CN103151414A - 正装三结级联太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种正装三结级联太阳电池，包括在GaAs衬底上依次连接的GaNAsBi底电池、第一隧道结、BGaAsBi中间电池、第二隧道结以及AlGaInP顶电池，AlGaInP顶电池和GaAs衬底上分别设有电极。本发明还提了正装三结级联太阳电池的制备方法，包括步骤：1）在GaAs衬底上依次生长GaNAsBi底电池、第一隧道结、BGaAsBi中间电池、第二隧道结、AlGaInP顶电池以及欧姆接触层；2）分别在所述AlGaInP顶电池和所述GaAs衬底上制备上、下电极，获得目标太阳电池。本发明所有子电池晶格常数与GaAs衬底匹配，降低了生产成本，采用正装生长方法生长、制备工艺简单，提高了电池效率。

Description

正装三结级联太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳电池领域，尤其涉及一种采用含硼化物和铋化物的四元材料BGaAsBi和GaNAsBi，并且具有优化帯隙组合的GaAs基正装三结级联太阳电池及其制备方法，该三结太阳电池可实现对太阳光谱的充分利用，并且满足各个子电池电流匹配，具有较高的电池效率。

背景技术

在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳电池的研制过程中，为了提高电池的转换效率，需要对太阳光谱进行划分，采用与之相匹配的不同禁带宽度子电池进行串联，以达到充分利用太阳光的目的。在三结太阳电池中，目前研究较为成熟的体系是晶格匹配生长的GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.7eV)三结电池，然而该体系帯隙组合并未优化，其最高转换效率为32-33%(一个太阳)。计算表明具有1.93eV/1.39eV/0.94eV帯隙组合的三结太阳电池的效率大于51%(100倍聚光)，然而由于晶格常数对材料的限制，具有该理想帯隙组合且与衬底晶格匹配的材料选择较少。

一种能实现该帯隙组合的材料为AlInAs/InGaAsP/InGaAs，然而该材料的晶格常数与GaAs衬底有约2.1%的失配，目前尚缺乏与上述材料组合晶格常数匹配的衬底。为了得到1.93eV/1.39eV/0.94eV帯隙组合的AlInAs/InGaAsP/InGaAs材料，一种常用方法是利用晶格异变技术在GaAs衬底上生长与其晶格失配的晶格异变缓冲层，然而该技术增加了生产成本，并对生长技术提出了更高的要求，同时缓冲层的引入也带来了较多的缺陷，影响了电池的性能。

如何实现多结太阳电池合理的带隙组合，减小电流失配同时而又不提高电池制作成本和技术难度成为当前太阳电池亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种正装三结级联太阳电池及其制备方法，解决现有技术中为了获得高效三结电池会增加电池的制作成本以及制作工艺复杂度的问题。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种正装三结级联太阳电池，包括分别采用AlGaInP材料、BGaAsBi材料以及GaNAsBi材料制成的三结子电池，所有子电池的晶格常数均与GaAs衬底匹配。

进一步，所述三结子电池分别为GaNAsBi底电池、BGaAsBi中间电池以及AlGaInP顶电池，所述太阳电池包括依次连接的GaNAsBi底电池、第一隧道结、BGaAsBi中间电池、第二隧道结以及AlGaInP顶电池，所述AlGaInP顶电池和所述GaAs衬底上分别设有电极。

进一步，所述GaNAsBi底电池中N的组分范围为1.40%-1.50%，Bi的组分范围为2.51%-2.61%，所述GaNAsBi底电池的带隙宽度为~0.94 eV。

进一步，所述BGaAsBi中间电池中B的组分范围为0.22%-0.26%，Bi的组分范围为0.28%-0.32%，所述BGaAsBi中间电池的带隙宽度为~1.39 eV。

进一步，所述AlGaInP顶电池中Al的组分范围为3.65%-3.75%，In的组分范围为48.95%-49.05%，所述AlGaInP顶电池的带隙宽度为~1.93 eV。

为了解决上述问题，本发明还提了一种本发明所述的正装三结级联太阳电池的制备方法，包括步骤：1）在GaAs衬底上依次生长GaNAsBi底电池、第一隧道结、BGaAsBi中间电池、第二隧道结、AlGaInP顶电池以及欧姆接触层；2）分别在所述AlGaInP顶电池和所述GaAs衬底上制备上、下电极，获得目标太阳电池。

进一步，所述正装三结级联太阳电池采用MOCVD法或MBE法生长形成。

本发明提供的正装三结级联太阳电池及其制备方法，优点在于：

1. 具有理想的带隙组合：~1.93 eV、~1.39 eV、~0.94eV，实现对太阳光谱的分段吸收利用，各个子电池间的电流匹配并可得到较高的开路电压，具有较高的电池效率；

2. 所有子电池晶格常数与GaAs衬底匹配，避免了晶格异变技术中要求生长较厚的缓冲层对材料的浪费，降低了生产成本，简化了制备工艺；

3. 采用正装生长方法生长，制备工艺简单，避免了倒置生长电池结构需要先与其它支撑衬底材料键合再去除GaAs衬底的复杂工艺，降低了电池的制作难度。

附图说明

图1所示为本发明一具体实施方式提供的正装三结级联太阳电池采用正装方式生长的结构示意图；

图2为图1所示的正装三结级联太阳电池制成品的结构示意图；

图3所示为本发明一具体实施方式提供的正装三结级联太阳电池的制备方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的正装三结级联太阳电池及其制备方法做详细说明。

首先结合附图给出本发明所述正装三结级联太阳电池的具体实施方式。

参考附图1、2所示，其中，图1是本具体实施方式提供的正装三结级联太阳电池采用正装方式生长的结构示意图，图2为图1所示的正装三结级联太阳电池制成品的结构示意图，接下来对附图1、2所示的结构做详细说明。

在对GaAs材料的研究中发现，通过调节四元材料BGaAsBi和GaNAsBi组分可以使四元材料具有理想的带宽和合适的晶格常数，这使BGaAsBi材料和GaNAsBi材料能与GaAs衬底匹配并能实现理想帯隙组合。

本具体实施方式提供一种正装三结级联太阳电池，包括分别采用AlGaInP材料、BGaAsBi材料以及GaNAsBi材料制成的三结子电池，所有子电池的晶格常数均与GaAs衬底匹配，可实现对太阳光谱的充分利用，得到较高的开路电压，各个子电池的电流匹配，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率。

本具体实施方式中所述三结子电池分别为GaNAsBi底电池17、BGaAsBi中间电池15以及AlGaInP顶电池13，所述正装三结级联太阳电池包括在GaAs衬底18上依次连接的GaNAsBi底电池17、第一隧道结16、BGaAsBi中间电池15、第二隧道结14以及AlGaInP顶电池13，所述 AlGaInP顶电池13和所述GaAs衬底18上分别设有电极（如图2 所示上电极12、下电极19）。所述正装三结级联太阳电池具有理想的帯隙组合，其带隙组合为~1.93 eV、~1.39 eV、~0.94eV。

所述GaNAsBi底电池17的带隙宽度为~0.94 eV，其包括依次按照逐渐远离GaAs衬底18方向设置的材料为GaNAsBi的基区01，以及在基区01上设置的发射区02。其中，所述GaNAsBi底电池17中N的组分范围为1.40%-1.50%，优选为1.45%；Bi的组分范围为2.51%-2.61%，优选为2.56%。

所述第一隧道结16包含依次按照逐渐远离GaAs衬底18方向设置的GaInP或(In)GaAs重掺层03以及 (Al)GaAs重掺层04。其中，(In)GaAs表示InGaAs或GaAs，(Al)GaAs表示AlGaAs或GaAs。

所述BGaAsBi中间电池15的带隙宽度为~1.39 eV，其包括依次按照逐渐远离GaAs衬底18方向设置的材料为BGaAsBi的基区05，以及在基区05上设置的发射区06。其中，所述BGaAsBi中间电池中B的组分范围为0.22%-0.26%，优选为0.24%；Bi的组分范围为0.28%-0.32%，优选为0.3%。

所述第二隧道结14包括依次按照逐渐远离GaAs衬底18方向设置的GaInP重掺层07以及AlGaAs重掺层08。

所述AlGaInP顶电池13带隙宽度为~1.93 eV，其包含依次按照逐渐远离GaAs衬底18方向设置的材料为AlGaInP的基区09以及发射区10。其中，所述AlGaInP顶电池13中Al的组分范围为3.65%-3.75%，优选为3.7%；In的组分范围为48.95%-49.05%，优选为49%。

在本具体实施方式中，在AlGaInP顶电池13上还设有GaAs层作为欧姆接触层11。

所述正装三结级联太阳电池在所述 AlGaInP顶电池13和GaAs衬底18上分别设有电极。在本具体实施方式中，AlGaInP顶电池13上设有上电极12，上电极12位于欧姆接触层11的上表面；GaAs衬底18上设有下电极19，下电极19位于GaAs衬底18的背面，从而获得所需的太阳电池。

本发明提供的正装三结级联太阳电池所有子电池晶格与GaAs衬底匹配，避免了晶格异变技术中要求生长较厚的缓冲层对材料的浪费，降低了生产成本，制备工艺简单。且所述正装三结级联太阳电池的带隙组合为~1.93 eV、~1.39 eV、~0.94eV，具有较高的开路电压，各个子电池的电流匹配，减小了光电转换过程中的热能损失，可实现对太阳光谱的充分利用，提高了电池效率。

接下来结合附图给出本发明所述正装三结级联太阳电池制备方法的具体实施方式。

参考附图3，本具体实施方式提供的正装三结级联太阳电池制备方法的流程图，接下来对附图3所示的步骤做详细说明。

步骤S301，在GaAs衬底上依次生长GaNAsBi底电池、第一隧道结、BGaAsBi中间电池、第二隧道结、AlGaInP顶电池以及欧姆接触层。

在GaAs衬底上生长GaNAsBi底电池，所述GaNAsBi底电池的带隙宽度为~0.94 eV，包括依次按照逐渐远离GaAs衬底方向生长的材料为GaNAsBi的底电池基区，以及在基区上生长的底电池发射区。其中，所述GaNAsBi底电池17中N的组分范围为1.40%-1.50%，优选为1.45%；Bi的组分范围为2.51%-2.61%，优选为2.56%。

在GaNAsBi底电池上生长第一隧道结，所述第一隧道结包含依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的GaInP或(In)GaAs重掺层以及 (Al)GaAs重掺层。

在第一隧道结上生长BGaAsBi中间电池，所述BGaAsBi中间电池的带隙宽度为~1.39 eV，包括依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的材料为BGaAsBi的中间电池基区，以及在基区上设置的中间电池发射区。其中，所述BGaAsBi中间电池中B的组分范围为0.22%-0.26%，优选为0.24%；Bi的组分范围为0.28%-0.32%，优选为0.3%。

在BGaAsBi中间电池上生长第二隧道结，所述第二隧道结包括依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的GaInP重掺层以及AlGaAs重掺层。

在第二隧道结上生长AlGaInP顶电池，所述AlGaInP顶电池带隙宽度为~1.93 eV，包含依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的AlGaInP的顶电池基区以及发射区。其中，所述AlGaInP顶电池中Al的组分范围为3.65%-3.75%，优选为3.7%；In的组分范围为48.95%-49.05%，优选为49%。

在本具体实施方式中，在AlGaInP顶电池上还生长GaAs层作为欧姆接触层。

步骤S302，分别在所述AlGaInP顶电池和所述GaAs衬底上制备上、下电极，获得目标太阳电池。

将生长的AlGaInP/BGaAsBi/GaNAsBi正装三结级联太阳电池在AlGaInP顶电池上的欧姆接触层的表面制备上电极（例如N电极），在GaAs衬底背面制备下电极（例如P电极），从而获得所需的太阳电池。

上述正装三结级联太阳电池外延生长制备过程可采用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition ，金属有机化合物化学气相沉淀) 或MBE (Molecular Beam Epitaxy，分子束外延) 方式生长。

本发明提供的正装三结级联太阳电池制备方法采用正装生长，避免了倒置生长电池结构需要先与其它支撑衬底材料键合再去除GaAs衬底的复杂工艺，降低了电池的制作难度。

接下来结合附图1、2给出本发明一优选实施例，对本发明提供的技术方案作进一步说明，本优选实施例采用MOCVD方法生长本发明所述正装三结级联太阳电池。

(1) 在P型GaAs衬底18上生长P型掺杂约3×10¹⁷ cm^-3、厚度3.0微米的GaNAsBi重掺层作为GaNAsBi底电池的基区01，再生长N型掺杂约2×10¹⁸ cm^-3、厚度0.2微米的GaNAsBi重掺层作为GaNAsBi底电池的发射区02。

(2) 生长N型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3、厚度0.015微米的GaInP或(In)GaAs重掺层03，然后生长P型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3、厚度0.015微米的(Al)GaAs重掺层04，形成第一隧道结16。

(3) 生长P型掺杂浓度约3×10¹⁷ cm^-3、厚度3.0微米的BGaAsBi重掺层作为BGaAsBi中间电池15的基区05，再生长N型掺杂浓度约2×10¹⁸ cm^-3、厚度0.2微米的BGaAsBi重掺层作为BGaAsBi中间电池15的发射区06。

(4)生长N型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3、厚度0.015微米的GaInP重掺层07，然后生长P型掺杂浓度大于1×10¹⁹ cm^-3以上、厚度0.015微米的AlGaAs重掺层08，形成第二隧道结14。

(5)生长P型掺杂浓度约为1×10¹⁷ cm^-3、厚度0.5微米的AlGaInP重掺层作为AlGaInP顶电池13的基区09，再生长N型掺杂浓度约为2×10¹⁸ cm^-3、厚度0.2微米的AlGaInP重掺层作为AlGaInP顶电池13的发射区10。

(6)然后生长N型掺杂浓度约为6×10¹⁸ cm^-3、厚度0.5微米的GaAs层作为AlGaInP顶电池13的欧姆接触层11。

用MOCVD方法正装生长获得的AlGaInP/BGaAsBi/GaNAsBi正装三结级联太阳电池的结构如图1所示。

 太阳电池的电极制备工艺：在P型GaAs衬底18的背面制备P型下电极19，在N型欧姆接触层11的表面制备N型上电极12，获得所需的太阳电池，其结构如附图2所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种正装三结级联太阳电池，其特征在于，包括分别采用AlGaInP材料、BGaAsBi材料以及GaNAsBi材料制成的三结子电池，所有子电池的晶格常数均与GaAs衬底匹配。

2.根据权利要求1所述的正装三结级联太阳电池，其特征在于，所述三结子电池分别为GaNAsBi底电池、BGaAsBi中间电池以及AlGaInP顶电池，所述太阳电池包括依次连接的GaNAsBi底电池、第一隧道结、BGaAsBi中间电池、第二隧道结以及AlGaInP顶电池，所述AlGaInP顶电池和所述GaAs衬底上分别设有电极。

3.根据权利要求2所述的正装三结级联太阳电池，其特征在于，所述GaNAsBi底电池中N的组分范围为1.40%-1.50%，Bi的组分范围为2.51%-2.61%，所述GaNAsBi底电池的带隙宽度为~0.94 eV。

4.根据权利要求2所述的正装三结级联太阳电池，其特征在于，所述BGaAsBi中间电池中B的组分范围为0.22%-0.26%，Bi的组分范围为0.28%-0.32%，所述BGaAsBi中间电池的带隙宽度为~1.39 eV。

5.根据权利要求2所述的正装三结级联太阳电池，其特征在于，所述AlGaInP顶电池中Al的组分范围为3.65%-3.75%，In的组分范围为48.95%-49.05%，所述AlGaInP顶电池的带隙宽度为~1.93 eV。

6.一种权利要求1所述的正装三结级联太阳电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：

1）在GaAs衬底上依次生长GaNAsBi底电池、第一隧道结、BGaAsBi中间电池、第二隧道结、AlGaInP顶电池以及欧姆接触层； 

2）分别在所述AlGaInP顶电池和所述GaAs衬底上制备上、下电极，获得目标太阳电池。

7.根据权利要求6所述的正装三结级联太阳电池的制备方法，其特征在于，所述正装三结级联太阳电池采用MOCVD法或MBE法生长形成。

8.根据权利要求6所述的正装三结级联太阳电池的制备方法，其特征在于，所述GaNAsBi底电池中N的组分范围为1.40%-1.50%，Bi的组分范围为2.51%-2.61%。

9.根据权利要求6所述的正装三结级联太阳电池的制备方法，其特征在于，所述BGaAsBi中间电池中B的组分范围为0.22%-0.26%，Bi的组分范围为0.28%-0.32%。

10.根据权利要求6所述的正装三结级联太阳电池的制备方法，其特征在于，所述AlGaInP顶电池中Al的组分范围为3.65%-3.75%，In的组分范围为48.95%-49.05%。

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