CN101533862A - 一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，包括一个Ge底电池，一个中间电池，一个顶电池和其间的隧穿结，中间电池基区由p型Ga_1－xIn_xAs层和应变补偿p型GaAsP/Ga_1－yIn_yAs超晶格共同构成，带隙为1.65～1.75eV的Al_xGa_1－xAs电池做为三结电池的顶电池，同时满足晶格匹配和短路电流匹配条件。本发明可以充分利用成熟的MOCVD外延技术，克服现有三结太阳电池电流匹配和晶格匹配不相容的缺点，进一步提高三结太阳电池的效率。

Description

一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池

技术领域

本发明涉及光电池，特别是一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池。

背景技术

太阳电池已有了50多年的发展历史，在上个世纪七十年代引发的能源危机的刺激下，在空间飞行器能源系统需求的牵引下，这一技术领域内不断取得重要技术突破。多结化合物太阳能电池是一种性能优良的化合物半导体光电转换器件。相对于硅太阳能电池，多结太阳能电池具有更高的光电转换效率、更强的抗辐射能力、更好的耐高温性能。在过去的十年里，多结III-V族电池在太阳能转换效率上进展显著，实现高转换效率布置在理论上，在现实中也已经实现，唤起人们对多结III-V族电池设的研究和商业兴趣。

目前制约III-V族太阳能发电产业发展最大的障碍就是III-V族太阳电池组件成本高，最终导致太阳能发电的成本较高。降低太阳电池发电成本的最关键在于进一步提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明，III-V族叠层电池的各子电池短路电流越接近(匹配程度越高)，对光谱的利用程度也就越高，对于三结或三结以上的太阳电池，最高效率材料组合均需要带隙在1.1eV附近的材料来满足电流匹配条件，遗憾的是迄今为止未找到同时满足晶格匹配和电流匹配的三结或三结以上的太阳电池组合。

目前，美国波音公司子公司Spectrolab研制的晶格匹配GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池在无聚光条件下光电转换效率最大达32％(AM1.5D，25℃)，由于GaInP/GaAs/Ge三结叠层太阳电池电流不匹配，Ge底电池是其他两结电池光电流的两倍，而多结电池的工作电流由各子电池中短路电流最小的电池决定，因此电流不匹配使得Ge底电池效率降低。

发明内容

为解决上述现有三结太阳电池电流匹配和晶格匹配不相容的缺点，本发明旨在提出一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池。通过构造重新构造应变补偿或超晶格，提供一种带隙在1.1eV附近的材料结构，并使得它与Ge(或GaAs)衬底晶格匹配，与带隙为1.73eV的AlGaAs一起构成电流匹配和晶格匹配的三结太阳电池。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，包括一个Ge底电池，一个中间电池，一个顶电池和其间的隧穿结，其特征在于：中间电池基区由p型Ga_1-xIn_xAs层和应变补偿p型GaAsP/Ga_1-yIn_yAs超晶格共同构成，带隙为1.65～1.75eV的Al_xGa_1-xAs电池做为三结电池的顶电池，同时满足晶格匹配和短路电流匹配条件。

本发明的Al_xGa_1-As顶电池带隙为1.73eV，x＝0.25；中间电池基区Ga_1-xIn_xAs层的In组分x为0.008～0.013，Ga_1-xIn_xAs层厚度为0.5～1μm；GaAsP/Ga_1-yIn_yAs超晶格中Ga_1-yIn_yAs阱材料的In组分y为0.16～0.2，阱材料厚度为4～6nm。

上述隧穿结为Al_0.3Ga_0.7As/GaInP₂隧穿结，各子电池及其间的隧穿结直接在Ge衬底上在MOVPE系统中生长而成。

上述Ge底电池构建在p型Ge衬底上，p-Ge基区掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，n型发射区通过MOPVE系统PH₃中的P扩散获得，发射区厚度0.06—0.25μm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁹cm^-3。

上述底电池和隧穿结之间有一层n型GaInAs缓冲层。

上述隧穿结包含一层p型高掺杂的Al_0.3Ga_0.7As和n型高掺杂的GaInP₂，隧穿结各层厚度为10～15nm，掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3。

上述中间电池生长第一个隧穿结之上，中间电池的基区由p型Ga_1-xIn_xAs和应变补偿GaAsP/Ga_1-yIn_yAs超晶格共同构成，与Ge衬底实现应变补偿的GaAsP/Ga_1-yIn_yAs超晶格中，确定了阱材料Ga_1-yIn_yAs的组分和厚度之后，通过选择GaAsP势垒的组分和厚度可以使得整个多量子阱(或超晶格)等效晶格常数<α>与Ge(或GaAs)匹配。室温下GaInAs的带隙与In的组分的关系、以及上述等效晶格常数的计算公式如下：

E_GaInAs＝1.42-1.49x_In+0.43x_In ²(eV)   (1)

$<a>=\frac{2t_b{a}_{\mathrm{GaAsP}}+t_w{a}_{\mathrm{GaInAs}}}{2t_b+t_w}---\left(2\right)$

其中，E_GaInAs为GaInAs带隙，x_In为In的组分，t_w和α_GaInAs分别为GaInAs量子阱的厚度和晶格常数，t_b和α_GaAsP分别为GaAsP势垒厚度和晶格常数。GaInAs的晶格常数α_GaInAs随In组分的变化关系，以及GaAsP的晶格常数α_GaAsP随As组分的变化关系计算公式如下(单位

)：

α_GaInAs＝5.6533+0.405x_In     (3)

α_GaAsP＝5.4505+0.20275x_As    (4)

中电池基区由p型GaAsP/GaInAs多量子阱(或超晶格)组成，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3；中电池发射区由n型GaAs组成，掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。

上述顶电池是p-i-n AlGaAs结电池，p型AlGaAs基区掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，n型AlGaAs发射区掺杂浓度5×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁸cm^-3；AlGaAs中的Al组分在0～0.45之间，直接带隙能量在1.424eV～1.98eV之间随Al组分线性变化，选用合适的Al组分，可以使得顶电池的晶格常数和光电流与中底电池匹配。

上述中电池和顶电池的材料结构和带隙可根据电池工作条件调整以便满足晶格匹配和电流匹配条件。例如在AM1.5D，25℃条件下，由细致平衡理论计算可得，当中电池基区包含了4.1nm厚的GaAs_0.82P_0.18和5nm厚的Ga_0.82In_0.18As超晶格时，可有效吸收光子能量大于1.16eV的光子，当顶电池Al_0.25Ga_0.75As带隙为1.73eV时，三结子电池的短路光电流密度J_ph均为18.67mA/cm²，且三结电池晶格匹配。与现有技术相比，本发明的三结太阳电池具有更高光电转换效率，在AM1.5D，25℃条件下，由细致平衡理论计算可得晶格匹配、电流匹配三结太阳电池理想效率达43.4％，比目前广泛研究的晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge三结叠层太阳电池的理想效率提高10％。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：100：锗衬底；         110：锗底电池；

200：缓冲层；               210：中底电池隧穿结；

300：中间电池的背场层；     310：中电池基区层；

320：中电池基区的超晶格层； 330：中电池发射极；

340：中电池窗口层；         400：顶中电池隧穿结；

500：顶电池的背场层；       510：顶电池基区高掺层；

520：顶电池基区低掺层；     530：顶电池发射极；

540：顶电池窗口层；         600：盖帽层；

700：减反射膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，包括一个Ge底电池，一个中间电池，一个顶电池和其间的隧穿结；中间电池基区由p型Ga_1-xIn_xAs层和应变补偿p型GaAsP/Ga_1-yIn_yAs超晶格共同构成，带隙为1.73eV的Al_xGa_1-xAs电池做为三结电池的顶电池，同时满足晶格匹配和短路电流匹配条件。

本发明的制备主要包括如下步骤：

采用p型掺杂的单晶锗衬底100，厚度为150微米，掺杂浓度为6×10¹⁷cm^-3之间，作为锗底电池的基区。

进入MOCVD生长，在锗衬底上构造锗底电池110，锗底电池110具有n型锗发射层和GaInP₂窗口层，n型锗发射层通过磷扩散得到，其厚度为0.25μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；n型GaInP₂窗口层厚度为0.3微米，其晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

生长0.5微米厚的n型Ga_0.99In_0.01As缓冲层200，为中间电池和顶电池生长做准备，缓冲层掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

生长中底电池的隧穿结210，隧穿结210包括简并n型掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015微米的GaInP₂层和p型掺杂大于5×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015微米的Al_0.3Ga_0.3As层。

生长0.05微米厚、p型掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的Al_0.3Ga_0.7As层300，作为中间电池的背场，阻止中电池基区的光生电子扩散到底电池。

生长1微米厚、p型掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3的Ga_0.99In_0.01As层310，再生长100周期的含4.1nm GaAs_0.82P_0.18/5nm Ga_0.82In_0.18As的超晶格320共同构成中间电池的基区，超晶格的p型掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3；紧接着生长0.2微米厚、n型掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的Ga_0.99In_0.01As层330作为中间电池发射区，从而获得中间电池。

生长0.06微米厚的n型AlInP₂层340，作为中间电池的窗口层，AlInP₂窗口层晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

生长顶中电池的隧穿结400，顶中电池的隧穿结400包括简并n型掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015微米的GaInP₂层和p型掺杂大于5×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015微米的Al_0.3Ga_0.3As层。

生长0.07微米厚的p型AlGaInP层500，作为顶电池的背场层，AlGaInP背场层层晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

生长0.07微米厚、p型掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的Al_0.18Ga_0.82As层510，再生长1微米厚、p型掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3的Al_0.18Ga_0.82As层520，共同构成顶电池的基区；紧接着生长0.1微米厚、n型掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3的Al_0.18Ga_0.82As层530作为顶电池发射区，从而获得顶电池。

生长0.06微米厚的n型AlInP₂层540，作为顶电池的窗口层，AlInP₂窗口层晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

生长0.5微米厚、n型为5×10¹⁸cm^-3的Ga_0.99In_0.01As层600，作为欧姆接触层。

蒸镀减反射膜700并进行电池芯片工艺制作。

Claims (4)

1.一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，包括一个Ge底电池，一个中间电池，一个顶电池和其间的隧穿结，其特征在于：中间电池基区由p型Ga_1-xIn_xAs层和应变补偿p型GaAsP/Ga_1-y，In_yAs超晶格共同构成，带隙为1.65～1.75eV的Al_xGa_1-xAs电池做为三结电池的顶电池，同时满足晶格匹配和短路电流匹配条件。

2.如权利要求1所述的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，其特征在于：Al_xGa_1-xAs顶电池带隙优选值为1.73eV，x＝0.25。

3.如权利要求1所述的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，其特征在于：中间电池基区Ga_1-xIn_xAs层的In组分x为0.008～0.013，Ga_1-xIn_xAs层厚度为0.5～1μm。

4.如权利要求1所述的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，其特征在于：GaAsP/Ga_1-yIn_yAs超晶格中Ga_1-yIn_yAs阱材料的In组分y为0.16～0.2，阱材料厚度为4～6nm。

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