CN102651419A - 四结级联太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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孙玉润
于淑珍
赵勇明
赵春雨
董建荣
杨辉
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Abstract

本发明提供一种四结级联太阳能电池，包括InP的衬底层，以及在所述衬底层上依次设置的InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结、渐变过渡层、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。本发明还提供一种如上述的四结级联太阳能电池的制备方法，步骤为在InP衬底层上依次生长InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结、渐变过渡层、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。

Description

四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，尤其涉及四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，目前研究较多的体系是GaInP/(In)GaAs/Ge三结晶格匹配电池和GaInP/GaAs/InGaAs三结晶格失配电池。前者在一个太阳下目前达到的最高转换效率为32%-33%。但是该体系仍然存在一个主要问题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，其短路电流最大可达到另外两结电池的2倍，由于受三结电池串联的制约，Ge电池对应的太阳光谱的能量没有被充分转换利用，所以该三结电池的效率还有改进的空间。
GaInP/GaAs/InGaAs三结晶格失配电池虽然可以通过合理的带隙组合实现电流匹配，但是能量低于InGaAs带隙的光子仍然没有被充分利用，所以最直观的想法是生长制备四结太阳能电池，将太阳光谱分为四段，在保证实现电流匹配的同时尽量提高电池开路电压，从而提高电池效率。
GaInP/(In)GaAs/InGaAsN/Ge四结晶格匹配电池理论上可以获得很高的转化效率，但是受制于减小InGaAsN材料缺陷密度的生长难度，该四结电池对于材料生长具有很大的挑战。而相对而言GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结晶格失配电池的生长难度要小。该电池第一种方法是在GaAs衬底上倒装生长，然后通过衬底剥离、键合等工艺实现；第二种方法则是分别在GaAs衬底上生长GaInP/GaAs晶格匹配电池和InP衬底上生长InGaAsP/InGaAs晶格匹配电池，然后通过衬底剥离、键合等工艺实现；第三种方法是在InP衬底上正装生长实现。相比较而言，前两种方法对制备工艺要求较高，第二种方法虽然生长简单，但是需要两种衬底而且工艺复杂，导致成本很高，第三种方法工艺简单，成本较低，使其成为一种潜在的理想的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结晶格失配电池的生长制备方法。
如何实现多结太阳能电池合理的带隙组合，减小电流失配同时而又不提高电池制作成本和难度成为当前III-Ⅴ族太阳能电池亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供四结级联太阳能电池及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种四结级联太阳能电池，包括InP的衬底层，以及在所述衬底层上依次设置的InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结、渐变过渡层、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。
所述渐变过渡层的材料为AlxIn1-xAs或(Al1-yGay)xIn1-xAs，x的范围为0.48至1，y的范围为0至1，所述渐变过渡层的带隙大于GaAs子电池的带隙。
所述InGaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的材料为InP的第一背场层、InGaAs的第一基区、InGaAs的第一发射区以及第一窗口层，所述第一窗口层的材料为InP、InGaAsP和In(Ga)AlAs中任意一种。
所述第一隧道结包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的具有N型掺杂的InGaAs(P)或InP层以及具有P型掺杂InGaAs(P)或InP层。
所述InGaAsP子电池包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的材料为InP或In(Ga)AlAs的第二背场层、InGaAsP的第二基区、InGaAsP的第二发射区以及第二窗口层，所述第二窗口层的材料为InP或In(Ga)AlAs。
所述第二隧道结包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的具有N型掺杂的Al(Ga)InAs势垒层、具有N型掺杂的InGaAsP或InP层以及具有P型掺杂的InGaAsP或InP层。
所述GaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的材料为AlGaAs或(Al)GaInP的第三背场层、GaAs的第三基区、GaAs的第三发射区以及第三窗口层，所述第三窗口层的材料为Al(Ga)InP或AlGaAs。
所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的具有N型掺杂的AlGaAs或Al(Ga)InP势垒层，具有N型掺杂的GaInP或GaAs层以及具有P型掺杂的(Al)GaAs层。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种如上述的四结级联太阳能电池的制备方法，步骤为在InP衬底层上依次生长InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结、渐变过渡层、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。
本发明提供四结级联太阳能电池及其制备方法，优点在于：
1. 该四结级联太阳能电池中的InGaAs子电池、InGaAsP子电池、GaAs子电池和GaInP子电池的带隙组合分别为0.73 eV、~1.03 eV、1.42 eV和1.90 eV，实现了对太阳光谱的分段吸收利用，各个子电池的电流失配小，减小了光电转换过程中的热能损失,提高了电池效率；
2. 该四结级联太阳能电池采用InP作为衬底，提高了太阳能电池的抗辐照能力；
3. 该四结级联太阳能电池采用正装生长方法生长，不需要二次外延等技术，降低了太阳能电池的生长难度；
4. 该四结级联太阳能电池制备不需要采用键合技术等，工艺简单，成品率高。
附图说明
图1是本发明提供的一种四结级联太阳能电池第一具体实施例的结构示意图；
图2是本发明提供的一种四结级联太阳能电池第一具体实施例的产品结构示意图；
图3是本发明提供的一种四结级联太阳能电池实施例二的结构示意图；
图4是本发明提供的一种四结级联太阳能电池实施例二的产品结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的提供四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所示为本发明所述四结级联太阳能电池第一具体实施例的结构示意图。
本实施方式提供一种基于晶格异变法生长的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳能电池，包括InP的衬底层01，以及在衬底层01上依次设置的InGaAs子电池28、第一隧道结29、InGaAsP子电池30、第二隧道结31、渐变过渡层15、GaAs子电池32、第三隧道结33、GaInP子电池34和GaAs接触层27。
该四结级联太阳能电池采用InP作为衬底，提高了电池的抗辐照能力。
该四结级联太阳能电池采用正装生长的方式进行生长。顶层GaInP子电池34/GaAs子电池32与GaAs晶格匹配，底层InGaAsP子电池30/InGaAs子电池28与InP晶格匹配。其中，所述InGaAs子电池28、InGaAsP子电池30、GaAs子电池32和GaInP子电池34的带隙组合分别为0.73eV、~1.03 eV、1.42 eV和1.90 eV。
所述InGaAsP子电池30与GaAs子电池32之间通过晶格异变生长渐变过渡层15的方法释放应力，渐变过渡层15采用AlxIn1-xAs或(Al1-yGay)xIn1-xAs，渐变过渡层15的带隙大于GaAs子电池的带隙，即1.42eV，克服GaAs与InP之间的失配，其中x的范围为0.48至1，y的范围为0至1。
所述InGaAs子电池28包含依次按照逐渐远离衬底层01方向设置的材料为InP的第一背场层02、InGaAs的第一基区03、InGaAs的第一发射区04以及第一窗口层05，所述第一窗口层05为InP、InGaAsP和In(Ga)AlAs中任意一种；
所述第一隧道结29包含依次逐渐远离衬底层01方向设置的具有N型掺杂的InGaAs(P)或InP层06以及具有P型掺杂InGaAs(P)或InP层07；
所述InGaAsP子电池30包含依次按照逐渐远离衬底层01方向设置的材料为InP或In(Ga)AlAs的第二背场层08、InGaAsP的第二基区09、InGaAsP的第二发射区10以及第二窗口层11，所述第二窗口层11为InP或In(Ga)AlAs；
所述第二隧道结31包含依次按照逐渐远离衬底层01方向设置的具有N型掺杂的Al(Ga)InAs势垒层12、具有N型掺杂的InGaAsP或InP层13以及具有P型掺杂的InGaAsP或InP层14；
所述GaAs子电池32包含依次按照逐渐远离衬底层01方向设置的材料为AlGaAs或(Al)GaInP的第三背场层16、GaAs的第三基区17、GaAs的第三发射区18以及第三窗口层19，所述第三窗口层19为Al(Ga)InP或AlGaAs；
所述第三隧道结33包含依次按照逐渐远离衬底层01方向设置的具有N型掺杂的AlGaAs或Al(Ga)InP势垒层20，具有N型掺杂的GaInP或GaAs层21以及具有P型掺杂的(Al)GaAs层22；
所述GaInP子电池34包含依次按照逐渐远离衬底层01方向设置的材料为Al(Ga)InP或AlGaAs的第四背场层23、GaInP的第四基区24、GaInP的第四发射区25以及第四窗口层26，所述第四窗口层26为Al(Ga)InP。
作为可选实施方式，衬底层01和InGaAs子电池28之间进一步包括第四隧道结，所述第四隧道结包含依次按照逐渐远离衬底层01方向设置的具有N型掺杂的InGaAs(P)或InP层以及具有P型掺杂InGaAs(P)或InP层。
图2所示为本发明所述四结级联太阳能电池的第一具体实施例的产品结构示意图。
本实施方式中，所述四结级联太阳能电池产品为在上述四结级联太阳能电池基础上，进一步制备上电极36、下电极35，所述上电极36位于所述GaAs接触层27的裸露表面上；所述下电极35为位于衬底层01的裸露表面上。
第二具体实施方式
本实施方式提供一种如图1所述的四结级联太阳能电池的制备方法，采用正装生长方式在InP的衬底层01上依次生长InGaAs子电池28、第一隧道结29、InGaAsP子电池30、第二隧道结31、渐变过渡层15、GaAs子电池32、第三隧道结33和GaInP子电池34。
上述的四结级联太阳能电池的制备方法，进一步包括步骤：在所述GaInP子电池34的裸露表面上生长GaAs接触层27。
作为可选实施方式，进一步包括步骤：在所述InP的衬底层01和InGaAs子电池28之间生长第四隧道结，所述第四隧道结包含依次按照逐渐远离衬底层01方向设置的具有N型掺杂的InGaAs(P)或InP层以及具有P型掺杂InGaAs(P)或InP层。
本实施方式中，所述的四结级联太阳能电池的制备方法进一步包括制备上电极36、下电极35的制备步骤，所述上电极36的制备步骤为直接在所述GaAs接触层27的裸露表面制备上电极36；所述下电极35的制备步骤为采用对衬底层01的裸露表面减薄并制备下电极35。
作为可选实施方式，所述渐变过渡层15可以采用In组分线性变化的方法生长，使应力释放抑制错向角的产生。
作为可选实施方式，所述渐变过渡层15可以采用In组分阶梯变化的方法生长，通过形成多个界面促进应力释放同时抑制穿透位错到达有源区。
作为可选实施方式，所述渐变过渡层15可以采用In组分线性和阶梯变化相结合的方法生长使应力释放，减小错向角的同时抑制穿透位错到达有源区。
作为可选实施方式，在所述InP的衬底层01上生长InGaAs子电池28步骤之前，在所述InP的衬底层01上生长第四隧道结，所述第四隧道结包含依次设置的具有N型掺杂的InGaAs(P)或InP层以及具有P型掺杂InGaAs(P)或InP层。
作为可选的实施方式，所述InGaAsP子电池30和GaAs子电池32之间首先生长隧穿结然后生长渐变过渡层15。
作为可选实施方式，所有所述生长均采用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，所有所述生长均采用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
本实施例中，提供一种基于InP衬底的晶格异变生长方法生长的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳能电池的制备方法，包括下列步骤：
（一）采用MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ，金属有机化合物化学气相沉淀）方法生长GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳能电池，其结构如图1所示：
(1) 在具有P型掺杂的InP的衬底层01上生长具有P型掺杂浓度约为1×1018 cm-3的0.3微米的InP作为第一背场层02和P型掺杂浓度约为2×1017 cm-3的2.5微米的InGaAs作为InGaAs子电池28的第一基区03，然后生长具有N型掺杂浓度约为2×1018 cm-3的0.2微米的InGaAs作为InGaAs子电池28的第一发射区04，再生长具有N型掺杂浓度约为2×1018 cm-3的0.1微米的InP或InGaAsP或In(Ga)AlAs 层05作为InGaAs子电池28的第一窗口层05，形成InGaAs子电池28；
     (2) 在InGaAs子电池28的裸露表面上生长具有N型掺杂浓度约为1×1019 cm-3的0.02微米的InGaAs(P)或InP 层06和P型掺杂浓度约为1×1019 cm-3的0.02微米的InGaAs(P)或InP 层07，形成第一隧道结29；
     (3) 在第一隧道结29的裸露表面上生长具有P型掺杂浓度约为1×1018 cm-3的0.3微米的InP或In(Ga)AlAs作为InGaAsP子电池30的第二背场层08，然后生长具有P型掺杂浓度约为1×1017 cm-3的2.5微米的InGaAsP作为InGaAsP子电池30的第二基区09，再生长具有N型掺杂浓度约为1×1018 cm-3的0.4微米的InGaAsP作为InGaAsP子电池30的第二发射区10，生长具有N型掺杂浓度约为1×1018 cm-3的0.05微米的InP或In(Ga)AlAs作为InGaAsP子电池30的第二窗口层11，形成InGaAsP子电池30；
(4) 在InGaAsP子电池30的裸露表面上生长具有N型掺杂浓度约为1×1018 cm-3的0.03微米的Al(Ga)InAs作为第二隧穿结31的势垒层12，再生长具有N型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的0.015微米的InP或InGaAsP 13，然后生长具有P型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的0.015微米的InP或InGaAsP 层14，形成第二隧道结31；
(5) 在第二隧道结31的裸露表面上生长约3.0微米的具有P型掺杂的AlxIn1-xAs或(Al1-yGay)xIn1-xAs的渐变过渡层15，Al的组分由0.48渐变到1.00，直到与GaAs的晶格匹配，y的范围为0至1；
(6) 在渐变过渡层15的裸露表面上生长一层P型高掺杂的0.1微米的AlGaAs或(Al)GaInP作为GaAs子电池32的第三背场层16，以减小光生电子的复合，然后生长具有P型掺杂浓度约1×1017 cm-3的2.8微米的GaAs层作为GaAs子电池32的第三基区17，再生长具有N型掺杂浓度约1×1018 cm-3的0.1微米的GaAs层作为GaAs子电池32的第三发射区18以及生长具有N型掺杂浓度约1×1018 cm-3的0.01微米的AlGaAs或Al(Ga)InP层作为GaAs子电池32的第三窗口层19，防止光生空穴向上扩散，形成GaAs子电池32；
(7) 在GaAs子电池32的裸露表面上生长具有N型掺杂浓度约1×1018 cm-3的0.05微米的AlGaAs或Al(Ga)InP作为第三隧道结33的N型层的势垒层20，然后生长具有N型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的0.015微米的GaInP或GaAs 层21，再生长具有P型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的0.015微米的(Al)GaAs层 22，形成第三隧道结33；
(8) 在第三隧道结33的裸露表面上生长具有P型掺杂浓度约1×1018 cm-3的0.03微米的Al(Ga)InP或AlGaAs作为GaInP子电池34的第四背场层23，所述第四背场层23也可作为隧道结的P型势垒层，阻止基区的光生电子向下电极扩散，然后生长具有P型掺杂浓度约1×1017 cm-3的0.7微米的GaInP作为GaInP子电池34的第四基区24和N型掺杂浓度约1×1018 cm-3的0.07微米的GaInP作为GaInP子电池34的第四发射区25，再生长具有N型掺杂浓度约1×1017 cm-3的0.02微米的Al(Ga)InP 26作为GaInP子电池33的第四窗口层26，形成GaInP子电池34；
(9) 在GaInP子电池34的裸露表面上生长具有N型高掺杂的0.5微米的GaAs，形成GaAs接触层27，用来做欧姆接触。
后续产品的制备工艺还进一步包括上电极36和下电极35的制备步骤，包括步骤：
(10) 对InP的衬底层01进行减薄并制备下电极35；
(11) 在GaInP子电池34上的GaAs接触层27上制备上电极36，获得目标产品。
本实施例中，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。
实施例二
图3所示为所述四结级联太阳能电池实施例二的结构示意图。
本实施例提供一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳能电池，结构为在图1中的四结级联太阳能电池结构的基础上在所述InP的衬底层01和InGaAs子电池28之间增加第四隧道结37，所述第四隧道结37与第一隧道结29的结构相同，包括沿逐渐远离InP的衬底层01的方向依次设置的具有N型高掺杂的InGaAs(P)或InP层38和具有P型高掺杂的InGaAs(P)或InP层39。
本实施例中，所述四结级联太阳能电池采用MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）方法生长的制备方法包括下列具体步骤：
(一) GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳能电池制备
(1) 在具有N型掺杂的InP的衬底层01上生长第四隧道结37，包括沿逐渐远离InP的衬底层01的方向依次设置的具有N型高掺杂的InGaAs(P)或InP层38和具有P型高掺杂InGaAs(P)或InP层39；
(2) 在第四隧道结37的裸露表面上生长InGaAs子电池28；
(3) 在所述InGaAs子电池28的裸露表面上生长第一隧道结29，包括沿逐渐远离InGaAs子电池28的方向依次设置的具有N型高掺杂的InGaAs(P)或InP层06和具有P型高掺杂的InGaAs(P)或InP层07；
(4) 在所述第一隧道结29的裸露表面上在生长InGaAsP子电池30；
(5) 在所述InGaAsP子电池30的裸露表面上生长第二隧道结31，包括沿逐渐远离InGaAsP子电池30的方向依次设置的具有N型掺杂的Al(Ga)InAs势垒层12，具有N型掺杂的InGaAsP或InP重掺层13和具有P型掺杂的InGaAsP或InP重掺层14；
(6) 在所述第二隧道结31的裸露表面上生长P型高掺杂AlxIn1-xAs或(Al1-yGay)xIn1-xAs的渐变过渡层15，x的取值由0.48变化至1.00，y的范围为0至1；
(7) 在所述渐变过渡层15的裸露表面上生长GaAs子电池32；
(8) 在所述GaAs子电池32的裸露表面上生长第三隧道结33，包括沿逐渐靠近GaAs子电池32的方向依次设置的具有N型掺杂的AlGaAs或Al(Ga)InP势垒层22，具有N型掺杂的GaInP或GaAs重掺层21，具有P型掺杂的(Al)GaAs重掺层20；
(9) 在所述第三隧道结33的裸露表面上生长GaInP子电池34；
(10) 在所述GaInP子电池34的裸露表面上生长N型掺杂的GaAs接触层27。
图4为所述四结级联太阳能电池实施例二的产品结构示意图。
(二) 后续电极制备
(11) 对InP的衬底层01进行减薄并制备下电极35；
(12) 在顶层GaAs接触层27上制备上电极36，获得目标产品。
本实施例中，N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn与Te中任意一种，P型掺杂原子为Be、Mg与C中任意一种。
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 (10)

1.一种四结级联太阳能电池，其特征在于，包括InP的衬底层，以及在所述衬底层上依次设置的InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结、渐变过渡层、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。
2.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述渐变过渡层的材料为AlxIn1-xAs或(Al1-yGay)xIn1-xAs，x的范围为0.48至1，y的范围为0至1，所述渐变过渡层的带隙大于GaAs子电池的带隙。
3.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述InGaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的材料为InP的第一背场层、InGaAs的第一基区、InGaAs的第一发射区以及第一窗口层，所述第一窗口层的材料为InP、InGaAsP和In(Ga)AlAs中任意一种。
4.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述第一隧道结包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的具有N型掺杂的InGaAs(P)或InP层以及具有P型掺杂InGaAs(P)或InP层。
5.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述InGaAsP子电池包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的材料为InP或In(Ga)AlAs的第二背场层、InGaAsP的第二基区、InGaAsP的第二发射区以及第二窗口层，所述第二窗口层的材料为InP或In(Ga)AlAs。
6.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述第二隧道结包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的具有N型掺杂的Al(Ga)InAs势垒层、具有N型掺杂的InGaAsP或InP层以及具有P型掺杂的InGaAsP或InP层。
7.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的材料为AlGaAs或(Al)GaInP的第三背场层、GaAs的第三基区、GaAs的第三发射区以及第三窗口层，所述第三窗口层的材料为Al(Ga)InP或AlGaAs。
8.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的具有N型掺杂的AlGaAs或Al(Ga)InP势垒层，具有N型掺杂的GaInP或GaAs层以及具有P型掺杂的(Al)GaAs层。
9.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaInP子电池包含依次按照逐渐远离衬底层方向设置的材料为Al(Ga)InP或AlGaAs的第四背场层、GaInP的第四基区、GaInP的第四发射区以及第四窗口层，所述第四窗口层的材料为Al(Ga)InP。
10.一种如权利要求1所述的四结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤为在InP衬底层上依次生长InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池、第二隧道结、渐变过渡层、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。
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