CN103199141A - 四结级联太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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董建荣
李奎龙
曾徐路
于淑珍
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赵春雨
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Abstract

本发明提供一种四结级联太阳能电池，包括依次设置的Ge底电池、第一隧道结、GaNAsBi子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池以及GaAs接触层；Ge底电池包括Ge衬底以及设置在Ge衬底上的Ge底电池的发射区；GaNAsBi子电池与Ge衬底晶格匹配。本发明还提供一种四结级联太阳能电池的制备方法，包括步骤：1）在Ge衬底上扩散形成或生长Ge底电池；2）在Ge底电池表面依次生长第一隧道结、GaNAsBi子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池以及GaAs接触层；3）在GaInP子电池和Ge衬底上分别制备上、下电极，获得目标太阳能电池。

Description

四结级联太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种采用GaNAsBi材料的GaInP/GaAs/GaNAsBi/Ge四结级联太阳能电池及其制备方法。
背景技术
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池作为一种高效的能源材料成为各国的研究热点，为了促进太阳能电池的进一步实用化，提高其光电转换效率是其降低发电成本的一种有效手段。高效的太阳能电池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。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，其最高转换效率为32-33%(一个太阳)。然而该三结电池中Ge底电池覆盖较宽的光谱，其短路电流较大，为了实现与其他子电池的电流匹配必然会降低太阳光利用率。
为了进一步提高转换效率，需要对底电池进行拆分，计算表明在GaAs和Ge底电池中间插入一带隙为1.00eV的材料，做成四结电池，可以实现光电流匹配，提高电池效率。然而目前与Ge衬底晶格匹配具有1.00eV的材料较少，研究人员往往通过在Ge底电池上生长晶格异变的1.00eV的InGaAs子电池达到上述目的，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。
获得高效四结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，增加了电池的制作成本，同时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。 
如何实现多结太阳能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Ⅲ-Ⅴ族太阳能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，提供一种四结级联太阳能电池及其制备方法，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，本发明提供了一种四结级联太阳能电池，包括依次设置的Ge底电池、第一隧道结、GaNAsBi子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池以及GaAs接触层；其中，所述Ge底电池包括Ge衬底以及在所述Ge衬底上通过扩散形成或生长的Ge底电池的发射区；所述GaNAsBi子电池与Ge衬底晶格匹配。
进一步，所述GaNAsBi子电池包含材料为GaNAsBi的基区，以及在所述基区上设置的材料为GaNAsBi的发射区。
进一步，所述GaNAsBi子电池中N的组分为1.30%，Bi的组分为2.23%，所述GaNAsBi子电池的带隙宽度为1.00eV。
进一步，所述 GaInP子电池和所述Ge衬底上分别设有电极。
进一步，所述四结级联太阳能电池带隙组合为1.90 eV、1.42 eV、1.00 eV、0.67eV。
为了解决上述问题，本发明还提了一种本发明所述的四结级联太阳能电池的制备方法，包括步骤：1）在Ge衬底上扩散形成或生长Ge底电池；2）在所述Ge底电池表面依次生长第一隧道结、GaNAsBi子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池以及GaAs接触层；3）在所述GaInP子电池和所述Ge衬底上分别制备上、下电极，获得目标太阳能电池芯片。
进一步，所述四结级联太阳能电池外延是采用MOCVD法或MBE法生长形成。
本发明提供的四结级联太阳能电池及其制备方法，优点在于：
1. 所有子电池晶格与Ge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、0.67eV，具有较高的开路电压，可实现对太阳光谱的充分利用，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或Ge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四结级联太阳能电池采用正装方式生长的结构示意图；
图2为图1所示的四结级联太阳能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四结级联太阳能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四结级联太阳能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四结级联太阳能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四结级联太阳能电池采用正装方式生长的结构示意图，图2为图1所示的四结级联太阳能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Ge衬底匹配的1.00eV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GaInP/GaAs/GaNAsBi/Ge四结级联太阳能电池，带隙组合为1.90eV、1.42eV、约1.00eV、0.67eV，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
所述四结级联太阳能电池包括依次设置的Ge底电池23、第一隧道结22、GaNAsBi子电池21、第二隧道结20、GaAs子电池19、第三隧道结18、GaInP子电池17以及GaAs接触层15。
在P型Ge衬底01上通过扩散形成或生长所述Ge底电池23。在本实施方式中，所述Ge底电池23包括Ge衬底01（也即材料为Ge的基区），以及在基区上设置的材料为Ge的N型Ge发射区02。
所述第一隧道结22包含依次按照逐渐远离Ge底电池23方向设置的N型GaInP或(In)GaAs重掺层03，P型(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子电池21包含依次按照逐渐远离Ge底电池23方向设置的材料为GaNAsBi的GaNAsBi基区05以及GaNAsBi发射区06。其中，所述GaNAsBi子电池21与Ge衬底晶格匹配。在本实施方式中，所述GaNAsBi子电池21中N和Bi的组分分别为约1.30%、2.23%，所述GaNAsBi子电池21的带隙宽度约为1.00eV。
所述第二隧道结20包含依次按照逐渐远离Ge底电池23方向设置的N型GaInP或GaAs重掺层07，P型GaAs重掺层08。
所述GaAs子电池19包含依次按照逐渐远离Ge底电池23方向设置的GaAs基区09，GaAs发射区10；
所述第三隧道结18包含依次按照逐渐远离Ge底电池23方向设置的N型GaInP 或GaAs重掺层11，P型(Al)GaAs重掺层12；其中，(Al)GaAs表示AlGaAs或GaAs。
所述GaInP子电池17包含依次按照逐渐远离Ge底电池23方向设置的GaInP基区13，GaInP发射区14。其中，所述GaInP子电池17与所述GaAs子电池19晶格匹配。
在本实施方式中，按照远离Ge底电池23方向设置的所述GaAs接触层15作为欧姆接触层，其掺杂类型为N型。
所述四结级联太阳能电池在所述 GaInP子电池17和Ge衬底01上分别设有电极。在本实施方式中，GaInP子电池17上设有N电极16，N电极16位于GaAs接触层15表面；Ge衬底01上设有P电极24，P电极24位于Ge底电池23的背面（即在P型Ge衬底01的背面制备P电极24）从而获得所需的太阳能电池。
本发明提供的四结级联太阳能电池所有子电池晶格与Ge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。
接下来结合附图给出本发明所述四结级联太阳能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四结级联太阳能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Ge衬底上扩散形成或生长Ge底电池。
步骤S302，在所述Ge底电池表面依次生长第一隧道结、GaNAsBi子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池以及GaAs接触层。
在P型Ge衬底上扩散形成或生长Ge底电池后，生长第一隧道结，所述第一隧道结包括沿逐渐远离Ge电池的方向依次设置的N型GaInP或(In)GaAs重掺层，P型(Al)GaAs重掺层；生长GaNAsBi子电池；生长第二隧道结，所述第二隧道结包括沿逐渐远离GaNAsBi子电池的方向依次设置的N型GaInP或GaAs重掺层，P型GaAs重掺层；生长GaAs子电池；生长第三隧道结，所述第三隧道结包括沿逐渐远离GaAs子电池的方向依次设置的N型GaInP 或GaAs重掺层，P型(Al)GaAs重掺层；生长GaInP子电池；生长N型GaAs接触层作为欧姆接触层。
步骤S303，在所述GaInP子电池和所述Ge衬底上分别制备上、下电极，获得目标太阳能电池。
将生长的GaInP/GaAs/GaNAsBi/Ge四结级联太阳能电池分别在GaInP子电池和Ge衬底上制备上、下电极；即在P型Ge衬底的背面制备下电极即P电极，在N型GaAs接触层的表面制备上电极即N电极，从而获得所需的太阳能电池。
上述步骤可采用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。
本发明提供的四结级联太阳能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或Ge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四结级联太阳能电池。
用MOCVD方法生长的GaInP/GaAs/GaNAsBi/Ge四结级联太阳能电池的结构如图1所示。
(1) 在P型Ge衬底01通过扩散形成或生长N型掺杂约2×1018 cm-3的Ge电池23的发射区02。
(2) 生长N型掺杂浓度大于1×1019 cm-3以上、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22。
(3)生长P型掺杂浓度约3×1017 cm-3、厚度3.0微米的GaNAsBi 重掺层作为GaNAsBi电池21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GaNAsBi 重掺层作为GaNAsBi电池21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或GaAs重掺层07，然后生长P型掺杂浓度大于1×1019 cm-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1×1017 cm-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2×1018 cm-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1×1019 cm-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1×1019 cm-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1×1017 cm-3、厚度0.5微米的GaInP重掺层作为GaInP子电池17的基区13，再生长N型掺杂浓度约为2×1018 cm-3、厚度0.2微米的GaInP重掺层作为GaInP子电池17的发射区14。
(8)然后生长N型掺杂浓度约为6×1018 cm-3、厚度0.5微米的GaAs接触层15，作为GaInP子电池17的欧姆接触层。
 太阳能电池的电极制备工艺：在P型Ge衬底01的背面制备P电极24，在N型GaAs接触层15的表面制备N电极16，获得所需的太阳能电池，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)

1.一种四结级联太阳能电池，其特征在于，包括依次设置的Ge底电池、第一隧道结、GaNAsBi子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池以及GaAs接触层；其中，所述Ge底电池包括Ge衬底以及设置在所述Ge衬底上的Ge底电池的发射区；所述GaNAsBi子电池与Ge衬底晶格匹配。
2.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaNAsBi子电池包含材料为GaNAsBi的基区，以及在所述基区上设置的材料为GaNAsBi的发射区。
3.根据权利要求1或2所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述GaNAsBi子电池中N的组分为1.30%，Bi的组分为2.23%，所述GaNAsBi子电池的带隙宽度为1.00eV。
4.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述 GaInP子电池和所述Ge衬底上分别设有电极。
5.根据权利要求1所述的四结级联太阳能电池，其特征在于，所述四结级联太阳能电池的带隙组合为1.90 eV、1.42 eV、1.00 eV、0.67eV。
6.一种权利要求1所述的四结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤： 1）在Ge衬底上扩散形成或生长Ge底电池； 2）在所述Ge底电池表面依次生长第一隧道结、GaNAsBi子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池以及GaAs接触层； 3）在所述GaInP子电池和所述Ge衬底上分别制备上、下电极，获得目标太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的四结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述四结级联太阳能电池外延是采用MOCVD法或MBE法生长形成。
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