多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池的外延生長領(lǐng)域，具體涉及一種多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]II1-V族化合物半導(dǎo)體多結(jié)太陽能電池是轉(zhuǎn)換效率最高的一種太陽能電池，同時(shí)具有耐高溫性能強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、輕薄、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著聚光光伏技術(shù)的發(fā)展和移動能源應(yīng)用的發(fā)展，GaAs及相關(guān)化合物II1-V族太陽能電池因其高光電轉(zhuǎn)換效率而越來越受到關(guān)注。同時(shí)，配合優(yōu)異的襯底剝離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)襯底的多次重復(fù)利用，能夠進(jìn)一步降低GaAs及相關(guān)化合物II1-V族太陽能電池芯片的成本，同時(shí)減輕電池芯片重量。因此基于II1-V族化合物半導(dǎo)體多結(jié)太陽能電池的光伏發(fā)電技術(shù)具有非常廣泛的市場發(fā)展前景。
[0003]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池是目前轉(zhuǎn)換效率最高的II1-V族化合物半導(dǎo)體三結(jié)太陽能電池。該類型太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)子電池的帶隙寬度和電流都基本匹配。目前，GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)薄膜電池在AM1.5G下的最高轉(zhuǎn)換效率已達(dá)37.9%。
[0004]圖2顯示一種傳統(tǒng)的GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖2所示，該傳統(tǒng)的GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)依次包括:
[0005]GaAs 襯底 101，；
[0006]生長在GaAs襯底101’上的GaAs緩沖層102’ ；
[0007]生長在GaAs緩沖層102’上的AlGaAs腐蝕剝離層a’ (或標(biāo)示為103’ )；
[0008]生長在AlGaAs腐蝕剝離層a’上的歐姆接觸層104’ ；
[0009]生長在歐姆接觸層104’上的GaInP子電池b’，該GaInP子電池b’依次包括窗口層105’、發(fā)射區(qū)106’、基區(qū)107’和背場區(qū)108’ ;
[0010]生長在GaInP子電池b’上的第一隧穿結(jié)c’，該第一隧穿結(jié)c’依次包括AlGaAs層109’ 和 GaInP 層 110’ ；
[0011]生長在第一隧穿結(jié)c’上的GaAs子電池d’，該GaAs子電池d’依次包括窗口層111’、發(fā)射區(qū)112’、基區(qū)113’和背場區(qū)114’ ；
[0012]生長在GaAs子電池d’上的第二隧穿結(jié)f’，該第二隧穿結(jié)f’依次包括AlGaAs層115’ 和 GaInP 層 116’ ；
[0013]生長在第二隧穿結(jié) f’ 上的 N 型摻雜 AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs，AlGaInAsP等材料構(gòu)成的晶格過渡層e’ (或標(biāo)示為117’ );
[0014]生長在晶格過渡層e’上的InGaAs子電池g’ ；和生長在InGaAs子電池g’上的InGaAs 接觸層 122’。
[0015]然而，這種傳統(tǒng)的GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池的生長有一個(gè)問題。為了實(shí)現(xiàn)帶隙寬度和電流的匹配，InGaAs子電池必須在晶格失配的條件下生長。為了在晶格失配的情況下生長低位錯(cuò)密度InGaAs材料，通常需要生長厚度達(dá)數(shù)微米的晶格過渡層來減小外延層的位錯(cuò)密度，這不但提高了電池的制造成本，同時(shí)也增加了電池的重量，限制了電池的應(yīng)用環(huán)境。因此，如何在改善三結(jié)電池效率的情況下，進(jìn)一步減輕電池重量，降低電池制造成本，成為了改善GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池的一個(gè)極為重要的方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的旨在進(jìn)一步提高多結(jié)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和/或降低制造成本。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)，包括:包括層疊布置的第一子電池、第二子電池和第三子電池，其中，
[0018]第一子電池和第二子電池具有一致的晶格常數(shù)，第二子電池和第三子電池具有不同的晶格常數(shù)，
[0019]在第二子電池和第三子電池之間設(shè)置有反射漸變層，所述反射漸變層構(gòu)造用于對透過第二子電池基區(qū)的光譜進(jìn)行反射；并且
[0020]所述反射漸變層包括層疊布置的多組分布式布拉格反射層，其中，在每組分布式布拉格反射層內(nèi)部，材料的晶格常數(shù)不變；從第二子電池到第三子電池，各組分布式布拉格反射層的晶格常數(shù)逐漸變化，使得最靠近第二子電池的一組分布式布拉格反射層的晶格常數(shù)接近第二子電池的晶格常數(shù)，而最靠近第三子電池的一組分布式布拉格反射層的晶格常數(shù)接近第三子電池的晶格常數(shù)；且整個(gè)反射漸變層材料的禁帶寬度都不小于第二子電池基區(qū)的禁帶寬度。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)還包括至少一個(gè)另外的子電池。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一子電池為GaInP子電池，第二子電池為GaAs子電池，第三子電池為InGaAs子電池；且每組分布式布拉格反射層由Al1 yInyAs和AlxGa1 x yInyAs的周期性多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，且同一組分布式布拉格反射層內(nèi)，In的組分比例值y為定值；不同組的分布式布拉格反射層之間，y逐漸變化以使得各組分布式布拉格反射層的晶格常數(shù)從第二子電池到第三子電池逐漸增加，且Al的組分比例值X變化以使得各組分布式布拉格反射層中所有材料的禁帶寬度Eg都不小于GaAs子電池基區(qū)的禁帶寬度。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在所述反射漸變層中，各層Al1 yInyAs的厚度相同，各層AlxGa1 x yInyAs的厚度也相同，且各層Al1 yInyAs的厚度等于各層AlxGa1 x yInyAs的厚度，且每層Al1 yInyAs或每層AlxGa1 x yInyAs的厚度根據(jù)GaAs子電池的吸收截止波段確定。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在第二子電池上設(shè)置所述反射漸變層；且在所述反射漸變層和第三子電池之間設(shè)置第二隧穿結(jié)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一子電池和第二子電池之間設(shè)置有第一隧穿結(jié)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)，還包括=GaAs襯底；在GaAs襯底上的一層GaAs緩沖層；在GaAs緩沖層上的腐蝕剝離層；在腐蝕剝離層上的GaAs歐姆接觸層；其中，所述第一子電池形成在所述歐姆接觸層上。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)，還包括:在所述第三子電池上形成的InGaAs接觸層。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，在多結(jié)太陽能電池的兩個(gè)子電池之間，采用反射漸變層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的晶格過渡層材料，在提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，能夠減小電池的厚度，減輕電池的重量，整體降低電池的制造成本。
【附圖說明】
[0029]圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例性實(shí)施例的三結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意圖；和
[0030]圖2顯示一種傳統(tǒng)的GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中相同或相似的標(biāo)號表示相同或相似的元件。下面參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0032]以下參照圖1說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例性實(shí)施例的GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖1所示，GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)，包括:
[0033]GaAs 襯底 101;
[0034]在GaAs襯底上的一層GaAs緩沖層102 ；
[0035]在GaAs緩沖層上的腐蝕剝離層103或(a)，所述腐蝕剝離層可由在GaAs緩沖層上外延生長的AlxGa1 xAs形成，其中0.7 < X < I ;
[0036]在所述AlxGa1 xAs腐蝕剝離層上的一層N型摻雜GaAs歐姆接觸層104 ；
[0037]在GaAs歐姆接觸層上的GaInP第一子電池(b)；
[0038]在第一子電池上的第一隧穿結(jié)(C)；
[0039]在第一隧穿結(jié)上的GaAs第二子電池(d)；
[0040]在第二子電池上的反射漸變層(e)，由多組分布式布拉格反射層構(gòu)成；
[0041]在反射漸變層上的第二隧穿結(jié)(f);
[0042]在第二隧穿結(jié)上的InGaAs第三子電池(g);和
[0043]在第三子電池上的P型摻雜InGaAs接觸層122。
[0044]具體地，所述第一子電池(b)可包括:
[0045]生長在歐姆接觸層104上的N型摻雜AlInP第一窗口層105 ；
[0046]生長在第一窗口層105上的N型摻雜GaInP第一發(fā)射區(qū)106 ；
[0047]生長在第一發(fā)射區(qū)106上的P型摻雜GaInP第一基區(qū)107 ;和
[0048]生長在第一基區(qū)107上的P型摻雜AlGaInP第一背場區(qū)108。
[0049]所述第一隧穿結(jié)(C)可包括:
[0050]生長在第一背場區(qū)108上的第一 P型高摻雜AlGaAs層109 ;和
[0051]生長在第一 P型高摻雜AlGaAs層109上的第一 N型高摻雜GaInP層110。
[0052]所述第二子電池(d)可包括:
[0053]生長在第一 N型高摻雜GaInP層110上的N型摻雜GaInP第二窗口層111 ；
[0054]生長在第二窗口層111上的N型摻雜GaAs第二發(fā)射區(qū)112 ；
[0055]生長在第二發(fā)射區(qū)112上的P型摻雜GaAs第二基區(qū)113 ;和
[0056]生長在第二基區(qū)113上的P型摻雜AlGaAs第二背場區(qū)114。
[0057]根據(jù)上述實(shí)施例，反射漸變層(e)為由多組分布式布拉格反射層構(gòu)成，每組分布式布拉格反射層(DBR)由Al1 yInyAs和AlxGa1 x yInyAs的周期性多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，組內(nèi)In的組分比例值y為定值，各組分布式布拉格反射層(DBR)之間，所有材料單層厚度都相同，每層的厚度由GaAs子電池吸收截止波段決定，通過改變In組分比例y實(shí)現(xiàn)各組DBR的晶格常數(shù)沿外延生長方向從底面向頂面逐步增加，按長度計(jì)從0.567nm增加至0.579nm。同時(shí)調(diào)節(jié)Ga的組分比例值X實(shí)現(xiàn)各組DBR層所有材料的禁帶寬度Eg都不小于GaAs第二子電池基區(qū)的禁帶寬度；
[0058]所述第二隧穿結(jié)(f)可包括:
[0059]生長在反射漸變層(e)上的第二 P型高摻雜AlGaAs層116 ;和
[0060]生長在第二 P型高摻雜AlGaAs層116上的第二 N型高摻雜GaInP層117。
[0061]所述第三子電池(g)可包括:
[0062]生長在第二 N型高摻雜GaInP層117上的N型摻雜AlGaInAs第三窗口層118 ；
[0063]生長在第三窗口層118上的N型摻雜InGaAs第三發(fā)射區(qū)119 ；
[0064]生長在第三發(fā)射區(qū)119上的P型摻雜InGaAs第三基區(qū)120 ;和
[0065]生長在第三基區(qū)120上的P型摻雜AlGaInAs第三背場區(qū)121。
[0066]根據(jù)本發(fā)明的上述實(shí)施例，提供一種新型的GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)。該GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)中，在GaAs子電池和InGaAs子電池之間，采用反射漸變層代替?zhèn)鹘y(tǒng)晶格過渡層材料，通過對GaAs第二子電池吸收波段的反射作用，有效的減小GaAs第二子電池的吸收層厚度，有效提高了電池轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)減輕三結(jié)電池的重量，整體降低三結(jié)電池的制造成本。
[0067]以下說明圖1所示的GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)的制造方法。圖1所示的GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)可以采用一種氣相外延生長技術(shù)來制造，例如采用MOCVD