專利名稱：具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池領(lǐng)域，尤其涉及具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于太陽能取之不盡，是傳統(tǒng)化石能源的有效替代者，太陽電池的研究越來越深入。在太陽電池領(lǐng)域，目前GalnP/GaAs多結(jié)電池已成功應(yīng)用于空間光伏領(lǐng)域，又因為其最高效率而成為地面高倍聚光應(yīng)用的優(yōu)秀代表，另外可與Ge形成三結(jié)電池可使效率得到進一步提升。但Ge的帶隙(0.7eV)不是三結(jié)電池中最合適的。如果能制備出0. 8 1. 4eV的太陽電池，且與GaAs或Ge襯底晶格匹配，轉(zhuǎn)換效率將顯著提升，而且可以結(jié)合Ge構(gòu)成四結(jié) 及四結(jié)以上獲得超聞效率的晶格匹配電池。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(yù)期的增加，反而產(chǎn)生了相反的效果，從而導(dǎo)致帶隙迅速減小，不是預(yù)期的藍移，而是紅移，這種不尋常的行為引起了相當(dāng)大的興趣，人們認為這是材料物理學(xué)上一個新的觀點以及存在潛在的應(yīng)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(dǎo)體，當(dāng)?shù)迦氲轿遄逶氐木Ц?，對材料的性能產(chǎn)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(jié)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(yīng)用。除了能帶彎曲，少量的氮也導(dǎo)致帶結(jié)構(gòu)的改變，只有0.5%的氮，GaP帶隙產(chǎn)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?，F(xiàn)已有研究者制備出帶隙為IeV的GaInNAs太陽電池，如圖1，包括襯底層101，以及在襯底層101上依次設(shè)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，但該GaInNAs太陽電池電流密度和開路電壓仍較低，轉(zhuǎn)換效率也不高。采用GaInNAs四元體系的體材料，由于In、N共存生長，容易產(chǎn)生應(yīng)變與組分起伏，降低少子壽命，遷移率也不高，吸收光子所產(chǎn)生的電子-空穴對在被收集之前就已經(jīng)復(fù)合，限制了電流輸出，轉(zhuǎn)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(dāng)獲得足夠厚的有源區(qū)時易產(chǎn)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(shù)難關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池及其制備方法。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種具有超晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，所述第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置于第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)表面，且所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)中的InGaAs層厚度不同。
所述具有超晶格結(jié)構(gòu)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(shè)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(dǎo)電摻雜類型與第二 GaAs層的導(dǎo)電摻雜類型相反。所述具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池，進一步包括Ge或GaAs的襯底層，以及包括依次在Ge或GaAs的襯底層上設(shè)置的GaAs緩沖層、GaAs電池和GaAs接觸層。
所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)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)明還提供了一種具有超晶格結(jié)構(gòu)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層表面生長第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)；
32)在第一GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)表面生長第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)；
其中，所述兩種GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)中的InGaAs層厚度不同。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。所述步驟I)之前包括步驟在Ge或GaAs的襯底層裸露表面生長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。所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)的生長均采用In與N空間分離的生長方式。本發(fā)明提供具有超晶格結(jié)構(gòu)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(shù)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(diào)制帶隙大?。?br> 3.上述太陽電池有源區(qū)生長采用In、N分離生長技術(shù)，避免了傳統(tǒng)GaInNAs電池有源區(qū)In、N共存引起的應(yīng)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(chǎn)生應(yīng)變失配導(dǎo)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(jié)構(gòu) 圖2是本發(fā)明提供的一種具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的具有超晶格結(jié)構(gòu)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所示為所述的一種具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的稀氮氮化物(Dilute Nitride)超晶格太陽能電池。所述具有超晶格結(jié)構(gòu)的稀氮氮化物超晶格太陽能電池，該太陽能電池的帶隙范圍為0. 8e疒I. 4eV，包括Ge或GaAs的襯底層201，以及包括在Ge或GaAs的襯底層201上依次設(shè)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的襯底層201裸露表面上的下接觸電極200。GaAs電池包括在GaAs緩沖層202上依次按照遠離襯底層201方向設(shè)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(dǎo)電摻雜類型與第二 GaAs層207的導(dǎo)電摻雜類型相反。第一 GaAs層204的導(dǎo)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(jié)構(gòu)，即第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)205和第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)206，且第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)205和第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)206按照遠離襯底層201方向設(shè)置于第一 GaAs層204表面，其中第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)205和第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)206的阱層InGaAs具有不同的厚度。所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)205、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)206均為短周期超晶格結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生失配，又要保證有源區(qū)211獲得所需的吸收帶邊。第二
具體實施例方式 上述具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池的制備方法為
1)利用金屬有機化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD)或者分子束外延技術(shù)(MBE)在Ge或GaAs的襯底層201上依次生長GaAs緩沖層202、AlGaAs背場層203及第一 GaAs層204 ；
2)在第一GaAs層204裸露表面上利用MOCVD或者MBE生長具有不同阱層厚度的兩種GaNAs/InGaAs短周期超晶格有源區(qū)211 ；
3)在超晶格有源區(qū)211裸露表面上采用MOCVD或者MBE技術(shù)外延生長GaAs發(fā)射層207、AlGaAs 窗口層 208 和 GaAs 接觸層 209 ；
4)在GaAs接觸層209裸露表面上和Ge或GaAs的襯底層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。本發(fā)明提供具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池的制備方法，帶隙范圍為0. Se疒I. 4eV,該太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示。以在P型Ge的襯底層上用MBE制備GaNAs/InGaAs短周期超晶格太陽能電池為例，具體制備方法包括以下步驟
(I)選取P型Ge的襯底層201，并對襯底進行清洗，也可以選擇免清洗的Ge襯底直接進入下一步的反應(yīng)。采用液氮冷卻配合下，在背景壓力控制在低于9 X IO-iciTorr下，將襯底層201置于MBE的反應(yīng)腔室中，并將襯底層201加熱至50(T60(TC，以去除襯底層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(zhì)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(fù)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/t3納米的本征且具有短周期的第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)205和厚度為tl/t2納米的本征且具有短周期的第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)206。換句話說，第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)205中阱層GaNAs的厚度為tl納米，第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)205中阱層InGaAs的厚度為t3納米，第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)206中阱層GaNAs的厚度為tl納米，第二 GaNAs/ InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)206中阱層InGaAs的厚度為t2納米，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208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層作為GaAs接觸層209，以便電池與金屬形成良好的歐姆接觸，降低電池阻抗，提高電池性倉泛。(7)在GaAs接觸層209裸露表面上和Ge或GaAs的襯底層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。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)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(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.ー種具有超晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，所述第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置于第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)表面,且所述第一、第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)中的InGaAs層厚度不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有超晶格結(jié)構(gòu)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(shè)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(dǎo)電摻雜類型與第二 GaAs層的導(dǎo)電摻雜類型相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池，其特征在干，進ー步包括Ge或GaAs的襯底層，以及包括依次在Ge或GaAs的襯底層上設(shè)置的GaAs緩沖層、GaAs電池和GaAs接觸層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池，其特征在于，所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)的周期范圍分別為I納米至10納米。
5.一種權(quán)利要求I所述的具有超晶格結(jié)構(gòu)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層表面生長第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)；32)在第一 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)表面生長第二 GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)；其中,所述兩種GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)中的InGaAs層厚度不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有超晶格結(jié)構(gòu)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(quán)利要求6所述的具有超晶格結(jié)構(gòu)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的襯底層裸露表面生長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。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有超晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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)明提供一種具有超晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，所述第二GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)置于第一GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)表面，且所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)中的InGaAs層厚度不同。本發(fā)明還提供一種如上述具有超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池的制備方法，在第一GaAs層的裸露表面上生長兩種GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)以形成有源區(qū)，所述兩種GaNAs/InGaAs超晶格結(jié)構(gòu)中的InGaAs層厚度不同。
文檔編號H01L31/077GK102738267SQ20121020384
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)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(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所