CN102983203A - 三结级联太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种三结级联太阳能电池，包括底层的Ge电池、中间层的InGaAs电池以及顶层的（Al）GaInP电池，所述中间层的InGaAs电池内嵌有In（Ga）As量子点。本发明还公开了一种三结级联太阳能电池的制作方法。本发明在传统晶格匹配的三结(Al)GaInP/InGaAs/Ge电池中内嵌In(Ga)As量子点，通过量子点材料对低能光子的吸收及载流子的分离，充分利用量子点的层间耦合，量子点密度影响量子效率及太阳电池光电转换效率的物理机制，实现传统的多结结构与新型量子点结构的有效结合，获得光电流匹配的三结电池的带隙设计和调控，更大限度地实现对太阳光低能光谱的吸收，从而提高其转换效率。

Description

三结级联太阳能电池及其制作方法
技术领域
本申请属于太阳能电池领域，特别是涉及一种三结级联太阳能电池及其制作方法。
背景技术
在上个世纪70年代引发的能源危机刺激下，也在空间飞行器能源系统的需求牵引下，光伏技术领域不断取得突破。晶体硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体多晶薄膜太阳能电池等，越来越多的太阳能电池技术日趋成熟。光电转换效率的不断提高及制造成本的持续降低，使得光伏技术在空间和地面都得到了广泛的应用。
回顾光伏技术在最近10年的发展，在效率提高方面，多结级联式的太阳能电池结构是最引人瞩目的。2007年InGaP/（In）GaAs/Ge三结级联太阳能电池大规模生产的平均效率已经接近30%。在240倍聚光下，这种多结太阳能电池的实验室AM1.5D效率已经超过了40%。理论上来说，结数越多，效率越高。但在实践上，很难找到在带隙宽度上如此理想搭配，晶格常数又非常匹配的两种材料来实现整体级联电池。因此，目前的多结电池结构主要有两种思路：一是优先考虑晶格匹配而将光电流匹配放在次要的位置。采用晶格匹配的设计，两结GaInP/GaAs电池的效率达到了30%以上。但晶格匹配的电池结构由于其确定的带隙能量，限制了太阳光的光电流的匹配，使得它不能实现对太阳电池的全光谱吸收利用。例如，对于晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池，底电池Ge上的光电流密度为上两层电池光电流密度的两倍，从而限制了效率的提升。二是优先考虑多结结构的光电流匹配而采用晶格失配的生长方式，从2005年开始，国际上几个著名的研究组，比如NREL，Emcore以及日本的丰田、夏普等越来越多地关注晶格失配的太阳电池结构的研究。通过带隙能量的调整，利用倒置方法生长的InGaAs/（In）GaAs/InGaP电池的效率从2007年的38.9％（81倍聚光，AM1.5D）提高到2008年的40.8％(326倍聚光，AM1.5G)。最近德国夫琅和费研究所的Eicke Weber教授领导的研究小组将三结GaInP/GaInAs/Ge太阳电池效率提高到了41.1％。
尽管晶格失配太阳电池研究取得了很大的进展，但晶格失配的结构设计依赖于高质量的材料生长，而大的晶格失配必然带来的位错增加会大大增加非辐射复合从而降低电池效率，因此，目前晶格匹配生长的太阳电池仍然保持了最高的光电转换效率。晶格匹配生长的三结GaInP/InGaAs/Ge太阳电池中，中间的InGaAs电池的光电流密度相对于其它两结是最低的，因此，这从理论上限制了晶格匹配生长的三结太阳电池的效率。如果能提高此结电池的光电流密度，必将提升整个三结电池的效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三结级联太阳能电池及其制作方法，以提高中间层电池的光电流密度，在晶格匹配生长的多结结构的基础上，实现了完美的光电流匹配，从而实现对太阳全光谱的充分吸收、提高光生载流子的产生效率和促进电子-空穴分离。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种三结级联太阳能电池，包括底层的Ge电池、中间层的InGaAs电池以及顶层的（Al）GaInP电池，其中，所述中间层的InGaAs电池内嵌有In（Ga）As量子点。
作为本发明的进一步改进，所述InGaAs电池包括基极和发射极，所述In（Ga）As量子点位于所述基极和发射极之间。
相应地，本发明还公开了一种三结级联太阳能电池的制作方法，其中，利用分子束外延的生长方法生长三结（Al）GaInP/InGaAs/Ge太阳能电池，并在InGaAs电池内嵌入In（Ga）As生长量子点。
优选的，在上述三结级联太阳能电池的制作方法中，所述制作方法具体包括：依次生长Ge电池、InGaAs电池的基极、In（Ga）As量子点、InGaAs电池的发射极、（Al）GaInP电池。
优选的，在上述三结级联太阳能电池的制作方法中，所述制作方法具体包括：
1）在MBE系统中，在P型Ge衬底上通过磷扩散的方法生长GaInP，生成单结Ge电池，并生长第一隧道结；
2）在单结Ge电池上生长InGaAs电池的基极，用自组织生长模式淀积3~20层In（Ga）As量子点，然后生长InGaAs电池的发射极；
3）在步骤2生长的双结InGaAs/Ge电池上外延生长第二隧道结，并生长顶层的（Al）GaInP电池。
优选的，在上述三结级联太阳能电池的制作方法中，所述步骤2中，In（Ga）As量子点的生长温度为450-520度，生长速率为0.1-0.4 ml/s。
优选的，在上述三结级联太阳能电池的制作方法中，所述第一隧道结为P+InGaAs/n+InGaAs。
优选的，在上述三结级联太阳能电池的制作方法中，所述第二隧道结为p+AlGaAs/n+GaInP。
优选的，在上述三结级联太阳能电池的制作方法中，所述Ge电池的带隙能量为0.67eV。
优选的，在上述三结级联太阳能电池的制作方法中，所述（Al）GaInP电池的带隙能量为1.9eV。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在传统晶格匹配的三结(Al)GaInP/InGaAs/Ge电池中内嵌In(Ga)As量子点，通过量子点材料对低能光子的吸收及载流子的分离，充分利用量子点的层间耦合，量子点密度影响量子效率及太阳电池光电转换效率的物理机制，实现传统的多结结构与新型量子点结构的有效结合，获得光电流匹配的三结电池的带隙设计和调控，更大限度地实现对太阳光低能光谱的吸收，从而提高其转换效率。本发明有效解决了光电流密度相对于其他两结较低的中间结InGaAs电池对三结电池效率的限制。实现三结电池整体光电流密度的提高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中三结级联太阳能电池的结构示意图。 
具体实施方式
基于传统的三结匹配太阳电池在结构设计上的成功，如果能提高中间结电池的光电流密度，必将对三结太阳电池效率的提升起到一个很好的作用。而量子点已经被证明可以作为非常好的中间能带来吸收低于(In)GaAs带隙的低能光子。在传统匹配生长的三结(Al)GaInP/InGaAs/Ge太阳电池的基础上，在InGaAs电池材料中生长一层InGaAs量子点，利用量子点对低能光子的吸收所产生的光电流对InGaAs电池部分的贡献，将获得比传统三结电池更高的光电流密度，实现更高的光电转换效率。
有鉴于此，本发明实施例公开了一种三结级联太阳能电池，包括底层的Ge电池、中间层的InGaAs电池以及顶层的（Al）GaInP电池，所述中间层的InGaAs电池内嵌有In（Ga）As量子点。
In（Ga）As量子点中In的含量优选大于40%。
需要说明的是，（Al）GaInP是指GaInP或AlGaInP，In（Ga）As是指InAs或InGaAs。
优选的，所述InGaAs电池包括基极和发射极，所述In（Ga）As量子点位于所述基极和发射极之间。
本发明实施例还公开了一种三结级联太阳能电池的制作方法，利用分子束外延的生长方法生长三结（Al）GaInP/InGaAs/Ge太阳能电池，并在InGaAs电池内嵌入In（Ga）As生长量子点。
优选的，上述三结级联太阳能电池的制作方法具体包括：依次生长Ge电池、InGaAs电池的基极、In（Ga）As量子点、InGaAs电池的发射极、（Al）GaInP电池。
上述制作方法进一步具体包括：
1）在MBE系统中，在P型Ge衬底上通过磷扩散的方法生长GaInP，生成单结Ge电池，并生长第一隧道结；
2）在单结Ge电池上生长InGaAs电池的基极，用自组织生长模式淀积3~20层In（Ga）As量子点，然后生长InGaAs电池的发射极；
3）在步骤2生长的双结InGaAs/Ge电池上外延生长第二隧道结，并生长顶层的（Al）GaInP电池。
在上述制作方法中，In（Ga）As量子点的生长温度为450-520度，生长速率为0.1-0.4 ml/s；第一隧道结为P+InGaAs/n+InGaAs；第二隧道结为p+AlGaAs/n+GaInP；Ge电池的带隙能量为0.67eV；（Al）GaInP电池的带隙能量为1.9eV。
在其他实施例中，也可以采用MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ，金属有机化合物化学气相沉淀）方法生长三结（Al）GaInP/InGaAs/Ge太阳能电池。
本发明实施例中的三结级联太阳能电池，将传统的多结太阳电池与量子点太阳电池在提高电池效率方面的理论预期相结合，实现宽光谱吸收的光电流匹配的带隙的完美设计，从而有效提高太阳电池效率；其次，基于MBE设备在量子点的生长的优势，设计生长全新结构太阳电池；再者，通过InGaAs量子点对低于中间电池材料带隙能量的吸收，解决了中间结InGaAs电池的光电流密度对于其它两结电池电流密度限制的难题。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行详细说明。
参图1所示，三结级联太阳能电池包括Ge电池10、第一隧道结20、InGaAs电池30、第二隧道结40、（Al）GaInP电池50和接触层60。
Ge电池10为Ge基pn结电池；第一隧道结20为P+InGaAs/n+InGaAs；InGaAs电池30包括在第一隧道结20上依次形成的背场层31、InGaAs电池基极32、In（Ga）As量子点33、InGaAs电池发射极34、以及窗口层35，其中，背场层31的材料为AlGaAs，窗口层35材料为GaInP；第二隧道结40为p+AlGaAs/n+GaInP；接触层60的材质优选为GaAs。
上述三结级联太阳能电池的制作方法具体包括如下步骤：
1）制作底层Ge电池10。
具体做法是：在p型Ge衬底上生长GaInP缓冲层，在MBE（分子束外延生长）系统中，通过高温下向Ge中的扩散磷（P）形成Ge的pn单结电池。并生长P+InGaAs/n+InGaAs作隧道结。
2）在Ge基的pn单结电池上制作中间结InGaAs电池30。
具体做法是：先生长AlGaAs背场层31，再生长InGaAs电池基极32，然后用S-K生长模式（自组织生长）淀积3~20层In（Ga）As量子点33，其生长温度大约为450~520度，生长速率为0.1~0.4ml/s。通过控制量子点的生长温度和生长速率控制量子点的大小和均匀性。最后生长InGaAs电池发射极34以及GaInP窗口层35。
3）在已制作完成的双结InGaAs/Ge电池上外延生长顶层（Al）GaInP电池50。
具体做法是：在双结InGaAs/Ge电池上外延生长p+AlGaAs/n+GaInP作为上两结电池的隧道结，并生长顶层（Al）GaInP电池。
生长完之后的太阳电池采用标准的太阳电池工艺流片，还包括一系列还包括一系列尺寸外形及适于安装的封装工艺步骤，以完成内嵌量子点三结太阳电池的制作。
综上所述，本发明在传统晶格匹配的三结(Al)GaInP/InGaAs/Ge电池中内嵌In(Ga)As量子点，通过量子点材料对低能光子的吸收及载流子的分离，充分利用量子点的层间耦合，量子点密度影响量子效率及太阳电池光电转换效率的物理机制，实现传统的多结结构与新型量子点结构的有效结合，获得光电流匹配的三结电池的带隙设计和调控，更大限度地实现对太阳光低能光谱的吸收，从而提高其转换效率。本发明有效解决了光电流密度相对于其他两结较低的中间结InGaAs电池对三结电池效率的限制。实现三结电池整体光电流密度的提高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种三结级联太阳能电池，包括底层的Ge电池、中间层的InGaAs电池以及顶层的（Al）GaInP电池，其特征在于：所述中间层的InGaAs电池内嵌有In（Ga）As量子点。
2.根据权利要求1所述的三结级联太阳能电池，其特征在于：所述InGaAs电池包括基极和发射极，所述In（Ga）As量子点位于所述基极和发射极之间。
3.权利要求1或2所述三结级联太阳能电池的制作方法，其特征在于：利用分子束外延的生长方法生长三结（Al）GaInP/InGaAs/Ge太阳能电池，并在InGaAs电池内嵌入In（Ga）As生长量子点。
4.根据权利要求3所述的三结级联太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述制作方法具体包括：依次生长Ge电池、InGaAs电池的基极、In（Ga）As量子点、InGaAs电池的发射极、（Al）GaInP电池。
5.根据权利要求4所述的三结级联太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述制作方法具体包括：
1）在MBE系统中，在P型Ge衬底上通过磷扩散的方法生长GaInP，生成单结Ge电池，并生长第一隧道结；
2）在单结Ge电池上生长InGaAs电池的基极，用自组织生长模式淀积3~20层In（Ga）As量子点，然后生长InGaAs电池的发射极；
3）在步骤2生长的双结InGaAs/Ge电池上外延生长第二隧道结，并生长顶层的（Al）GaInP电池。
6.根据权利要求5所述的三结级联太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述步骤2中，In（Ga）As量子点的生长温度为450-520度，生长速率为0.1-0.4 ml/s。
7.根据权利要求5所述的三结级联太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述第一隧道结为P+InGaAs/n+InGaAs。
8.根据权利要求5所述的三结级联太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述第二隧道结为p+AlGaAs/n+GaInP。
9.根据权利要求4所述的三结级联太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述Ge电池的带隙能量为0.67eV。
10.根据权利要求4所述的三结级联太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述（Al）GaInP电池的带隙能量为1.9eV。
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