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)明涉及一種高效率多結(jié)太陽能電池制造技術(shù)，屬半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域。更具體的，本發(fā)明涉及一種具有外延生長的疊層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的III- V族多結(jié)半導(dǎo)體太陽能電池。
背景技術(shù)：
GalnP/InGaAs/Ge三結(jié)太陽電池，由于外延層晶格匹配，外延生長簡單，是目前最常用的多結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)之一。由于三結(jié)電池是串聯(lián)，所以電流由三結(jié)電池中電流最小的電池限制，這就導(dǎo)致了各結(jié)子電池的電流不匹配，晶格匹配的三結(jié)電池的帶隙組合是
I.85eV/l. 41eV/0. 67eV，這就會(huì)造成底電池吸收大量的光，電流被中電池或頂電池所限制，因此，傳統(tǒng)的GalnP/InGaAs/Ge三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)并不是效率最優(yōu)化的組合，難以達(dá)到最佳的三結(jié)電池效率。為了提高三結(jié)電池的電流，得到最佳的電池效率，GalnP/InGaAs/Ge晶格匹配三結(jié)電池需要擴(kuò)展中電池的太陽光譜吸收范圍，其主要實(shí)現(xiàn)途徑有在中電池插入量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)、插入量子阱結(jié)構(gòu)等方法。其中在中電池PN結(jié)結(jié)面插入低帶隙的InAs量子點(diǎn)以擴(kuò)展中電池的吸收邊已經(jīng)被證明是切實(shí)可行的技術(shù)路線。但是，一般InAs量子點(diǎn)都是通過S-K生長模式獲得的，這種量子點(diǎn)具有成核位置和時(shí)間隨機(jī)的特點(diǎn)，因此得到的InAs量子點(diǎn)尺寸難以控制，由于同一外延層中具有不同尺寸的量子點(diǎn)，應(yīng)用到電池的有源區(qū)中將會(huì)出現(xiàn)電子和空穴從大帶隙量子點(diǎn)轉(zhuǎn)換到小帶隙量子點(diǎn)中的現(xiàn)象，從而造成光生載流子的大量損耗，這將會(huì)嚴(yán)重降低具有量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的中電池的光譜響應(yīng)，最終降低電池的轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是解決傳統(tǒng)三結(jié)電池電流不匹配、在中電池中插入InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)存在光譜響應(yīng)差、有源區(qū)量子點(diǎn)均勻性差等問題。本發(fā)明提供了一種具有InGaAs應(yīng)力調(diào)制層結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)太陽能電池結(jié)構(gòu)和制備方法，其有效控制多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中每層量子點(diǎn)的尺寸均勻性，使每層量子點(diǎn)的帶隙基本相同，減少光生載流子在不同尺寸量子點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換損失，從而提高量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)，減少量子點(diǎn)間的躍遷損耗，提升三結(jié)電池短路電流，從而進(jìn)一步提高多結(jié)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面一種具有量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的多結(jié)太陽能電池，包含底電池、中電池和頂電池，其特征在于所述中電池包含InxGal-xAs應(yīng)力調(diào)制層，以及生長在應(yīng)力調(diào)制層之上的InAs疊層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，所述InxGal-xAs應(yīng)力調(diào)制層中In組分大于O. 01，厚度低于其臨界厚度。在InGaAs應(yīng)力調(diào)制下，InAs疊層量子點(diǎn)具有排列有序、尺寸均勻的特點(diǎn)，可以有效降低由量子點(diǎn)尺寸均勻性差帶來的效率衰減。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述底電池為Ge電池，中電池為與Ge晶格匹配的InatI1Gaci 99As電池，頂電池為與中電池匹配的GaInP電池；在中電池中，所述InxGahAs應(yīng)力調(diào)制層為In組分為O. I "O. 6的InGaAs薄層,厚度低于其臨界厚度,可為IO-IOOnm,表面形成了高低起伏結(jié)構(gòu)；所述InAs疊層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為InAs量子點(diǎn)和InGaAs應(yīng)變層組成的多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中InxGahAs蓋層的In組分x為O. 05-0. 5。根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，三結(jié)太陽能電池的制作方法，其包括形成底電池、中電池和頂電池的步驟,其中所述中電池通過下面具體包含下面步驟外延生長InxGal-xAs應(yīng)力調(diào)制層，In組分大于O. 01的InGaAs層，厚度低于其臨界厚度；在所述應(yīng)力調(diào)制層形成疊層InAs量子點(diǎn)結(jié)，其由InAs量子點(diǎn)和InxGal-xAs蓋層組成。更具體地，前述制作方法包括下面步驟1)提供一生長襯底，在其上形成底電池；
2)在所述底電池之上形成中電池，其包含InxGal-xAs應(yīng)力調(diào)制層，以及自組裝InAs疊層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，所述InxGal-xAs應(yīng)力調(diào)制層為低于其臨界厚度，In組分在O. Γθ. 6之間，所述InAs疊層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)形成于InxGal-xAs應(yīng)力調(diào)制層上，由InAs量子點(diǎn)和InGaAs蓋層組成，其中InGaAs蓋層的In組分大于O. 01 ；3)在所述中電池之上形成頂電池。在一些實(shí)施例中，所述生長襯底為Ge襯底，通過在該襯底上外延生長Ge底電池，或使用擴(kuò)散法在該襯底上形成Ge底電池；所述中電池為InGaAs電池，所述頂電池為GaInP電池。在一些實(shí)施例中，形成所述中電池的步驟包括下面步驟在底電池之上外延生長背場層及基區(qū)；在所述基區(qū)上生長由InGaAs應(yīng)力調(diào)制層；在所述應(yīng)力調(diào)制層表面沉積InAs量子點(diǎn)層，在所述InAs量子點(diǎn)層表面覆蓋InGaAs,重復(fù)生長InAs量子點(diǎn)，獲得多層自組裝InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；在所述自組裝InAs量子點(diǎn)分子結(jié)構(gòu)上生長發(fā)射區(qū)。優(yōu)選地,所述InGaAs應(yīng)力調(diào)制層中InGaAs的生長速率為O. I 10nm/s,厚度為10 lOOnm，InGaAs應(yīng)力調(diào)制層由于與中電池InGaAs失配，同時(shí)厚度低于其臨界厚度，由于應(yīng)力釋放將形成表面具有高低起伏結(jié)構(gòu)薄層；所述InAs量子點(diǎn)層生長在表面高低起伏的InGaAs應(yīng)力調(diào)制層上，在應(yīng)力調(diào)制下InAs量子點(diǎn)優(yōu)選成核在表面凸起位置，從而具有尺寸均勻，位置排列有序的特點(diǎn)，在InAs量子點(diǎn)層表面覆蓋上InGaAs蓋層可以有效防止量子點(diǎn)的塌陷，保證量子點(diǎn)的尺寸均勻性，重復(fù)生長InAs量子點(diǎn)和InGaAs蓋層就可以得到尺寸均勻的疊層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中量子點(diǎn)的生長速率為O. 01 5 ML/s，厚度為I. 5 4個(gè)單原子層。特別地，在外延生長所述InAs量子點(diǎn)分子層后，可以引入生長停頓以增強(qiáng)原子遷移，生長停頓時(shí)間為5 100秒。本發(fā)明的有益效果1)和常規(guī)GalnP/InGaAs/Ge三結(jié)電池相比，可以有效擴(kuò)展InGaAs中電池的光譜響應(yīng)，提高三結(jié)電池的短路電流，改善三結(jié)電池的電流匹配，達(dá)到更高的轉(zhuǎn)換效率。2)相比于常規(guī)量子點(diǎn)電池，可以減少由量子點(diǎn)尺寸不均勻造成的載流子復(fù)合，提聞少子壽命，從而增加載流子吸收能力，最終提升效率。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。


附圖用來提供對(duì)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(duì)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I為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的三結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖中各標(biāo)號(hào)表:
100 Ge 襯底；
110 =GaInP 窗口層；
200 : In0.01Ga0.99As 緩沖層；
300 :中底隧穿結(jié)；
310 AlGaAs 背場層；
320 =InatllGaa99As 基區(qū)；
330 : Inai5Gaa85As 應(yīng)力調(diào)制層；
340:InAs/InQ. 15GaQ. 85As 置層星子點(diǎn)層；
341: In。. 15GaQ. 85As 蓋層；
342InAs量子點(diǎn)；
350 : In0.01Ga0.99As 發(fā)射區(qū)；
360 =AlInP 窗口層；
400 :頂中隧穿結(jié)；
500 =GaInP 頂電池；
600 =GaAs蓋帽層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖I所示，一種三結(jié)太陽能電池，包括Ge底電池100、InaoiGaa99As中電池和Gaa5Ina5P頂電池500，各結(jié)子電池之間通過隧穿結(jié)500、510連接起來。Ge底電池100通過在P型Ge襯底上自擴(kuò)散形成。在MOCVD設(shè)備中，預(yù)通PH3并生長GaInP初始層可以使P原子擴(kuò)散到Ge襯底中，形成N型Ge發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)厚度約為O. Ium0Ge底電池100之上生長GaInP 110，以克服Ge襯底與InGaAs材料的晶格失配，同時(shí)作為Ge底電池的窗口層。在GaInP窗口層110上生長InatllGaa99As緩沖層200，以獲得平整的外延表面，厚度為 lOOOnm。緩沖層和中電池之間用隧穿結(jié)300連接。隧穿結(jié)300為重?fù)诫sPN結(jié)，由η型和P型重?fù)诫s的GaAs、AlGaAs材料組成，摻雜濃度在I X 1019cm_3-3 X 1022cm_3之間，厚度在10 30 nm之間。InGaAs中電池由背場層310、InaoiGaa99As p_i_n結(jié)構(gòu)，以及窗口層360組成。背場層310 —般為AlGaAs材料，窗口層360為GalnP、AlGaInP或AlInP等材料。In0 01Ga0 99As p_i_n結(jié)構(gòu)的P區(qū)(基區(qū)320)為Zn摻雜的InatllGaa99As材料,摻雜濃度在I X IO16CnT3 —3 X IO18CnT3 之間;N 區(qū)(發(fā)射區(qū) 350)為 Si 摻雜 InatllGaa99As,摻雜濃度為lX1017cm_3-3X1019cm_3 ;i 區(qū)由 InxGa1^xAs 應(yīng)力調(diào)制層 330 以及 InAs/InGaAs 疊層量子點(diǎn)340組成，其中InxGa1^xAs應(yīng)力調(diào)制層的In組分在O. 1-0. 6之間，厚度為lO-lOOnm，低于其臨界厚度。在應(yīng)力調(diào)制層330外延完成后，生長InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)342，在應(yīng)力調(diào)制下InAs量子點(diǎn)將主要形成在InxGahAs應(yīng)力調(diào)制層表面凸起位置，在生長完InAs量子點(diǎn)后，生長InxGa1^xAs蓋層，InxGa1^xAs蓋層的In組分在O. 05-0. 5之間，厚度低于其臨界厚度，一般為10-50nm之間，多次重復(fù)沉積InAs/InGaAs量子點(diǎn)層，就可以得到疊層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。通過此方法形成的量子點(diǎn)，由于應(yīng)力調(diào)制作用以及多層沉淀，該量子點(diǎn)的尺寸均勻性好，可以有效抑制InAs量子點(diǎn)由于尺寸均勻性差導(dǎo)致的電子和空穴從大帶隙量子點(diǎn)轉(zhuǎn)換到小帶隙量子點(diǎn)中的現(xiàn)象，提升中電池的光譜響應(yīng)，最終提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。中電池和頂電池500之間通過隧穿結(jié)400連接。隧穿結(jié)400可選用重?fù)诫s的n+-GaAs/p+_AlGaAs,厚度在 10 30 nm 之間。Ga0 5In0 5P頂電池500具體由AlGaInP背場層、p-GalnP基區(qū)、η-GaInP發(fā)射區(qū)、AlInP 1 口層組成。前述多結(jié)太陽能電池的制備方法，主要包括下列步驟
首先，選用P型摻雜的單晶Ge襯底，作為Ge底電池的基區(qū)。進(jìn)入MOCVD生長，在鍺襯底預(yù)通PH3，使磷原子擴(kuò)散到鍺襯底中得到N型發(fā)射區(qū)，其厚度約為lOOnm，摻雜濃度為IXlO19Cnr3 ;再外延生長η型GaInP窗口層110，厚度10 50nm，以克服鍺襯底上外延產(chǎn)生的反向疇，其晶格常數(shù)與Ge匹配，摻雜濃度約為lX1017cm_3。下一步，生長η型InatllGaa99As緩沖層200，緩沖層的厚度為lOOOnm，慘雜濃度約為 I X IO18Cm 3O下一步，生長中底電池的隧穿結(jié)300，隧穿結(jié)由η型摻雜濃度大于I X 1019cnT3、厚度約為20nm的GaAs層和p型摻雜大于5 X 1019cnT3、厚度約為20nm的GaAs層組成?！?br> 下一步，在隧穿結(jié)300上形成中電池。具體包括下列步驟首先，生長厚度約50nm、P型摻雜濃度約為IXlO18Cnr3的AlGaAs層，作為中電池的背場層310。接著，外延生長P型摻雜的InatllGaa99As作為中電池基區(qū)，摻雜濃度為I X IO16CnT3 2 X IO18CnT3之間的漸變摻雜，厚度為3000nm。在InatllGaa99As基區(qū)320上生長Inai5Gaa85As應(yīng)力調(diào)制層330，其中InGaAs的生長速率為0.1 10 nm/s，厚度為50nm。接著，引入生長停頓，生長停頓時(shí)間為5 100秒。然后，外延生長InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)342，生長速率為0. 01 0. 5 ML/s (單原子層/秒)，厚度為I. 5 4個(gè)單原子層。具體工藝在Inai5Gaa85As應(yīng)力調(diào)制層330表面沉積2. OML(monolayer)的InAs從而得到InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；接著引入生長停頓，生長停頓時(shí)間為5 100秒；然后在InAs量子點(diǎn)表面覆蓋IOnm Inai5Gaa85As作為蓋層341，重復(fù)生長InAs量子點(diǎn)342和Inai5Gaa85As蓋層341，重復(fù)20次，就得到了由InAs量子點(diǎn)和InGaAs蓋層組成的疊層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)340。最后，在InAs疊層量子點(diǎn)分子結(jié)構(gòu)340上生長厚度為lOOnm，摻雜濃度在I X IO18CnT3到I X IO19CnT3之間的n-In0.01Ga0.99As作為中電池發(fā)射區(qū)350。在發(fā)射區(qū)350上生長厚度為20nm的η型Al。. 5Ιηα5Ρ層，作為中電池的窗口層360，其摻雜濃度約為5 X IO18Cm 3O下一步，在中電池窗口層360上生長頂中電池的隧穿結(jié)400。隧穿結(jié)400包括η型摻雜濃度大于I X IO19Cm'厚度為20nm的GaAs層和p型摻雜大于5 X 1019cnT3、厚度為15nm的 Ala3Gaa3As 層。下一步，在隧穿結(jié)400上形成頂電池500。具體工藝首先，在隧穿結(jié)400上生長厚度為50nm、p型AlGaInP層作為頂電池的背場層，AlGaInP背場層晶格常數(shù)與Ge匹配，P型摻雜濃度約為5 X IO17CnT3 ;接著生長厚度為1000nm、p型摻雜濃度為I X IO17CnT3 I X IO18CnT3
6CN 102931271 A
書
明
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的Gaa5Ina5P層作為頂電池基區(qū)；然后生長厚度70nm、p型摻雜濃度約為6X IO18CnT3的Ga0 5In0 5P層作為頂電池發(fā)射區(qū)，從而獲得頂電池；最后，生長厚度為20 IOOnm的η型Ala5Ina5P層作為頂電池的窗口層。下一步，生長厚度約500nm、η型摻雜濃度約為5 X IO18CnT3的GaAs蓋帽層600作為歐姆接觸層。很明顯地，本發(fā)明的說明不應(yīng)理解為僅僅限制在上述實(shí)施例，而是包括利用本發(fā)明構(gòu)思的全部實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.三結(jié)太陽能電池，包含底電池、中電池和頂電池，其特征在于所述中電池包含InxGa^xAs應(yīng)力調(diào)制層，以及由InAs星子點(diǎn)和InxGa^xAs蓋層組成的置層InAs星子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，所述InxGahAs應(yīng)力調(diào)制層為In組分大于O. Ol的InGaAs層，厚度低于其臨界厚度；所述置層InAs星子點(diǎn)結(jié)構(gòu)形成于InxGahAs應(yīng)力調(diào)制層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述InxGahAs應(yīng)力調(diào)制層中InxGa1-JiAs 層的 In 組分 χ 為 O. I O. 6。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述InxGahAs應(yīng)力調(diào)制層的厚度為lO-lOOnm，低于相應(yīng)的InGaAs材料的臨界厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述InxGahAs應(yīng)力調(diào)制層表面形成了高低起伏結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述疊層InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中InxGa1^xAs 蓋層的 In 組分 χ 為 O. 05-0. 5。
6.三結(jié)太陽能電池的制作方法，其包括形成底電池、中電池和頂電池的步驟，其中所述中電池通過下面具體包含下面步驟 外延生長InxGahAs應(yīng)力調(diào)制層，In組分大于O. 01的InGaAs層，厚度低于其臨界厚度； 在所述應(yīng)力調(diào)制層形成疊層InAs量子點(diǎn)結(jié),其由InAs量子點(diǎn)和InxGapxAs蓋層組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于在外延生長所述InxGahAs應(yīng)力調(diào)制層后，引入生長停頓以增強(qiáng)原子遷移，生長停頓時(shí)間為5 100秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述疊層InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中InxGa1^As蓋層的生長速率為O. I 5nm/s,厚度為5 50nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于所述疊層InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中InAs量子點(diǎn)層的生長速率為O. 01 5 ML/s，厚度為I. 5 4個(gè)單原子層。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三結(jié)太陽能電池，其特征在于在外延生長所述InAs量子點(diǎn)層后，引入生長停頓以增強(qiáng)原子遷移，生長停頓時(shí)間為5 100秒。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有InGaAs應(yīng)力調(diào)制層結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)太陽能電池結(jié)構(gòu)和制備方法，其有效控制多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中每層量子點(diǎn)的尺寸均勻性，使每層量子點(diǎn)的帶隙基本相同，減少光生載流子在不同尺寸量子點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換損失，從而提高量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)，減少量子點(diǎn)間的躍遷損耗，提升三結(jié)電池短路電流，從而進(jìn)一步提高多結(jié)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/078GK102931271SQ201210406609
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者劉建慶, 林志東, 蔡文必, 林桂江, 丁杰, 畢京峰, 宋明輝 申請(qǐng)人:天津三安光電有限公司