CN102779865B - 一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池，涉及一种太阳能电池。设有Si底电池、Ge隧穿结、GaAs中间电池、AlGaAs/InGaP隧穿结、InGaP顶电池和接触层，所述Si底电池构建在P型Si衬底上，Ge隧穿结连接Si底电池与GaAs中间电池，AlGaAs/InGaP隧穿结连接GaAs中间电池与InGaP顶电池，接触层设于InGaP顶电池上。Ge隧穿结将Si与GaAs之间形成失配位错和反相畴的区域有效分割，解决了Si底电池与Ⅲ-Ⅴ族子电池间的串联、晶格匹配以及反相畴问题，有利于提高电池外延的晶体质量和电池转换效率。

Description

一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，尤其是涉及一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池。
背景技术
Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池作为第三代太阳能电池，因其高的能量转换效率及抗辐射性能，成为了太空中应用最广泛的电源，已经引起人们日常生活的巨大变革。目前，GaInP/GaAs/Ge三结电池在在无聚光的条件下效率已达到32％。([1]R.R.King,C.M.Fetzer,Lattice-matchedand metamorphic GaInP/GaInAs/Ge concentrator solar cells,Presented at the 3rd World Conferenceon Photovoltaic Energy Conversion,2003)但有待进一步提高的转换效率以及较高的制造成本，仍极大地限制了其在地面上的大规模应用。
首先，GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池电流并不匹配，Ge底电池的电流是其他两节电池的两倍，造成了极大的浪费，制约了电池效率的进一步提高；其次，目前Ⅲ-Ⅴ族多结电池多使用昂贵的Ge衬底，成本始终居高不下，其中衬底的成本约占总成本的四分之一。于是如何在提高太阳能电池效率的同时又能降低成本，实现地面应用的普及成为人们的梦想。
Si材料作为Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池的底电池较目前占统治地位的Ge具有明显的优越性。其价格低，晶圆尺寸大，材料容易获取，极大地降低了电池成本，使地面大规模应用成为可能。此外，其优势还表现在如下几个方面：⑴重量轻、机械强度高，可大大降低空间发射成本；⑵耐高温、热导率高，将更适合地面大面积聚光；⑶能与Si工艺兼容，实现Si基光电集成。
然而Si基GaAs结构也面临着如下问题：(1)Si与GaAs的晶格失配高达4.2％，给Si基上外延高质量的Ⅲ-Ⅴ族材料带来了极大的挑战；(2)Ⅲ-Ⅴ族材料是极性材料，而Si是非极性材料，当GaAs生长在Si上时，将形成反向畴，导致表面形貌粗化，电池电学和光学性能变差。
发明内容
本发明的目的在于为了解决上述Si底电池与Ⅲ-Ⅴ族子电池在外延上晶格不匹配以及具有反相畴等问题，提供一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池。
本发明设有Si底电池、Ge隧穿结、GaAs中间电池、AlGaAs/InGaP隧穿结、InGaP顶电池和接触层，所述Si底电池构建在P型Si衬底上，Ge隧穿结连接Si底电池与GaAs中间电池，AlGaAs/InGaP隧穿结连接GaAs中间电池与InGaP顶电池，接触层设于InGaP顶电池上。
所述P型Si衬底的厚度可为100～600μm；掺杂浓度可为1×1015～5×1017cm-3。
所述Si底电池的发射区厚度可为0.05～1μm，掺杂浓度可为1×1018～5×1019cm-3。
所述InGaP顶电池自下而上包括：背电场层、InGaP基区、InGaP发射区以及窗口层。InGaP顶电池的禁带宽度最好大于1.85eV。
所述GaAs中间电池自下而上包括：背电场层、GaAs基区、GaAs发射区以及窗口层。
连接InGaP顶电池和GaAs中间电池的隧穿结，可采用GaAs、InGaP、Al0.3Ga0.7As或其他半导体材料，掺杂浓度高达1×1019～5×1020cm-3以上。
本发明的结构主要包括：Si底电池、Ge隧穿结、GaAs中间电池、连接顶中电池的隧穿结、InGaP顶电池，各子电池及其之间的隧穿结利用MOCVD、MBE、UHVCVD系统或其他外延设备在Si衬底上生长而成。本发明采用低温缓冲层技术在Si上直接生长高质量的Ge隧穿结，并将其作为连接Si底电池与GaAs中间电池的连接结构。
所述Ge隧穿结利用成熟的Si上直接外延Ge技术，直接生长在Si上。即在Si外延层上250～400℃低温下生长厚度为30～100nm的n型低温Ge缓冲层，掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3，接着在400～700℃高温下生长厚0.01～0.015μm，简并掺杂浓度高达1×1019cm-3以上的n型高温Ge层，最后在400～700℃高温下生长厚0.01～0.015μm，简并掺杂浓度高达1×1019cm-3以上的p型高温Ge层，形成连接Si底电池与GaAs中间电池的Ge隧穿结。
本发明采用低温缓冲层技术在Si上直接外延高质量的Ge隧穿结，并将其作为连接Si底电池与GaAs中间电池的连接结构，具有如下优点：
1、采用低温缓冲层技术，即在Si上以较低温度生长一层较薄的Ge缓冲层，再高温快速生长高结晶质量的外延层。低温生长时原子迁移率低，外延层中形成很多点缺陷，点缺陷的存在降低了材料的弹性，使其机械性能变差，起到柔性衬底的作用，能够调节应力，捕获湮灭位错，使高温生长的外延层位错密度降低,由此可获得位错密度低、厚度薄的高质量Ge层。
2、由于Ge与GaAs晶格常数十分相近，因此Si上直接生长的位错密度低、厚度薄的高质量Ge层能够成为Si底电池与GaAs中间电池间很好的缓冲层。此外，由于这层Ge缓冲层很薄，因此通过生长过程中的原位掺杂，恰恰可将其利用起来，制成Ge隧穿结，成为连接Si底电池与GaAs中间电池的连接结构，很好地解决了Si底电池与GaAs中间电池在外延过程中晶格不匹配以及电池结构上子电池间的串联等问题。
3、由于Si底电池与GaAs中间电池存在晶格不匹配以及极性不同，具有反相畴等问题，因此采用低温缓冲层技术，在Si上直接生长的高质量Ge层将Si与Ge的失配位错压制在Ge/Si界面，而将形成反相畴的区域控制在GaAs/Ge界面，很好地将Si与GaAs之间形成失配位错和反相畴的区域有效分割，有利于提高外延晶体质量。
由此可见，本发明的以Ge为隧穿结的硅基三结太阳能电池，采用低温缓冲层技术，在Si上直接生长的高质量Ge隧穿结，很好地解决了Si底电池与Ⅲ-Ⅴ族子电池间的串联、晶格匹配以及反相畴问题，有利于提高电池外延的晶体质量和电池转换效率，展现出更加诱人的地面应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。在图1中，各标记为：1、Si底电池；2、Ge隧穿结；3、GaAs中间电池；4、AlGaAs/InGaP隧穿结；5、InGaP顶电池；6、接触层
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明实施例设有Si底电池1、Ge隧穿结2、GaAs中间电池3、AlGaAs/InGaP隧穿结4、InGaP顶电池5和接触层6，所述Si底电池1构建在P型Si衬底上，Ge隧穿结2连接Si底电池1与GaAs中间电池3，AlGaAs/InGaP隧穿结4连接GaAs中间电池3与InGaP顶电池5，接触层6设于InGaP顶电池5上。
所述P型Si衬底的厚度可为100～600μm；所述Si衬底的厚度可为100～600μm，掺杂浓度可为1×1015～5×1017cm-3。
所述Si底电池1的发射区厚度可为0.05～1μm，掺杂浓度可为1×1018～5×1019cm-3。
所述InGaP顶电池5自下而上包括：背电场层、InGaP基区、InGaP发射区以及窗口层。InGaP顶电池的禁带宽度最好大于1.85eV。
所述GaAs中间电池自下而上包括：背电场层、GaAs基区、GaAs发射区以及窗口层。
连接InGaP顶电池和GaAs中间电池的隧穿结，可采用GaAs、InGaP、Al0.3Ga0.7As或其他半导体材料，掺杂浓度高达1×1019～5×1020cm-3以上。
以下给出所述以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池的制备方法：
(1)采用p型Si衬底，厚度为500μm，掺杂浓度为5×1016cm-3，作为Si底电池的基区。
(2)进入UHVCVD生长，利用UHVCVD在Si衬底上生长原位掺杂的n型Si层作为Si底电池的发射区，其厚度为0.1μm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
(3)310℃下低温生长n型Ge缓冲层，厚度0.07μm，掺杂浓度1×1019cm-3。
(4)500℃下高温生长Ge隧穿结：先生长厚0.015μm，掺杂浓度5×1019cm-3的n型Ge层，再生长0.015μm，掺杂浓度5×1019cm-3的p型Ge层。
(5)进入MOCVD继续生长后续结构。先生长GaAs中间电池：生长厚度为0.07μm，掺杂浓度为5×1018cm-3的p型InGaP作为GaAs中间电池的背电场层；生长厚度为3μm，掺杂浓度为2×1017cm-3的p型GaAs层，作为GaAs中间电池的基区；生长厚度为0.1μm，掺杂浓度为1×1018cm-3的n型GaAs层，作为GaAs中间电池的发射区；生长厚0.1μm，掺杂浓度为1×1018cm-3的n型InGaP，作为GaAs中间电池的窗口层。
(6)生长连接GaAs中间电池和InGaP顶电池的隧穿结：先生长厚0.015μm，掺杂浓度为1×1019cm-3的n型InGaP层，再生长厚0.015μm，掺杂浓度为5×1019cm-3的p型Al0.3Ga0.7As层，形成隧穿结。
(7)生长InGaP2顶电池：其中InGaP2的禁带宽度为1.85～1.9eV，生长厚度为0.07μm，掺杂浓度为1×1018cm-3的p型InGaP作为InGaP2顶电池的背电场层；生长厚度为0.7μm，掺杂浓度为1×1017cm-3的p型InGaP2层，作为InGaP2顶电池的基区；生长厚度为0.1μm，掺杂浓度为1×1018cm-3的n型InGaP2层，作为InGaP2顶电池的发射区；生长厚0.05μm，掺杂浓度为5×1018cm-3的n型AlInP层，作为InGaP2顶电池的窗口层。
(8)生长欧姆接触层：生长厚度为0.5μm，掺杂浓度为5×1018cm-3的n型GaAs盖帽层作为欧姆接触层。
(9)沉积减反膜、光刻、制备电极及后续电池芯片制作，得以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池。

Claims (5)

1.一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池，其特征在于设有Si底电池、Ge隧穿结、GaAs中间电池、AlGaAs/InGaP隧穿结、InGaP顶电池和接触层，所述Si底电池构建在P型Si衬底上，Ge隧穿结连接Si底电池与GaAs中间电池，AlGaAs/InGaP隧穿结连接GaAs中间电池与InGaP顶电池，接触层设于InGaP顶电池上；
所述P型Si衬底的厚度为100～600μm，掺杂浓度为1×1015～5×1017cm-3；
所述Si底电池的发射区厚度为0.05～1μm，掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3。
2.如权利要求1所述的一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池，其特征在于所述InGaP顶电池自下而上包括：背电场层、InGaP基区、InGaP发射区以及窗口层。
3.如权利要求1或2所述的一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池，其特征在于所述InGaP顶电池的禁带宽度大于1.85eV。
4.如权利要求1所述的一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池，其特征在于所述GaAs中间电池自下而上包括：背电场层、GaAs基区、GaAs发射区以及窗口层。
5.如权利要求1所述的一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池，其特征在于连接InGaP顶电池和GaAs中间电池的隧穿结，采用GaAs、InGaP、Al0.3Ga0.7As或其他半导体材料，掺杂浓度为1×1019～5×1020cm-3。
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