CN102651418B - 三结级联太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三结级联太阳能电池，包括Si子电池，以及在所述Si子电池上依次生长的渐变过渡层、第一隧道结、GaAsP子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAsP接触层。本发明还提供一种如上述的三结级联太阳能电池的制备方法，包括步骤：(1)、制备Si子电池；(2)、在所述Si子电池上依次生长渐变过渡层、第一隧道结、GaAsP子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAsP接触层。

Description

三结级联太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及三结级联太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在太阳能电池领域，相比于占据大部分民用市场的单晶和多晶Si太阳能电池，成本较高的III-V族化合物半导体聚光多结电池由于可以通过合适的带隙组合，实现太阳光的宽光谱吸收，因此在转化效率上占有绝对的优势。近些年，高倍聚光技术的应用与发展，为降低其成本提供了一条有效的途径，并且聚光多结太阳能电池的光电转换效率已经超过40%，预期效率能达到45%-50%。但其衬底的高成本、机械性能差、面积小以及工艺集成度不高以及电池原材料成本等问题，依旧制约其在民用市场中的推广与发展。

社会经济发展动力和民用市场的大规模需求，使人们不断寻求聚光技术之外的降低电池成本、提高衬底机械性能、增大电池面积以及保持高效率的方法与途径。目前技术较为成熟、应用较多的GaInP/GaAs/Ge三结电池，在一个太阳下目前达到的最高转换效率为32%-33%。但是受晶格匹配的制约，该三结电池中Ge电池覆盖较宽的光谱，对应的太阳光谱的能量没有被充分转换利用，使其短路电流最大可达到另外两结电池的2倍。如果以Si代替Ge衬底制备带隙组合为1.96、1.48和1.1eV的三结太阳能电池，在实现电流匹配的同时可以获得更高的开路电压，从而可以进一步提高三结电池的转换效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供三结级联太阳能电池及其制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种三结级联太阳能电池包括Si子电池，以及在所述Si子电池上依次设置的渐变过渡层、第一隧道结、GaAsP子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAsP接触层。

所述Si子电池包含材料为P型Si的第一基区、N型Si的第一发射区和N型GaP的第一窗口层，所述第一发射区、第一窗口层依次按照逐渐远离第一基区方向设置。

所述渐变过渡层的材料为 GaAs_xP_1-x和Ga_yIn_1-yP中任意一种或两种的组合物，x的范围为0至1，y的范围为1至0.51，所述渐变过渡层的带隙大于GaAsP子电池的带隙。

所述第一隧道结、第二隧道结均包含依次按照逐渐远离Si子电池方向设置的GaInP层、(Al)GaAs层和材料为Al(Ga) InP的势垒层。

所述GaAsP子电池包含依次按照逐渐远离Si子电池方向设置的材料为GaAsP的第二基区、GaAsP的第二发射区和AlInP的第二窗口层。

所述GaInP子电池包含依次按照逐渐远离Si子电池方向设置的材料为GaInP的第三基区、GaInP的第三发射区和AlInP的第三窗口层。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种如上述的三结级联太阳能电池的制备方法，包括步骤：(1)、制备Si子电池；(2)、在所述Si子电池上依次生长渐变过渡层、第一隧道结、GaAsP子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAsP接触层。

所述步骤(1)进一步包括步骤：(11)、在P型Si衬底上采用扩散工艺形成N型Si的第一发射区；(12)、在所述第一发射区的裸露表面生长N型GaP的第一窗口层。

所述渐变过渡层采用As组分线性渐进的方法、As组分步进的方法、Ga组分线性渐进的方法和Ga组分步进的方法中任意一种或几种方法组合生长。

本发明提供三结级联太阳能电池及其制备方法，优点在于：

1.该GaInP/GaAsP/Si三结级联太阳能电池带隙组合为1.96 eV，1.48 eV，1.1 eV，各个子电池具有合理的带隙组合，使其电流匹配，可实现对太阳光谱的充分利用，提高了电池效率。

2.该三结级联太阳能电池中的Si衬底，成本低、机械强度高、晶片面积大等优点，可以降低高效多结太阳能电池的成本。

3.该三结级联太阳能电池只需经过一次生长过程，器件制作与标准电池工艺兼容，降低了电池的制作难度、从而克服现有太阳能电池研究方案中的不足。

附图说明

图1是本发明提供的三结级联太阳能电池的第一具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的三结级联太阳能电池第一具体实施例的产品结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的三结级联太阳能电池及其制备方法的具体实施方式做详细说明。

第一具体实施方式

图1所示为本发明所述三结级联太阳能电池的第一具体实施方式的结构示意图。

本实施方式提供一种材料为晶格异变法生长的GaInP/GaAsP/Si三结级联太阳能电池，一种三结级联太阳能电池包括Si子电池18，以及在所述Si子电池18上依次设置的渐变过渡层04、第一隧道结19、GaAsP子电池20、第二隧道结21、GaInP子电池22和GaAsP接触层17。三个子电池之间通过隧道结串联。

该三结级联太阳能电池采用Si单结电池作为基底生长GaInP/GaAsP双结电池。底层的Si子电池18为Si单结电池；顶层的GaInP子电池22和GaAsP子电池20组成的GaInP/GaAsP双结电池与Si晶格失配。上述Si单结电池和GaInP/GaAsP双结电池之间通过晶格异变生长渐变过渡层04的方式串联在一起。

所述GaInP子电池22、GaAsP子电池20和Si子电池18的带隙组合分别为1.96 eV、1.48 eV和1.1 eV。

所述Si子电池18包含材料为P型Si的第一基区01、N型Si的第一发射区02和N型GaP的第一窗口层03，所述第一发射区02、第一窗口层03依次按照逐渐远离第一基区01方向设置

GaAsP接触层17用于作为欧姆接触层。

作为优选实施方式，所述第一窗口层03中也可作为GaP过渡层，实现Si子电池18中的非极性材料Si到极性材料GaAsP的过渡。

所述渐变过渡层04的材料为GaAs_xP_1-x和Ga_yIn_1-yP中任意一种或两种的组合物，x的范围为0至1，y的范围为1至0.51，所述渐变过渡层04的带隙大于GaAsP子电池的带隙，即大于1.48eV，不会吸收Si子电池18的光谱。所述渐变过渡层04实现GaP晶格常数到GaAsP晶格常数的过渡。

所述第一隧道结19包含依次按照逐渐远离Si子电池18方向设置的第一GaInP层05、第一(Al)GaAs层06和材料为Al(Ga)InP的第一势垒层07。

其中，本申请中所出现的(Al)GaAs均为GaAs或AlGaAs之意；申请中所出现的Al(Ga)InP均为AlInP或AlGaInP之意。

所述GaAsP子电池20包含依次按照逐渐远离Si子电池18方向设置的材料为GaAsP的第二基区08、GaAsP的第二发射区09和AlInP的第二窗口层10。

所述第二隧道结21包含依次按照逐渐远离Si子电池18方向设置的第二GaInP层11、第二(Al)GaAs层12和材料为Al(Ga)InP的第二势垒层13。

所述GaInP子电池22包含依次按照逐渐远离Si子电池18方向设置的材料为GaInP的第三基区14、GaInP的第三发射区15和AlInP的第三窗口层16。

图2所示为本发明所述三结级联太阳能电池第一具体实施例的产品结构示意图。

如图2，所述GaInP/GaAsP/Si三结级联太阳能电池的产品，为在图1的结构基础上进一步包括上电极24、下电极23，分别位于接触层17的裸露表面上和Si子电池18的裸露表面上。

第二具体实施方式

本发明还提供一种如上述的三结级联太阳能电池的制备方法，包括步骤：(1)、制备Si子电池18；(2)、在所述Si子电池18上依次生长渐变过渡层04、第一隧道结19、GaAsP子电池20、第二隧道结21、GaInP子电池22和GaAsP接触层17。

所述步骤(1)进一步包括步骤：(11)、在P型Si衬底上采用扩散工艺形成N型Si的第一发射区02；(12)、在所述第一发射区02的裸露表面生长N型GaP的第一窗口层03。

所述P型Si衬底即为第一基区01。

步骤(2)所述生长采用MOCVD法或 MBE法生长。

作为可选实施方式，渐变过渡层04可以采用As组分线性渐进的方法、As组分步进的方法、Ga组分线性渐进的方法和Ga组分步进的方法中任意一种或几种方法组合生长使应力释放，抑制穿透位错到达有源区。

作为可选实施方式，Si子电池18和GaAsP子电池20之间首先生长渐变过渡层04然后生长第一隧道结19。

上述三结级联太阳能电池的制备方法，进一步包括制备上电极24、下电极23的制备步骤，所述上电极24的制备步骤为直接在所述接触层17的裸露表面上制备上电极24；所述下电极23的制备步骤为采用对所述Si子电池18的裸露表面上制备下电极23。

本实施方式中，采用晶格异变生长渐变过渡层04的方法释放应力，实现由Si子电池18到GaAsP子电池20的过渡。

作为可选实施方式，步骤(2)所述生长采用采用MOCVD法, 则所述N型掺杂的掺杂原子为Si、Se、S以及Te中任意一种，所述P型掺杂的掺杂原子为Zn、Mg以及C中任意一种。

作为可选实施方式，步骤(2)所述生长采用MBE法生长，则所述N型掺杂的掺杂原子为Si、Se、S、Sn以及Te中任意一种，所述P型掺杂的掺杂原子为Be、Mg以及C中任意一种。

接下来给出本发明的几个实施例。

实施例一

一种基于晶格异变法生长的GaInP/GaAsP/Si三结级联太阳能电池，结构如第一具体实施方式中的三结级联太阳能电池。

上述GaInP/GaAsP/Si三结级联太阳能电池的生长制备方法包括下列具体步骤：

(一) GaInP/GaAsP/Si三结级联太阳能电池的生长

(1)采用P型单晶Si衬底作为Si子电池18的第一基区01，经过引入N型杂质的扩散工艺形成PN结，其中N区作为Si子电池18的第一发射区02，在上述Si基PN结作为基底生长GaInP/GaAsP双结电池；

(2) 在Si电池N型层，即第一发射区02的裸露表面上依次按照逐渐远离Si子电池18的方向生长Si子电池18的第一窗口层03与渐变过渡层04；

(3) 在渐变过渡层04的裸露表面上生长第一隧道结19，包括沿逐渐远离Si子电池18的方向依次设置的重掺N型的第一GaInP层05、重掺P型的第一(Al)GaAs层06和P型第一Al(Ga)InP势垒层07；

(4) 在第一隧道结19的裸露表面上生长GaAsP子电池20；

(5) 在GaAsP子电池20的裸露表面上生长第二隧道结21，该隧道结包括沿逐渐远离Si子电池18的方向依次设置的重掺N型的第二GaInP层11，重掺P型的第二(Al)GaAs层12和P型第二Al(Ga)InP势垒层13；

(6) 在第二隧道结21的裸露表面上生长GaInP子电池22；

(7) 在GaInP子电池22的裸露表面上生长N型GaAsP接触层17作为欧姆接触层；

上述步骤的生长是指按照逐渐远离Si子电池18的方向依次生长。

步骤(2)至(7)中的生长采用MOCVD法或MBE法生长。

若采用MOCVD法，则N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；

若采用MBE法，则N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。

(二) 电极制备工艺

将生长的GaInP/GaAsP/Si三结级联太阳能电池在GaAsP接触层17和Si子电池上分别制备上电极24、下电极23，获得目标电池芯片。

实施例二

       如图1所示，该基于晶格异变生长方法生长的GaInP/GaAs/Si三结级联太阳能电池的制备方法包括下列步骤：

(一) 用单晶Si太阳能电池标准工艺制备PN结的Si子电池18：

P型单晶Si的第一基区01经过扩散工艺形成N型Si的第一发射区02;

(二) 用MOCVD方法生长GaInP/GaAsP/Si三结级联太阳能电池，其结构如图1所示：

 (1) 在第一发射区02上生长N型掺杂1×10¹⁸ cm^-3的0.2微米的GaP的第一窗口层03，也可作为GaP的过渡层，用于Si非极性材料与GaAsP极性材料的过渡；

(2) 在第一窗口层03上生长N型掺杂浓度约2×10¹⁷ cm^-3的4.6微米的GaAs_xP_1-x和/或Ga_yIn_1-yP的渐变过渡层04，用来实现GaP晶格常数到GaAsP晶格常数的过渡；

(3) 在渐变过渡层04上生长N型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3的0.02微米的第一GaInP层05，然后生长P型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3的0.02微米的第一(Al)GaAs层06，再生长P型掺杂浓度约1×10¹⁸ cm^-3的0.05微米的Al(Ga)InP作为P型层的第一势垒层07，从而形成第一隧道结19，其中第一势垒层07也可作为GaAsP子电池20的背场层，防止GaAsP子电池20的光生电子向下方扩散；

(4) 在第一隧道结19上生长P型掺杂浓度约1×10¹⁷ cm^-3的2.8微米的GaAsP层作为GaAsP子电池20的第二基区08，然后在第二基区08上生长N型掺杂浓度约2×10¹⁸ cm^-3的0.15微米的GaAsP层作为GaAsP子电池20的第二发射区09；

(5) 在第二发射区09上生长一层N型高掺杂的0.05微米的AlInP作为GaAsP子电池20的第二窗口层10，以减小光生载流子的复合，其中第二窗口层10也可作为第二隧道结21的势垒层；

(6) 在GaAsP子电池20上生长N型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3的0.015微米的第二GaInP层11，在第二GaInP层11上生长P型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3的0.015微米的第二(Al)GaAs层12，然后在第二(Al)GaAs层12上生长P型掺杂浓度约1×10¹⁸ cm^-3的0.05微米的Al(Ga)InP作为隧道结P型层的第二势垒层13，形成第二隧道结21，其中第二势垒层13也可作为GaInP子电池22的背场层，防止GaInP子电池22的光生电子向下扩散；

(7) 在第二隧道结21上生长P型掺杂浓度约为1×10¹⁷ cm^-3的0.5微米的GaInP作为GaInP子电池22的第三基区14，然后在第三基区14上生长N型掺杂浓度约为2×10¹⁸ cm^-3的0.2微米的GaInP作为GaInP子电池22的第三发射区15；

(8) 在GaInP子电池22上生长N型高掺杂的0.02微米的AlInP作为GaInP 22子电池的第三窗口层16，然后在第三窗口层16上生长N型掺杂浓度约为6×10¹⁸ cm^-3的0.5微米的GaAsP接触层17作为GaInP 22子电池的欧姆接触层。

(三) 制备工艺

在P型第一基区01和N型的GaAsP接触层17上分别制备P型下电极23、N型上电极24，获得所需的太阳能电池，其结构如附图2所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三结级联太阳能电池，其特征在于，包括Si子电池，以及在所述Si子电池上依次设置的渐变过渡层、第一隧道结、GaAsP子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAsP接触层，所述GaInP子电池、GaAsP子电池和Si子电池的带隙组合分别为1.96eV、1.48eV和1.1eV，所述GaInP子电池与所述GaAsP子电池晶格匹配，所述渐变过渡层的材料为GaAs_xP _1-x和Ga_yIn_1-yP中任意一种或两种的组合物，x的范围为0至1, y的范围为1至0.51，所述渐变过渡层的带隙大于GaAsP子电池的带隙，所述渐变过渡层实现GaP晶格常数到GaAsP晶格常数的过渡。

2.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述Si子电池包含材料为P型Si的第一基区、N型Si的第一发射区和N型GaP的第一窗口层，所述第一发射区、第一窗口层依次按照逐渐远离第一基区方向设置。

3.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述第一隧道结、第二隧道结均包含依次按照逐渐远离Si子电池方向设置的GaInP层、(A1)GaAs层和材料为Al(Ga)InP的势垒层。

4.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaAsP子电池包含依次按照逐渐远离Si子电池方向设置的材料为GaAsP的第二基区、GaAsP的第二发射区和A1InP的第二窗口层。

5.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaInP子电池包含依次按照逐渐远离Si子电池方向设置的材料为GaInP的第三基区、GaInP的第三发射区和A11nP的第三窗口层。

6.一种如权利要求1所述的三结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤： (1)、制备Si子电池；(2)、在所述Si子电池上依次生长渐变过渡层、第一隧道结、GaAsP子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAsP接触层, 所述GaInP子电池、GaAsP子电池和Si子电池的带隙组合分别为1.96eV、1.48eV和1.1eV，所述GaInP子电池与所述GaAsP子电池晶格匹配。

7.根据权利要求6所述的三结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)进一步包括步骤：(11)、在P型Si衬底上采用扩散工艺形成N型Si的第一发射区；(12)、在所述第一发射区的裸露表面生长N型GaP的第一窗口层。

8.根据权利要求6中所述的三结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述渐变过渡层采用As组分线性渐进的方法、As组分步进的方法、Ga组分线性渐进的方法和Ga组分步进的方法中任意一种或几种方法组合生长。