一种含量子阱结构的三结太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种含量子阱结构的三结太阳能电池，从下至上依次包括有作为衬底的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结、第三子电池，所述三个子电池之间晶格匹配且通过隧穿结进行连接，其中，所述第一子电池为Ge电池，所述第二子电池为InxGa1-xNyAs1-y/GaAs量子阱电池，所述第三子电池为GaInP电池。本发明形成的能带隙组合在0.67eV/1.3eV/1.8eV左右，使第二子电池和第一子电池的能带隙差ΔEg1约为0.63，第三子电池和第二子电池的能带隙差ΔEg2约为0.5eV，两能带隙差更接近，且由于第三子电池GaInP能带隙在1.8eV左右，其可以比传统GaInP电池吸收更多的光子，这将使得本发明中三个子电池的电流分配更均匀。
【专利说明】一种含量子拼结构的三结太阳能电池
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能光伏的【技术领域】，尤其是指一种含量子阱结构的三结太阳能电 池。
【背景技术】
[0002] 在光伏领域，效率最高的电池当属高效多结太阳能电池，根据法国Soitec公司 2014年的报道，其研发的高效四结电池在聚光下效率可达44. 7%，创下了新的世界纪录。 究其原理而言，高效多结太阳能电池是指由两个或两个以上子电池叠加而成的光伏电池， 其主流是基于III-V族化合物半导体材料并利用晶体生长方式制备而成的。这类电池的主 要原理就是利用电池中带宽匹配的各子电池，分别对太阳光谱的不同波段进行吸收，实现 对太阳光谱的全光谱细分高效利用。基于此，高效多结太阳能电池的光电转换效率在聚光 下可达40%以上，1倍太阳光下其效率也在30%左右，远远超过了目前己知的其他各种光 伏电池，在空间和地面具有广阔的应用前景。由于其还具有良好的抗辐射性能和高温特性， 目前，高效多结太阳能电池已经成为了太空各类飞行器的主要电池，在地面应用领域，各类 基于高效多结电池的聚光光伏发电项目也已崭露头角。
[0003] 目前，最成熟的高效多结太阳能电池为Ge/GalnAs/GalnP三结电池结构，能带隙 分别为〇· 67eV/l. 4eV/l. 85eV，其光电转换效率普遍在39?40%左右。但是这种结构由于 GalnAs子电池与Ge子电池的能带隙差AEg2(约0. 73eV)远大于GalnP子电池和GalnAs子 电池的能带隙差Λ Egl (约0. 45eV)，造成Ge子电池的电流远高于GalnP子电池和GalnAs子 电池，使相当一部分能量因为电流之间的不匹配而被浪费掉。其结果是，Ge/GalnAs/GalnP 三结电池的电流只能取三个子电池中电流最小的一个，整体电流水平并不高，并制约了效 率的进~'步提升。
[0004] 针对此，人们也在开发新类型的电池结构以改善多个子电池之间的电流匹配，提 升效率。目前较为常见的几种办法分别为：在Ge衬底上生长高In组分的GalnAs和GalnP 子电池，通过In组分的提升来降低GalnAs和GalnP子电池的能带隙，提升以上两结子电池 的电流，进而提升效率。但是，这种方法必然带来以上两结子电池晶格常数的增大，使得以 上两结子电池无法保持与Ge衬底的晶格匹配，为此，必须采用晶格渐变缓冲层来解决晶格 不匹配的问题，不仅增加生长复杂度，还会影响晶体质量。此外，还有在Ge和GalnAs子电 池之间新增加一个leV左右子电池的方法，这种方法的好处是不必对GalnAs和GalnP子电 池进行改变，只需将Ge多余的光谱及对应电流分配给这个新增的leV电池即可。但是，leV 的电池选择空间并不多，除了高In组分GalnAs夕卜，还有N组分约为2%?3%的GalnNAs 材料（又称稀氮材料），高In组分的GalnAs由于In组分较高，与其他三个子电池的晶格适 配度很大，即使采用晶格渐变缓冲层也较难生长；而GalnNAs材料中，由于N会引入一些深 能级复合中心和背景掺杂，因此，直接生长的GalnNAs子电池往往效率不高。
[0005] 综上所述，要获得电流匹配度高的高效三结或四结太阳能电池，目前采用的各种 方式或存在晶格不匹配的情况，或存在电池材料质量不高的情况，均不同程度的影响了太 阳能电池的效率。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，为了在晶格匹配的基础上实现各 子电池之间的电流匹配，获得效率更高的太阳能电池，提供一种含量子阱结构的三结太阳 能电池。
[0007] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种含量子阱结构的三结太阳能 电池，从下至上依次包括有作为衬底的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结、 第三子电池，所述三个子电池之间晶格匹配且通过隧穿结进行连接，其中，所述第一子电池 为Ge电池，所述第二子电池为InxGahNyASh/GaAs量子阱电池，所述第三子电池为GalnP电 池。
[0008] 所述第一子电池通过在p型Ge衬底的表面上进行η型磷扩散，获得η型扩散层，藉 此形成了第~'子电池的ρη结，并通过在η型扩散层上面生长GalnP层和晶格匹配的GalnAs 层，起到Ge和GaAs这两种异质材料生长中的成核过渡作用，并可作为Ge电池的窗口层，增 强对载流子的反射能力，有助于收集载流子。
[0009] 所述第一隧穿结为η型GaAs和p型AlGaAs的材料组合或η型GalnP和p型AlGaAs 的材料组合。
[0010] 所述第二子电池采用p_i-η型的ρη结结构，从下到上依次包括有p型掺杂GaAs 层、无人为掺杂的多周期Ir^Ga^NyAspy/GaAs量子讲结构层、η型掺杂GaAs层。
[0011] 所述第二子电池还包括有位于ρη结之上的窗口层和位于ρη结之下的背场层，窗 口层选取GalnP或AlGaAs材料，背场层选取GalnP或AlGaAs材料。
[0012] 所述多周期InxGai_xN yASl_y/GaAS量子阱结构是在GaAs基区之上交替生长 Ir^Ga^NyASh与GaAs薄膜获得的，交替周期在5?100范围内，X的值取在0. 03至0. 07 范围内，y的值取在0.01至0.025范围内，该量子阱结构的晶格常数为165A?5.66 A，:等 效能带隙为1. 25?1. 35eV。
[0013] 所述Ir^GahNyASh与GaAs薄膜的厚度均在1?20nm之间。
[0014] 所述第二隧穿结为η型GaAs和p型AlGaAs的材料组合或η型GalnP和p型AlGaAs 的材料组合。
[0015] 所述第三子电池从下往上依次包括有为AlGalnP背场层、GalnP基区、GalnP发射 区和AlGalnP窗口层，其中，作为基区和发射区的GalnP晶体为有序态，即GalnP中GaP和 InP分子的排列呈有序态，对应的能带隙为1. 78?1. 82eV，晶格常数为5.65人?A。
[0016] 本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0017] 通过在Ge衬底上依次生长Ge电池、量子阱结构电池和有序态GalnP电池，形成的 能带隙组合在〇· 67eV/l. 3eV/l. 8eV左右，使第二子电池和第一子电池的能带隙差Δ Egl约 为0. 63,第三子电池和第二子电池的能带隙差Δ Eg2约为0· 5eV，两能带隙差更接近，且由 于第三子电池 GalnP能带隙在1. 8eV左右，其可以比传统GalnP电池吸收更多的光子，这将 使得本发明中三个子电池的电流分配更均匀，进而提升电池的整体电流并带来较高的光电 转换效率。
[0018] 此外，本发明采用的量子阱结构电池具有能带隙和晶格常数可调的特点，通过在 Ii^Ga^NyASh中选择合适的材料比例可以使得InxGai-xN yASl-y与衬底晶格匹配，易于整个电 池的高质量一体化生长；且由于生长的InxGahNyAs^很薄且其中的N原子比例低于四结电 池中常用的稀氮材料In^GahNyAs^ (四结电池中为保证InxGanNyASl_y能带隙在1. OeV左 右，需要N的比例通常在〇· 〇25左右甚至更高，本发明中限定的N比例小于〇. 025)，可以有 效的避免InxGai_具ASl_ y中材料N原子及背景掺杂带来的少数载流子寿命短等问题，进而得 到具有良好光电响应的第二子电池。这些都保证了本发明在生长工艺上和转换效率上的可 实现性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明所述三结太阳能电池的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0021] 如图1所示，本实施例所述的含量子阱结构的三结太阳能电池，是采用金属有机 化学气相外延沉积或分子束外延方法在Ge衬底上单片生长而成，从下至上依次包括有作 为衬底的第一子电池1、第一隧穿结、第二子电池2、第二隧穿结、第三子电池3,所述三个子 电池之间晶格匹配且通过隧穿结进行连接，其中，所述第一子电池1为Ge电池，所述第二子 电池2为InxGahN^Sp/GaAs量子阱电池，所述第三子电池3为GalnP电池。
[0022] 所述第一子电池1通过在p型Ge衬底的表面上进行η型磷扩散，获得η型扩散 层，藉此形成了第一子电池的ρη结，并通过在η型扩散层上面生长GalnP层和晶格匹配的 GalnAs层，起到Ge和GaAs这两种异质材料生长中的成核过渡作用，并可作为Ge电池的窗 口层，增强对载流子的反射能力，有助于收集载流子。
[0023] 所述第一隧穿结可以为η型GaAs和p型AlGaAs的材料组合或η型GalnP和p型 AlGaAs的材料组合，而在本实施例中选择η型高掺杂GaAs和p型高掺杂AlGaAs的材料组 合，生长厚度均为l〇nm左右，从而形成隧穿效应，有助于电流通过。
[0024] 所述第二子电池2采用p-i-η型的ρη结结构，从下到上依次包括有p型掺杂GaAs 层、无人为掺杂的多周期In xGai_xNyASl_y/GaA S量子阱结构层4、η型掺杂GaAs层。此外，所 述第二子电池还包括有位于ρη结之上的窗口层和位于ρη结之下的背场层，窗口层选取 GalnP或AlGaAs材料，背场层选取GalnP或AlGaAs材料。所述多周期Ir^GahNyASh/GaAs 量子阱结构层4是在GaAs基区之上交替生长Ir^GahNyASh与GaAs薄膜获得的，交替周 期在5?100范围内，X的值取在0. 03至0. 07范围内，y的值取在〇· 01至〇· 025范围内， Ir^Ga^NyASh与GaAs薄膜的可选厚度均在1?20nm之间，通过对Ir^Ga^NyASh与GaAs的 厚度、交替周期以及Ir^GahNyASh中X和y值的组合优选，使得该量子阱结构的晶格常数为 5.65A?5.66 Λ，等效能带隙为1· 25?1. 35eV。而在本实施例中所述多周期IrixGahNyASi-y/ GaAs量子阱结构层4的InxGa^NyASh/GaAs薄膜共交替生长10个周期，每层InfahNyASh 和GaAs薄膜的厚度均为8nm，X取值为0. 05, y的取值为0. 018,使得第二子电池的等效能 带隙达到了 1. 3eV，晶格常数为f 655人;。
[0025] 所述第二隧穿结可以为η型GaAs和p型AlGaAs的材料组合或η型GaInP和 p型 AlGaAs的材料组合。而在本实施例中选择η型高掺杂GalnP和p型高掺杂AlGaAs的材半斗 组合，生长厚度均为l〇nm左右，从而形成隧穿效应，有助于电流通过。
[0026]所述第三子电池从下往上依次包括有为AlGalnP背场层、GaInP基区、GaInP发射 区和AlGalnP窗口层，其中，作为基区和发射区的GaInP晶体为有序态，即GaInP中GaP和 InP分子的排列呈有序态，这是通过对GaInP电池 pn结发射区和基区的生长参数调控得 到的，从而保证GaInP子电池的能带隙在1· 78?1· 82eV区间；并通过微调Ga和In的比 例，使得GaInP子电池的晶格常数保持在,|.65為H5.66 A区间。而在本实施例中GaInP基 区和GaInP发射区的能带隙通过生长速度、温度和五三比的调节达到了 1. 8eV，晶格常数为 5.655A0
[0027] 综上所述，在采用以上方案后，能使得三结太阳能电池的能带隙组合达到了 0. 67eV/l. 3eV/l. 8eV，且保证了在材料生长过程中的晶格匹配,减少了材料的缺陷；并由于 使用5mn厚的In^Ga^Us。·薄膜，相比传统方式，不仅直接减少了 N的用量，还降低 了该薄膜的厚度，在相当程度上规避了 Ino.osGac^NG.^AsG.gm材料中N和背景掺杂带来的不 良影响。此外，以上组合可使得本电池的电流匹配度和电流强度明显高于传统三结电池，有 望在聚光情况下达到40 %以上的高转换效率，值得推广。
[0028] 以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范 围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种含量子阱结构的三结太阳能电池，其特征在于：从下至上依次包括有作为衬 底的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结、第三子电池，所述三个子电池之 间晶格匹配且通过隧穿结进行连接，其中，所述第一子电池为Ge电池，所述第二子电池为 InxGapxNyAs1VGaAs量子阱电池，所述第三子电池为GaInP电池。
2. 根据权利要求1所述的一种含量子阱结构的三结太阳能电池，其特征在于：所述第 一子电池通过在P型Ge衬底的表面上进行n型磷扩散，获得n型扩散层，藉此形成了第一 子电池的pn结，并通过在n型扩散层上面生长GaInP层和晶格匹配的GaInAs层，起到Ge 和GaAs这两种异质材料生长中的成核过渡作用，并可作为Ge电池的窗口层，增强对载流子 的反射能力，有助于收集载流子。
3. 根据权利要求1所述的一种含量子阱结构的三结太阳能电池，其特征在于：所述第 一隧穿结为n型GaAs和p型AlGaAs的材料组合或n型GaInP和p型AlGaAs的材料组合。
4. 根据权利要求1所述的一种含量子阱结构的三结太阳能电池，其特征在于：所述第 二子电池采用p-i-n型的pn结结构，从下到上依次包括有p型掺杂GaAs层、无人为掺杂的 多周期InxGahNyAs1^GaAs量子阱结构层、n型掺杂GaAs层。
5. 根据权利要求4所述的一种含量子阱结构的三结太阳能电池，其特征在于：所述第 二子电池还包括有位于pn结之上的窗口层和位于pn结之下的背场层，窗口层选取GaInP 或AlGaAs材料，背场层选取GaInP或AlGaAs材料。
6. 根据权利要求4所述的一种含量子阱结构的三结太阳能电池，其特征在于：所述多 周期InxGahNyAs1^GaAs量子讲结构是在GaAs基区之上交替生长InxGahNyAspy与GaAs薄 膜获得的，交替周期在5?100范围内，X的值取在0. 03至0. 07范围内，y的值取在0.Ol至 0. 025范围内，该量子阱结构的晶格常数为5.65A?5.66A，等效能带隙为1. 25?I. 35eV。
7. 根据权利要求6所述的一种含量子阱结构的三结太阳能电池，其特征在于：所述 InxGahNyAShy与GaAs薄膜的厚度均在1?20nm之间。
8. 根据权利要求1所述的一种含量子阱结构的三结太阳能电池，其特征在于：所述第 二隧穿结为n型GaAs和p型AlGaAs的材料组合或n型GaInP和p型AlGaAs的材料组合。
9. 根据权利要求1所述的一种含量子阱结构的三结太阳能电池，其特征在于：所述第 三子电池从下往上依次包括有为AlGaInP背场层、GaInP基区、GaInP发射区和AlGaInP窗 口层，其中，作为基区和发射区的GaInP晶体为有序态，即GaInP中GaP和InP分子的排列 呈有序态，对应的能带隙为1. 78?I. 82eV，晶格常数为5.65A?5.66A。
【文档编号】H01L31/078GK104241416SQ201410479799
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】杨翠柏, 陈丙振, 张杨, 张小宾, 张露, 王雷 申请人:瑞德兴阳新能源技术有限公司