CN102569476A - 三结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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王良均
丁杰
刘建庆
林桂江
毕京锋
蔡文必
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Abstract

本发明公开一种三结太阳能电池及其制备方法，其特征在于三结电池中的顶电池和中电池的背电场均采用AlxGa1-xAs/AlAs异质结结构。本发明可提高顶电池外延生长材料的禁带宽度（Eg），提高三结电池的开路电压（Voc），同时可增加顶电池和中电子基区光生载流子的收集，提高三结电池的短路电流（Isc），从而进一步提高三结电池的光电转化效率。

Description

三结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于化合物半导体太阳能电池领域，具体涉及一种三结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
高倍聚光光伏技术（CPV）是一种将太阳光通过菲涅尔透镜聚光透镜，将500倍乃至1000倍以上太阳能量的光聚焦到面积很小的电池芯片上实现发电的技术，用廉价的透镜取代昂贵的半导体材料，从而实现发电成本的降低，随着电池效率的进一步提升，随着CPV产业规模的扩大，原材料成本的进一步下降，高倍聚光太阳能发电技术在不久的将来将会实现平价发电。
作为第三代太阳能电池的高倍聚光三结太阳能电池是由三个不同带隙的半导体子电池通过隧穿结连接而成的，不同子电池吸收不同波段的太阳光谱，从而可以实现更宽波段范围的太阳光谱吸收，而传统的太阳能电池由于自身半导体材料特性的限制，只能吸收较窄波段范围的太阳光谱，因此三结太阳能电池的光电转化效率比硅太阳能电池高出很多。
2011年4月，美国Solar junction公司宣布其研制出世界最高效率的三结太阳能电池，在400倍聚光、大气光学质量AM1.5、25℃的测试条件下，5.5mmx5.5mm大小的 电池效率达到了43.5%。目前国际上聚光光伏(CPV)的主要生产商Spectrolab制备的InGaP/(In)GaAs/Ge三结电池效率在500倍聚光下为量产的平均效率达到39.8%。
由于三结太阳能电池材料禁带宽度组合的灵活性，相信在未来几年，随着电池结构设计的优化，随着外延生长技术的进一步发展，三结太阳能电池的效率将突破50%。
发明内容
本发明提供了一种三结太阳能电池及其制作，其在顶电池和中电池中采用AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场来提高电池的开路电压（Voc）和短路电流（Isc），从而进一步提高电池的光电转化效率。
根据本发明的一个方面，三结太阳能电池，包括：顶电池、中电池、底电池以及两个隧穿结，其特征在于：顶电池和中电池的背电场均采用AlxGa1-xAs/AlAs异质结结构。
优选地，所述顶电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs的Al组分x取值范围为：0.4≤x<1。
优选地，所述中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs的Al组分x取值范围为：0.2≤x<1。
优选地，所述顶电池及中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs的厚度为10~200nm。
优选地，所述顶电池及中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlAs的厚度为10~200nm。
优选地，所述顶电池及中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs掺杂浓度为1×1017～1×1019 /cm3。
优选地，所述顶电池及中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlAs的厚度为10~200nm。
优选地，所述顶电池及中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlAs掺杂浓度为1×1017～1×1019 /cm3。
根据本发明的一个方面，三结太阳能电池的制备方法，其包括下列步骤：AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场的三结太阳能电池外，包括下面步骤：提供Ge衬底上，通过P/As的扩散形成Ge底电池；在底电池之上外延生长GaAs隧穿结；在GaAs隧穿结上外延生长中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场（BSF）；在AlxGa1-xAs/AlAs背电场上外延生长(In)GaAs中电池；在中电池之上外延生长GaAs/AlGaAs隧穿结；在GaAs/AlGaAs隧穿结上外延生长顶电池的AlxGa1-xAs/AlAs；在AlxGa1-xAs/AlAs背电场上外延生长(Al)GaInP顶电池。
本发明技术效果体现在：在AlxGa1-xAs/AlAs 异质结背电场上外延生长的顶电池半导体材料(Al)GaInP具有更高的禁带宽度（Eg），由于三结电池的开路电压与材料的禁带宽度（Eg）成正比关系，因此三结电池的开路电压（Voc）得到提升；同时由于背电场为AlxGa1-xAs/AlAs异质结结构，可有效降低光生载流子的复合，增加顶电池和中电子基区光生载流子的收集，提高三结电池的短路电流（Isc）；由于Voc和Isc的提升，三结电池的光电转化效率进一步提高。
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。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
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是本发明涉及的一种高倍聚光多结太阳能电池侧面剖视图。
图中各层分别为：
100：底电池
101：p型Ge衬底
102：n型InGaP形核层
103：n型InGaAs缓冲层
200：中电池
210：中电池AlxGa1-xAs/AlAs背电场
211：中电池AlxGa1-xAs/AlAs背电场中的AlAs层
212：中电池AlxGa1-xAs/AlAs背电场中的AlGaAs层
220：p-(In)GaAs中电池基区
230：n-(In)GaAs中电池发射区
240：中电池的n-AlInP或n-GaInP窗口层
300：顶电池
310：顶电池AlxGa1-xAs/AlAs背电场
311：顶电池AlxGa1-xAs/AlAs背电场中的AlAs层
312：顶电池AlxGa1-xAs/AlAs背电场中的AlGaAs层
320：p-(Al)GaInP顶电池基区
330：n-(Al)GaInP顶电池发射区
340：顶电池的n-AlInP窗口层
410：GaAs隧穿结
420：(Al)GaAs/AlGaAs隧穿结
500：n-GaAs欧姆接触层。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
如图1所示，一种三结太阳能电池：包括顶电池300、中电池200、底电池100以及两个隧穿结410、420，顶电池和中电池的背电场均采用AlxGa1-xAs/AlAs异质结结构。对于各子电池的细节下面将结合制备方法进行详细描述。
本发明所公开的三结太阳能电池的制作方法，主要包括各子电池100、200、300及各子电池之间各层的形成工艺，具体制备工艺包括下面步骤。
首先，提供一p型Ge衬底101，通过P/As的扩散形成Ge底电池100。具体工艺如下：将p型Ge衬底放入载片盘，将载片盘传输至MOCVD 反应腔体，首先在450~650℃下预通PH3，通过P的扩散形成Ge底电池的发射区，然后在650~750℃下脱氧10分钟。
下一步，在Ge底电池100上形成n型Ga0.5In0.5P形核层102和n型In0.01Ga0.99As缓冲层103。其具体外延生长条件为：外延生长温度为550~650℃，五三族源摩尔流量比为10~100。形核层102的厚度为5nm~100nm，缓冲层103的厚度为0.5μm~2μm。
下一步，在n型Ga0.5In0.5P形核层102上形成GaAs隧穿结410。
下一步，在GaAs隧穿结410上外延生长中电池200，其至下而上包括：背电场210、基区220、发射区230、窗口层240。背电场210采用AlxGa1-xAs/AlAs异质结结构，其中AlxGa1-xAs层211的Al组分控制在0.2≤x<1，厚度为10~200nm；AlAs层212的厚度为10~200nm，AlxGa1-xAs层211及AlAs层212的掺杂浓度为1×1017～1×1019 /cm3。基区220的材料为p型(In)GaAs，厚度为2μm~5μm。发射区230的材料为n型(In)GaAs，厚度为50nm~500nm。窗口层240的材料为n型AlInP或GaInP，厚度为10nm~100nm。
下一步，在中电池200的顶部外延生长(Al)GaAs/AlGaAs 隧穿结420。
下一步，在(Al)GaAs/AlGaAs 隧穿结420上延长生长顶电池300，其至下而上包括背电场310、基区320、发射区330、窗口层340。背电场310采用AlxGa1-xAs/AlAs异质结结构，其中AlxGa1-xAs层311的Al组分控制在0.4≤x<1，厚度为10~200nm；AlAs层312的厚度为10~200nm ；AlxGa1-xAs层311及AlAs层312掺杂浓度为1×1017～1×1019 /cm3。基区320的材料p型(Al)GaInP，厚度为0.5μm~1.5μm。发射区330的材料为n型(Al)GaInP，厚度为50nm~300nm。窗口层340的材料为n型AlInP窗口层，厚度为10nm~100nm。
下一步，在顶电池300上外延生长n型GaAs欧姆接触层500，构成三结太阳能电池。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

Claims (10)

1.三结太阳能电池，包含：顶电池、中电池、底电池以及两个隧穿结，其特征在于：顶电池和中电池的背电场均为AlxGa1-xAs/AlAs异质结结构。
2.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述顶电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs的Al组分x取值范围为：0.4≤x<1。
3.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs的Al组分x取值范围为：0.2≤x<1。
4.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述顶电池及中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs的厚度为10~200nm。
5.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述顶电池及中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlAs的厚度为10~200nm。
6.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述顶电池及中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs掺杂浓度为1×1017～1×1019 /cm3。
7.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述顶电池及中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlAs掺杂浓度为1×1017～1×1019 /cm3。
8.三结薄膜太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：
提供Ge衬底，通过P/As的扩散形成Ge底电池；
在底电池之上外延生长GaAs隧穿结；
在GaAs隧穿结上外延生长中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场；
在AlxGa1-xAs/AlAs背电场上外延生长(In)GaAs中电池；
在中电池之上外延生长GaAs/AlGaAs隧穿结；
在GaAs/AlGaAs隧穿结上外延生长顶电池的AlxGa1-xAs/AlAs；
在AlxGa1-xAs/AlAs背电场上外延生长(Al)GaInP顶电池。
9.根据权利要求8所述的三结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述顶电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs的Al组分x取值范围为：0.4≤x<1。
10.根据权利要求8所述的三结太阳能电池的制作方法，所述中电池的AlxGa1-xAs/AlAs异质结背电场中AlxGa1-xAs的Al组分x取值范围为：0.2≤x<1。
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