CN102779890A - 一种倒置三结太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

一种倒置三结太阳能电池及其制造方法 Download PDF

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蔡建九
方天足
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Abstract

本发明公开一种倒置三结太阳能电池，包括第一欧姆接触层，其特征在于：在第一欧姆接触层的上面依次连接有第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结、第三子电池、第二欧姆接触层，第一子电池、第二子电池、第三子电池的晶格常数相同，第一子电池具有第一带隙，第二子电池具有第二带隙，且其值小于第一带隙，第三子电池具有第三带隙，且其值小于第二带隙；本发明还提供上述倒置三结太阳能电池的生产方法；本发明有效提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种倒置三结太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及三结太阳能电池及其制造方法，尤其是一种倒置三结太阳能电池及其制造方法。
背景技术
砷化镓三结太阳能电池具有效率高、寿命长、温度特性好等优点，已在空间飞行器与地面聚光发电系统中得到广泛应用。传统GaInP2/GaInAs/Ge三结太阳电池结构，其晶格与锗衬底匹配，便于通过金属有机化合物气相外延设备(MOVPE)工业化生产，但该结构锗底电池带隙较小(0.67eV)，造成了较大的电流损失，转换效率进一步提高的空间极为有限。
为了进一步提高电池光电转换效率，美国可再生资源实验室（NREL）提出采用GaInP2/GaAs /In0.3Ga0.7As(1.0eV)倒置三结太阳电池结构，通过带隙1.0 eV的In0.3Ga0.7As底电池取代带隙0.67eV的锗底电池，减小了电流损失并提高开路电压，因而能获得更高的转换效率。该结构GaInP与GaAs子电池与衬底晶格匹配，易于生长，但第三结In0.3Ga0.7As底电池与GaAs中电池的晶格失配度为2.1%，临界厚度约为100 nm，一旦材料厚度超过临界厚度，应力释放将产生大量位错缺陷和出现严重的表面起伏，无法满足太阳能电池的应用，因此必须采取特殊的缓冲层技术来过渡晶格和过滤位错，从而获得高质量的In0.3Ga0.7As外延层。目前，国际上各大研究机构均开发出成熟的生长大失配结构的In0.3Ga0.7As外延层的方法，如美国NREL开发的GayIn1-yP组分跳变缓冲层结构，美国昂科公司（Emcore）开发的InxAlzGa1-x-zAs组分跳变缓冲层结构等。然而，该三结电池结构的GaInP2与GaAs子电池带隙受到衬底晶格的约束，电流还没达到完全匹配，限制转换效率进一步提升。
为了减少电流损失，台湾晶元光电(Epistar)提出采用Ga0.46In0.54P/Ga0.96In0.04As /In0.37Ga0.63As倒置三结太阳电池结构，即在GaAs或Ge衬底上，首先采用第一缓冲层过渡晶格，生长Ga0.46In0.54P/Ga0.96In0.04As倒置双结电池，然后采用第二缓冲层过渡晶格，生长更大失配的第三结In0.37Ga0.63As子电池。该结构增加了各子电池的吸收限，电流更加匹配，能进一步提升电池的转换效率。然而，该结构三个子电池均与衬底晶格均存在一定的失配，生长难度大，且在倒置双结上生长大失配缓冲层，不可避免在对已生长好的倒置双结电池产生热沉积影响，甚至会形成穿透位错，导致倒置双结电池性能退化，影响整个倒置电池效率的提升。且缓冲层位于三个子电池之间，存在一定的入射光损失，同时增加了电池的体电阻，降低光电转换效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种倒置三结太阳能电池，有效提高太阳能电池的光电转换效率。
本发明还提供上述倒置三结太阳能电池的制造方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种倒置三结太阳能电池，包括第一欧姆接触层，在第一欧姆接触层的上面依次连接有第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结、第三子电池、第二欧姆接触层，第一子电池、第二子电池、第三子电池的晶格常数相同，第一子电池具有第一带隙，第二子电池具有第二带隙，且其值小于第一带隙，第三子电池具有第三带隙，且其值小于第二带隙。
优选所述的第一子电池、第二子电池、第三子电池的晶格常数为0.57～0.59 nm。
优选所述的第一子电池带隙为1.7～1.9 eV，所述的第一子电池由InxAlzGa1-x-zP构成，其中0.50＜x≤0.95，0＜z≤0.50。
优选所述的第二子电池带隙为1.2～1.4eV，所述的第二子电池由InxGa1-xAszP1-z构成，其中0.50＜x≤0.95，0＜z≤0.50。
优选所述的第三子电池带隙为0.9～1.1eV，所述的第三子电池由InxGa1-xAs构成，其中0.20＜x≤0.50。
上述倒置三结太阳能电池的生产方法，包括以下步骤：
步骤一、提供一临时生长模板；
步骤二、在临时生长模板上沉积应力完全弛豫的由InyGa1-yAs 构成的缓冲层，其中0＜y≤1；
步骤三、在所述缓冲层上面生长第一欧姆接触层； 
步骤四、在第一欧姆接触层上面生长第一子电池；
步骤五、在第一子电池上面生长第一隧穿结；
步骤六、在第一隧穿结上面生长第二子电池；
步骤七、在第二子电池上面生长第二隧穿结；
步骤八、在第二隧穿结上面生长第三子电池；
步骤九、在第三子电池上面生长第二欧姆接触层；
步骤十、在第二欧姆接触层的上面键合一刚性硅片，然后把所述的临时生长模板和缓冲层剥离第一欧姆接触层。
优选步骤二所沉积缓冲层的平均晶格常数与第一子电池、第二子电池、第三子电池的晶格常数相同。
优选步骤二所沉积缓冲层的生长厚度控制为50-5000 nm，表面位错密度低于106cm-3。
优选使用的临时生长模板为GaAs。
在步骤三在所述缓冲层上面生长第一欧姆接触层之前可先生长一剥离截止层，然后在剥离截止层上面再生长第一欧姆接触层，到最后步骤通过剥离截止层把临时生长模板和缓冲层从第一欧姆接触层下面剥离。这样的生产方法使得临时生长模板和缓冲层可重复使用，可有效降低倒置三结太阳能电池的生产成本。
本发明由于各子电池的晶格常数相同，第一子电池具有第一带隙，第二子电池具有第二带隙，且其值小于第一带隙，第三子电池具有第三带隙，且其值小于第二带隙，在各子电池之间不需设置缓冲层，避免因生长缓冲层对子电池影响，同时，减少了入射光的损失，并降低倒置三结太阳电池体电阻，较好提高光电转换效率；另一方面，因各子电池晶格匹配，带隙组合更优化，使得各子电池材料选择面更广，通过合理选择各子电池材料也能进一步提高光电转换效率，降低生产成本。
本发明的生产方法由于缓冲层生长在临时生长模板上，缓冲层材料不要求光学透明，可选用材料范围广，制造较容易，且有利于降低生产成本；另外缓冲层在制作电池的最后阶段去除，可提高电池可靠性。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明三个子电池晶格常数与禁带宽度关系图；
图3是本发明生产结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1所示，一种倒置三结太阳能电池，包括第一欧姆接触层1，在第一欧姆接触层1的上面依次连接有第一子电池2、第一隧穿结3、第二子电池4、第二隧穿结5、第三子电池6、第二欧姆接触层7；
第一子电池2、第二子电池4、第三子电池6的晶格常数相同为5.787?，第一子电池2具有第一带隙，第一带隙为1.79eV；第二子电池4具有第二带隙，第二带隙为1.35eV，其值小于第一带隙；第三子电池6具有第三带隙，第三带隙为0.97eV，其值小于第二带隙；
第一子电池2由In0.80Al0.19Ga0.01P构成，第二子电池4由In0.69Ga0.31As0.25P0.75构成，第三子电池6由In0.33Ga0.67As构成。
三个子电池晶格常数与禁带宽度的关系可参照图2。
参照图3所示的生产结构图，本发明倒置三结太阳能电池的生产方法包括以下步骤：
步骤一、提供一临时生长模板10，临时生长模板10为GaAs；
步骤二、在临时生长模板10上沉积应力完全弛豫的由InyGa1-yAs 构成的缓冲层20，其中0＜y≤1；缓冲层20的平均晶格常数与第一子电池2、第二子电池4、第三子电池6的晶格常数相同，缓冲层20的生长厚度控制为50-5000 nm，表面位错密度低于106cm-3；然后在缓冲层20的上面生长一剥离截止层30；
步骤三、在剥离截止层30上面生长第一欧姆接触层1； 
步骤四、在第一欧姆接触层1上面生长第一子电池2；
步骤五、在第一子电池2上面生长第一隧穿结3；
步骤六、在第一隧穿结3上面生长第二子电池4；
步骤七、在第二子电池4上面生长第二隧穿结5；
步骤八、在第二隧穿结5上面生长第三子电池6；
步骤九、在第三子电池6上面生长第二欧姆接触层7；
步骤十、在第二欧姆接触层7的上面键合一刚性硅片8，然后把所述的临时生长模板10和缓冲层20通过剥离截止层30从第一欧姆接触层1下面剥离。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，本领域的技术人员按本发明权利要求所做的各种变换或变化也落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种倒置三结太阳能电池，包括第一欧姆接触层，其特征在于：在第一欧姆接触层的上面依次连接有第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结、第三子电池、第二欧姆接触层，第一子电池、第二子电池、第三子电池的晶格常数相同，第一子电池具有第一带隙，第二子电池具有第二带隙，且其值小于第一带隙，第三子电池具有第三带隙，且其值小于第二带隙。
2.根据权利要求1所述的一种倒置三结太阳能电池，其特征在于：所述的第一子电池、第二子电池、第三子电池的晶格常数为0.57～0.59 nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种倒置三结太阳能电池，其特征在于：所述的第一子电池带隙为1.7～1.9 eV，所述的第一子电池由InxAlzGa1-x-zP构成，其中0.50＜x≤0.95，0＜z≤0.50。
4.根据权利要求1或2所述的一种倒置三结太阳能电池，其特征在于：所述的第二子电池带隙为1.2～1.4eV，所述的第二子电池由InxGa1-xAszP1-z构成，其中0.50＜x≤0.95，0＜z≤0.50。
5.根据权利要求1或2所述的一种倒置三结太阳能电池，其特征在于：所述的第三子电池带隙为0.9～1.1eV，所述的第三子电池由InxGa1-xAs构成，其中0.20＜x≤0.50。
6.一种权利要求1至5任一项所述倒置三结太阳能电池的生产方法，其包括以下步骤：
步骤一、提供一临时生长模板；
步骤二、在临时生长模板上沉积应力完全弛豫的由InyGa1-yAs 构成的缓冲层，其中0＜y≤1；
步骤三、在所述缓冲层上面生长第一欧姆接触层； 
步骤四、在第一欧姆接触层上面生长第一子电池；
步骤五、在第一子电池上面生长第一隧穿结；
步骤六、在第一隧穿结上面生长第二子电池；
步骤七、在第二子电池上面生长第二隧穿结；
步骤八、在第二隧穿结上面生长第三子电池；
步骤九、在第三子电池上面生长第二欧姆接触层；
步骤十、在第二欧姆接触层的上面键合一刚性硅片，然后把所述的临时生长模板和缓冲层剥离第一欧姆接触层。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于：步骤二所沉积缓冲层的平均晶格常数与第一子电池、第二子电池、第三子电池的晶格常数相同。
8.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于：步骤二所沉积缓冲层的生长厚度控制为50-5000 nm，表面位错密度低于106cm-3。
9.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于：所述使用的临时生长模板为GaAs。
10.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于：步骤三在所述缓冲层上面生长第一欧姆接触层之前生长一剥离截止层，然后在剥离截止层上面再生长第一欧姆接触层，到最后步骤通过剥离截止层把临时生长模板和缓冲层从第一欧姆接触层下面剥离。
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