CN102623524A - 一种半导体太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体太阳能电池，包括由至少一个子电池层组成的有源层，所述子电池层从上至下依次包括窗口层、发射区、基区及背场层；所述发射区及基区之间引入一半导体耗尽区；所述耗尽区组分的带隙宽度大于发射区、基区组分的带隙宽度。本发明还提供这种半导体太阳能电池的制作方法。通过在子电池层的发射区和基区之间插入宽带隙半导体组成的耗尽区来增强内建电场，不仅提高了对光生载流子的收集能力，而且减少了这一区域对有效光子的吸收，实现了在保持开路电压不变的情况下增加短路电流，从而实现更高的转换效率。

Description

一种半导体太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明属于太阳能电池光伏技术领域，尤其是指一种半导体异质结太阳能电池结构及其制作方法。
背景技术
石油、煤炭等常规能源的日益短缺及对其过度开发所导致的地球生态问题是人类21世纪所面临的最大的挑战。太阳能高效发电技术作为一种清洁的、可再生能源利用技术不断取得突破。晶体硅太阳电池、非晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、IIIA-VA族化合物半导体太阳电池、IIA-VIA族化合物半导体多晶薄膜太阳电池等越来越多的太阳电池技术日趋成熟。光电转换效率的不断提高及制造成本的持续降低，使得光伏技术在空间和地面都得到了广泛的应用。
随着在太阳电池技术领域水平的不断提高，人们提出了由多个子电池组成的高效多结太阳能电池。在相同的光照条件下，每个子电池产生的电流要相等才能达到最高的转换效率。然而要满足以上要求，必须折中考虑每个子电池的最优结构设计和产生的电流量。一般来讲，通过调整子电池基区材料的组分来增加子电池的电流会降低其开路电压。比如，子电池中采用较低带隙的半导体材料可以产生较大的电流，但是开路电压会明显降低。因为电池的转换效率同时与开路电压和短路电流有关，所以通过改变子电池中基区材料组分的方法来使各个子电池间电流匹配会降低单个子电池的转换效率，所以还需要更深入地研究，以便找出更好的解决办法。
传统IIIA-VA族半导体太阳能电池利用N区和P区接触产生的耗尽区内建电场来驱动光生载流子运动，但是由于光生载流子在耗尽区的复合比在体材料中严重，如何减少耗尽区对光子的吸收，同时增强内建电场来加速光生载流子的运动成为学者研究的课题。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种半导体太阳能电池，包括由至少一个子电池层组成的有源层，所述子电池层从上至下依次包括窗口层、发射区、基区及背场层，所述发射区及基区之间引入一耗尽区；所述耗尽区组分的带隙宽度大于发射区、基区组分的带隙宽度。
其中，所述耗尽区组分的带隙宽度比发射区、基区组分的带隙宽度大。
所述发射区组分的带隙宽度不小于所述基区组分的带隙宽度。
耗尽区的宽度由基区和发射区的性质而定，可通过公式计算获得，所述耗尽区的厚度一般不超过其宽度，因此耗尽区的厚度为0.1～1微米。
更进一步地，所述基区与发射区的掺杂类型相反。
其中，所述基区的厚度为0.1～10微米；所述发射区的厚度为0.01～0.1微米。
所述耗尽区包括p型掺杂区和n型掺杂区，p型掺杂区和n型掺杂区分别与掺杂类型相同的基区或发射区相邻，成为基区或发射区的一部分。
所述基区、发射区和耗尽区的制作材料为AlInP、AlGaInP、GaInP、GaAs、GaInAs、InGaAsP或者InP中一种或多种。
本发明还提供这种半导体太阳能电池的制作方法，包括以下步骤；
步骤一：在衬底上外延生长背场层，然后在所述背场层上生长掺杂的基区；
步骤二：在所述基区上生长耗尽区；所述耗尽区组分的带隙宽度大于所述基区的带隙宽度；
步骤三：在所述耗尽区上生长与所述基区掺杂类型相反的发射区；所述发射区组分的带隙宽度小于耗尽区组分的带隙宽度，所述发射区组分的带隙宽度不小于所述基区组分的带隙宽度；
步骤四：在所述发射区上生长窗口层；在此完成所述太阳能电池一子电池层的制作；由至少一个所述子电池层组成所述太阳能电池的有源层，在所述有源层的窗口层上制作抗反膜和正面欧姆接触电极；在所述有源层背面制作背面欧姆接触电极。
其中，所述耗尽区组分的带隙宽度比发射区、基区组分的带隙宽度大。
耗尽区的宽度由基区和发射区的性质而定，可通过公式计算获得，所述耗尽区的厚度一般不超过其宽度，因此耗尽区的厚度为0.1～1微米。
更进一步，所述基区与发射区的掺杂类型相反。
其中，所述基区的厚度为0.1～10微米；所述发射区的厚度为0.01～0.1微米。
所述耗尽区包括p型掺杂区和n型掺杂区，p型掺杂区和n型掺杂区分别与掺杂类型相同的基区或发射区相邻，成为基区或发射区的一部分。
所述基区、发射区和耗尽区的制作材料为AlInP、AlGaInP、GaInP、GaAs、GaInAs、InGaAsP或者InP中一种或多种。
在本发明中，通过在子电池层的发射区和基区之间插入宽带隙半导体组成耗尽区来增强内建电场，不仅提高了对光生载流子收集能力，而且减少了这一区域对有效光子的吸收，实现了在保持开路电压不变的情况下增加短路电流，从而实现更高的转换效率。
附图说明
图1a为本发明实施例半导体太阳能电池的结构示意图。
图1b为本发明实施例半导体太阳能电池一子电池层的结构示意图。
图1c为本发明实施例半导体太阳能电池另一子电池层的结构示意图。
图2a为本发明实施例5的半导体太阳能电池的结构示意图。
图2b为本发明实施例5的半导体太阳能电池的顶电池层结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合本发明具体实施例，详细说明如下：
实施例1
如图1a所示，本实施例的半导体太阳能电池，从上至下依次为正面欧姆接触电极150以及抗反膜140、有源层120、背面欧姆接触电极130。当放置于太阳光照下，电池有源层120能产生一定的光电压。其中，有源层120由一个子电池层110组成，每个子电池层110从上至下为窗口层115、发射区114、耗尽区113、基区111和背场层112，如图1b所示。所述窗口层115及背场层112用于减少光生载流子的表面复合。
下面介绍这种半导体太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：采用金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)或分子束外延(MBE)在衬底上外延生长背场层112，然后在所述背场层112上生长掺杂的基区111。基区111由具有一定带隙宽度的半导体材料组成。在本实施例中，采用IIIA-VA族化合物半导体材料GaInP制作成p型掺杂的基区111，掺杂浓度为5×1017cm-3，厚度为1微米，带隙宽度为1.89eV。
步骤二：在所述基区111上生长耗尽区113。所述耗尽区113组分不同于基区111，且耗尽区113宽度取决于基区111和发射区114半导体的性质。本实施例中耗尽区113带隙宽度比基区111组分的带隙宽度要大，其掺杂类型与基区111相同，均为p型掺杂，这样耗尽区113可成为基区111的一部分。在本实施例中，耗尽区113的组分为宽带隙半导体AlGaInP，带隙宽度为1.95eV，厚度是0.5微米，p型掺杂浓度为1×1016cm-3。
步骤三：在耗尽区113上生长与基区111掺杂类型相反的发射区114；所述发射区114组分的带隙宽度小于耗尽区113组分的带隙宽度，所述发射区114组分的带隙宽度等于所述基区111组分的带隙宽度。
在本实例中，发射区114的为半导体GaInP，带隙宽度是1.89eV，厚度是0.05微米，n型掺杂浓度为5×1018cm-3。
发射区114的组分与基区111的组分相同，具有相同的带隙宽度，但两者的掺杂类型不同。在其他实施例中，发射区114与基区111的组分可以是不同的，发射区114组分的带隙宽度大于基区111组分的带隙宽度。
步骤四：在所述发射区114上生长窗口层115；在此完成所述太阳能电池一子电池层110的制作。由至少一个所述子电池层110组成所述太阳能电池的有源层120。
在所述有源层120的窗口层115上制作抗反膜140和正面欧姆接触电极150；在所述有源层120的背场层112背面制作背面欧姆接触电极130。此时完成本实施例半导体太阳能电池的制作。
传统IIIA-VA族半导体子电池层110由掺杂类型相反的发射区114和基区111接触形成p-n结，产生具有一定宽度的内建电场来驱动光生载流子运动，内建电场主要存在于耗尽区113。但该耗尽区并非这种太阳能电池的实际组成结构。而本实施例中用宽带隙半导体制作一层耗尽区113，使得子电池层110中引入一实际存在的耗尽区113，从而增强内建电场的强度，不仅提高了对光生载流子收集能力，更加有效地抑制光生载流子的复合，而且减少了这一区域对有效光子的吸收，实现了在保持开路电压不变的情况下增加短路电流，从而实现更高的转换效率。
实施例2
本实施例与实施例1的太阳能电池结构不同之处在于，所述子电池层110的耗尽区113是发射区114的一部分，组分为AlGaInP，带隙宽度在为1.95eV，厚度是0.02微米，n型掺杂浓度为7×1018cm-3。发射区114带隙宽度为1.89eV，基区112的带隙宽度为1.89eV，发射区114带隙宽度等于基区112的带隙宽度。其余制作步骤参照实施例1所示。
实施例3
本实施例与实施例1的太阳能电池结构不同之处在于，所述子电池层110的发射区114带隙宽度为1.89eV，基区112的带隙宽度为1.80eV，发射区114带隙宽度大于基区112的带隙宽度。耗尽区113组分为AlGaInP，带隙宽度在为1.95eV，厚度是0.02微米，n型掺杂浓度为7×1018cm-3。其余制作步骤参照实施例1所示。
实施例4
本实施例与实施例1的太阳能电池结构不同之处在于，所述子电池层110的耗尽区113一分为二，分为n型掺杂区113b及p型掺杂区113a，如图1c所示。
本实施例耗尽区113的p型掺杂区113a与基区111相邻，两掺杂类型相同，因此p型掺杂区113a成为基区111的一部分。所述p型掺杂区113a组分为AlGaInP，带隙宽度在1.95eV，厚度是0.5微米，p型掺杂浓度为1×1016cm-3。。
耗尽区113的n型掺杂区113b与发射区114相邻，两掺杂类型相同，因此n型掺杂区113b成为发射区114的一部分。所述n型掺杂区113b组分为AlGaInP，带隙宽度在1.95eV，厚度是0.02微米，n型掺杂浓度为7×1018cm-3cm-3。
实施例5
如图2a所示，本实施与实施例1的不同之处在于，半导体太阳能电池的有源层220由三个子电池层组成，从上至下分别为顶电池层260、中间电池层270及底电池层280，每个子电池之间利用隧穿结连接。每个子电池层结构与实施例1的子电池层110结构一致。以其中的顶电池层260为例，如图2b所示，顶电池层260从上至下依次为窗口层215、发射区214，、基区211和背场层212，在发射区214和基区211之间引入一耗尽区213，成为顶电池层260的重要组成部分之一。
该半导体太阳能电池的制作方法为从下至上、依次生长每个子电池层的每一组成区，直到完成顶电池层260的制作后才制作抗反膜240、正面欧姆接触电极250和背面欧姆接触电极230。
在其他实施例中，保证子电池层110耗尽区113组分的带隙宽度比发射区114、基区111组分的带隙宽度大；所述发射区114组分的带隙宽度不小于所述基区111组分的带隙宽度；所述耗尽区113的厚度为0.1～1微米；基区111的厚度为0.1～10微米，发射区114的厚度为0.01～0.1微米之间。IIIA-VA族化合物半导体材料还可以采用GaAs，GaInAs，InGaAsP或者InP等。
以上实施例均可以达到本发明的目的。
综上所述，是对本发明具体实施例的详细描述，对本案保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方法，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (15)

1.一种半导体太阳能电池，包括由至少一个子电池层(110)组成的有源层(120)，所述子电池层(110)从上至下依次包括窗口层(115)、发射区(114)、基区(111)及背场层(112)，其特征在于，所述发射区(114)及基区(111)之间引入一耗尽区(113)；所述耗尽区(113)组分的带隙宽度大于发射区(114)、基区(111)组分的带隙宽度。
2.根据权利要求1所述的半导体太阳能电池，其特征在于，所述耗尽区(113)组分的带隙宽度比发射区(114)、基区(111)组分的带隙宽度大。
3.根据权利要求1所述的半导体太阳能电池，其特征在于，所述发射区(114)组分的带隙宽度不小于所述基区(111)组分的带隙宽度。
4.根据权利要求2所述的半导体太阳能电池，其特征在于，所述耗尽区(113)的厚度为0.1～1微米。
5.根据权利要求3所述的半导体太阳能电池，其特征在于，所述基区(111)与发射区(114)的掺杂类型相反。
6.根据权利要求1～5任一项所述的半导体太阳能电池，其特征在于，所述耗尽区(113)包括p型掺杂区(113a)和/或n型掺杂区(113b)；所述p型掺杂区(113a)或n型掺杂区(113b)与掺杂类型相同的基区(111)或发射区(114)相邻。
7.根据权利要求5所述的半导体太阳能电池，其特征在于，所述基区(111)的厚度为0.1～10微米；所述发射区(114)的厚度为0.01～0.1微米。
8.根据权利要求1所述半导体太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述基区(111)、发射区(114)和耗尽区(113)的制作材料为AlInP、AlGaInP、GaInP、GaAs、GaInAs、InGaAsP或者InP中一种或多种。
9.根据权利要求1所述一种半导体太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一：在衬底上外延生长背场层(112)，然后在所述背场层(112)上生长掺杂的基区(111)；
步骤二：在所述基区(111)上生长耗尽区(113)；所述耗尽区(113)组分的带隙宽度大于所述基区(111)的带隙宽度；
步骤三：在所述耗尽区(113)上生长与所述基区(111)掺杂类型相反的发射区(114)；所述发射区(114)组分的带隙宽度小于耗尽区(113)组分的带隙宽度，所述发射区(114)组分的带隙宽度不小于所述基区(111)组分的带隙宽度；
步骤四：在所述发射区(114)上生长窗口层(115)；在此完成所述太阳能电池一子电池层(110)的制作；由至少一个所述子电池层(110)组成所述太阳能电池的有源层(120)，在所述有源层(120)的窗口层(115)上制作抗反膜(140)和正面欧姆接触电极(150)；在所述有源层(120)背面制作背面欧姆接触电极(130)。
10.根据权利要求9所述半导体太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述耗尽区(113)组分的带隙宽度比发射区(114)、基区(111)组分的带隙宽度大。
11.根据权利要求10所述半导体太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述耗尽区(113)的厚度为0.1～1微米。
12.根据权利要求9所述半导体太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述基区(111)与发射区(114)的掺杂类型相反。
13.根据权利要求9～12任一项所述半导体太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述耗尽区(113)包括p型掺杂区(113a)和/或n型掺杂区(113b)；所述p型掺杂区(113a)或n型掺杂区(113b)与掺杂类型相同的基区(111)或发射区(114)相邻。
14.根据权利要求12所述半导体太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述基区(111)的厚度为0.1～10微米；所述发射区(114)的厚度为0.01～0.1微米。
15.根据权利要求8所述半导体太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述基区(111)、发射区(114)和耗尽区(113)的制作材料为AlInP、AlGaInP、GaInP、GaAs、GaInAs、InGaAsP或者InP中一种或多种。
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