CN102637775A - 三结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三结太阳能电池及其制备方法。制备艺如下：提供一p型Si衬底；在其上方扩散法形成第一子电池，具有一第一带隙；在第一子电池上方外延生长组分渐变的GaAs x P 1-x 渐变缓冲层，具有大于第一带隙的第二带隙；在渐变缓冲层上方形成GaAsP第二子电池，有大于第一带隙的第三带隙；在第二子电池的上方形成InGaP第三子电池，具有大于第三带隙的第四带隙，其晶格常数与第二子电池匹配。通过同时调节GaAs x P 1-x 第二子电池和In y Ga 1-y P第三子电池中As和P的组分x 、 y，可以实现两结电池在晶格匹配的情况下，带隙组合的多样性，此举大大拓宽了多结太阳能电池的选择空间。

Description

三结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种三结太阳能电池及其制作方法，属半导体材料技术领域。
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。虽然在大规模应用和工业生产中硅基太阳能电池占据主导地位，然而单结太阳电池只能吸收特定光谱范围的太阳光，其转换效率不高。如果用不同带隙宽度Eg的材料制备成多结太阳电池，并将这些材料按Eg大小从上到下叠合起来，就构成多结叠层太阳电池。让它们分别选择性地吸收和转换太阳光谱的不同子域，就可以大幅度提高太阳电池的光电转换效率。
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体基多结太阳电池以其同时具有耐高温性能、抗辐射能力强、温度特性好等优点，早已经成为空间光伏电源的主流技术。
但是，目前用于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳电池的衬底材料主要都是锗单晶片和砷化镓单晶片，其都是价格昂贵的稀有材料，从而极大地影响了聚光太阳电池的成本，并从原材料上制约了其大规模应用。因此，为使得多结太阳能电池能同第一、二代太阳能电池，乃至与传统能源形成有力竞争，必须发展低成本、高效率的新型多结太阳能电池。在这种情况下采用Si衬底取代Ge衬底能够实现低成本高效率太阳能电池的愿望。由于Si原材料丰富，生产技术成熟，采用Si衬底不但可使得多结太阳能电池的原材料成本大幅度降低（6英寸Ge衬底价格约为同尺寸Si衬底的10倍）；同时，还可以将多结太阳能电池和相对成熟的Si处理技术相结合；另外，Si的密度较小，可以减轻整个电池的重量，将有利于多结太阳能电池的航天航空应用。
发明内容
本发明旨在提供一种采用Si衬底的高效三结太阳能电池及其制备方法。采用Si衬底不但使得多结太阳能电池的原材料成本大幅度降低，还可以将多结太阳能电池和相对成熟的Si处理技术相结合，对于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体基多结太阳电池的应用推广意义重大。
根据本发明的一个方面，一种三结太阳能电池的其制备方法，其具体步骤包括：
1)  提供一p型Si衬底，用于半导体外延生长；
2)  在所述Si衬底上方通过扩散法形成n型区域，作为发射区，衬底本身作为基区，从而形成第一子电池，其具有第一带隙；
3)  在所述第一子电池上方外延生长GaAs x P 1-x 渐变缓冲层，其为组分渐变的多层结构， x变化范围为0.05~0.95，其具有大于第一带隙的第二带隙；
4)  在所述的GaAs x P 1-x 渐变缓冲层上方形成GaAsP第二子电池，其具有大于第一带隙的第三带隙，其晶格常数与所述渐变缓冲层的终止层匹配；
5)  在所述第二子电池的上方形成InGaP第三子电池，其具有大于第三带隙的第四带隙，其晶格常数与所述第二子电池匹配。
根据本发明的另一个方面，一种三结太阳能电池，其包括：第一子电池，由Si基电池构成，具有一第一带隙；GaAs x P 1-x 渐变缓冲层，形成于所述第一子电池之上，其为组分渐变的多层结构，x变化范围为0.05~0.95，具有大于第一带隙的第二带隙；第二子电池，形成于所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层上方，其由GaAsP构成，具有大于第一带隙的第三带隙，晶格常数与所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层终止层匹配；第三子电池，形成于所述第二子电池上方，其由InGaP构成，具有大于第三带隙的第四带隙，晶格常数与第二子电池匹配。
上述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层，其晶格常数 a GaAsP 随As组分的变化关系符合Vergard定理，计算公式如下（单位?）：a GaAsP =5.4505 + 0.20275x As    。
在本发明中，所述第一子电池的带隙优选为1.11 eV。所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层的晶格常数变化范围是 5.43~5.51?，带隙变化范围是1.54~2.62 eV，包括GaAs x P 1-x 晶格渐变层、GaAs应力平衡层和GaAsxP1-x目标晶格层。其中所述GaAs x P 1-x 晶格渐变层中As组分的变化范围为0.05~0.95，并逐步增大；GaAs应力平衡层位于所述GaAs x P 1-x 晶格渐变层上方；GaAsxP1-x目标晶格层为GaAs x P 1-x 渐变缓冲层的终止层，其位于所述GaAs应力平衡层上方，且晶格常数小于所述GaAs应力平衡层。所述第二子电池由GaAsP构成，通过As组分变化，调节带隙至1.40~1.60 eV，其晶格常数与所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层终止层匹配，但是小于GaAs的晶格常数。所述第三子电池由In y Ga 1-y P构成，通过In组分变化，调节带隙至1.90~2.20 eV，其晶格常数与第二子电池匹配。
本发明的创新点在于：1）采用Si衬底取代价格昂贵的Ge或者GaAs衬底大大降低了电池成本。2）采用GaAs x P 1-x 材料作为渐变缓冲层能够克服底电池Si (5.4309 ?)和中电池GaAsP (5.43~5.51?：根据不同的As和P配比)之间的晶格失配，有效降低了位错密度。特别地，本发明中GaAs x P 1-x 渐变缓冲层为多层结构，x变化范围为0.05~0.95，其晶格常数变化范围是 5.43~5.51?，带隙变化范围是1.54~2.62 eV，通过组分增大，晶格常数逐渐增大，次终止层是GaAs应力平衡层，应力得到缓慢释放，克服第一二子电池之间的晶格失配。3）通过同时调节GaAs x P 1-x 第二子电池和In y Ga 1-y P第三子电池中As和P的组分x、y，可以实现两结电池在晶格匹配的情况下，带隙组合的多样性（图1黑色实线范围是第二、三子电池带隙许可范围），大大拓宽了多结太阳能电池的选择空间，可以根据实际需求（地面或者太空），挑选带隙组合，获得电流匹配的高效太阳能电池。
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。 
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 是半导体材料晶格常数与带隙关系图。
图2 是根据本发明优选实施的三结太阳能电池的结构示意图。
图3是图2所示的三结太阳能电池中GaAs x P 1-x 渐变缓冲层的结构示意图。
图中各标号表示：
100：第一子电池；110：p型Si衬底；120：第一子电池窗口层；200：第二子电池（GaAsP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（InGaP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；401：第一、二子电池隧穿结；402：第二、三子电池隧穿结；500：GaAs x P 1-x 渐变缓冲层；510：GaAs x P 1-x 晶格渐变层；520：GaAs应力平衡层；530：GaAsxP1-x目标晶格层；600：高掺杂盖帽层。
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。 
一种三结太阳能电池的制备方法，包括下面步骤：
首先，在MOCVD系统中，选用p型Si衬底110，其掺杂浓度为2×1017cm-3 ~ 5×1017cm-3，作为第一子电池基区。在衬底表面通过扩散法获得n型发射区从而获得第一子电池，其带隙为1.11 eV，发射区厚度优选值为100 nm；在发射区上面生长n型InGaP窗口层110，其厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在第一子电池100上外延生长GaAs x P 1-x 渐变缓冲层500。具体如下：首先沉积一系列As组分逐步增大的GaAs x P 1-x 材料层作为GaAs x P 1-x 晶格渐变层510，变化范围为0.05~0.95；接着沉积一层GaAs材料层作为应力平衡层520，厚度大于前面的渐变层的厚度；最后再沉积一层GaAs x P 1-x 材料层作为GaAsxP1-x目标晶格层530，该层的晶格常数小于GaAs的晶格常数，厚度可和前面的渐变层的厚度相同。
下一步，在GaAs x P 1-x 渐变缓冲层500上方生长重掺杂的p++/n++-InGaP隧穿结401，其总厚度是50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3。
下一步，隧穿结401上方形成第二子电池200。具体工艺：首先，在隧穿结401上方外延生长p-AlGaInP材料层作为背场层210，厚度为50 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3；接着，在背场层210上方生长p-GaAs0.90P0.10 材料层作为基区220，带隙为1.60 eV，厚度为3微米，采用渐变掺杂方式，浓度1~5×1017cm-3；然后，在基区220上方生长n+- GaAs0.90P0.10材料层作为发射区230，其厚度为100 nm，掺杂浓度大约2×1018cm-3；最后，在发射区230上面生长n型InAlP材料层作为窗口层240，其厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在第二子电池200上方生长重掺杂的P++/n++-InGaAsP隧穿结402，其厚度为50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3。
下一步，在隧穿结402上方外延生长第三子电池300。具体工艺：首先，在隧穿结402上方外延生长p+-AlInP材料层作为背场层310，厚度为40 nm，掺杂浓度大约1×1018cm-3；接着，在背场层310上方生长p+-In0.37Ga0.63P材料层作为基区320，厚度为2微米，掺杂浓度为5×1017cm-3；然后，在基区320上方生长n+-In0.37Ga0.63P材料层作为发射区330，厚度为200 nm，掺杂浓度高达2×1018cm-3，最后，在发射区330上方生长n型InAlP材料层作为窗口层340，厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在第三子电池300的上方覆盖一层重掺杂n++-InGaP盖帽层600，厚度为1000 nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
当样品外延结束后，在其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。
如图2所示，依据上述方法制备的一种三结太阳能电池，包括：Si基第一子电池100，GaAsP第二子电池200，InGaP第三子电池300及GaAs x P 1-x 渐变缓冲层500，各个子电池通过隧穿结401、402连接起来。
其中，Si基第一子电池100以p型Si衬底为基底，通过扩散法在衬底上方形成n型区域作为发射区，其带隙1.11 eV。GaAs x P 1-x 渐变缓冲层500位于Si基子电池与GaAsP子电池之间，克服两结子电池之间的晶格失配。GaAs x P 1-x 渐变缓冲层500为组分渐变的多层结构，晶格常数变化范围是5.43~5.51?，带隙变化范围是1.54~2.62 eV，在接近Si电池的一端，由一系列As组分逐步增大的GaAs x P 1-x 晶格渐变层510构成，变化范围为0.05~0.95；在晶格渐变层510上方为GaAs应力平衡层520，厚度大约在500 nm左右，在GaAs应力平衡层520上方为晶格常数小于GaAs晶格常数的GaAs x P 1-x 目标晶格层530，作为渐变缓冲层500的终止层。GaAs应力平衡层520平衡了上、下材料叠层产生的应力。在本发明的一个优选实施例中，如图3所示，GaAs x P 1-x 渐变缓冲层500共为8层，分别为GaAs0.15P0.85、GaAs0.30P0.70、GaAs0.40P0.60、GaAs0.55P0.45、GaAs0.70P0.30、GaAs0.85P0.15、GaAs、GaAs0.90P0.10，掺杂浓度约为1×1018cm-3。其中，前6层为GaAs x P 1-x 晶格渐变层510，每层厚度为250 nm，第7层为GaAs应力平衡层520，其厚度优选值为500 nm，第8层为GaAs x P 1-x 目标晶格层530。GaAsP子电池200通过As组分变化，调节带隙至1.40~1.60 eV，晶格常数和GaAs x P 1-x 渐变缓冲层终止层匹配。InGaP子电池300通过In组分变化，调节带隙至1.90~2.20 eV，晶格常数与GaAsP子电池200匹配。在本发明的一个优选实施例中，选用GaAs0.90P0.10作为第二子电池PN结的材料，带隙为1.60 eV，选用In0.37Ga0.63P作为第三子电池PN结的材料。
通过同时调节GaAs x P 1-x 第二子电池和In y Ga 1-y P第三子电池中As和P的组分x、y，可以实现两结电池在晶格匹配的情况下，带隙组合的多样性。图1实线范围是第二、三子电池带隙许可范围，在实际应用中，一般第二子电池的带隙1.40~1.60 eV，第三子电池的带隙1.90~2.20 eV。
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 (12)

1.三结太阳能电池的制备方法，包括步骤：
提供一p型Si衬底，用于半导体外延生长；
在所述Si衬底上方通过扩散法形成n型区域，作为发射区，衬底本身作为基区，从而形成第一子电池，其具有第一带隙；
在所述第一子电池上方外延生长GaAs x P 1-x 渐变缓冲层，其为组分渐变的多层结构，x变化范围为0.05~0.95，其具有大于第一带隙的第二带隙；
在所述的GaAs x P 1-x 渐变缓冲层上方形成GaAsP第二子电池，其具有大于第一带隙的第三带隙，其晶格常数与所述渐变缓冲层的终止层匹配；
在所述第二子电池的上方形成InGaP第三子电池，其具有大于第三带隙的第四带隙，其晶格常数与所述第二子电池匹配。
2.根据权利要求1所述的三结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述第一子电池的带隙为1.11 eV。
3.根据权利要求1所述的三结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层包括GaAs x P 1-x 晶格渐变层、GaAs应力平衡层和GaAsxP1-xx目标晶格层，其中所述GaAs x P 1-x 晶格渐变层中As组分的变化范围为0.05~0.95，并逐步增大；GaAs应力平衡层位于所述GaAs x P 1-x 晶格渐变层上方；GaAsxP1-x目标晶格层为GaAs x P 1-x 渐变缓冲层的终止层，其位于所述GaAs应力平衡层上方，且晶格常数小于所述GaAs应力平衡层。
4.根据权利要求3所述的三结太阳能电池的制备方法，其特征在于：根据所述GaAsxP1-x目标晶格层的晶格常数确定所述GaAs应力平衡层的厚度。
5.根据权利要求1所述三结太阳能电池的制备方法，所述第二子电池由GaAsP构成，通过As组分变化，调节带隙至1.40~1.60 eV，其晶格常数与所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层终止层匹配，但是小于GaAs的晶格常数。
6.根据权利要求1所述的三结太阳能电池的制备方法，所述第三子电池由In y Ga 1-y P构成，通过In组分变化，调节带隙至1.90~2.20 eV，其晶格常数与第二子电池匹配。
7.三结太阳能电池，其包括：
第一子电池，由Si基电池构成，具有一第一带隙；
GaAs x P 1-x 渐变缓冲层，形成于所述第一子电池之上，其为组分渐变的多层结构，x变化范围为0.05~0.95，具有大于第一带隙的第二带隙；
第二子电池，形成于所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层上方，其由GaAsP构成，具有大于第一带隙的第三带隙，晶格常数与所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层终止层匹配；
第三子电池，形成于所述第二子电池上方，其由InGaP构成，具有大于第三带隙的第四带隙，晶格常数与第二子电池匹配。
8.根据权利要求7所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层的晶格常数变化范围是 5.43~5.51?，带隙变化范围是1.54~2.62 eV。
9.根据权利要求7所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs x P 1-x 渐变缓冲层包括GaAs x P 1-x 晶格渐变层、GaAs应力平衡层和GaAsxP1-xx目标晶格层，其中所述GaAs x P 1-x 晶格渐变层中As组分的变化范围为0.05~0.95，并逐步增大；GaAs应力平衡层位于所述GaAs x P 1-x 晶格渐变层上方；GaAsxP1-xx目标晶格层为GaAs x P 1-x 渐变缓冲层的终止层，其位于所述GaAs应力平衡层上方，且晶格常数小于所述GaAs应力平衡层。
10.根据权利要求8所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs应力平衡层的厚度根据GaAsxP1-x目标晶格层的晶格常数的大小进行调整。
11.根据权利要求7所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述第二子电池的带隙范围为1.40~1.60 eV。
12.根据权利要求7所述的三结太阳能电池，其特征在于：所述第三子电池InGaP构成，其带隙范围为1.90~2.20 eV。
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