CN103000740B - GaAs/GaInP双结太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

GaAs/GaInP双结太阳能电池及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种GaAs/GaInP双结太阳能电池，包括分子束外延生长的GaAs子电池、位于GaAs子电池上方的GaInP子电池以及位于所述GaAs子电池和GaInP子电池之间的隧道结，所述GaInP子电池包括形成于所述隧道结上的势垒层，所述势垒层为p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构。本申请还公开了一种双结太阳能电池的制作方法以及多结级联太阳能电池。本申请基于p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构对p型掺杂源Be的扩散的抑制，利用分子束外延生长方法，将常用的AlGaInP做势垒和背场的双结GaInP/GaAs太阳电池结构优化为p+-AlInP/p+-GaInP做势垒同时AlInP作为顶层电池的背场的双结GaInP/GaAs太阳电池结构。从而将抑制p型掺杂源的扩散，实现隧道结光电流密度的提高，有效提高双结太阳电池效率。

Description

GaAs/GaInP双结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GaAs/GaInP双结太阳能电池及其制作方法。
背景技术
太阳能高效发电技术作为一种支撑我国国民经济可持续发展的新能源技术在最近颁布的国家中长期科学和技术发展规划中已被列为重点支持和优先发展的方向。相比于硅太阳电池，多结III-V化合物半导体太阳电池以多种带隙宽度不同的半导体材料吸收与其带隙宽度相匹配的那部分太阳光，从而实现对太阳光的宽光谱吸收，目前双结电池的效率以极高超过了30%，三结太阳电池效率已经超过了40%。由于其体积小重量轻，在空间技术和军用充电设施中具有广泛应用。同时，高倍聚光型太阳电池系统在大规模的产业化应用也引起了广泛的重视。
随着器件设计的优化和材料质量的提高，III-V族化合物太阳电池的效率在不断提高。尤其是失配材料的生长和高倍聚光条件下的太阳电池效率不断提升。GaAs/GaInP双结电池由于其较高的转换效率和抗辐射性能，一直是空间太阳电池研究的热点。但是，GaAs/GaInP双结电池虽然用了很多新想法来提高效率，自1997年的15年间却一直保持30.2%的最高效率。而从1.42ev带隙的GaAs模型结果来看，1个太阳AM1.5G下GaAs/GaInP双结电池效率有望达到36%的效率，这表明双结电池仍然有很大的提升空间。
影响双结太阳电池效率的因素很多，比如器件结构设计，电极制作等。其中，作为连接不同吸收光谱能量子电池间的隧道结是最关键也是材料生长最困难的技术之一。在双结串联太阳电池中，由于子电池由p-n结组成，如果直接串联在一起，则由于pn结反偏而不导电，所以必须采用薄层高掺杂隧道二极管结将不同子电池串接起来。隧道结的性能直接影响到多结太阳电池的性能，要想获得高性能的太阳电池，隧道结的制作必须满足薄层高掺杂。只有当隧穿p-n 结处于高掺杂的情况下,空穴和电子的费米能级分别进入p区和n区的价带和导带,才能导致其中扩散势垒宽度变小,外加偏压时能带发生倾斜,电子便可以从价带隧穿进入导带, 产生隧穿电流。但高掺杂所导致的载流子向电池的扩散会降低电池效率。
金属有机物气相外延（MOCVD）因适合大规模的材料生长，生长的材料质量高而成为比较普遍的材料生长模式，目前的III-V高效太阳电池几乎全部由MOCVD所生长。MOCVD生长GaAs/GaInP双结太阳能电池中的隧道结通常用AlGaInP隧道结的势垒，同时作为顶层GaInP的背场，用C做p型掺杂源，C扩散系数较小。MBE作为外延生长的重要方式之一，由于其独特的优势，成为基础研究的有效工具。然而，在MBE生长系统中，通常用Si和Be做n型和p型掺杂源。实验表明，Be在隧道结中的p+-GaAs/p+-AlGaInP界面间存在严重的扩散问题。因此，在器件结构中，用AlGalInP做隧道结的势垒同时做GaInP顶层电池的背场的传统结构并不能实现良好的电池性能，不利于电池效率的提高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种GaAs/GaInP双结太阳能电池及其制作方法，以抑制p型掺杂源的扩散，实现隧道结光电流密度的提高，有效提高双结太阳电池效率。
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GaAs/GaInP双结太阳能电池，包括分子束外延生长的GaAs子电池、位于GaAs子电池上方的GaInP子电池以及位于所述GaAs子电池和GaInP子电池之间的隧道结，其中，所述GaInP子电池包括形成于所述隧道结上的势垒层，所述势垒层为p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构。
优选的，在上述GaAs/GaInP双结太阳能电池中，所述隧道结为p+GaAs/n+GaAs或者p+AlGaAs/n+GaInP。
优选的，在上述GaAs/GaInP双结太阳能电池中，所述GaAs子电池包括依次叠加的p+-GaInP背场层，p-GaAs 基极，n+-GaAs发射极和n+-GaInP 窗口层。
优选的，在上述GaAs/GaInP双结太阳能电池中，所述GaInP子电池还包括依次形成于所述势垒层上的p-GaInP 基极、n+-GaInP 发射极以及n-AlInP 窗口层。
相应的，本发明还公开了上述的双结太阳能电池的制作方法，,包括如下步骤：
1）通过分子束外延生长方法，在衬底上生长GaAs子电池；
2）在GaAs子电池上生长隧道结；
3）在隧道结上依次生长势垒层、GaInP子电池的基极、GaInP子电池的发射极以及窗口层。
优选的，在上述双结太阳能电池的制作方法中，所述步骤（1）中，GaAs子电池的生长温度是580到640度，生长速率是0.5ml/s到1.3ML/s。
优选的，在上述双结太阳能电池的制作方法中，所述步骤（3）中，所述势垒层的生长温度在480~530之间。
优选的，在上述双结太阳能电池的制作方法中，所述分子束外延生长方法中，Be做P型掺杂源。
本发明还公开了一种多结级联太阳能电池，包括分子束外延生长的第一子电池、位于第一子电池上方的第二子电池以及位于所述第一子电池和第二子电池之间的隧道结，其中，所述第二子电池包括形成于所述隧道结上的势垒层，所述势垒层为p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出一种p+-AlInP/p+-GaInP 双异质结作隧道结势垒的双结GaInP/GaAs太阳电池的结构设计，基于p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构对p型掺杂源Be的扩散的抑制，利用分子束外延生长方法，将常用的AlGaInP做势垒和背场的双结GaInP/GaAs太阳电池结构优化为p+-AlInP/p+-GaInP做势垒同时AlInP作为顶层电池的背场的双结GaInP/GaAs太阳电池结构。从而将抑制p型掺杂源的扩散，实现隧道结光电流密度的提高，有效提高双结太阳电池效率。
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GaAs/GaInP双结太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
在多结太阳电池中，隧道结用来连接上下不同带隙的电池。以双结太阳电池GaAs/GaInP为例，一般采用高掺杂p+GaAs/n+GaAs或者p+AlGaAs/n+GaInP作为连接上下电池的隧道结。传统结构一般在生长完隧道结之后，采用一个单层Al（Ga）InP作上电池的背场，同时也作为隧道结的势垒，用以防止高掺杂杂质向上下电池中的扩散。金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法中，p型掺杂通常采用碳，碳扩散系数较小，因此杂质的扩散问题并不严重。但在分子束外延（MBE）生长系统中，一般采用Be做p型掺杂源，隧道结中重掺杂的p+-GaAs/p+-AlGaInP界面间存在严重的Be的扩散问题，从而降低器件性能。
有鉴于此，本发明实施例公开了一种GaAs/GaInP双结太阳能电池，包括分子束外延生长的GaAs子电池、位于GaAs子电池上方的GaInP子电池以及位于所述GaAs子电池和GaInP子电池之间的隧道结，所述GaInP子电池包括形成于所述隧道结上的势垒层，所述势垒层为p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构。
在本发明实施例中，我们使用p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构代替单层Al（Ga）InP，既可以阻止Be的扩散，减少界面复合，提高载流子寿命，同时又可以增加隧道结的峰值电流密度，从而提高GaAs/GaInP双结太阳能电池的转换效率。本发明有效解决了MBE生长GaAs/GaInP双结太阳能电池中Be扩散问题带来的背场结构性能下降及隧道电流降低的问题，从而实现双结电池性能的提高。
优选的，在上述GaAs/GaInP双结太阳能电池中，隧道结为p+GaAs/n+GaAs或者p+AlGaAs/n+GaInP；GaAs子电池包括依次叠加的p+-GaInP背场层，p-GaAs 基极，n+-GaAs发射极和n+-GaInP 窗口层；所述GaInP子电池还包括依次形成于所述势垒层上的p-GaInP 基极、n+-GaInP 发射极以及n-AlInP 窗口层。
相应地，本发明实施例还公开了一种双结太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：
1）通过分子束外延生长方法，在衬底上生长GaAs子电池；
2）在GaAs子电池上生长隧道结；
3）在隧道结上依次生长势垒层、GaInP子电池的基极、GaInP子电池的发射极以及窗口层。
优选的，在上述双结太阳能电池的制作方法中，所述步骤（1）中，GaAs子电池的生长温度是580到640度，生长速率是0.5ml/s到1.3ML/s；所述步骤（3）中，所述势垒层的生长温度在480~530之间；所述分子束外延生长方法中，Be做P型掺杂源。
本发明实施例还公开了一种多结级联太阳能电池，包括分子束外延生长的第一子电池、位于第一子电池上方的第二子电池以及位于所述第一子电池和第二子电池之间的隧道结，所述第二子电池包括形成于所述隧道结上的势垒层，所述势垒层为p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构。
上述多结级联太阳能电池可以应用到两结、三结或四结太阳能电池，该多结电池中，相邻子电池之间设有隧道结，隧道结上方生长有p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构，该双异质结结构既可以阻止Be的扩散，减少界面复合，提高载流子寿命，同时又可以增加隧道结的峰值电流密度，从而提高多结太阳能电池的转换效率。
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，GaAs/GaInP双结太阳能电池包括P型GaAs衬底10、依次形成于衬底10上的GaAs子电池20、隧道结30、GaInP子电池40以及接触层50。
GaAs子电池20包括依次形成于P型GaAs衬底10上的p+-GaInP背场层21、p-GaAs 基极22、 n+-GaAs发射极23和n+-GaInP 窗口层24。
隧道结30形成于GaAs子电池20上，隧道结30为p+GaAs/n+GaAs或者p+AlGaAs/n+GaInP。
GaInP子电池40包括依次形成于隧道结30上的势垒层41、p-GaInP 基极42、n+-GaInP 发射极43以及n-AlInP 窗口层44。
接触层50形成于GaInP子电池40上，接触层50为n+- GaAs。
上述GaAs/GaInP双结太阳能电池的制作方法具体包括如下步骤：
1）生长GaAs子电池20。
在MBE（分子束外延生长）系统中，在P型GaAs衬底10上依次生长p+-GaInP背场层21、p-GaAs 基极22、 n+-GaAs发射极23和n+-GaInP 窗口层24。生长温度是580度，Si和Be分别作n型和p型掺杂源。生长速率是1ML/s。可以通过高能电子衍射仪确定其生长速率。
2）在单结GaAs子电池20上生长GaAs隧道结30。
生长n+-GaAs和p+-GaAs以形成隧道结30。
3）在隧道结30上生长GaInP子电池40。
先生长p+-GaInP和p+-AlInP双异质结结构41，AlInP生长温度在480-530之间。然后用p+-AlInP作背场,依次生长p-GaInP 基极42、n+-GaInP 发射极43以及n-AlInP 窗口层44。
最后在GaInP子电池40上依次生长接触层50和抗反射膜60。GaInP的生长，要考虑In的析出，合适的生长温度是470度到490度。GaInP的生长过程中，RHEED呈现2×1的表面再构。生长结束之后，按标准III-V太阳电池制备技术做工艺。电池面积为5.0 mm×5.0mm，采用传统的梳状电极，电极的遮蔽面积为2.1%。抗反射膜采用Si3N4/ SiO2 多层膜系设计。
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，以完成完整的双结太阳电池结构设计。
综上所述，本发明提出一种p+-AlInP/p+-GaInP 双异质结作隧道结势垒的双结GaInP/GaAs太阳电池的结构设计，基于p+-AlInP/p+-GaInP双异质结结构对p型掺杂源Be的扩散的抑制，利用分子束外延生长方法，将常用的AlGaInP做势垒和背场的双结GaInP/GaAs太阳电池结构优化为p+-AlInP/p+-GaInP做势垒同时AlInP作为顶层电池的背场的双结GaInP/GaAs太阳电池结构。从而将抑制p型掺杂源的扩散，实现隧道结光电流密度的提高，有效提高双结太阳电池效率。
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 (7)

1.一种GaAs/GaInP双结太阳能电池，包括分子束外延生长的GaAs子电池、位于GaAs子电池上方的GaInP子电池以及位于所述GaAs子电池和GaInP子电池之间的隧道结，其特征在于：所述GaInP子电池包括形成于所述隧道结上的势垒层，所述势垒层为p+-AlInP和p+-GaInP上下设置形成的异质结结构, 所述分子束外延生长方法中，Be做P型掺杂源，所述隧道结为上下设置形成的p+-GaAs和n+-GaAs或者上下设置形成的p+-AlGaAs和n+-GaInP。
2.根据权利要求1所述的GaAs/GaInP双结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs子电池包括依次叠加的p+-GaInP背场层，p-GaAs 基极，n+-GaAs发射极和n+-GaInP 窗口层。
3.根据权利要求1所述的GaAs/GaInP双结太阳能电池，其特征在于：所述GaInP子电池还包括依次形成于所述势垒层上的p-GaInP 基极、n+-GaInP 发射极以及n-AlInP 窗口层。
4.权利要求1至3任一所述的双结太阳能电池的制作方法，其特征在于,包括如下步骤：
1）通过分子束外延生长方法，在衬底上生长GaAs子电池；
2）在GaAs子电池上生长隧道结；
3）在隧道结上依次生长势垒层、GaInP子电池的基极、GaInP子电池的发射极以及窗口层。
5.根据权利要求4所述的双结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述步骤1）中，GaAs子电池的生长温度是580到640℃，生长速率是0.5ml/s到1.3ml/s。
6.根据权利要求4所述的双结太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述势垒层的生长温度在480~530℃之间。
7.一种多结级联太阳能电池，包括分子束外延生长的第一子电池、位于第一子电池上方的第二子电池以及位于所述第一子电池和第二子电池之间的隧道结，其特征在于：所述第二子电池包括形成于所述隧道结上的势垒层，所述势垒层为p+-AlInP和p+-GaInP上下设置形成的异质结结构,所述分子束外延生长方法中，Be做P型掺杂源，所述隧道结为上下设置形成的p+-GaAs和n+-GaAs或者上下设置形成的p+-AlGaAs和n+-GaInP。
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