CN102832271A

CN102832271A - 一种掺入量子点的多结叠层太阳电池设计

Info

Publication number: CN102832271A
Application number: CN2012103058081A
Authority: CN
Inventors: 屈晓升; 张思思; 熊丽玲; 包鸿音
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明涉及太阳能光伏发电领域，具体公开了一种掺入量子点的多结叠层太阳电池的设计，该电池包括前电极、子层A减反射层、子层B顶电池层、子层C背场层1、子层D隧穿结1、子层E中间层1、子层F背场层2、子层G隧穿结2、子层H中间层2、子层I隧穿结3、子层J底电池层、子层K衬底层和后电极，是在GaInP/GaAs/GaInAs/Ge四结叠层电池的GaAs子层引入量子点超晶格结构，利用量子点的带隙可调性，改善叠层电池整体的电流匹配和光谱利用率，并在子层B顶电池层和子层E中间层1中加入窗口层和背场结构，使得短波长光被充分吸收，电池各子层的带隙基本满足1.8eV、1.4eV、1.0eV、0.7eV，以充分吸收各波段的太阳光谱。

Description

一种掺入量子点的多结叠层太阳电池设计

(一)技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电领域，具体涉及量子点技术和叠层电池设计技术。

(二)背景技术

量子点太阳电池不仅是第三代太阳电池，也是目前最尖端的太阳电池之一，因为这种电池是在使用半导体体材料的普通太阳电池之中，引入了纳米技术与量子力学理论，预期可以实现令人叹为观止的性能。一般情况下太阳电池根据材质不同，可吸收的光波长也不一样，特别是很难吸收长波。而量子点太阳电池即便是相同材质，只要改变量子点的大小，可吸收光波的波长也会相应的改变，以此来拓宽吸收太阳光谱的范围。国内外很多科研人员已经研究了不同材料不同结构的量子点太阳电池，其单结量子点电池的最高转换效率在聚光条件下已经能达到18%。

量子点具有狭窄的能谱和离散的线宽，应用于太阳电池有以下优点：

吸收系数大

量子点的限域效应使能隙随粒子变小而增大，当尺寸更小时，处于强限域区易形成激子，产生激子吸收带，吸收系数增加，扩大光的吸收系数范围。

量子隧道效应明显

由于尺寸较小，量子点之间存在强烈的耦合，使得光生电子和空穴可通过共振隧穿效应穿过势垒，利于载流子的输运和收集。

形成多条子带，利于带间跃迁

调节量子点的尺寸和间距可以改变子带的个数、位置、宽度和态密度，可以有多个带隙起作用，产生电子-空穴对。

叠层太阳电池是指为了拓宽太阳光谱的响应，将传统的单结太阳电池的有源层叠加在一起，从而提高能量转换效率的一种新型太阳电池。目前两端式GaInP/InGaAs/Ge三结叠层电池在聚光或非聚光条件下，都获得了较高的转换效率。由美国SPL公司提出的这种三结叠层结构在一个太阳(AM1.5G)光照下转换效率达到31.7%，在200个太阳聚光下的转换效率更是达到了39.2%。但是由于这种类型的电池为电学串联结构，其总的电流将受到子电池最小电流的限制，因此需要通过增加各子层的电流密度，提高电池的整体效率。

但是，单结的量子点太阳电池在实际生长过程中由于界面缺陷会导致光电压受到大的影响，所以实际效率远不及理论效率；而对于叠层电池而言，其限制因素主要是电流密度。虽然目前很多研究人员企图通过引入渐变带隙结构来改善电流匹配，但这种方式需要精密调节各组分元素在化合物中的比例，工艺复杂，较难实现。

这种情况下，显然就无法达到充分利用太阳光谱的效果，无法改善电池的整体性能。

因此，在太阳电池结构设计中，如何充分利用太阳光谱和各种电池结构的优点来提高电池的转换效率成为一个亟待解决的问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提出一种掺入量子点的多结叠层结构太阳电池，该结构克服单结量子点太阳电池和叠层电池光谱利用率不高的缺点，可以充分利用量子点电池的带隙可调和叠层电池的高开路电压，达到高的转换效率和光稳定性。

本发明的技术方案如下：一种掺入量子点的多结叠层太阳电池，该电池包括前电极、子层A减反射层、子层B顶电池层、子层C背场层1、子层D隧穿结1、子层E中间层1、子层F背场层2、子层G隧穿结2、子层H中间层2、子层I隧穿结3、子层J底电池层、子层K衬底层和后电极。

所述的前电极接触其材料是Cr/Au、Ti/Au、Ti/Pt/Au或Ti/Pa/Ag，栅线面积大约占全面积5%。

所述的子层A减反射层采用MgF₂/ZnS结构，层厚分别为120nm和60nm。

所述的子层B顶电池层采用GaInP材料，包括窗口层、n型重掺杂发射区和p型轻掺杂基区，其带隙宽度取决于Ga元素和In元素掺入比例和结构的有序程度。Ga_0.5In_0.5P的带隙可以在1.82eV和1.91eV之间变化，负责吸收短波长太阳光。用AlInP层作为窗口层，可改善蓝光响应和短路电流，其厚度为25nm左右，掺杂浓度小于2×10¹⁸cm^-3，在10¹⁷～10¹⁸cm^-3量级。发射区厚度设置为100nm左右，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3，基区厚度设置为500m左右，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3。

所述的子层C背场结构(BSF)1采用0.03um的薄层GaInP，组分也是Ga_0.5In_0.5P，以保持晶格与GaAs匹配，p型掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，且最低为3×10¹⁷cm^-3，如果降低此浓度将影响开路电压。

所述的子层D隧穿结1采用p+-GaAs/n+-GaAs结构，也可采用p+-AlGaAs/n+-GaAs结构、p+-AlGaAs/n+-GaInP结构和p+-GaInP/n+-GaInP结构，厚度为10～15nm，掺杂浓度范围在10¹⁹～10²⁰cm^-3量级。

所述的子层E中间层1为掺入量子点的GaAs子层，量子点选取InAs量子点(也可以是其他量子点，但要满足带隙比GaAs小很多)，包括GaInP窗口层、n型重掺杂发射区，本征区和p型基区。尺寸均匀、间隔均匀的量子点层如同三明治结构一样插入在GaAs空间层中周期排列(见附图1)。其中GaInP窗口层厚度为30nm左右，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

所述的子层F背场层2依然采用003um的薄层GaInP。

所述的子层G隧穿结2采用p+-AlGaAs/n+-GaAs结构，也可以采用p+-GaAs/n+-GaAs结构，p+-AlGaAs/n+-GaInP结构和p+-GaInP/n+-GaInP结构，厚度为10～15nm，掺杂浓度范围在10¹⁹～10²⁰cm^-3量级。

所述的子层H中间层2采用GaInAs材料，Ga元素和In元素的掺杂比例大致分别为0.7和0.3，其具体掺杂比例可些许调整，以满足带隙宽度在1.0eV左右。其发射区厚度设置为100nm左右，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3，基区厚度设置为1μm左右，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3。

所述的子层I隧穿结3采用p+-AlGaAs/n+-GaAs结构，厚度为10～15nm，掺杂浓度范围在10¹⁹～10²⁰cm^-3量级。

所述的子层J底电池层采用Ge材料。由于Ge的晶格常数(

)与GaAs的晶格常数(

)相近，热膨胀系数两者也较接近并且具有较强的机械强度，因此价格便宜的Ge作为底电池和衬底既可以满足带隙的要求，又可以降低成本，其厚度设置在3～5μm左右。其中，发射区厚度设置为300nm左右，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3。

所述的子层K衬底层采用Ge材料，其厚度与子层J底电池总厚度控制在30μm以内。

所述的背面电极材料是AuGeNi/Au或Ti/Au。

本发明的显著效果在于：本发明所述的一种掺入量子点的多结叠层结构太阳电池克服了现有三层叠层太阳电池太阳光谱利用率不足的缺点，利用量子点的带隙可调谐性，有效地改变GaAs子层的有效带隙和电流密度，使得电池整体保持较高的稳定性和电流匹配度，获得更高的转换效率。

(四)附图说明

图1为掺入量子点的GaAs子层示意图；

图2为掺入量子点的多结叠层电池整体结构示意图；

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，该子层结构包括n型的GaAs发射区、本征GaAs区和p型的GaAs基区。InAs量子点植入在本征层中，形成基质材料/量子点材料的周期结构。由于量子点的量子尺寸效应，可通过改变量子点的尺寸和密度对量子点材料的带隙进行调整，有效带隙Eeff由量子限制效应的量子化能级的基态决定。发射区两层的梯度差便于载流子的扩散，InAs/GaAs量子点区生长5～10层量子点，量子点尺寸大约为直径20nm以内、高度10nm以内的角锥形，GaAs空间层的厚度为20～35nm,由于堆叠产生的应力作用会影响量子点层之间的界面效果，所以量子点层数不能太多，需进行优化，否则将产生高的晶格失配和界面复合速率。GaAs子层的整体厚度控制在2um以内。

可用分子束外延(MBE)技术或金属有机化学气相沉淀(MOCVD)技术研制太阳电池。虽然液相外延(LPE)技术设备工艺简单、价格便宜、无毒、安全，但采用LPE技术不可能实现GaAs/Ge异质结构的生长且研制的GaAs材料的表面复合速率高，故舍弃此技术。电池整体的结构设置可以进行改进，如可以引入表面钝化工艺以降低半导体表面复合速率，提高有效少子寿命。其主要方式是饱和半导体表面悬挂键，降低表面活性，增加表面的清洁程度，避免由于杂质的引入在表面形成复合中心。为降低窗口层AlInP中的氧含量，可将磷烷纯化或用乙硅烷取代硒化氢作掺杂剂。

Claims

1.一种掺入量子点的多结叠层太阳电池结构，其特征在于：该结构包括前电极、子层A减反射层、子层B顶电池层、子层C背场层1、子层D隧穿结1、子层E中间层1、子层F背场层2、子层G隧穿结2、子层H中间层2、子层I隧穿结3、子层J底电池层、子层K衬底层和后电极。

2.根据权利1所述的一种掺入量子点的多结叠层太阳电池结构，其特征在于所述的子层B顶电池层采用AlInP层作为窗口层改善蓝光响应和短路电流，采用带隙可调的Ga_0.5In_0.5P吸收短波长太阳光，总厚度为625nm左右。

3.根据权利1所述的一种掺入量子点的多结叠层太阳电池结构，其特征在于所述的顶电池和中电池1加入背场结构——子层C背场层1和子层F背场层2，均采用厚度0.03um的GaInP薄层，组分依然是Ga_0.5In_0.5P，以保持晶格与GaAs匹配。

4.根据权利1所述的一种掺入量子点的多结叠层太阳电池结构，其特征在于所述的子层E中间层1为掺入量子点的GaAs超晶格结构，选取InAs作为量子点，GaAs作为空间层周期排列。

5.根据权利1所述的一种掺入量子点的多结叠层太阳电池结构，其特征在于所述的子层H中间层2采用带隙可调的GaInAs材料，满足带隙宽度在1.0eV左右。

6.根据权利1所述的一种掺入量子点的多结叠层太阳电池结构，其特征在于所述的各子层之间采用不同的隧穿结，厚度为10～15nm之间。

7.根据权利1所述的一种掺入量子点的多结叠层太阳电池结构，其特征在于所述的子层J底电池层采用Ge材料和Ge衬底更好地匹配，总厚度控制在30μm左右。

8.根据权利要求4所述的子层E中间层1量子点超晶格结构，其特征在于量子点阵列植入在本征层中，并少量掺杂以满足半填充的中间带结构，其掺杂浓度在10¹⁰量级。n型发射区GaAs厚度控制在150nm内，夹着量子点的中间i层厚度为25nm，每层GaAs空间层厚20～35nm之间，生长5～10层量子点层，量子点尺寸大约为直径20nm以内、高度10nm以内的角锥形，GaAs子层的整体厚度控制在2μm以内。