CN103199130B - 正装四结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种正装四结太阳电池，包括在GaAs衬底上依次连接的GaNAsBi底电池、第一隧道结、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结以及GaInP顶电池，所述GaInP顶电池和所述GaAs衬底上分别设有电极。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，制备工艺简单。带隙组合为1.90eV、1.42eV、约1.00eV、约0.7eV，具有较高的开路电压，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率。采用正装生长方法生长，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。

Description

正装四结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，尤其涉及一种含铋化物的GaAs基正装四结太阳电池及其制备方法，该四结太阳电池可实现对太阳光谱的充分利用，具有较高的电池效率。
背景技术
在GaAs基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带隙宽度子电池进行串联，以达到充分利用太阳光的目的。由于晶格常数对材料的限制，与GaAs衬底晶格匹配且具有理想帯隙的材料选择较少，目前研究较为成熟的是晶格匹配生长的双结电池，主要包括GaInP/GaAs体系和AlGaAs/GaAs体系，其最高转换效率为采用AlGaAs/GaAs体系的32.6%(1026倍聚光)。然而该双结电池由于本身具有较宽的帯隙，难以吸收长波长的太阳光谱部分，降低了对太阳光的利用率。为了进一步提高转换效率，需要插入窄帯隙材料做成子电池，以吸收光谱的长波长部分。为了达到上述目的，研究人员往往利用晶格异变技术在GaAs衬底上生长与其晶格失配的窄帯隙的InGaAs子电池，然而该技术需要生长较厚的晶格异变缓冲层，增加了生产成本，并对生长技术提出了更高的要求。
获得窄帯隙子电池的另一途径是采用晶片键合的方法，将晶格失配具有合理带隙组合的电池键合在一起，实现电流匹配，提高电池效率。但是晶片键合一般需要两个衬底，不仅增加了电池的制作成本，而且键合部分也给工艺带来很大的挑战，增加了电池的制作难度。
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，提供一种正装四结太阳电池及其制备方法，解决现有技术中为了获得高效四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四结太阳电池，包括GaAs衬底以及采用GaNAsBi材料制作的两结子电池，所述两结子电池的晶格常数均与所述GaAs衬底匹配。
进一步，所述两结子电池分别为GaNAsBi底电池以及GaNAsBi中间电池，所述太阳电池包括在GaAs衬底上依次连接的GaNAsBi底电池、第一隧道结、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结以及GaInP顶电池，所述GaInP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的组分为2.40%，Bi的组分为4.18%，所述GaNAsBi底电池的带隙宽度约为0.7eV。
进一步，所述GaNAsBi中间电池中N的组分为1.30%，Bi的组分为2.23%，所述GaNAsBi中间电池的带隙宽度约为1.00eV。
进一步，所述太阳电池的带隙组合为1.90eV、1.42eV、~1.00eV、~0.7eV。
为了解决上述问题，本发明还提了一种本发明所述的正装四结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、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP顶电池以及欧姆接触层；2）分别在所述GaInP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，所述正装四结太阳电池外延采用MOCVD法或MBE法生长形成。
本发明提供的正装四结太阳电池及其制备方法，优点在于：
1.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，制备工艺简单。
2.带隙组合为1.90eV、1.42eV、约1.00eV、约0.7eV，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，提高了电池效率。
3.采用正装生长方法生长，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。
附图说明
图1所示为本发明一具体实施方式提供的正装四结太阳电池采用正装方式生长的结构示意图；
图2为图1所示的正装四结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四结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四结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四结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四结太阳电池采用正装方式生长的结构示意图，图2为图1所示的正装四结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N和Bi的掺入可以调节材料的带宽和晶格常数，因此通过选择合适N和Bi的组分可以使GaNAsBi四元材料具有理想的带宽和合适的晶格常数，这使GaNAsBi材料成为与GaAs衬底匹配的窄带隙子电池的理想材料。
本具体实施方式提供一种采用正装方式生长的四结太阳电池，其中两结子电池采用GaNAsBi材料制作而成，所述两结子电池的晶格常数均与太阳电池的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，减小电流失配。
本具体实施方式中所述两结子电池分别为GaNAsBi底电池23以及GaNAsBi中间电池21。所述太阳电池包括在GaAs衬底24上依次连接的GaNAsBi底电池23、第一隧道结22、GaNAsBi中间电池21、第二隧道结20、GaAs子电池19、第三隧道结18以及GaInP顶电池17，所述GaInP顶电池17和所述GaAs衬底24上分别设有电极（如图2所示电极16、25）。所述正装四结太阳电池的带隙组合为1.90eV、1.42eV、约1.00eV、约0.7eV，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，提高了电池效率。
所述GaNAsBi底电池23的晶格常数与GaAs衬底24匹配。所述GaNAsBi底电池23包括依次按照逐渐远离GaAs衬底24方向设置的材料为GaNAsBi的底电池基区01，以及在基区01上设置的材料为GaNAsBi的底电池发射区02。其中，所述GaNAsBi底电池23中N和Bi的组分分别约为2.40%、4.18%，其带隙宽度约为0.7eV。
所述第一隧道结22包含依次按照逐渐远离GaAs衬底24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GaNAsBi中间电池21的晶格常数与GaAs衬底24匹配。所述GaNAsBi中间电池21包括依次按照逐渐远离GaAs衬底24方向设置的材料为GaNAsBi的中间电池基区05，以及在基区05上设置的材料为GaNAsBi的中间电池发射区06。其中，所述的GaNAsBi中间电池21中N和Bi的组分分别约为1.30%、2.23%，其带隙宽度约为1.00eV。
所述第二隧道结20包括依次按照逐渐远离GaAs衬底24方向设置的GaInP或GaAs重掺层07以及GaAs重掺层08。
所述GaAs子电池19包含依次按照逐渐远离GaAs衬底24方向设置的GaAs基区09以及GaAs发射区10。
所述第三隧道结18包含依次按照逐渐远离GaAs衬底24方向设置的GaInP或GaAs重掺层11以及(Al)GaAs重掺层12；其中，(Al)GaAs表示AlGaAs或GaAs。
所述GaInP顶电池17包含依次按照逐渐远离GaAs衬底24方向设置的GaInP基区13以及GaInP发射区14。
在本具体实施方式中，在GaInP顶电池17上还设有GaAs层作为欧姆接触层15，其掺杂类型为N型。
所述正装四结太阳电池在所述GaInP顶电池17和GaAs衬底24上分别设有电极。在本具体实施方式中，GaInP顶电池17上设有电极16，电极16位于欧姆接触层15上表面；GaAs衬底24上设有电极25，电极25位于GaAs衬底24的背面，从而获得所需的太阳电池。
本发明提供的正装四结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。且所述正装四结太阳电池的带隙组合为1.90eV、1.42eV、约1.00eV、约0.7eV，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四结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四结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、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP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材料为GaNAsBi的底电池发射区。其中，所述GaNAsBi底电池中N和Bi的组分分别约为2.40%、4.18%，其带隙宽度约为0.7eV。
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GaNAsBi中间电池，所述GaNAsBi中间电池包括依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的材料为GaNAsBi的中间电池基区，以及在基区上设置的材料为GaNAsBi的中间电池发射区。其中，所述的GaNAsBi中间电池中N和Bi的组分分别约为1.30%、2.23%，其带隙宽度约为1.00eV。
在GaNAsBi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或GaAs重掺层以及GaAs重掺层。
在第二隧道结上生长GaAs子电池，所述GaAs子电池包含依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的GaAs基区以及GaAs发射区。
在GaAs子电池上生长第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的GaInP或GaAs重掺层以及(Al)GaAs重掺层。
在第三隧道结上生长GaInP顶电池，所述GaInP顶电池包含依次按照逐渐远离GaAs衬底方向设置的GaInP基区以及GaInP发射区。
在本具体实施方式中，在GaInP顶电池上还生长GaAs层作为欧姆接触层，其掺杂类型为N型。
步骤S302，分别在所述GaInP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GaInP/GaAs/GaNAsBi/GaNAsBi正装四结太阳电池在GaInP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。
上述生长过程可采用MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)或MBE(MolecularBeamEpitaxy，分子束外延)方式生长。
本发明提供的正装四结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四结太阳电池。
(1)在P型GaAs衬底24上生长P型掺杂约3×1017cm-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2×1018cm-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1×1019cm-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1×1019cm-3、厚度0.015微米的(Al)GaAs重掺层04，形成第一隧道结22。
(3)生长P型掺杂浓度约3×1017cm-3、厚度3.0微米的GaNAsBi重掺层作为GaNAsBi中间电池21的基区05，再生长N型掺杂浓度约2×1018cm-3、厚度0.2微米的GaNAsBi重掺层作为GaNAsBi中间电池21的发射区06。
(4)生长N型掺杂浓度大于1×1019cm-3、厚度0.015微米的GaInP或GaAs重掺层07，然后生长P型掺杂浓度大于1×1019cm-3、厚度0.015微米的GaAs重掺层08，形成第二隧道结20。
(5)生长P型掺杂浓度约1×1017cm-3、厚度约3微米的GaAs重掺层作为GaAs子电池19的基区09，生长N型掺杂浓度约2×1018cm-3、厚度0.15微米的GaAs重掺层作为GaAs子电池19的发射区10。
(6)生长N型掺杂浓度大于1×1019cm-3、厚度0.015微米的GaInP或GaAs重掺层11，生长P型掺杂浓度大于1×1019cm-3以上、厚度0.015微米的(Al)GaAs重掺层12，形成第三隧道结18。
(7)生长P型掺杂浓度约为1×1017cm-3、厚度0.5微米的GaInP重掺层作为GaInP顶电池17的基区13，再生长N型掺杂浓度约为2×1018cm-3、厚度0.2微米的GaInP重掺层作为GaInP顶电池17的发射区14。
(8)然后生长N型掺杂浓度约为6×1018cm-3、厚度0.5微米的GaAs层作为GaInP顶电池17的欧姆接触层15。
用MOCVD方法生长获得的GaInP/GaAs/GaNAsBi/GaNAsBi正装四结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24的背面制备P电极24，在N型欧姆接触层15的表面制备N电极16，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 (7)

1.一种正装四结太阳电池，包括GaAs衬底，其特征在于，还包括采用GaNAsBi材料制作的两结子电池，所述两结子电池的晶格常数均与所述GaAs衬底匹配。
2.根据权利要求1所述的正装四结太阳电池，其特征在于，所述两结子电池分别为GaNAsBi底电池以及GaNAsBi中间电池，所述太阳电池包括在GaAs衬底上依次连接的
GaNAsBi底电池、第一隧道结、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结以及GaInP顶电池，所述GaInP顶电池和所述GaAs衬底上分别设有电极。
3.根据权利要求2所述的正装四结太阳电池，其特征在于，所述GaNAsBi底电池中N的组分为2.40%，Bi的组分为4.18%，所述GaNAsBi底电池的带隙宽度为0.7eV。
4.根据权利要求2所述的正装四结太阳电池，其特征在于，所述GaNAsBi中间电池中N的组分为1.30%，Bi的组分为2.23%，所述GaNAsBi中间电池的带隙宽度为1.00eV。
5.根据权利要求2所述的正装四结太阳电池，其特征在于，所述太阳电池的带隙组合为1.90eV、1.42eV、1.00eV、0.7eV。
6.一种权利要求1所述的正装四结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、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP顶电池以及欧姆接触层；2）分别在所述GaInP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所述的正装四结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述正装四结太阳电池外延采用MOCVD法或MBE法生长形成。
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