CN101241945A - 硅基高效多结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基高效多结太阳电池，包括一顶层子电池、一中间子电池和一底层子电池，各子电池间经隧道结连接构成串联连接结构，其特征在于：所述底层子电池是Si的PN结电池，所述中间子电池是GaAs的PN结电池，所述顶层子电池是GaInP的PN结电池，各子电池及其间的连接结构直接在硅单晶衬底上生长而成。本发明可以充分利用现有的硅太阳电池成熟的生产技术，解决了Si与GaAs晶格不匹配的问题，可提高转换效率到28％以上，超过现有Si太阳电池的理论极限。

Description

硅基高效多结太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种将太阳光的光辐射能转化为电能的器件，以及制造该器件的方法，具体涉及一种硅基高效多结太阳电池，尤其是分别以Si，GaAs(P)，InGaP同质pn结为光电转化层的层叠多结太阳电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是解决世界能源问题的重要战略途径。目前市场上大量生产的太阳能电池为单晶与多晶硅太阳电池，其平均效率在15％上下，也就是说太阳电池只能将入射的太阳能的15％转换成可用电能，其余的85％都被转化为热能。热能的产生不仅造成能源的巨大浪费，还带来了散热这一技术问题，大大增加了太阳电池的制作成本。而单结单晶硅材料的太阳能电池的转换效率的理论物理极限为25％，其余的多晶硅和非晶硅太阳能电池的转化效率均低于此数值。如何在现有基础上进一步提高硅太阳能电池的转化效率具有重要的经济意义。

化合物半导体材料电池的转换效率高，如GaAs化合物材料具有十分理想的带隙和较高的光吸收效率，用GaAs制造的单结电池的转换效率可达28％。通过不同带隙匹配化合物的配合使用，可以进一步提高电池的转换效率，如，GaInP/GaAs/Ge多结电池的效率已经达到了32％。但是，由于化合物半导体材料电池成本太高，所以目前这种高效的多结电池主要面向高端应用，如用于航空航天器的电源。并且，虽然GaInP/GaAs/Ge多结电池效率高，但仍存在两个难题，首先，三结串联光伏电池的电流并不完全匹配，Ge子结的电流是其他两个子结的两倍。理论上可以在Ge与GaAs电池之间引入一种禁带宽度为1.0ev的与GaAs或者Ge的晶格常数匹配的半导体光伏电池来解决这个问题，应用GaInAsN是其中一个选择，但是GaInAsN苛刻的生长过程使得其材料质量很难保证，因而目前还没有找到解决电流失配问题的理想方案。第二Ge属于稀有金属，其价格昂贵(目前在8000元每公斤上下，而硅锭的价格在80美元每公斤左右)，而且现在可以制造出的Ge晶片尺寸小，进一步增加了制造成本。

如何提高硅太阳电池的转换效率并大幅度突破其理论极限；如何降低化合物半导体材料电池的成本并解决相应的生产技术是光伏产业面临的共同问题。

发明内容

本发明的目的是，开发一种硅基高效多结太阳电池，以解决现有技术中，单结太阳电池转换效率较低，而采用Ge的多结太阳电池存在的成本高、制作难度大的问题。

为达到上述发明目的，本发明开发了新型GaInP/GaAs(P)/Si结构的多结电池，以硅作为基底，以化合物半导体材料作为主要的吸收材料，找到了解决硅太阳电池转换效率低、化合物半导体材料电池成本高的有效平衡点。

本发明的具体方案如下：一种硅基高效多结太阳电池，包括一顶层子电池、一中间子电池和一底层子电池，各子电池间经隧道结连接构成串联连接结构，所述底层子电池是Si的PN结电池，所述中间子电池是GaAs的PN结电池，所述顶层子电池是GaInP的PN结电池，各子电池及其间的连接结构直接在硅单晶衬底上生长而成。

上述技术方案中，所述底层子电池和中间子电池间的连接结构自下而上由GaP层、Ga_xIn_1-xP渐变过渡层、隧道结构成，所述Ga_xIn_1-xP渐变过渡层中，x由1变化至0.5。

进一步的技术方案，在所述中间子电池的GaAs中掺杂P。现有的研究表明，在GaAs中掺杂P，可以改变GaAs太阳电池的带隙，由此，通过对P含量的控制，可以增大本发明的多结电池对可转换的太阳辐射波长的覆盖范围，从而提高转换效率。

本发明的硅基高效多结太阳电池的制备方法，包括下列步骤：

(1)采用p型掺杂的单晶硅衬底，作为Si太阳电池的基区，用MOCVD方法生长生长n型高掺杂GaP层，利用生长过程中的高温，使P原子扩散，在Si表面形成高掺杂的n型层，形成Si太阳电池发射区；

(2)生长n型高掺杂Ga_xIn_1-xP渐变渐变过渡层，其中In组分由0变化至0.5，Ga由1降至0.5；

(3)生长简并n型掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3以上的Ga_0.5In_0.5P或GaAs层，再生长简并p型掺杂浓度8×10¹⁹cm^-3以上的Al_0.3Ga_0.7As层或Ga_0.5In_0.5P层，形成一个隧道结；

(4)生长GaAs太阳电池；

(5)生长隧道结；

(6)生长GaInP太阳电池；

(7)生长n型高掺杂浓度的GaAs接触层，用作欧姆接触；

(8)制备各电极层，获得所需的太阳电池。

由于上述技术方案的采用，与现有的太阳电池相比，本发明具有如下优点：

1.本发明以硅作为基底，可以与成熟的Si单晶片生产工艺相结合，有效地降低成本；

考虑到目前Si单晶片已经实现大规模工业生产，作为外延衬底是最合适的材料，而且用Si材料(1.1ev)制作光电转换pn结的制备工艺(蚀刻、抛光、清洗、扩散以及电极制备等方面)已经十分成熟，相应设备配套完善，作为光电转换材料Si也是非常理想的材料。本发明的新型GaInP/GaAs(P)/Si结构的多结电池，取消现有三结太阳电池中的Ge子结，将中间子结GaAs(P)和顶层子结GaInP直接生长在Si衬底上串联起来，这样可以结合生产技术成熟、价格低廉的Si单晶片和Si太阳电池的制造工艺，在Si之上生长宽带隙光电转换层有效吸收高能量光子。Ge作为稀有元素，取消Ge基底还具有重要的战略意义。

2.本发明引入了新的GaP层，完美解决了现有化合物半导体材料电池的晶格失配与电流失配问题

考虑到Si晶格常数(5.4309)与GaAs(5.6325)差别比较大，引入与Si晶格常数差别很小的GaP(5.4487)层并通过组分调节依次生长In_xGa_1-xP薄层(x：0～0.5，晶格常数：5.4487～5.6600)作为渐变过渡层来解决Si与GaAs晶格不匹配的问题，大大减小层与层之间的应力，有效地提高太阳电池质量。同时，由于取消了Ge层，解决了现有化合物半导体材料电池的电流失配问题。

3.本发明的多结电池将Si单晶材料的衬底功能和光电转化功能结合起来，大大地简化了太阳电池生产工艺。

本发明直接在Si单晶衬底上生长GaAs(P)和GaInP光电转化层，Si衬底在制造过程中形成PN结同时实现光电转换层的作用。直接与Si接触的GaP层中的P原子可以通过后期工艺扩散到p型Si衬底中作为施主掺杂形成PN结，此举将GaP的生长工艺和Si-PN结制作工艺合二为一，减少工艺步骤，节约成本。

4.在电池的中间子结GaAs中引入一定含量的P元素形成GaAsP调节其带隙，把InGaP太阳电池与Si太阳电池串联结合起来可提高转换效率到28％以上，超过现有Si太阳电池的理论极限。

附图说明

图1是本发明实施例一获得的太阳电池的层次结构示意图。

其中：1、底层子电池2、渐变过渡层3、隧道结4、中间子电池5、隧道结6、顶层子电池7、接触层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围：

实施例一：参见附图1所示，一种硅基高效多结太阳电池的制备方法，包括下列步骤：

一、采用p型掺杂的单晶硅衬底，厚度在100至150微米左右，浓度在5×10¹⁵cm^-3至10¹⁷cm^-3之间，作为Si太阳电池的基区，衬底表面可以先扩散1×10^-19cm^-3以上的硼，高掺杂的P型硅层作为太阳电池的背场，阻止基区光生电子被背电极复合；

二、进MOCVD生长，先生长一层约0.2微米厚的n型高掺杂GaP层，GaP的晶格常数与Si衬底相接近，因为在生长过程中的高温，使Ga和P原子均有向Si扩散，而P比较容易扩散，自动在Si表面形成高掺杂的厚度约0.1微米的n型层，形成Si太阳电池发射区；从而获得底层子电池1；

三、约2微米厚n型高掺杂Ga_xIn_1-xP渐变过渡层2生长，In组分由0变化至0.5，Ga由1降至0.5，直至形成晶格常数与GaAs匹配的Ga_0.5In_0.5P，再生长约0.2微米厚的n型高掺杂的Ga_0.5In_0.5P层；

四、生长简并n型掺杂浓度高达1×10¹⁹cm^-3以上的约0.01微米厚的Ga_0.5In_0.5P或GaAs层，再生长简并p型掺杂浓度高达8×10¹⁹cm^-3以上的约0.01微米厚的Al_0.3Ga_0.7As层或Ga_0.5In_0.5P层，形成一个隧道结3，使GaAs太阳电池与硅太阳电池形成串行联接；

五、生长约0.07微米厚的n型高掺杂浓度的GaInP层，作为GaAs太阳电池的背场，阻止基区的光生电子扩散到GaAs太阳电池底电极；

六、生长p型掺杂浓度约10¹⁷cm^-3的约3.5微米厚的GaAs层，作为GaAs太阳电池的基区，再生长n型掺杂浓度约10¹⁸cm^-3的约0.1微米厚的GaAs层，作为GaAs太阳电池的发射区；

七、生长约0.1微米厚的n型高掺杂的GaInP层作为GaAs太阳电池的窗口和表面钝化层，防止光生空穴载流子扩散到GaAs太阳电池的上电极；由此形成中间子电池4；

八、生长简并n型掺杂浓度高达1×10¹⁹cm^-3以上的约0.01微米厚的Ga0.5In0.5P，再生长简并p型掺杂浓度高达8×10¹⁹cm^-3以上的约0.01微米厚的Al_0.3Ga_0.7As层或Ga_0.5In_0.5P，形成一个隧道结5，使GaAs太阳电池与InGaP太阳电池形成串行联接；

九、生长约0.07微米厚的p型高掺杂浓度的GaInP层，此GaInP的禁带宽度应比InGaP太阳电池的基区稍大，可以采用有序InGaP结构，作为InGaP太阳电池的背场，阻止基区的光生电子扩散到InGaP太阳电池底电极；

十、生长p型掺杂浓度约10¹⁷cm^-3的约0.8微米(AM1.5)或0.5微米(AM0)厚的InGaP层，作为InGaP太阳电池的基区，再生长n型掺杂浓度约10¹⁸cm^-3的约0.1微米厚的InGaP层，作为InGaP太阳电池的发射区；

十一、生长约0.025微米厚的n型高掺杂浓度AlInP层，作为InGaP太阳电池的窗口层和表面钝化层，防止光生空穴载流子扩散到InGaP电池的上电极；形成顶层子电池6；

十二、生长约0.5微米厚的n型高掺杂浓度的GaAs接触层7，用来作欧姆接触。

由此获得的多结太阳电池的层次结构如附图1所示。

对本实施例获得的太阳电池进行测试，结果表明，其转换效率大于28％，超过了硅的极限效率。

Claims (4)

1.一种硅基高效多结太阳电池，包括一顶层子电池(6)、一中间子电池(4)和一底层子电池(1)，各子电池间经隧道结连接构成串联连接结构，其特征在于：所述底层子电池(1)是Si的PN结电池，所述中间子电池(4)是GaAs的PN结电池，所述顶层子电池(6)是GaInP的PN结电池，各子电池及其间的连接结构直接在硅单晶衬底上生长而成。

2.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于：所述底层子电池(1)和中间子电池(4)间的连接结构自下而上由GaP层、Ga_xIn_1-xP渐变过渡层(2)、隧道结(3)构成，所述Ga_xIn_1-xP渐变过渡层中，x由1变化至0.5。

3.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于：在所述中间子电池(4)的GaAs中掺杂P。

4.一种硅基高效多结太阳电池的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)采用p型掺杂的单晶硅衬底，作为Si太阳电池的基区，用MOCVD方法生长n型高掺杂GaP层，利用生长过程中的高温，使P原子扩散，在Si表面形成高掺杂的n型层，形成Si太阳电池发射区；

(2)生长n型高掺杂Ga_xIn_1-xP渐变过渡层，其中In组分由0变化至0.5，Ga由1降至0.5；

(3)生长简并n型掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3以上的Ga_0.5In_0.5P或GaAs层，再生长简并p型掺杂浓度8×10¹⁹cm^-3以上的Al_0.3Ga_0.7As层或Ga_0.5In_0.5P层，形成一个隧道结；

(4)生长GaAs太阳电池；

(5)生长隧道结；

(6)生长GaInP太阳电池；

(7)生长n型高掺杂浓度的GaAs接触层，用作欧姆接触；

(8)制备各电极层，获得所需的太阳电池。

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