一種含量子阱結構的三結太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種含量子阱結構的三結太陽能電池，從下至上依次包括有作為襯底的第一子電池、第一隧穿結、第二子電池、第二隧穿結、第三子電池，所述三個子電池之間晶格匹配且通過隧穿結進行連接，其中，所述第一子電池為Ge電池，所述第二子電池為InxGa1-xNyAs1-y/GaAs量子阱電池，所述第三子電池為GaInP電池。本實用新型形成的能帶隙組合在0.67eV/1.3eV /1.8eV左右，使第二子電池和第一子電池的能帶隙差ΔEg1約為0.63，第三子電池和第二子電池的能帶隙差ΔEg2約為0.5eV，兩能帶隙差更接近，且由于第三子電池GaInP能帶隙在1.8eV左右，其可以比傳統(tǒng)GaInP電池吸收更多的光子，這將使得本實用新型中三個子電池的電流分配更均勻。
【專利說明】一種含量子阱結構的三結太陽能電池

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及太陽能光伏的【技術領域】，尤其是指一種含量子阱結構的三結太陽 能電池。

【背景技術】
[0002] 在光伏領域，效率最高的電池當屬高效多結太陽能電池，根據法國Soitec公司 2014年的報道，其研發(fā)的高效四結電池在聚光下效率可達44. 7%，創(chuàng)下了新的世界紀錄。 究其原理而言，高效多結太陽能電池是指由兩個或兩個以上子電池疊加而成的光伏電池， 其主流是基于III-V族化合物半導體材料并利用晶體生長方式制備而成的。這類電池的主 要原理就是利用電池中帶寬匹配的各子電池，分別對太陽光譜的不同波段進行吸收，實現(xiàn) 對太陽光譜的全光譜細分高效利用?；诖耍咝Ф嘟Y太陽能電池的光電轉換效率在聚光 下可達40%以上，1倍太陽光下其效率也在30%左右，遠遠超過了目前已知的其他各種光 伏電池，在空間和地面具有廣闊的應用前景。由于其還具有良好的抗輻射性能和高溫特性， 目前，高效多結太陽能電池已經成為了太空各類飛行器的主要電池，在地面應用領域，各類 基于高效多結電池的聚光光伏發(fā)電項目也已薪露頭角。
[0003] 目前，最成熟的高效多結太陽能電池為Ge/GalnAs/GalnP三結電池結構，能帶隙 分別為〇· 67eV/l. 4eV/l. 85eV，其光電轉換效率普遍在39?40%左右。但是這種結構由于 GalnAs子電池與Ge子電池的能帶隙差AEg2(約0. 73eV)遠大于GalnP子電池和GalnAs子 電池的能帶隙差Λ Egl (約0. 45eV)，造成Ge子電池的電流遠高于GalnP子電池和GalnAs子 電池，使相當一部分能量因為電流之間的不匹配而被浪費掉。其結果是，Ge/GalnAs/GalnP 三結電池的電流只能取三個子電池中電流最小的一個，整體電流水平并不高，并制約了效 率的進一步提升。
[0004] 針對此，人們也在開發(fā)新類型的電池結構以改善多個子電池之間的電流匹配，提 升效率。目前較為常見的幾種辦法分別為：在Ge襯底上生長高In組分的GalnAs和GalnP 子電池，通過In組分的提升來降低GalnAs和GalnP子電池的能帶隙，提升以上兩結子電池 的電流，進而提升效率。但是，這種方法必然帶來以上兩結子電池晶格常數(shù)的增大，使得以 上兩結子電池無法保持與Ge襯底的晶格匹配，為此，必須采用晶格漸變緩沖層來解決晶格 不匹配的問題，不僅增加生長復雜度，還會影響晶體質量。此外，還有在Ge和GalnAs子電 池之間新增加一個leV左右子電池的方法，這種方法的好處是不必對GalnAs和GalnP子電 池進行改變，只需將Ge多余的光譜及對應電流分配給這個新增的leV電池即可。但是，leV 的電池選擇空間并不多，除了高In組分GalnAs外，還有N組分約為2 %?3 %的GalnNAs 材料（又稱稀氮材料），高In組分的GalnAs由于In組分較高，與其他三個子電池的晶格適 配度很大，即使采用晶格漸變緩沖層也較難生長；而GalnNAs材料中，由于N會引入一些深 能級復合中心和背景摻雜，因此，直接生長的GalnNAs子電池往往效率不高。
[0005] 綜上所述，要獲得電流匹配度高的高效三結或四結太陽能電池，目前采用的各種 方式或存在晶格不匹配的情況，或存在電池材料質量不高的情況，均不同程度的影響了太 陽能電池的效率。


【發(fā)明內容】

[0006] 本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足與缺點，為了在晶格匹配的基礎上實 現(xiàn)各子電池之間的電流匹配，獲得效率更高的太陽能電池，提供一種含量子阱結構的三結 太陽能電池。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所提供的技術方案為：一種含量子阱結構的三結太 陽能電池，從下至上依次包括有作為襯底的第一子電池、第一隧穿結、第二子電池、第二隧 穿結、第三子電池，所述三個子電池之間晶格匹配且通過隧穿結進行連接，其中，所述第一 子電池為Ge電池，所述第二子電池為Ir^GahNyAspy/GaAs量子講電池，所述第三子電池為 GalnP電池。
[0008] 所述第一子電池通過在p型Ge襯底的表面上進行η型磷擴散，獲得η型擴散層， 形成了第一子電池的ρη結，并通過在η型擴散層上面生長GalnP層和晶格匹配的GalnAs 層，作為Ge電池的窗口層。
[0009] 所述第一隧穿結為η型GaAs和p型AlGaAs的材料組合或η型GalnP和p型AlGaAs 的材料組合。
[0010] 所述第二子電池采用p-i-n型的ρη結結構，從下到上依次包括有p型摻雜GaAs 層、無人為慘雜的多周期Ir^GahNyAspy/GaAs星子講結構層、η型慘雜GaAs層。
[0011] 所述第二子電池還包括有位于ρη結之上的窗口層和位于ρη結之下的背場層，所 述窗口層為GalnP窗口層或AlGaAs窗口層，所述為場層為GalnP為場層或AlGaAs為場層。
[0012] 所述多周期InxGai_xN yASl_y/GaAS量子阱結構是在GaAs基區(qū)之上交替生長 InxGai_xNyASl_ y與GaAs薄膜獲得的，交替周期在5?100范圍內，X的值取在0. 03至0. 07 范圍內，y的值取在0.01至0.025范圍內，該量子阱結構的晶格常數(shù)為5.65人?5.66 A，等 效能帶隙為1. 25?1. 35eV。
[0013] 所述Ir^GahNyAs^y與GaAs薄膜的厚度均在1?20nm之間。
[0014] 所述第二隧穿結為η型GaAs和p型AlGaAs的材料組合或η型GalnP和p型AlGaAs 的材料組合。
[0015] 所述第三子電池從下往上依次包括有為AlGalnP背場層、GalnP基區(qū)、GalnP 發(fā)射區(qū)和AlGalnP窗口層，所述第三子電池的能帶隙為1.78?1.82eV，晶格常數(shù)為 5.65人~5.66 Λ。
[0016] 本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：
[0017] 通過在Ge襯底上依次生長Ge電池、量子阱結構電池和有序態(tài)GalnP電池，形成的 能帶隙組合在〇. 67eV/l. 3eV/l. 8eV左右，使第二子電池和第一子電池的能帶隙差AEgl約 為0. 63,第三子電池和第二子電池的能帶隙差Λ Eg2約為0. 5eV，兩能帶隙差更接近，且由 于第三子電池 GalnP能帶隙在1. 8eV左右，其可以比傳統(tǒng)GalnP電池吸收更多的光子，這將 使得本實用新型中三個子電池的電流分配更均勻，進而提升電池的整體電流并帶來較高的 光電轉換效率。此外，本實用新型采用的量子阱結構電池具有能帶隙和晶格常數(shù)可調的特 點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本實用新型所述三結太陽能電池的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0019] 下面結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0020] 如圖1所示，本實施例所述的含量子阱結構的三結太陽能電池，是采用金屬有機 化學氣相外延沉積或分子束外延方法在Ge襯底上單片生長而成，從下至上依次包括有作 為襯底的第一子電池1、第一隧穿結、第二子電池2、第二隧穿結、第三子電池3,所述三個子 電池之間晶格匹配且通過隧穿結進行連接，其中，所述第一子電池1為Ge電池，所述第二子 電池2為Ir^Ga^NyASh/GaAs量子阱電池，所述3第三子電池為GalnP電池。
[0021] 所述第一子電池1通過在p型Ge襯底的表面上進行η型磷擴散得到，獲得η型 擴散層，藉此形成了第一子電池的ρη結，并通過在η型擴散層上面生長GalnP成核層和 GalnAs過渡層，起到異質材料生長中的過渡作用，并可作為Ge電池的窗口層，增強對載流 子的反射能力，有助于收集載流子。
[0022] 所述第一隧穿結可以為η型GaAs和p型AlGaAs的材料組合或η型GalnP和p型 AlGaAs的材料組合，而在本實施例中選擇η型高摻雜GaAs和p型高摻雜AlGaAs的材料組 合，生長厚度均為l〇nm左右，從而形成隧穿效應，有助于電流通過。
[0023] 所述第二子電池2采用p-i-n型的ρη結結構，從下到上依次包括有p型摻雜GaAs 層、無人為慘雜的多周期Ir^GahNyAspy/GaAs s；子講結構層4、η型慘雜GaAs層。此外，所 述第二子電池還包括有位于ρη結之上的窗口層和位于ρη結之下的背場層，窗口層選取 GalnP或AlGaAs材料，背場層選取GalnP或AlGaAs材料。所述多周期Ir^GahNyAs^/GaAs 量子阱結構層4是在GaAs基區(qū)之上交替生長InxGai_xN yASl_y與GaAs薄膜獲得的，交替周 期在5?100范圍內，X的值取在0. 03至0. 07范圍內，y的值取在0. 01至0. 025范圍內， Ir^GahNyAs^y與GaAs薄膜的可選厚度均在1?20nm之間，通過對Ir^Ga^NyASh與GaAs的 厚度、交替周期以及In xGai_xNyASl_y中X和y值的組合優(yōu)選，使得該量子阱結構的晶格常數(shù)為 5.65A?5.66 A，等效能帶隙為1. 25?1. 35eV。而在本實施例中所述多周期InxGai_xNyA Sl_y/ GaAs量子阱結構層4的InfahNyASh/GaAs薄膜共交替生長10個周期，每層InxGai_ xNyASl_y 和GaAs薄膜的厚度均為8nm，X取值為0. 05, y的取值為0. 018,使得第二子電池的等效能 帶隙達到了 1. 3eV，晶格常數(shù)為5.655A。
[0024] 所述第二隧穿結可以為η型GaAs和p型AlGaAs的材料組合或η型GalnP和p型 AlGaAs的材料組合。而在本實施例中選擇η型高摻雜GalnP和p型高摻雜AlGaAs的材料 組合，生長厚度均為l〇nm左右，從而形成隧穿效應，有助于電流通過。
[0025] 所述第三子電池3從下往上依次包括有為AlGalnP背場層、GalnP基區(qū)、GalnP發(fā) 射區(qū)和AlGalnP窗口層，其中，作為基區(qū)和發(fā)射區(qū)的GalnP晶體為有序態(tài)，即GalnP中GaP 和InP分子的排列呈有序態(tài)，這是通過對GalnP電池 ρη結發(fā)射區(qū)和基區(qū)的生長參數(shù)調控得 到的，從而保證GalnP子電池的能帶隙在1. 78?1. 82eV區(qū)間；并通過微調Ga和In的比 例，使得GalnP子電池的晶格常數(shù)保持在5.65A?5.66 A區(qū)間。而在本實施例中GalnP基 區(qū)和GalnP發(fā)射區(qū)的能帶隙通過生長速度、溫度和五三比的調節(jié)達到了 1. 8eV，晶格常數(shù)為 5.655A.O
[0026] 綜上所述，在采用以上方案后，能使得三結太陽能電池的能帶隙組合達到了 0.67eV/1.3eV/1.8eV，且保證了在材料生長過程中的晶格匹配，減少了材料的缺陷；并由于 使用5nm厚的In^Ga^NcuASdi薄膜，相比傳統(tǒng)方式，不僅直接減少了 N的用量，還降低 了該薄膜的厚度，在相當程度上規(guī)避了 材料中N和背景摻雜帶來的不 良影響。此外，以上組合可使得本電池的電流匹配度和電流強度明顯高于傳統(tǒng)三結電池，有 望在聚光情況下達到40%以上的高轉換效率，值得推廣。
[0027] 以上所述之實施例子只為本實用新型之較佳實施例，并非以此限制本實用新型的 實施范圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本實用新型的保護范圍 內。
【權利要求】
1. 一種含量子阱結構的三結太陽能電池，其特征在于：從下至上依次包括有作為襯 底的第一子電池、第一隧穿結、第二子電池、第二隧穿結、第三子電池，所述三個子電池之 間晶格匹配且通過隧穿結進行連接，其中，所述第一子電池為Ge電池，所述第二子電池為 InpahN/Sh/GaAs量子阱電池，所述第三子電池為GalnP電池。
2. 根據權利要求1所述的一種含量子阱結構的三結太陽能電池，其特征在于：所述第 一子電池通過在P型Ge襯底的表面上進行η型磷擴散，獲得η型擴散層，形成了第一子電 池的ρη結，并通過在η型擴散層上面生長GalnP層和晶格匹配的GalnAs層，作為Ge電池 的窗口層。
3. 根據權利要求1所述的一種含量子阱結構的三結太陽能電池，其特征在于：所述第 二子電池采用p-i-n型的ρη結結構，從下到上依次包括有p型摻雜GaAs層、無人為摻雜的 多周期InfahNyASh/GaAs量子阱結構層、η型摻雜GaAs層。
4. 根據權利要求3所述的一種含量子阱結構的三結太陽能電池，其特征在于：所述第 二子電池還包括有位于ρη結之上的窗口層和位于ρη結之下的背場層，所述窗口層為GalnP 窗口層或AlGaAs窗口層，所述1?場層為GalnP 1?場層或AlGaAs 1?場層。
5. 根據權利要求3所述的一種含量子阱結構的三結太陽能電池，其特征在于：所述多 周期Ir^GahNyAspy/GaAs量子講結構是在GaAs基區(qū)之上交替生長Ir^GahNyAspy與GaAs薄 膜獲得的，交替周期在5?100范圍內，X的值取在0. 03至0. 07范圍內，y的值取在0. 01至 0· 025范圍內，該量子阱結構的晶格常數(shù)為5.65人?5,66人，等效能帶隙為1. 25?1. 35eV。
6. 根據權利要求5所述的一種含量子阱結構的三結太陽能電池，其特征在于：所述 InxGahNyAShy與GaAs薄膜的厚度均在1?20nm之間。
7. 根據權利要求1所述的一種含量子阱結構的三結太陽能電池，其特征在于：所述第 三子電池從下往上依次包括有為AlGalnP背場層、GalnP基區(qū)、GalnP發(fā)射區(qū)和AlGalnP窗 口層，所述第三子電池的能帶隙為1. 78?1. 82eV，晶格常數(shù)為5.65A?5.66 A。
【文檔編號】H01L31/0352GK204118088SQ201420539292
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權日:2014年9月18日
【發(fā)明者】楊翠柏, 陳丙振, 張楊, 張小賓, 張露, 王雷 申請人:瑞德興陽新能源技術有限公司