CN102130206A - 硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法 - Google Patents

硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法 Download PDF

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杨晓光
杨涛
王占国
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Abstract

一种硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，包括如下步骤：步骤1：选择一n+型GaAs单晶片作为衬底；步骤2：在n+型GaAs单晶片上依次生长n型GaAs层和本征GaAs缓冲层；步骤3：在本征GaAs缓冲层上生长多个周期的量子点结构，作为电池的i吸收层；步骤4：在多个周期的量子点结构上依次生长本征GaAs层、p型GaAs层、p+型GaAs层、p型Al0.4Ga0.6As层和p型GaAs层；步骤5：在p型GaAs层上生长ZnS/MgF2层；步骤6：在ZnS/MgF2层上生长并制作上金属电极；步骤7：在n+型GaAs单晶片的下表面制作下金属电极；步骤8：对电池组件进行封装，完成太阳电池的制作。

Description

硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法
技术领域
本发明属于光伏器件制造技术领域，具体地涉及一种硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作。
背景技术
太阳电池是清洁可再生能源太阳能的一种有效利用形式，近年来引起各国政府、企业和研究机构的极大兴趣。在温室效应日益严重的今天，碳零排放的太阳电池对于保护地球环境、维持国民经济的可持续发展显得尤为重要。但是因为当前太阳电池的造价昂贵，严重阻碍了它的大规模推广使用。提高太阳电池的转换效率是降低相对成本的有效途径之一。目前在不聚光的条件下，单结GaAs和Si太阳电池的最高效率分别约为26％和25％；在聚光条件下，它们的最高效率分别可达到30％和28％；这些效率已经非常接近单结太阳电池的极限效率40.7％。但是通过在导带和价带之间引入中间能带则可以大幅度提高单结太阳电池的理论转换效率，最高可达63.2％。中间能带太阳电池的2个突出特点是：(1)可以吸收2个低能光子(小于原来带隙)形成1个电子空穴对；(2)在保持开路电压不变的情况下，增加了电池的光电流。InAs/GaAs量子点可以通过相互间的耦合形成中间能带，所以被用来构建中间能带太阳电池，也被称为InAs/GaAs量子点中间能带太阳电池。
为了增加中间带和GaAs导带之间的光吸收，人们提出通过对InAs/GaAs量子点进行硅调制掺杂的方法，使中间带处于半充满的状态。为此，我们提出一种方法，即在InAs/GaAs量子点生长的过程中直接进行硅掺杂。硅原子除了可以在中间能带上提供多余电子，还可以弛豫量子点内的应力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，在砷化铟/砷化镓量子点内直接掺入硅原子，使中间带处于半充满的状态，可以增加太阳电池的光吸收和光电流。
本发明涉及一种一种硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一n+型GaAs单晶片作为衬底；
步骤2：在n+型GaAs单晶片上依次生长n型GaAs层和本征GaAs缓冲层；
步骤3：在本征GaAs缓冲层上生长多个周期的量子点结构，作为电池的i吸收层；
步骤4：在多个周期的量子点结构上依次生长本征GaAs层、p型GaAs层、p+型GaAs层、p型Al0.4Ga0.6As层和p型GaAs层；
步骤5：在p型GaAs层上生长ZnS/MgF2层；
步骤6：在ZnS/MgF2层上生长并制作上金属电极；
步骤7：在n+型GaAs单晶片的下表面制作下金属电极；
步骤8：对电池组件进行封装，完成太阳电池的制作。
其中多个周期的量子点结构的每一周期包括：一掺硅的InAs量子点层和GaAs间隔层。
其中多个周期的量子点结构的周期数小于100。
其中所述的多个周期的量子点结构中的InAs量子点层的沉积厚度介于1.7到3个原子单层，生长温度介于430℃和530℃之间；硅原子的沉积待InAs量子点成核后开始，硅原子的面密度介于(1-100)*1010cm-2范围之间，硅原子的沉积速度要保证在量子点完成生长前达到所需沉积量。
其中GaAs间隔层的生长温度高于InAs量子点层的生长温度，小于630℃，GaAs间隔层的厚度不大于50nm。
其中步骤2-步骤4是采用分子束外延法或金属有机化学沉积法。
其中步骤5-步骤7是采用磁控溅射法或真空蒸发法。
附图说明
为进一步说明本发明的技术特征，结合以下附图，对本发明作一详细的描述，其中：
图1是硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明涉及一种硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一n+型GaAs单晶片10作为衬底，掺杂浓度为(0.6-1.4)*1018cm-3；
步骤2：在该衬底10上生长一层n型GaAs层11，厚度为500nm，生长温度是595℃，掺杂浓度为1.0*1018cm-3；在n型GaAs层11上生长一层本征GaAs缓冲层12，厚度为400nm，生长温度为595℃；
步骤3：在该本征GaAs缓冲层12上生长多个周期的量子点结构20，作为太阳电池的i吸收层，该多个周期的量子点结构20的每一周期包括：
一从下到上依次生长掺硅的InAs量子点层201和GaAs间隔层202；所述的多个周期的量子点结构20的周期数小于100(本实施例为5)；所述的多个周期的量子点结构20中的掺硅的InAs量子点层201的沉积厚度介于1.5到3个原子单层(本实施例为2.6个原子单层)，生长温度介于430℃和530℃之间(本实施例为470℃)；所述的多个周期的量子点结构20中的掺硅的InAs量子点层201的硅原子的沉积待InAs量子点成核后开始(本实施例为InAs沉积量为2个原子单层后的6s内)；所述的多个周期的量子点结构20中的掺硅的InAs量子点层201的硅原子的沉积面密度介于(1-100)*1010cm-2范围之间(本实施例为50*1010cm-2)；所述的多个周期的量子点结构20中的掺硅的InAs量子点层201的硅原子的沉积速度要保证在量子点完成生长前达到所需沉积量(本实施例为InAs量子点生长完成前24s时完成硅原子的沉积)；GaAs间隔层202的生长温度高于InAs量子点层201的生长温度，但小于630℃(本实施例为500℃-590℃)；GaAs间隔层202的厚度不大于50nm(本实施例为50nm)；
步骤4：在多个周期的量子点结构20上一层本征GaAs层21，厚度为 400nm，生长温度为595℃；在本征GaAs层21上生长p型GaAs层22，厚度为100nm，生长温度为595℃，掺杂浓度为1.0*1018cm-3；在p型GaAs层22上生长一层p+型GaAs层23，厚度为200nm，生长温度为595℃，掺杂浓度为5.0*1018cm-3；在p+型GaAs层23上生长一层p型Al0.4Ga0.6As层24(窗口层)，厚度为50nm，生长温度为595℃，掺杂浓度为5.0*1018cm-3；在p型Al0.4Ga0.6As层24上生长一层p型GaAs层25(保护层)，厚度为20nm，生长温度为595℃，掺杂浓度为5.0*1018cm-3；
步骤5：在p型GaAs层25上真空蒸镀一层ZnS/MgF2层26(减反层)；
步骤6：在ZnS/MgF2层26上生长并制作上金属电极27；
步骤7：在n+型GaAs单晶片10的下表面制作下金属电极28；
步骤8：对电池组件进行封装，完成太阳电池的制作。
其中步骤2-步骤4是采用分子束外延法，步骤5-步骤8采用磁控溅射法。
电池转换效率为14％，开路电压为0.7V，短路电流为7.16mA，填充因子为70％。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一n+型GaAs单晶片作为衬底；
步骤2：在n+型GaAs单晶片上依次生长n型GaAs层和本征GaAs缓冲层；
步骤3：在本征GaAs缓冲层上生长多个周期的量子点结构，作为电池的i吸收层；
步骤4：在多个周期的量子点结构上依次生长本征GaAs层、p型GaAs层、p+型GaAs层、p型Al0.4Ga0.6As层和p型GaAs层；
步骤5：在p型GaAs层上生长ZnS/MgF2层；
步骤6：在ZnS/MgF2层上生长并制作上金属电极；
步骤7：在n+型GaAs单晶片的下表面制作下金属电极；
步骤8：对电池组件进行封装，完成太阳电池的制作。
2.根据权利要求1所述的硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中多个周期的量子点结构的每一周期包括：一掺硅的InAs量子点层和GaAs间隔层。
3.根据权利要求2所述的硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中多个周期的量子点结构的周期数小于100。
4.根据权利要求2所述的硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中所述的多个周期的量子点结构中的InAs量子点层的沉积厚度介于1.7到3个原子单层，生长温度介于430℃和530℃之间；硅原子的沉积待InAs量子点成核后开始，硅原子的面密度介于(1-100)*1010cm-2范围之间，硅原子的沉积速度要保证在量子点完成生长前达到所需沉积量。
5.根据权利要求2所述的硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中GaAs间隔层的生长温度高于InAs量子点层的生长温度，小于630℃，GaAs间隔层的厚度不大于50nm。
6.根据权利要求1所述的硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中步骤2-步骤4是采用分子束外延法或金属有机化学沉积法。
7.根据权利要求1所述的硅掺杂的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中步骤5-步骤7是采用磁控溅射法或真空蒸发法。
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