CN102738266B - 掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种掺杂超晶格结构的太阳能电池，包括第一GaAs层和有源区，所述有源区置于第一GaAs层的裸露表面上，所述有源区包括第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构，所述第二GaNAs/InGaAs超晶格结构设置于第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面，所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构中的InGaAs层厚度不同，且第一GaNAs/InGaAs超晶格结构中InGaAs层和GaNAs层均掺杂同种导电类型的杂质。本发明还提供一种上述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法，在第一GaAs层的裸露表面上依次生长第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构以形成有源区，所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构中的InGaAs层厚度不同，且第二GaNAs/InGaAs超晶格结构中InGaAs层和GaNAs层均掺杂同种导电类型的杂质。

Description

掺杂超晶格结构的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，尤其涉及掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着全球范围的能源危机和生态环境问题的日益恶化，大家对于取之不尽用之不竭且洁凈无污染之虞的太阳能和太阳能电池，莫不寄予极大之期望，成为市场上最被看好的产业之一。在众多太阳能电池中，传统GaInP/GaAs/Ge三结电池已成功应用于空间和地面光伏领域，但进一步提升转换效率遇到瓶颈。根据带隙组成和太阳光光谱的匹配，使用与GaAs或Ge衬底晶格匹配的0.8～1.4eV带隙电池替代Ge电池可显著提升电池的转换效率，而且未来可结合Ge衬底构成四结及四结以上的超高效率晶格匹配电池。
近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN、InGaAsN、GaNP和GaNAsP材料受到了重视。人们发现增加了少量氮的砷化镓其带隙不是预期的增加，反而产生了相反的效果，从而导致带隙迅速减小，不是预期的蓝移，而是红移，这种不寻常的行为引起了相当大的兴趣，人们认为这是材料物理学上一个新的观点以及存在潜在的应用空间，这些新化合物被称为稀氮化物。稀氮化物已摆脱传统的III-V族半导体，当氮插入到五族元素的晶格，对材料的性能产生了深远影响，并允许能带工程进一步发展。在常规的GaAs和InP基III-V族化合物中只加入少量的氮(小于5％)，结果可以造成非常大的能带弯曲，这形成了许多有趣的微电子和光电应用。除了能带弯曲，少量的氮也导致带结构的改变，只有0.5％的氮，GaP带隙产生从间接到直接的变化，且在650nm红光范围具有很强的发光。
与GaAs或Ge衬底晶格匹配的带隙为1eV的GaInNAs太阳电池已研制成功，如图1，包括衬底101，以及在衬底101上依次设置的缓冲层102、背场层103、第一GaAs层104、第二GaAs层105和接触层106，但电流密度和开路电压仍较低，转换效率也不高。其主要原因是采用GaInNAs四元体系的体材料，由于In、N共存生长，容易产生应变与组分起伏，降低少子寿命，迁移率也不高，吸收光子所产生的电子-空穴对在被收集之前就已经复合，限制了电流输出，转换效率的提升有限。虽有通过In、N分离的超晶格和量子阱来获得该带隙的太阳能电池，但由于是单一垒层厚度的超晶格，当获得足够厚的有源区时易产生失配位错，最终影响电池的性能。于是，研究人员试图寻找其他有效方法突破这个技术难关。研究人员试图寻找其他有效方法突破这个技术难关。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种掺杂超晶格结构的太阳能电池，包括第一GaAs层和有源区，所述有源区置于第一GaAs层裸露表面上，所述有源区包括第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构，所述第二GaNAs/InGaAs超晶格结构设置于第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面，所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构中的InGaAs层厚度不同，且第一GaNAs/InGaAs超晶格结构中InGaAs层和GaNAs层均掺杂同种导电类型的杂质。
所述掺杂超晶格结构的太阳能电池，进一步包括GaAs电池和GaAs缓冲层，所述GaAs电池置于GaAs缓冲层的裸露表面上，所述GaAs电池包括依次设置的AlGaAs背场层、第一GaAs层、有源区、第二GaAs层和AlGaAs窗口层，其中第一GaAs层的导电掺杂类型与第二GaAs层的导电掺杂类型相反。
所述掺杂超晶格结构的太阳能电池，进一步包括Ge或GaAs的衬底，以及包括依次在Ge或GaAs的衬底上设置的GaAs缓冲层、GaAs电池和GaAs接触层，所述衬底的掺杂类型与第二GaNAs/InGaAs超晶格结构的掺杂类型一致。
所述掺杂超晶格结构的太阳能电池，所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构的周期范围分别为1纳米至10纳米。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种上述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法，包括步骤：3）在第一GaAs层裸露表面生长有源区，
所述步骤3）进一步包括步骤：
31）在第一GaAs层的裸露表面生长第一GaNAs/InGaAs超晶格结构；
32）在第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面生长第二GaNAs/InGaAs超晶格结构；
其中，所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构中的InGaAs层厚度不同，且第一GaNAs/InGaAs超晶格结构中InGaAs层和GaNAs层均掺杂同种导电类型的杂质。
所述步骤3）之前进一步包括步骤：
1）在GaAs缓冲层的裸露表面生长AlGaAs背场层；
2）在AlGaAs背场层表面生长第一GaAs层；
所述步骤3）之后进一步包括步骤：     4）在有源区表面生长第二GaAs层；
5）在第二GaAs层表面生长AlGaAs窗口层。
所述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法，所述步骤1）之前包括步骤：在Ge或GaAs的衬底的裸露表面生长GaAs缓冲层；
所述步骤5）之后包括步骤：在AlGaAs窗口层表面生长GaAs接触层，所述衬底的掺杂类型与第二GaNAs/InGaAs超晶格结构的掺杂类型一致。
所述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法，所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构的生长均采用In与N空间分离的生长方式。
本发明提供掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法，优点在于：
1. 上述太阳电池带隙范围为0.8~1.4eV，与传统的带隙为1eV的GaInNAs电池相比，可与技术成熟的GaInP/GaAs及Ge形成更合理的带隙组合，能更充分地利用太阳光谱；
2. 上述太阳电池采用短周期超晶格作为有源区，更方便调制带隙大小；
3. 上述太阳电池有源区生长采用In、N分离生长技术，避免了传统GaInNAs电池有源区In、N共存引起的应变等缺陷；
4．上述太阳电池有源区中InGaAs阱层的厚度不同，这样能获得足够厚的有源区且不产生应变失配导致的缺陷，从而提高电池的效率。
附图说明
图1是传统GaInNAs太阳电池结构图；
图2是本发明提供的一种掺杂超晶格结构的太阳能电池结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
图2所示为所述的一种掺杂超晶格结构的太阳能电池结构图。
第一具体实施方式
本发明的提供一种具有超晶格结构的稀氮氮化物(Dilute Nitride)超晶格太阳能电池。
所述具有超晶格结构的稀氮氮化物超晶格太阳能电池，包括Ge或GaAs的衬底201，以及包括在Ge或GaAs的衬底201上依次设置的GaAs缓冲层202、GaAs电池、GaAs接触层209及上接触电极210，以及包括在Ge或GaAs的衬底201裸露表面上的下接触电极200。
该太阳能电池的带隙范围为0.8eV~1.4eV，可与技术成熟的GaInP/GaAs组成合理的带隙组合，还能与Ge形成包含该GaInNAs基电池在内的四结或四结以上电池，最终实现对太阳光谱的充分利用，提高量子效率和电池的转换效率。
GaAs电池包括在GaAs缓冲层202上依次按照远离衬底方向201设置的AlGaAs背场层203、第一GaAs层204，有源区211、第二GaAs层207和AlGaAs窗口层208，其中第一GaAs层204的导电掺杂类型与第二GaAs层207的导电掺杂类型相反。第一GaAs层204的导电掺杂类型为N型或P型。
作为可选实施方式，第一GaAs层204可作为GaAs电池的基区，第二GaAs层207可作为GaAs电池的发射区。
所述有源区211的材料为两种GaNAs/InGaAs超晶格结构，即第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205和第二GaNAs/InGaAs超晶格结构206，且第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205和第二GaNAs/InGaAs超晶格结构206按照远离衬底层201方向设置于第一GaAs层204表面，其中第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205和第二GaNAs/InGaAs超晶格结构206的InGaAs层具有不同的厚度，且第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205中InGaAs层和GaNAs层均掺杂同种导电类型的杂质。有源区211采用两种不同阱层厚度的GaNAs/InGaA短周期超晶格，可以避免In、N共存产生的缺陷并获得足够厚的吸收区，提高量子效率，并提升GaInNAs基电池的转换效率。且第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205中InGaAs层和GaNAs层均掺杂同种导电类型的杂质，可降低材料的阻抗，提高太阳能电池的填充因子。
有源区211是与衬底201、GaAs缓冲层202、AlGaAs背场层203及第一GaAs层204是晶格匹配的，与传统的晶格失配高效太阳能电池相比，避免了由晶格失配导致的位错等缺陷，提升薄膜晶体质量及界面特性。
所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205、第二GaNAs/InGaAs超晶格结构206均为短周期超晶格结构，且它们周期范围分别为1纳米至10纳米，如此才能保证既要保证有源区211不产生失配，又要保证有源区211获得所需的吸收带边。
第二具体实施方式
上述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法为：
1)采用MOCVD 技术或MBE技术在Ge或GaAs的衬底201上依次生长无反相畴GaAs缓冲层202、AlGaAs背场层203及第一GaAs层204；
2)在第一GaAs层204的裸露表面上采用MOCVD或MBE进行不同阱层厚度的第一GaNAs/InGaAs超晶格205和第二GaNAs/InGaAs超晶格206，以形成有源区211，其中第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205和第二GaNAs/InGaAs超晶格结构206的InGaAs层具有不同的厚度，且第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205中InGaAs层和GaNAs层均掺杂同种导电类型的杂质，上述两种GaNAs/InGaAs超晶格结构均采用In与N空间分离的生长方式，可以避免In、N共存产生的缺陷，从而获得高晶体质量的短周期超晶格有源区吸收层；
3)在有源区211上采用MOCVD或MBE技术外延生长GaAs发射层207、AlGaAs窗口层208及GaAs 接触层209；
4)在GaAs接触层209裸露表面上和Ge或GaAs的衬底201裸露表面上分别制作N型上接触电极210和P型下接触电极200。
接下来给出本发明的一个实施例。
本实施例提供掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法，带隙范围为0.8eV~1.4eV，该太阳能电池的结构如图2所示。
以在P型Ge的衬底上用MBE法制备该太阳能电池为例，具体制备方法包括以下步骤：
(1) 选取P型Ge的衬底201，并对衬底201进行清洗，也可以选择免清洗的Ge衬底直接进入下一步的反应。采用液氮冷却配合下，在背景压力控制在低于9×10-10Torr下，将衬底201置于MBE的反应腔室中，并将衬底201加热至500℃~600℃，以去除衬底201表面氧化层，接着开始外延生长无反相畴的GaAs缓冲层202，使用GaAs缓冲层202来优化薄膜质量；
(2) 在GaAs缓冲层202裸露表面上采用MBE法生长P型AlGaAs背场层203，以减小光生电子的复合，阻止第一GaAs层204的光生电子向下接触电极200扩散，增加载流子收集；
(3) 在AlGaAs背场层203上采用MBE法生长载流子浓度低于背场层203载流子浓度的P型第一GaAs层204；
(4) 在第一GaAs层204的裸露表面上采用MBE法生长厚度为t1/t2 nm 的本征且具有短周期且掺杂的第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205和厚度为t1/t3 nm 的本征且具有短周期的第二GaNAs/InGaAs超晶格结构206，其中第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205中GaNAs层和InGaAs层均掺杂Be杂质元素，其中t1、t2、t3为自然数，且t3不等于t2。
(5) 在有源区211裸露表面上采用MBE法生长N型GaAs层作为第二GaAs层207，接着生长N型掺杂浓度高于第二GaAs层207的AlGaAs层作为AlGaAs窗口层208，防止光生空穴向上扩散。
(6) 在AlGaAs窗口层208的裸露表面上采用MBE法生长高掺杂浓度的N型GaAs层209作为GaAs接触层20，以便电池与金属形成良好的欧姆接触，降低电池阻抗，提高电池性能。
(7) 在GaAs接触层209裸露表面上和Ge或GaAs的衬底201裸露表面上分别制备N型上接触电极210和P型下接触电极200。
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)

1.一种掺杂超晶格结构的太阳能电池，其特征在于，包括第一GaAs 层和有源区，所述有源区置于第一GaAs 层的裸露表面上，所述有源区包括第一、第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构，所述第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构设置于第一GaNAs/InGaAs 超晶格结构表面，所述第一、第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构中的InGaAs 层厚度不同，且第一GaNAs/InGaAs 超晶格结构中InGaAs 层和GaNAs 层均掺杂同种导电类型的杂质, 所述第一GaNAs/InGaAs 超晶格结构、第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构均为短周期超晶格结构。
2.根据权利要求1 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池，其特征在于，进一步包括GaAs 电池和GaAs 缓冲层，所述GaAs 电池置于GaAs 缓冲层的裸露表面上，所述GaAs 电池包
括依次设置的AlGaAs 背场层、第一GaAs 层、有源区、第二GaAs 层和AlGaAs 窗口层，其中第一GaAs 层的导电掺杂类型与第二GaAs 层的导电掺杂类型相反。
3.根据权利要求2 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池，其特征在于，进一步包括Ge或GaAs 的衬底，以及包括依次在Ge 或GaAs 的衬底上设置的GaAs 缓冲层、GaAs 电池和GaAs接触层，所述衬底的掺杂类型与第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构的掺杂类型一致。
4.根据权利要求1 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池，其特征在于，所述第一、第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构的周期范围分别为1 纳米至10 纳米。
5.一种如权利要求1所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：3）在第一GaAs 层裸露表面生长有源区， 所述步骤3）进一步包括步骤： 31）在第一GaAs 层裸露表面生长第一GaNAs/InGaAs 超晶格结构； 32）在第一GaNAs/InGaAs 超晶格结构表面生长第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构； 其中，所述第一、第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构中的InGaAs 层厚度不同，且第一GaNAs/InGaAs 超晶格结构中InGaAs 层和GaNAs层均掺杂同种导电类型的杂质，所述第一GaNAs/InGaAs 超晶格结构、第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构均为短周期超晶格结构。
6.根据权利要求5 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤3）之前进一步包括步骤： 1）在GaAs 缓冲层的裸露表面生长AlGaAs 背场层； 2）在AlGaAs 背场层表面生长第一GaAs 层； 所述步骤3）之后进一步包括步骤： 4）在有源区表面生长第二GaAs 层； 5）在第二GaAs 层表面生长AlGaAs 窗口层。
7.根据权利要求6 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤1）之前包括步骤：在Ge 或GaAs 的衬底的裸露表面生长GaAs 缓冲层；所述步骤5之后包括步骤：在AlGaAs 窗口层表面生长GaAs 接触层，所述衬底的掺杂类型与第二GaNAs/
InGaAs 超晶格结构的掺杂类型一致。
8.根据权利要求5 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一、第二GaNAs/InGaAs 超晶格结构的生长均采用In 与N 空间分离的生长方式。
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