CN101859807A - 一种GaAs单结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GaAs单结太阳能电池，在电池外延层的表面形成有电极和双层减反膜，双层减反膜的上层膜采用折射率小于下层膜的材料，下层膜采用折射率位于上层膜和窗口层折射率之间的光致发光材料。光致发光材料能够吸收GaAs不能吸收波段的太阳光，并将这部分光转化为能被GaAs所吸收的光，其最终结果是更宽波段的太阳光将被GaAs太阳能电池所吸收并转换为电能，极大地拓宽了GaAs单结太阳能电池对太阳光的吸收波段，提高了电池的光电转换效率。

Description

一种GaAs单结太阳能电池
技术领域
本发明属于化合物半导体太阳能电池领域，具体涉及一种高效率GaAs单结太阳能电池。
背景技术
由于煤、石油等不可再生能源的逐渐枯竭及其不断造成的环境恶化，人类迫切需要使用绿色能源为人们解决所面临的巨大问题。利用光电转换技术制造的太阳能电池可将太阳能直接转换为电能，这在很大程度上减少了人们生产生活对煤炭、石油及天然气的依赖，成为利用绿色能源的最有效方式之一。
III-V半导体GaAs太阳能电池是转换效率最高的一种太阳能电池，同时具有耐高温性能、抗辐射能力强、温度特性好、适合于聚光工作等优点，是目前世界上最具竞争力的一种太阳能电池，同时被公认为新一代高性能长寿命空间主电源，正在航天领域逐步得到广泛应用。
随着III-V族化合物半导体生长技术(MOCVD)的不断进步，化合物半导体GaAs电池的效率得到了很大提高。单结GaAs太阳能电池的效率已达到23％以上，随后双结、三结等级联电池也得到了研究，最高效率达到了40.8％。但是多结太阳能电池中包括多层材料结构，其制作过程是非常复杂精密的，这无疑会给将来的生产带来极大困难，也会很大程度地提高生产成本。
GaAs单结太阳能电池仅能吸收一定波段的太阳光(＜900nm)，而GaAs多结太阳能电池却可以吸收更宽波段的太阳光(＜1798nm)。如何使得GaAs单结太阳能电池具有多结电池的转换效率，这是促使GaAs太阳能电池快速商业化的一项极具吸引力的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaAs单结太阳能电池，使得GaAs单结电池可以吸收更宽波段的太阳光，从而降低了生产技术的难度，且获得了较高的转换效率。
一种GaAs单结太阳能电池，包括依次由缓冲层、GaAs p-n结、窗口层及欧姆接触层构成的电池外延层，在欧姆接触层的表面局部区域形成有电极，局部区域以外的部分沉积有双层减反膜，双层减反膜的上层膜采用折射率小于下层膜的材料，其特征在于，双层减反膜的下层膜采用折射率位于上层膜和窗口层折射率之间的光致发光材料。
所述下层膜采用掺杂Sm或Eu的CaS、掺杂Sm或Eu的SrS、掺杂Sm或Ce的MgS中的任意一种。
所述上层膜采用MgF2或Al2O3或SiO2。
本发明的技术效果体现在：在窗口层的平台上沉积双层减反膜，并使用低折射率材料作为双层减反膜的上层膜，使用光致发光材料作为双层减反膜的下层膜。光致发光材料能够吸收GaAs所不能吸收波段的太阳光，并将这部分光转化为能被GaAs所吸收的光，其最终结果是更宽波段的太阳光将会被GaAs太阳能电池所吸收并转换为电能，极大地拓宽了GaAs单结太阳能电池对太阳光的吸收波段，提高了电池的光电转换效率。
附图说明
图1是GaAs单结太阳能电池的侧面剖视图。
图2是GaAs单结太阳能电池外延层的侧面剖视图。
图3是制备出上电极后的电池侧面剖视图。
图4是刻蚀出窗口层平台的电池侧面剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作的进一步描述。
实施例一：
1)在GaAs衬底1上使用MOCVD方法依次生长出缓冲层2、GaAs p-n结3、窗口层4和欧姆接触层5(如图2所示)，组成GaAs单结太阳能电池外延层。
2)依次使用光刻、蒸镀电极、合金化、电极增厚的传统工艺在GaAs单结太阳能电池外延层上表面制备出上电极6(如图3所示)。
3)通过选择性ICP刻蚀方法刻蚀掉上电极6下方以外的欧姆接触层5，使之出现一个窗口层4的平台(如图4所示)。
4)在窗口层4的平台上，沉积一层光致发光材料CaS:Eu作为双层减反膜的下层膜7。采用磁控溅射的方法沉积一层80nm的CaS薄膜，再用真空热蒸镀的方法沉积一层1nm的EuF3膜，并进行退火处理，从而获得了Eu的掺杂浓度仅为1.0％左右的CaS薄膜。然后，用真空热蒸镀的方法在制备出的CaS:Eu薄膜即下层膜7上沉积一层120nm的低折射率薄膜MgF2即上层膜8(如图1所示)。
CaS材料具有2.2的折射率，因此由低折射率(＜2.2)的材料MgF2和光致发光材料CaS:Eu所形成的双层减反膜具有作为GaAs单结电池双层减反膜的功能。光致发光材料CaS:Eu能够吸收波长为850～1500nm的光子，并发射出波长为550～750nm的光子，进而被GaAs太阳能电池所吸收转换为电能。然而GaAs的带隙宽度为1.42eV，所能吸收的太阳光波长小于900nm，即有光致发光材料CaS:Eu辅助的GaAs单结太阳能电池可以有效地吸收1500nm波段以内的光能并将其转化为电能，极大地拓宽了GaAs单结太阳能电池对太阳光的吸收波段，提高了电池的光电转换效率。
实施例二：
1)在Ge衬底1上使用MOCVD方法依次生长出缓冲层2、GaAsp-n结3、窗口层4和欧姆接触层5(如图2所示)，组成GaAs单结太阳能电池外延层。
2)依次使用光刻、蒸镀电极、合金化、电极增厚的传统工艺在GaAs单结太阳能电池外延层上表面制备出上电极6(如图3所示)。
3)通过选择性湿法腐蚀方法刻蚀掉上电极6下方以外的欧姆接触层5，使之出现一个窗口层4的平台(如图4所示)。
4)在窗口层4的平台上，沉积一层掺杂Sm的光致发光材料CaS:Sm作为双层减反膜的下层膜7。采用原子层沉积的方法沉积一层80nm的CaS薄膜，再用真空热蒸镀的方法沉积一层0.5nm的SmF3膜，并进行退火处理，从而获得了Sm的掺杂浓度仅为1.0％左右的CaS薄膜。然后，用真空热蒸镀的方法在制备出的CaS:Sm薄膜上沉积一层110nm的低折射率薄膜Al2O3(如图1所示)。
实施例三：
1)在Ge衬底1上使用MBE的方法依次生长出缓冲层2、GaAs p-n结3、窗口层4和欧姆接触层5(如图2所示)，组成GaAs单结太阳能电池外延层。
2)依次使用光刻、蒸镀电极、合金化、电极增厚的传统工艺在GaAs单结太阳能电池外延层上表面制备出上电极6(如图3所示)。
3)通过选择性湿法腐蚀方法刻蚀掉上电极6下方以外的欧姆接触层5，使之出现一个窗口层4的平台(如图4所示)。
4)在窗口层4的平台上，沉积一层光致发光材料CaS:Sm作为双层减反膜的下层膜7。采用真空热蒸镀的方法沉积一层46nm的CaS薄膜，再用真空热蒸镀的方法沉积一层1nm的EuF3膜，并进行退火处理，从而获得了Eu的掺杂浓度仅为1.0％左右的CaS薄膜。然后，用磁控溅射的方法在制备出的CaS:Eu薄膜上沉积一层82nm的低折射率薄膜SiO2(如图1所示)。
实施例四：
1)在Ge衬底1上使用MOCVD方法依次生长出缓冲层2、GaAsp-n结3、窗口层4和欧姆接触层5(如图2所示)，组成GaAs单结太阳能电池外延层。
2)依次使用光刻、蒸镀电极、合金化、电极增厚的传统工艺在GaAs单结太阳能电池外延层上表面制备出上电极6(如图3所示)。
3)通过选择性湿法腐蚀方法刻蚀掉上电极6下方以外的欧姆接触层5，使之出现一个窗口层4的平台(如图4所示)。
4)在窗口层4的平台上，沉积一层光致发光材料SrS:Sm作为双层减反膜的下层膜7。采用电子束蒸发的方法蒸镀一层60nm的SrS薄膜，再用真空热蒸镀的方法沉积一层0.5nm的SmF3膜，并进行退火处理，从而获得了Sm的掺杂浓度仅为1.0％左右的SrS薄膜。然后，用磁控溅射的方法在制备出的SrS:Sm薄膜上沉积一层100nm的低折射率薄膜SiO2(如图1所示)。
SrS材料具有2.0的折射率，因此由低折射率(＜2.0)的材料SiO2和光致发光材料SrS:Sm所形成的双层减反膜具有作为GaAs单结电池双层减反膜的功能。光致发光材料SrS:Eu能够吸收波长为900～1400nm的光子，并发射出波长为550～750nm的光子，进而被GaAs太阳能电池所吸收转换为电能。然而GaAs的带隙宽度为1.42eV，所能吸收的太阳光波长小于900nm，即有光致发光材料CaS:Eu辅助的GaAs单结太阳能电池可以有效地吸收1400nm波段以内的光能并将其转化为电能，极大地拓宽了GaAs单结太阳能电池对太阳光的吸收波段，提高了电池的光电转换效率。
除了上述实施例所选材料外，还可选择光致发光材料SrS:Eu，MgS:Ce，或MgS:Sm，在此不再一一列举。

Claims (3)

1.一种GaAs单结太阳能电池，包括依次由缓冲层、GaAs p-n结、窗口层及欧姆接触层构成的电池外延层，在欧姆接触层的表面局部区域形成有电极，局部区域以外的部分沉积有双层减反膜，双层减反膜的上层膜采用折射率小于下层膜的材料，其特征在于，双层减反膜的下层膜采用折射率位于上层膜和窗口层折射率之间的光致发光材料。
2.根据权利要求1所述的GaAs单结太阳能电池，其特征在于，所述下层膜采用掺杂Sm或Eu的CaS、掺杂Sm或Eu的SrS、掺杂Sm或Ce的MgS中的任意一种。
3.根据权利要求1或2所述的GaAs单结太阳能电池，其特征在于，所述上层膜采用MgF2或Al2O3或SiO2。
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