CN102969387B - GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，包括：衬底；在衬底上的腐蚀剥离层；在腐蚀剥离层上的GaInP第一子电池；在第一子电池上的第一隧穿结；在第一隧穿结上的GaAs第二子电池；在第二子电池上的晶格过渡层，该晶格过渡层的材料可以为AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs、AlGaInAsP等任何晶格常数在0.5656nm-0.579nm之间，且同时禁带宽度Eg满足Eg＞1.4eV的III-V族材料；在晶格过渡层上的第二隧穿结；和在第二隧穿结上的InGaAs第三子电池。与传统技术相比，本发明采用P型掺杂的晶格过渡层材料代替传统的N型掺杂的晶格过渡层材料，并且改变了第二隧穿结和晶格过渡层的生长顺序，这有利于降低InGaAs材料的线位错密度，提高InGaAs电池的开路电压，从而提高了整个三结太阳能电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明属于化合物半导体薄膜太阳能电池的外延生长领域，具体涉及在GaAs衬底上生长GaInP/GaAs/InGaAs三结高效太阳能电池外延结构，能够进一步提高电池的光电转换效率。
背景技术
III-V族化合物半导体多结太阳能电池是转换效率最高的一种太阳能电池，同时具有耐高温性能强、抗辐射能力强、温度特性好等优点。近年来，随着聚光光伏技术的发展，GaAs及相关化合物III-V族太阳能电池因其高光电转换效率而越来越受到关注。聚光光伏技术将大面积的太阳光进行高倍率聚光、浓缩后照射到小面积的太阳能电池上发电，从而大规模节约太阳能电池晶片。利用该技术可以大幅度降低太阳能光伏发电成本，同时，配合优异的衬底剥离技术，实现衬底的多次重复利用，能够进一步降低电池芯片的成本。因此基于III-V族化合物半导体多结太阳能电池的聚光光伏发电具有非常广泛的市场发展前景。
对于本领域技术人员而言，GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池是目前转换效率最高的III-V族化合物半导体三结太阳能电池。该类型太阳能电池的优点是各个子电池的带隙宽度和电流都基本匹配。目前，GaInP/GaAs/InGaAs三结薄膜电池在AM1.5G下的最高转换效率已达35.8％。
图2显示一种传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构的示意图。如图2所示，该传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构依次包括：
GaAs衬底101’；
生长在GaAs衬底101’上的GaAs缓冲层102’；
生长在GaAs缓冲层102’上的AlGaAs腐蚀剥离层a’(或标示为103’)；
生长在AlGaAs腐蚀剥离层a’上的欧姆接触层104’；
生长在欧姆接触层104’上的GaInP子电池b’，该GaInP子电池b’依次包括窗口层105’、发射区106’、基区107’和背场区108’；
生长在GaInP子电池b’上的第一隧穿结c’，该第一隧穿结c’依次包括AlGaAs层109’和GaInP层110’；
生长在第一隧穿结c’上的GaAs子电池d’，该GaAs子电池d’依次包括窗口层111’、发射区112’、基区113’和背场区114’；
生长在GaAs子电池d’上的第二隧穿结f’，该第二隧穿结f’依次包括AlGaAs层115’和GaInP层116’；
生长在第二隧穿结f’上的N型掺杂AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs，AlGaInAsP等材料构成的晶格过渡层e’(或标示为117’)；
生长在晶格过渡层e’上的InGaAs子电池g’；和生长在InGaAs子电池g’上的InGaAs接触层122’。
然而，这种传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的生长有一个问题。为了实现带隙宽度和电流的匹配，InGaAs子电池必须在晶格失配的条件下生长。而晶格失配的情况下生长InGaAs材料，必然会产生大量的线位错，这会显著降低InGaAs电池的开路电压，从而降低了这种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的整体转换效率。因此，如何在晶格失配情况下提高InGaAs材料的晶体质量，降低线位错密度，是进一步提高GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池转换效率的关键所在。
发明内容
本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
本发明的一个目的在于提出一种新型GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其能够更加有效的降低InGaAs材料中的线位错密度，提高InGaAs子电池的开路电压，最终能有效地提高三结太阳能电池的转换效率。
根据本发明的一个方面，提供一种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，包括：
衬底；
在衬底上的腐蚀剥离层；
在腐蚀剥离层上的GaInP第一子电池；
在第一子电池上的第一隧穿结；
在第一隧穿结上的GaAs第二子电池；
在第二子电池上的晶格过渡层，其中该晶格过渡层的材料为晶格常数在0.5656nm-0.579nm之间且同时禁带宽度Eg满足Eg＞1.4eV的III-V族材料；
在晶格过渡层上的第二隧穿结；和
在第二隧穿结上的InGaAs第三子电池。
根据本发明的一个优选实施例，所述衬底为GaAs衬底。
根据本发明的另一个优选实施例，所述腐蚀剥离层由在GaAs衬底上外延生长的AlxGa1-xAs形成，其中0.7≤x≤1。
根据本发明的另一个优选实施例，所述三结太阳能电池外延结构，还包括生长在GaAs衬底上的一层GaAs缓冲层，并且所述腐蚀剥离层由在GaAs缓冲层上外延生长的AlxGa1-xAs形成，其中0.7≤x≤1。
根据本发明的另一个优选实施例，所述三结太阳能电池外延结构还包括生长在所述AlxGa1-xAs腐蚀剥离层上的一层N型掺杂GaAs欧姆接触层。
根据本发明的另一个优选实施例，所述第一子电池(b)包括：
生长在欧姆接触层上的N型掺杂AlInP第一窗口层；
生长在第一窗口层上的N型掺杂GaInP第一发射区；
生长在第一发射区上的P型掺杂GaInP第一基区；和
生长在第一基区上的P型掺杂AlGaInP第一背场区。
根据本发明的另一个优选实施例，所述第一隧穿结包括：
生长在第一背场区上的第一P型高掺杂AlGaAs层；和
生长在第一P型高掺杂AlGaAs层上的第一N型高掺杂GaInP层。
根据本发明的另一个优选实施例，所述第二子电池包括：
生长在第一N型高掺杂GaInP层上的N型掺杂GaInP第二窗口层；
生长在第二窗口层上的N型掺杂GaAs第二发射区；
生长在第二发射区上的P型掺杂GaAs第二基区；和
生长在第二基区上的P型掺杂AlGaAs第二背场区。
根据本发明的另一个优选实施例，所述晶格过渡层为生长在第二背场区上的P型掺杂的晶格过渡层，该晶格过渡层的材料可以为AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs或AlGaInAsP。
根据本发明的另一个优选实施例，所述P型掺杂的晶格过渡层的晶格常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面逐渐增加。
根据本发明的另一个优选实施例，所述P型掺杂晶格过渡层的晶格常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面按按长度计从0.5656nm增加至0.579nm。
根据本发明的另一个优选实施例，所述第二隧穿结包括：
生长在P型掺杂的晶格过渡层上的第二P型高掺杂AlGaAs层；和
生长在第二P型高掺杂AlGaAs层上的第二N型高掺杂GaInP层。
根据本发明的另一个优选实施例，所述第三子电池包括：
生长在第二N型高掺杂GaInP层上的N型掺杂AlGaInAs第三窗口层；
生长在第三窗口层上的N型掺杂InGaAs第三发射区；
生长在第三发射区上的P型掺杂InGaAs第三基区；和
生长在第三基区上的P型掺杂AlGaInAs第三背场区。
根据本发明的另一个优选实施例，所述三结太阳能电池外延结构还包括生长在第三背场区上的P型掺杂InGaAs接触层。
根据本发明的另一个方面，提供一种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，包括：
在GaAs衬底上外延生长的AlxGa1-xAs腐蚀剥离层，其中0.7≤x≤1：
在腐蚀剥离层上外延生长的GaInP第一子电池；
在第一子电池上外延生长的AlGaAs/GaInP第一隧穿结；
在第一隧穿结上外延生长的GaAs第二子电池；
在第二子电池上外延生长的P型掺杂的晶格过渡层；
在晶格过渡层上外延生长的AlGaAs/GaInP第二隧穿结；和
在第二隧穿结上外延生长的InGaAs第三子电池。
根据本发明的一个优选实施例，所述P型掺杂的晶格过渡层的材料可以为AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs、AlGaInAsP等，任何晶格常数在0.5656nm-0.579nm之间变化，且同时禁带宽度Eg满足Eg＞1.4eV的III-V族材料。其中晶格常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面逐渐增加。
根据本发明的另一个优选实施例，所述P型掺杂的晶格过渡层的晶格常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面按长度计从0.5656nm增加至0.5790nm。
本发明提供一种新型的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构。该外延结构是在GaAs衬底上先生长AlxGa1-xAs腐蚀剥离层、GaInP子电池、第一隧穿结和GaAs子电池，再生长P型的晶格过渡层，第二隧穿结，最后再生长InGaAs子电池。与传统技术相比，本发明采用P型掺杂的晶格过渡层材料代替传统的N型掺杂的晶格过渡层材料，并且改变了第二隧穿结和晶格过渡层的生长顺序，这有利于降低InGaAs材料的线位错密度，提高InGaAs电池的开路电压，从而提高了整个三结太阳能电池的转换效率。
本发明的技术优势体现在：GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池已经具有很高的转换效率，通过改进外延生长工艺，进一步降低InGaAs材料中的线位错密度，能够使GaInP/GaAs/InGaAs实现更高的转换效率。
附图说明
图1显示根据本发明的一个实例性实施例的三结太阳能电池结构的示意图；和
图2显示一种传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1显示根据本发明的一个实例性实施例的三结太阳能电池结构的示意图。下面结合图1对本发明的技术方案作进一步说明，但是，应当理解的是，图示实施例不是对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。
图1所示的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构可以采用一种气相外延生长技术，例如采用MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition)方法生长而成。
下面将根据图1详细说明根据一个实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构：
(1)提供一个GaAs衬底101；
(2)在GaAs衬底101上生长GaAs缓冲层102；
(3)在GaAs缓冲层102上生长AlxGa1-xAs腐蚀剥离层103(在图1中也标示成a)，其中0.7≤x≤1；
(4)在AlGaAs剥离腐蚀层103上生长N型掺杂GaAs接触层104，用于形成欧姆接触；
(5)在N型掺杂GaAs接触层104上生长N型掺杂AlInP窗口层105；
(6)在N型掺杂AlInP窗口层105上生长N型掺杂GaInP发射区106；
(7)在N型掺杂Ga0.5In0.5P发射区106上生长P型掺杂GaInP基区107；
(8)在P型掺杂Ga0.5In0.5P基区107上生长P型掺杂AlGaInP背场区108；
(9)在P型掺杂AlGaInP背场区108上生长P型高掺杂AlGaAs层109；
(10)在P型高掺杂AlGaAs层109上生长N型高掺杂的GaInP层110；
(11)在N型高掺杂的GaInP层110上生长N型掺杂GaInP窗口层111；
(12)在N型掺杂GaInP窗口层111上生长N型掺杂GaAs发射区112；
(13)在N型掺杂GaAs发射区112上生长P型掺杂GaAs基区113；
(14)在P型掺杂GaAs基区113上生长P型掺杂AlGaAs背场区114；
(15)在P型掺杂AlGaAs背场区114上生长P型掺杂的In组分渐变的AlGaInAs晶格过渡层115，其中，AlGaInAs晶格过渡层115的晶格常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面按长度计从0.5656nm增加至0.5790nm；
(16)在AlGaInAs晶格过渡层115上生长P型高掺杂AlGaAs层116；
(17)在P型高掺杂AlGaAs层116上生长N型高掺杂GaInP层117；
(18)在N型高掺杂GaInP层117上生长N型掺杂AlGaInAs窗口层118；
(19)在N型掺杂AlGaInAs窗口层118上生长N型掺杂InGaAs发射区119；
(20)在N型掺杂InGaAs发射区119上生长P型掺杂InGaAs基区120；
(21)在P型掺杂InGaAs基区120上生长P型掺杂AlGaInAs背场区121；和
(21)在P型掺杂AlGaInAs背场区121上生长P型掺杂InGaAs接触层122。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，N型掺杂AlInP窗口层105、N型掺杂GaInP发射区106、P型掺杂GaInP基区107和P型掺杂AlGaInP背场区108一同构成GaInP第一子电池b。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，N型掺杂GaInP窗口层111、N型掺杂GaAs发射区112、P型掺杂GaAs基区113和P型掺杂AlGaAs背场区114一同构成GaAs第二子电池d。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，N型掺杂AlGaInAs窗口层118、N型掺杂InGaAs发射区119、P型掺杂InGaAs基区120和P型掺杂AlGaInAs背场区121一同构成InGaAs第三子电池g。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，P型高掺杂AlGaAs层109和N型高掺杂GaInP层110一同构成第一隧穿结c。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，P型高掺杂AlGaAs层116和N型高掺杂GaInP层117一同构成第二隧穿结f。
在图1所示的实施例中，在GaAs衬底101上生长有GaAs缓冲层102，AlGaAs剥离腐蚀层103生长在该GaAs缓冲层102上，但是，本发明不局限于此结构，GaAs缓冲层102可以省略，也就是说，AlGaAs剥离腐蚀层103可以直接生长在GaAs衬底101上。
在图1所示的本发明中，先在GaAs第二子电池d上生长AlGaInAs晶格过渡层e，然后在AlGaInAs晶格过渡层e上生长第二隧穿结f。
而在图2所示的传统技术中，先在GaAs第二子电池d’上生长第二隧穿结f’，然后在第二隧穿结f’上生长AlGaInAs晶格过渡层e’。
对比图1所示的本发明的三结太阳能电池外延结构与图2所示的传统的三结太阳能电池外延结构，可以清楚地看出，本发明采用P型掺杂的AlGaInAs晶格过渡层代替传统的N型掺杂的AlGaInAs晶格过渡层，并且改变了第二隧穿结和AlGaInAs晶格过渡层的生长顺序，因此，本发明能明显降低InGaAs材料的线位错密度和提高InGaAs子电池的开路电压。
尽管在图1所示的实施例中，采用了P型掺杂的In组分渐变的AlGaInAs晶格过渡层115，但是，本发明不局限于此，晶格过渡层的材料可以为AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs、AlGaInAsP等，任何一种晶格常数在0.5656nm-0.579nm之间变化，且同时禁带宽度Eg满足Eg＞1.4eV的III-V族材料。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本发明的范围。
Claims (10)
1.一种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，包括：
衬底(101)；
在衬底(101)上的腐蚀剥离层(a)；
在腐蚀剥离层(a)上的GaInP第一子电池(b)；
在第一子电池(b)上的第一隧穿结(c)；
在第一隧穿结(c)上的GaAs第二子电池(d)；
在第二子电池(d)上的P型掺杂的晶格过渡层(e)，其中该晶格过渡层的材料为晶格常数在0.5656nm-0.579nm之间且同时禁带宽度Eg满足Eg＞1.4eV的III-V族材料；
在晶格过渡层(e)上的第二隧穿结(f)；和
在第二隧穿结(f)上的InGaAs第三子电池(g)。
2.根据权利要求1所述的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，所述衬底(101)为GaAs衬底。
3.根据权利要求2所述的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，还包括：
生长在GaAs衬底(101)上的一层GaAs缓冲层(102)，并且所述腐蚀剥离层(a)由在GaAs缓冲层(102)上外延生长的AlxGa1-xAs形成，其中0.7≤x≤1；和
生长在所述AlxGa1-xAs腐蚀剥离层(a)上的一层N型掺杂GaAs欧姆接触层(104)。
4.根据权利要求3所述的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，
所述第一子电池(b)包括：
生长在欧姆接触层(104)上的N型掺杂AlInP第一窗口层(105)；
生长在第一窗口层(105)上的N型掺杂GaInP第一发射区(106)；
生长在第一发射区(106)上的P型掺杂GaInP第一基区(107)；和
生长在第一基区(107)上的P型掺杂AlGaInP第一背场区(108)，
所述第一隧穿结(c)包括：
生长在第一背场区(108)上的第一P型高掺杂AlGaAs层(109)；和
生长在第一P型高掺杂AlGaAs层(109)上的第一N型高掺杂GaInP层(110)。
5.根据权利要求4所述的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，所述第二子电池(d)包括：
生长在第一N型高掺杂GaInP层(110)上的N型掺杂GaInP第二窗口层(111)；
生长在第二窗口层(111)上的N型掺杂GaAs第二发射区(112)；
生长在第二发射区(112)上的P型掺杂GaAs第二基区(113)；和
生长在第二基区(113)上的P型掺杂AlGaAs第二背场区(114)。
6.根据权利要求5所述的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，
所述P型掺杂的晶格过渡层(e)生长在第二背场区(114)上；并且
该晶格过渡层(e)的材料为AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs或AlGaInAsP。
7.根据权利要求6所述的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，
所述P型掺杂的晶格过渡层(e)的晶格常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面逐渐增加。
8.根据权利要求7所述的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，
所述P型掺杂的晶格过渡层(e)的晶格常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面按长度计从0.5656nm增加至0.579nm。
9.根据权利要求8所述的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，
所述第二隧穿结(f)包括：
生长在P型掺杂的晶格过渡层(e)上的第二P型高掺杂AlGaAs层(116)；和
生长在第二P型高掺杂AlGaAs层(116)上的第二N型高掺杂GaInP层(117)，
所述第三子电池(g)包括：
生长在第二N型高掺杂GaInP层(117)上的N型掺杂AlGaInAs第三窗口层(118)；
生长在第三窗口层(118)上的N型掺杂InGaAs第三发射区(119)；
生长在第三发射区(119)上的P型掺杂InGaAs第三基区(120)；和
生长在第三基区(120)上的P型掺杂AlGaInAs第三背场区(121)。
10.一种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，其特征在于，包括：
在GaAs衬底(101)上外延生长的AlxGa1-xAs腐蚀剥离层(a)，其中0.7≤x≤1；
在腐蚀剥离层(a)上外延生长的GaInP第一子电池(b)；
在第一子电池(b)上外延生长的AlGaAs/GaInP第一隧穿结(c)；
在第一隧穿结(c)上外延生长的GaAs第二子电池(d)；
在第二子电池(d)上外延生长的P型掺杂的晶格过渡层(e)，其中该晶格过渡层的材料为晶格常数在0.5656nm-0.579nm之间且同时禁带宽度Eg满足Eg＞1.4eV的III-V族材料；
在晶格过渡层(e)上外延生长的AlGaAs/GaInP第二隧穿结(f)；和
在第二隧穿结(f)上外延生长的InGaAs第三子电池(g)。
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