶隙組合，能更充分地利用太陽光譜；
2.上述太陽電池采用短周期超晶格作為有源區(qū)，更方便調制帶隙大小；
3.上述太陽電池有源區(qū)生長采用In、N分離生長技術，避免了傳統(tǒng)GaInNAs電池有源區(qū)In、N共存引起的應變等缺陷；
4.上述太陽電池有源區(qū)中InGaAs阱層的厚度不同，這樣能獲得足夠厚的有源區(qū)且不產生應變失配導致的缺陷，從而提高電池的效率。


圖I是傳統(tǒng)GaInNAs太陽電池結構 圖2是本發(fā)明提供的一種摻雜超晶格結構的太陽能電池結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明提供的摻雜超晶格結構的太陽能電池及其制備方法的具體實施方式
做詳細說明。 圖2所示為所述的一種摻雜超晶格結構的太陽能電池結構圖。第一
具體實施例方式 本發(fā)明的提供一種具有超晶格結構的稀氮氮化物(Dilute Nitride)超晶格太陽能電池。所述具有超晶格結構的稀氮氮化物超晶格太陽能電池，包括Ge或GaAs的襯底201，以及包括在Ge或GaAs的襯底201上依次設置的GaAs緩沖層202、GaAs電池、GaAs接觸層209及上接觸電極210，以及包括在Ge或GaAs的襯底201裸露表面上的下接觸電極200。該太陽能電池的帶隙范圍為0. 8eV"l. 4eV，可與技術成熟的GalnP/GaAs組成合理的帶隙組合，還能與Ge形成包含該GaInNAs基電池在內的四結或四結以上電池，最終實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，提高量子效率和電池的轉換效率。GaAs電池包括在GaAs緩沖層202上依次按照遠離襯底方向201設置的AlGaAs背場層203、第一 GaAs層204，有源區(qū)211、第二 GaAs層207和AlGaAs窗口層208，其中第一GaAs層204的導電摻雜類型與第二 GaAs層207的導電摻雜類型相反。第一 GaAs層204的導電摻雜類型為N型或P型。作為可選實施方式，第一 GaAs層204可作為GaAs電池的基區(qū),第二 GaAs層207可作為GaAs電池的發(fā)射區(qū)。所述有源區(qū)211的材料為兩種GaNAs/InGaAs超晶格結構，即第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構205和第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構206，且第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構205和第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構206按照遠離襯底層201方向設置于第一 GaAs層204表面，其中第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構205和第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構206的InGaAs層具有不同的厚度，且第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構205中InGaAs層和GaNAs層均摻雜同種導電類型的雜質。有源區(qū)211采用兩種不同阱層厚度的GaNAs/InGaA短周期超晶格，可以避免In、N共存產生的缺陷并獲得足夠厚的吸收區(qū)，提高量子效率，并提升GaInNAs基電池的轉換效率。且第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構205中InGaAs層和GaNAs層均摻雜同種導電類型的雜質，可降低材料的阻抗，提高太陽能電池的填充因子。有源區(qū)211是與襯底20UGaAs緩沖層202、AlGaAs背場層203及第一 GaAs層204是晶格匹配的，與傳統(tǒng)的晶格失配高效太陽能電池相比，避免了由晶格失配導致的位錯等缺陷，提升薄膜晶體質量及界面特性。所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構205、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構206均為短周期超晶格結構，且它們周期范圍分別為I納米至10納米，如此才能保證既要保證有源區(qū)211不產生失配，又要保證有源區(qū)211獲得所需的吸收帶邊。第二具體實施方式
上述摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法為
1)采用MOCVD技術或MBE技術在Ge或GaAs的襯底201上依次生長無反相疇GaAs緩沖層202、AlGaAs背場層203及第一 GaAs層204 ；
2)在第一GaAs層204的裸露表面上采用MOCVD或MBE進行不同阱層厚度的第一GaNAs/InGaAs超晶格205和第二 GaNAs/InGaAs超晶格206，以形成有源區(qū)211，其中第一GaNAs/InGaAs超晶格結構205和第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構206的InGaAs層具有不同的厚度，且第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構205中InGaAs層和GaNAs層均摻雜同種導電類型的雜質,上述兩種GaNAs/InGaAs超晶格結構均采用In與N空間分離的生長方式，可以避免In、N共存產生的缺陷，從而獲得高晶體質量的短周期超晶格有源區(qū)吸收層；
3)在有源區(qū)211上采用MOCVD或MBE技術外延生長GaAs發(fā)射層207、AlGaAs窗口層208及GaAs接觸層209 ； 4)在GaAs接觸層209裸露表面上和Ge或GaAs的襯底201裸露表面上分別制作N型上接觸電極210和P型下接觸電極200。接下來給出本發(fā)明的一個實施例。本實施例提供摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法，帶隙范圍為0. 8e疒I. 4eV，該太陽能電池的結構如圖2所示。以在P型Ge的襯底上用MBE法制備該太陽能電池為例，具體制備方法包括以下步驟
(1)選取P型Ge的襯底201，并對襯底201進行清洗，也可以選擇免清洗的Ge襯底直接進入下一步的反應。采用液氮冷卻配合下，在背景壓力控制在低于9 X IO-iciTorr下，將襯底201置于MBE的反應腔室中，并將襯底201加熱至500°C 600°C，以去除襯底201表面氧化層，接著開始外延生長無反相疇的GaAs緩沖層202，使用GaAs緩沖層202來優(yōu)化薄膜質量;
(2)在GaAs緩沖層202裸露表面上采用MBE法生長P型AlGaAs背場層203，以減小光生電子的復合，阻止第一 GaAs層204的光生電子向下接觸電極200擴散，增加載流子收集;
(3)在AlGaAs背場層203上采用MBE法生長載流子濃度低于背場層203載流子濃度的P型第一 GaAs層204 ；
(4)在第一GaAs層204的裸露表面上采用MBE法生長厚度為tl/t2 nm的本征且具有短周期且摻雜的第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構205和厚度為tl/t3 nm的本征且具有短周期的第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構206，其中第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構205中GaNAs層和InGaAs層均摻雜Be雜質元素，其中tl、t2、t3為自然數(shù)，且t3不等于t2。(5)在有源區(qū)211裸露表面上采用MBE法生長N型GaAs層作為第二 GaAs層207，接著生長N型摻雜濃度高于第二 GaAs層207的AlGaAs層作為AlGaAs窗口層208，防止光生空穴向上擴散。(6)在AlGaAs窗口層208的裸露表面上采用MBE法生長高摻雜濃度的N型GaAs層209作為GaAs接觸層20，以便電池與金屬形成良好的歐姆接觸，降低電池阻抗，提高電池性能。(7)在GaAs接觸層209裸露表面上和Ge或GaAs的襯底201裸露表面上分別制備N型上接觸電極210和P型下接觸電極200。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下 ，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種摻雜超晶格結構的太陽能電池，其特征在于，包括第一 GaAs層和有源區(qū)，所述有源區(qū)置于第一 GaAs層的裸露表面上，所述有源區(qū)包括第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構，所述第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構設置于第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構表面,所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同，且第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構中InGaAs層和GaNAs層均摻雜同種導電類型的雜質。
2.根據(jù)權利要求I所述的摻雜超晶格結構的太陽能電池，其特征在干，進ー步包括GaAs電池和GaAs緩沖層，所述GaAs電池置于GaAs緩沖層的裸露表面上，所述GaAs電池包括依次設置的AlGaAs背場層、第一 GaAs層、有源區(qū)、第二 GaAs層和AlGaAs窗ロ層,其中第一 GaAs層的導電摻雜類型與第二 GaAs層的導電摻雜類型相反。
3.根據(jù)權利要求2所述的摻雜超晶格結構的太陽能電池，其特征在干，進ー步包括Ge或GaAs的襯底，以及包括依次在Ge或GaAs的襯底上設置的GaAs緩沖層、GaAs電池和GaAs接觸層，所述襯底的摻雜類型與第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構的摻雜類型一致。
4.根據(jù)權利要求I所述的摻雜超晶格結構的太陽能電池，其特征在于，所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構的周期范圍分別為I納米至10納米。
5.一種如權利要求所述的摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括步驟3)在第一 GaAs層裸露表面生長有源區(qū)，所述步驟3)進ー步包括步驟31)在第一 GaAs層裸露表面生長第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構；32)在第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構表面生長第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構；其中，所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同，且第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構中InGaAs層和GaNAs層均摻雜同種導電類型的雜質。
6.根據(jù)權利要求5所述的摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述步驟3)之前進ー步包括步驟I)在GaAs緩沖層的裸露表面生長AlGaAs背場層；2)在AlGaAs背場層表面生長第一 GaAs層；所述步驟3)之后進ー步包括步驟4)在有源區(qū)表面生長第二 GaAs層；5)在第二 GaAs層表面生長AlGaAs窗ロ層。
7.根據(jù)權利要求6所述的摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述步驟I)之前包括步驟在Ge或GaAs的襯底的裸露表面生長GaAs緩沖層；所述步驟5)之后包括步驟在AlGaAs窗ロ層表面生長GaAs接觸層，所述襯底的摻雜類型與第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構的摻雜類型一致。
8.根據(jù)權利要求5所述的摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結構的生長均采用In與N空間分離的生長方式。
全文摘要
本發(fā)明提供一種摻雜超晶格結構的太陽能電池，包括第一GaAs層和有源區(qū)，所述有源區(qū)置于第一GaAs層的裸露表面上，所述有源區(qū)包括第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構，所述第二GaNAs/InGaAs超晶格結構設置于第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面，所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同，且第一GaNAs/InGaAs超晶格結構中InGaAs層和GaNAs層均摻雜同種導電類型的雜質。本發(fā)明還提供一種上述摻雜超晶格結構的太陽能電池的制備方法，在第一GaAs層的裸露表面上依次生長第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構以形成有源區(qū)，所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同，且第二GaNAs/InGaAs超晶格結構中InGaAs層和GaNAs層均摻雜同種導電類型的雜質。
文檔編號H01L31/18GK102738266SQ20121020383
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權日2012年6月20日
發(fā)明者吳淵淵, 張東炎, 李雪飛, 楊輝, 鄭新和, 陸書龍 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所