CN102412337A - 一种高效四结太阳能电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效四结太阳能电池及其制备方法。提供一种双面抛光衬底，用于半导体外延生长，在上述衬底正面形成第一子电池，使其具有第一带隙；在所述的第一子电池上方形成渐变缓冲层，使其具有大于第一带隙的第二带隙；在所述的渐变缓冲层上方形成第二子电池。其具有大于第二带隙的第三带隙；在所述第二子电池上方形成高掺杂盖帽层；在所述的衬底的背面形成第三子电池，其为倒装生长，具有小于第一带隙的第四带隙；在所述的第三子电池的下方形成第四子电池，其结构也是倒装生长，具有小于第四带隙的第五带隙；在所述的第四子电池的下方外延背接触层，获得所需的太阳能电池。通过本发明可以制备出电流匹配，光谱吸收范围更广的高效四结太阳能电池。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效四结太阳能电池及其制备方法，属半导体材料技术领域。
背景技术
进入二十一世纪，世界人口剧增和环境污染严重，还有能源枯竭以及生态环境恶化，使人类对能源尤其是清洁的新能源的开发利用有了更大的需求。由于太阳是取之不尽，用之不竭的巨大能源，所以，研究太阳能的利用一直是当代重大课题之一。太阳电池具有寿命长，效率高，性能可靠，成本低和无污染等优点，几乎所有空间设备和装置均使用太阳电池。III-V族化合物半导体太阳能电池因其高光电转换效率而倍受到关注。其中，聚光光伏技术通过将太阳光进行高倍率聚光后照射到一个面积相对较小的太阳能光伏电池上发电，从而大规模节约太阳能电池晶片，降低了发电成本。该装置利用大面积、便宜的聚光装置来代替昂贵而且供应紧张的电池芯片，进而达到大幅度降低太阳能光伏发电成本的目的，使太阳能光伏发电具有跟常规能源竞争的能力。因此基于III-V族化合物半导体高效多结太阳能电池的聚光光伏技术已经被作为第三代光伏技术，而逐渐走向了产业化阶段。
对于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体领域来言，在Ge衬底上外延生长晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge 三结太阳能电池技术已经成熟，其转换效率超过41%。对于上述三结太阳能电池来说，GaInP顶电池吸收光子能量大于1.83 eV的太阳光，即波长λ1<670 nm的可见光谱区；GaAs中电池吸收光子能量大于1.42 eV的太阳光，即波长λ2<880 nm的光谱区； Ge底电池吸收光子能量大于0.67 eV的太阳光，即波长λ3<1850 nm的光谱区。该三结太阳能电池的Ge底电池大量吸收低能光子，产生的光电流要远大于顶电池和中电池。而对于叠层电池，各个子电池的电流相等时效率才会最高，电流不匹配会带来电流的复合损失，降低效率。倒装生长的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池能够有效解决电流匹配的问题，但是其后期工艺复杂，且对低能光子的吸收有所减弱。因此，解决这个问题的有效方法之一是在中电池和底电池之间再插入一结带隙为1.0eV左右的子电池，这样获得的四结太阳能电池，比三结电池时电流更加匹配，并且结数的增加可以更加细分太阳光谱，增加效率。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种高效四结太阳能电池及其制备方法。
根据本发明的一方面，一种高效四结太阳能电池的制备方法，其包括如下步骤：提供一双面抛光衬底，用于半导体外延生长；在所述衬底正面形成第一子电池，其具有第一带隙；在所述第一子电池上方形成渐变缓冲层，其具有大于第一带隙的第二带隙；在所述的渐变缓冲层上方形成第二子电池；其具有大于第二带隙的第三带隙；在所述衬底的背面形成第三子电池，其为倒装生长，具有小于第一带隙的第四带隙；在所述的第三子电池的下方形成第四子电池，其为倒装生长，具有小于第四带隙的第五带隙；在所述的第四子电池的下方外延形成背接触层。
优选地，所述双面抛光衬底优选为p-InP衬底。
优选地，以衬底本身作为基区，在p型衬底正面注入n型离子形成发射区，构成所述第一子电池。
优选地，所述双面抛光衬底的厚度小于或等于200微米。
优选地，以衬底本身作为基区，在p型衬底正面注入n型离子形成发射区，构成所述第一子电池。
优选地，所述渐变缓冲层为多层结构，其材料是InxGa1-xP。
优选地，所述第一带隙为1.3~1.5 eV；所述第二带隙为1.5~1.8 eV；所述第三带隙为1.8~2 eV；所述第四带隙为0.9~1.2 eV；所述第五带隙为0.6~0.9 eV。
优选地，所述第二子电池由p型InAlAs基区和n型InAlAs发射区构成，所述第三子电池由p型InGaAsP基区和n型InGaAsP发射区构成，所述第三子电池由p型InGaAsP基区和n型InGaAsP构成，所述第四子电池由p型InGaAs基区和n型InGaAs发射区构成。
根据本发明的另一方面，提供了一种高效四结太阳能电池，包括：双面抛光衬底；第一子电池，由衬底离子注入形成，具有一第一带隙；渐变缓冲层，形成于第一子电池上方，具有一大于第一带隙的第二带隙；第二子电池，形成于渐变缓冲层上方，具有一大于第二带隙的第三带隙；第三子电池，倒装生长于所述衬底的背面，具有一小于第一带隙的第四带隙；第四子电池，倒装生长于第三子电池下方，具有一小于第四带隙的第五带隙。
优选地，所述双面抛光衬底是p-InP衬底。
优选地，所述双面抛光衬底的厚度小于或等于200微米。
优选地，所述渐变缓冲层为多层结构，其材料是InXGa1-XP。
优选地，所述第一带隙为1.3~1.5 eV；所述第二带隙为1.5~1.8 eV；所述第三带隙为1.8~2 eV；所述第四带隙为0.9~1.2 eV；所述第五带隙为0.6~0.9 eV。
优选地，所述第二子电池由p型InAlAs基区和n型InAlAs发射区构成；所述第三子电池由p型InGaAsP基区和n型InGaAsP发射区构成；所述第三子电池由p型InGaAsP基区和n型InGaAsP构成；所述第四子电池由p型InGaAs基区和n型InGaAs发射区构成。
本发明的创新点在于：在双面抛光衬底上，采用双面生长的方法，将带隙不同的子电池按照由高到低的顺序外延生长于衬底两面，与第一子电池晶格不匹配的第二子电池生长于上方，在第一和第二子电池之间使用了渐变缓冲层来缓慢释放应力，降低位错密度；与第一子电池晶格匹配的第三、四子电池生长于下方，合理配置了各子电池的带隙，拓宽太阳能电池的光谱吸收范围，形成了电流匹配，高晶格质量的高效四结太阳能电池。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是表示某些二元材料的能带隙和所属二元材料的晶格常数的曲线图。
图2是本发明优选实施例一种高效四结太阳能电池的结构示意图。
图3～图15是本发明优选实施例一种高效四结太阳能电池的制作流程示意图。
图中：
001：生长衬底； 100：第一子电池；
110：第一子电池背场层； 120：第一子电池基区；
130：第一子电池发射区； 140：第一子电池窗口层；
200：第二子电池； 210：第二子电池背场层；
220：第二子电池基区； 230：第二子电池发射区；
240：第二子电池窗口层； 300：第三子电池；
310：第三子电池背场层； 320：第三子电池基区；
330：第三子电池发射区； 340：第三子电池窗口层；
400：第四子电池； 410：第四子电池背场层；
420：第四子电池基区； 430：第四子电池发射区；
440：第四子电池窗口层； 501，502，503：隧穿结；
600：渐变缓冲层； 700：盖帽层；
800：第四子电池背接触层。
具体实施方式
现在将描述本发明的细节，包含本发明的示范性方面和实施例。参看图示和以下描述，相同的参考编号用于识别相同或功能类似的元件，且意在以高度简化的图解方式说明示范性实施列的主要特征。另外，所述图示无意描绘实际实施例的每个特征或所描绘元件的相对尺寸，且所述图示未按比例绘制。
图1是表示某些二元材料的能带隙和所述二元材料的晶格常数的曲线图。三元材料的能带隙和晶格常数位于在典型的相关联二元材料之间绘制的线上。例如三元材料AlGaAs在曲线图上位于GaAs点与AlAs点之间，其中三元材料的能带隙位于GaAs的1.42eV与AlAs的2.16eV之间，视个别成分的相对量而定。因此，根据所需的能带隙，可适当地选择三元材料的材料成分以供生长。
实施例一
如图1所示，一种高效四结太阳能电池的结构，包括第一子电池100、第二子电池200、第三子电池300、第四子电池400，各结子电池之间通过隧穿结501、502、503连接。其中，第一子电池100以生长衬底001本身作为基区120，在p型衬底正面注入n型离子形成发射区130，构成所述第一子电池。四结子电池从下到上的排列顺序为：第四子电池，第三子电池，第一子电池，第二子电池。
第一子电池100以生长衬底001本身作为基区120，在p型衬底正面注入n型离子形成发射区130，构成所述第一子电池，其带隙为1.3～1.5 eV。
生长衬底001为双面抛光，厚度小于或等小200微米。在本实施例中，优先选用p型、厚度为200微米的InP衬底，其掺杂浓度为在2×1017cm-3 ～5×1017cm-3，作为第一子电池100的基区110。在衬底001的正表面扩散磷形成第一子电池的n型发射区130，从而获得第一子电池100，其带隙为1.35 eV，扩散厚度优选值为100 nm。在生长衬底的背面（即第一子电池基区120的表面）外延生长一层p型InAlP作为第一子电池的背场层110，其厚度为100 nm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3。在发射区130的表面上外延生长一层n型InAlP作为第一子电池窗口层140，厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
隧穿结501形成于第一子电池窗口层140上，用于将第一子电池100连接至第二子电池200。在本实施例中，其材料优选为p++-InGaP /n++-InGaP，厚度是50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3。
渐变缓冲层600形成于隧穿结上方，其带隙为1.5~1.8 eV，组分配比从与第一子电池晶格匹配渐变至与第二子电池晶格匹配。在本实施例中，其材料优选p型InGaP，包含6层结构，每层厚度为250 nm，掺杂浓度大约为1×1018cm-3，其中Ga的百分含量从0增长到0.28。
第二子电池的背场层210形成于渐变缓冲层上方。在本实施例中，其材料为p型InGaP，其厚度为50 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3。
第二子电池形成于背场层210上，其带隙为1.8～2.0 eV，为本四结太阳能电池的顶电池。在本实施例中，优选p型In0.4Al0.6As作为基区220，n型 In0.4Al0.6As作为发射层230，其带隙为1.92 eV。其中基区220的厚度为2微米，采用渐变掺杂方式，浓度1.5×1017cm-3～5×1017cm-3；发射区230的厚度为100 nm，掺杂浓度大约2×1018cm-3。第二子电池窗口层240形成于发射区230上，其材料优选InAlAsP。
隧穿结502形成于第一电池的背场层110的下表面，用于将第三电池连接至第一子电池。在本实施例中，其材料优选为P++-InP /n++-InP，厚度为50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3。
第三子电池倒装形成于隧穿结502上，其带隙为0.9～1.2 eV。其具体结构：窗口层340形成于隧穿结502的下方，发射区330形成于窗口层340的下方，基区320形成于发射区330的下方，背场层310形成于基区320下方。在本实施例中，优选n型InP作为窗口层340的材料，其厚度为40 nm，掺杂浓度大约1×1018cm-3；选择n型InGaAsP和p型InGaAsP分别作为区320和发射区330，其带隙为1 eV，基区320的厚度为3微米，掺杂浓度为5×1017cm-3，发射区330的厚度为100 nm，其掺杂浓度为2×1018cm-3；选择InP作为背场层310的材料，厚度为50 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3。
隧穿结503形成于第三子电池的背场层的下方，用于将第四子电池连接至第三子电池。在本实施例中，优选p++/n++-GaAs0.5Sb0.5作为隧穿结503的材料，其厚度为50 nm的InP，掺杂浓度为1~2×1018cm-3。
第四子电池倒装形成于隧穿结503下方，其带隙为0.6~0.9 eV，为本四结太阳能电池的底电池。其具体结构：第四子电池的窗口层440形成于隧穿结503的下方，发射区430形成于窗口层440的下方，基区420形成于发射区430的下方，背场层410形成于基区420下方。在本实施例中，优选n型InP作为窗口层440的材料，其厚度为40 nm，掺杂浓度大约1×1018cm-3；选择n型In0.53Ga0.47As和p型In0.53Ga0.47As分别做为基区420和发射区430，其带隙为0.6 eV，基区420的厚度为2微米，掺杂浓度为2×1017cm-3～5×1017cm-3，发射区430的厚度为200 nm，其掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3；选择InP作为背场层410的材料，厚度为50 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3。
在顶电池（即第二子电池200）的上方沉积一层重掺杂n++-InAlAsP作为盖帽层700 位于第二子电池上方，其厚度为500 nm，掺杂浓度为1×1019cm-3；在底电池（即第四子电池）的下方外延一层InP作为背接触层800，构成四结太阳能电池。
在本实施中，在双面抛光衬底上，采用双面生长的方法，将带隙不同的子电池按照由高到低的顺序外延生长于衬底两面，与第一子电池晶格不匹配的第二子电池生长于上方，在第一和第二子电池之间使用了渐变缓冲层来缓慢释放应力，降低位错密度；与第一子电池晶格匹配的第三、四子电池生长于下方，合理配置了各子电池的带隙，拓宽太阳能电池的光谱吸收范围，形成了电流匹配，高晶格质量的高效四结太阳能电池。
实施例二
本实施例为实例一中所述的一种高倍聚光多结太阳能电池的制备工艺，其包括子电池100、200、300、400及各子电池之间各层的形成工艺。
根据适当的生长温度和时间且通过使用适当地化学成分和掺杂剂，来控制半导体结构中的晶格常数和电性质。可以使用气相沉积方法如MOCVD和MBE等技术，但优先选取MOCVD作为本发明的生长技术。
具体制备工艺包括如下步骤：
第一步，提供一双面抛光衬底001。在本实施例中，选用p型厚度为200微米的双面抛光的InP衬底，其掺杂浓度为在2×1017cm-3～5×1017cm-3。
下一步，形成第一子电池100，其带隙为1.3～1.5 eV。如图3～图5所示，以生长衬底001本身作为基区120，在衬底001正表面扩散磷形成n型发射区130，从而获得第一子电池，其带隙为1.35 eV，扩散厚度优选值为100 nm。在发射区130上面生长n型InAlP作为窗口层140，其厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，如图6所示，在第一子电池上方外延生长重掺杂的p++-InGaP /n++-InGaP作为隧穿结501，其厚度是50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3，用于将第一子电池连接至第二子电池。
下一步，如图7所示，在隧穿结501上方形成渐变缓冲层600，其带隙为1.5~1.8 eV。在本实施例中，渐变缓冲层600包含6层结构，每层厚度为250 nm，选择p型InGaP作为其材料，其中Ga的百分含量从0增长到0.28，掺杂浓度大约为1×1018cm-3。
下一步，如图8所示，在渐变缓冲层上方外延生长第二子电池，其带隙为1.8~2 eV。其具体如下：在渐变缓冲层上方外延生长一层p型InGaP作为第二子电池的背场层210，其厚度为50 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3；在第二子电池的背场层210上方外延生长p型In0.4Al0.6As作为基区220，带隙为1.92 eV，厚度为2微米，采用渐变掺杂方式，浓度1~5×1017cm-3；在第二子电池的基区220上方外延生长n型In0.4Al0.6As作为发射区230，其厚度为100 nm，掺杂浓度大约2×1018cm-3；在发射区230上方外延生长 作为第二子电池的窗口层240，其材料优选用InAlAsP。
下一步，如图9所示，在窗口层240上方外延生长重掺杂n型InAlAsP作为盖帽层700，厚度为500 nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
下一步，如图10所示，在生衬底001的背面外延生长一层p型InAlP作为第一子电池的背场层110，其厚度为100 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3。
下一步，如图11所示在第一子电池背场层110下方外延生长P++-InP/n++- InP作为隧穿结502，其厚度为50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3，用于将第三子电池连接至第一子电池。
下一步，如图12所示，在隧穿结502下方倒装外延生长第三子电池，其带隙为0.9～1.2 eV。其具体如下：在隧穿结502下方外延生长一层n型InP作为第三子电池的窗口层340，其厚度为40 nm，掺杂浓度大约1×1018cm-3；在窗口层340的下方外延生长发射区330和基区320，分别选用n型InGaAsP和p型InGaAsP作为基区320和发射区330，基区的厚度为3微米，掺杂浓度为5×1017cm-3，发射区的厚度为100 nm，掺杂浓度为2×1018cm-3；在基区的下方外延生长一层InP作为第三子电池的背场层310，其厚度为50 nm，掺杂浓度为1×1018cm-3~2×1018cm-3。
下一步，如图13所示，在第三子电池下方外延生长重掺杂的p++ GaAs0.5Sb0.5/n++-GaAs0.5Sb0.5作为隧穿结503其厚度为50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3，用于将第四子电池连接至第三子电池。
下一步，如图14所示，在隧穿结503下方倒装外延生长第四子电池，其带隙为0.6～0.9 eV。其具体如下：在隧穿结503下方外延生长一层n型InP作为第三子电池的窗口层440，其厚度为40 nm，掺杂浓度大约1×1018cm-3；在窗口层440的下方外延生长发射区430和基区420，分别选用n型In0.53Ga0.47As和p型p-In0.53Ga0.47As作为基区420和发射区430，基区的厚度为2微米，掺杂浓度为2×1017cm-3～5×1017cm-3，发射区的厚度为200 nm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3；在基区的下方外延生长一层InP作为第三子电池的背场层410，其厚度为50 nm，掺杂浓度为1×1018cm-3~2×1018cm-3。
下一步，如图15所示，在第四子电池的背场层410的下方外延生长一层InP作为背接触层。最后，可在样品表面进行减反膜蒸镀，金属电极的制备等后期工艺，完成所需要的太阳能电池。
在本实施例中，在双面抛光的InP衬底上采用双面生长的方法外延制备的In0.4Al0.6As(1.92eV)/InP(1.35 eV)/InGaAsP(1 eV)/In0.53Ga0.47As(0.6 eV)四结太阳能电池，能够有效地拓宽吸收光谱范围，增加各结子电池之间的电流匹配。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施方式。
Claims (13)
1.一种高效四结太阳能电池的制作方法，其包括如下步骤：
提供一双面抛光衬底，用于半导体外延生长；
在所述衬底正面形成第一子电池，其具有第一带隙；
在所述第一子电池上方形成渐变缓冲层，其具有大于第一带隙的第二带隙；
在所述的渐变缓冲层上方形成第二子电池；其具有大于第二带隙的第三带隙；
在所述衬底的背面形成第三子电池，其为倒装生长，具有小于第一带隙的第四带隙；
在所述的第三子电池的下方形成第四子电池，其为倒装生长，具有小于第四带隙的第五带隙；
在所述的第四子电池的下方外延形成背接触层。
2.根据权利要求1所述的一种高效四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述双面抛光衬底是p-InP衬底。
3.根据权利要求1所述的一种高效四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述双面抛光衬底的厚度小于或等于200微米。
4.根据权利要求1所述的一种高效四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：以衬底本身作为基区，在p型衬底正面注入n型离子形成发射区，构成所述第一子电池。
5.根据权利要求1所述的一种高效四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述渐变缓冲层为多层结构，其材料是InXGa1-XP。
6.根据权利要求1所述的一种高效四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述第一带隙为1.3~1.5 eV；所述第二带隙为1.5~1.8 eV；所述第三带隙为1.8~2 eV；所述第四带隙为0.9~1.2 eV；所述第五带隙为0.6~0.9 eV。
7.根据权利要求1所述的一种高效四结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述第二子电池由p型InAlAs基区和n型InAlAs发射区构成；所述第三子电池由p型InGaAsP基区和n型InGaAsP发射区构成；所述第三子电池由p型InGaAsP基区和n型InGaAsP构成；所述第四子电池由p型InGaAs基区和n型InGaAs发射区构成。
8.一种高效四结太阳能电池，其包括：
一双面抛光衬底；
第一子电池，由所述衬底正表面注入离子形成，具有一第一带隙；
渐变缓冲层，形成于第一子电池上方，具有一大于第一带隙的第二带隙；
第二子电池，形成于渐变缓冲层上方，具有一大于第二带隙的第三带隙；
第三子电池，倒装生长于所述衬底的背面，具有一小于第一带隙的第四带隙；
第四子电池，倒装生长于第三子电池下方，具有一小于第四带隙的第五带隙。
9.根据权利要求8所述的一种高效四结太阳能电池，其特征在于：所述双面抛光衬底是p-InP衬底。
10.根据权利要求8所述的一种高效四结太阳能电池，其特征在于：所述双面抛光衬底的厚度小于或等于200微米。
11.根据权利要求8所述的一种高效四结太阳能电池，其特征在于：所述渐变缓冲层为多层结构，其材料是InXGa1-XP。
12.根据权利要求8所述的一种高效四结太阳能电池，其特征在于：所述第一带隙为1.3~1.5 eV；所述第二带隙为1.5~1.8 eV；所述第三带隙为1.8~2 eV；所述第四带隙为0.9~1.2 eV；所述第五带隙为0.6~0.9 eV。
13.根据权利要求8所述的一种高效四结太阳能电池，其特征在于：所述第二子电池由p型InAlAs基区和n型InAlAs发射区构成；所述第三子电池由p型InGaAsP基区和n型InGaAsP发射区构成；所述第三子电池由p型InGaAsP基区和n型InGaAsP构成；所述第四子电池由p型InGaAs基区和n型InGaAs发射区构成。
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