CN103258874A - 一种基于图形化锗衬底的三结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于图形化锗衬底的三结太阳能电池及其制备方法，属于半导体材料技术领域。先将图形化Ge衬底通过扩散形成Ge底电池；然后在衬底图形上直接生长大失配InxGa1-xAs中电池；最后生长与中电池晶格匹配的顶电池InyGa1-yP。采用上述结构的太阳能电池，从太阳光谱和带隙的角度看上，底电池、中电池和顶电池电流比较接近，光源利用率比一般带隙不匹配的三节电池高很多，能显著提高太阳能电池效率。同时从晶格常数匹配的角度看，采用图形化的衬底，解决了带隙匹配的材料晶格失配带来的材料生长难题。

Description

一种基于图形化锗衬底的三结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及高效三结太阳能电池制备技术，属于半导体材料技术领域。
背景技术
太阳能电池作为一种清洁能源，在国防和民用方面有巨大应用前景。随着世界航天工业和地面聚光光伏的发展，高效率化合物半导体太阳能电池，广泛受到学术界和产业界的重视。
目前制约化合物半导体太阳能电池发展的主要障碍是成本高，而降低太阳能电池成本的最关键的在于进一步提高太阳能电池的光电转换效率。影响多节化合物太阳能电池效率的主要因素包括：晶格匹配、电流匹配和带隙分布。现在在优先考虑晶格匹配情况下的三结叠层太阳能电池GaInP/GaAs/Ge，虽然在AM0下单倍效率可达30%，AM1.5下500倍效率达42%，但无论在空间还是地面应用，Ge底电池的电流密度约为其余两节的2倍，而多节电池的工作电流由各子电池中短路电流最小的电池决定，因此，Ge底电池的利用率较低。解决这一问题的方法是在是在Ge底电池和GaAs中电池之间增加一节带隙为1eV的子电池。虽然有晶格匹配的GaInNAs，但由N原子在GaInAs中的固溶度低，存在位错密度高，光生载流子寿命短，扩散长度短等问题，难以达到太阳能电池要求，导致GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge四节电池效率反而低于三节电池的现象。由于材料生长上未能取得突破，发展一种能够替代GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge的四节电池成为一种提高化合物半导体太阳能电池的关键。
在Ge和GaAs衬底上先生长匹配的带隙为1.9 GaInP子电池，然后在晶格匹配的基础上，生长带隙在1.35~1.45 的GaAs子电池，然后采用组分渐变的方式生长晶格常数大于衬底的带隙在0.9～1.1的InGaAs第三子电池，最后采用组分渐变的方式生长晶格常数大于第三子电池，带隙在0.6～0.8左右的第四子电池。芯片工艺采用wafer-bonding工艺，将电池倒过来bonding在Si片上，最后腐蚀掉衬底。这些工艺复杂，不仅外延生产成本高，而且浪费衬底。
发明内容
本发明目的是提出一种工艺简单、成本低的基于图形化锗衬底的三结太阳能电池。
本发明包括Ge底电池，以及顺序生长的底电池窗口、中电池底电池隧道结、InxGa1-xAs中电池、中电池顶电池隧道结、InyGa1-yP顶电池和InxGa1-xAs 盖层接触层。
具体地：所述Ge底电池由Ge底电池基区和生长在Ge底电池基区上的Ge底电池发射区组成；
所述中电池底电池隧道结由n++-InGaP隧道结和生长在n++-InGaP隧道结上的p++-InAlGaAs隧道结组成；
所述InxGa1-xAs中电池由InAlGaAs中电池BSF和顺序生长的InxGa1-xAs中电池基区、InxGa1-xAs中电池发射区、InAlP中电池窗口组成；
所述中电池顶电池隧道结由n++-InGaP隧道结和生长在n++-InGaP隧道结上的p++-InAlGaAs隧道结组成；
所述InyGa1-yP顶电池由InAlGaP中电池BSF和顺序生长的InyGa1-yP顶电池基区、
InyGa1-yP顶电池发射区、InAlP顶电池窗口组成。
采用上述结构的太阳能电池，从太阳光谱和带隙的角度看上，底电池、中电池和顶电池电流比较接近，光源利用率比一般带隙不匹配的三节电池高很多，能显著提高太阳能电池效率。同时从晶格常数匹配的角度看，采用图形化的衬底，解决了带隙匹配的材料晶格失配带来的材料生长难题。
本发明另一目的是提出具有以上特点的基于图形化锗衬底的三结太阳能电池的制备方法。
本发明先将图形化Ge衬底通过扩散形成Ge底电池；然后在衬底图形上直接生长大失配InxGa1-xAs中电池；最后生长与中电池晶格匹配的顶电池InyGa1-yP。
所述Ge底电池由P型Ge为基区，扩散的Ⅴ族后的N型锗为发射区。
所述底电池窗口的厚度为0.4～0.6μm。
所述底电池窗口采用InGaP或者InGaAs。
传统方法要想解决大失配材料间的生长问题，一般是采用逐层过渡的方法来实现，但这样耗费的时间和材料成本高，同时不易得到高质量的外延材料，在此基础上的电池性能也受到很大影响和制约。采用本发明的方法，在图形衬底上生长大失配材料，失配材料应力在生长初期即得到释放，所得外延材料质量更高，而且生产成本低。
采用以上方法制成的产品特点：底电池带隙为0.67～0.7Ev；所述中电池带隙为1～1.1 Ev；所述顶电池带隙为1.6～1.7Ev。
附图说明
图1为本发明图形化衬底三节太阳能电池的一种结构示意图。
图中：100：Ge底电池；101：Ge底电池基区；102：Ge底电池发射区；700：InGaP形核层；400：中电池底电池隧道结；401：n++-InGaP隧道结；402：p++-InAlGaAs隧道结；200；InxGa1-xAs中电池；201：InAlGaAs中电池BSF；202：InxGa1-xAs中电池基区；203：InxGa1-xAs中电池发射区；204：InAlP中电池窗口；500：中电池顶电池隧道结；501：n++-InGaP隧道结；502：p++-InAlGaAs隧道结；300：InyGa1-yP顶电池；301：InAlGaP中电池BSF；302：InyGa1-yP顶电池基区；303：InyGa1-yP顶电池发射区；304：InAlP顶电池窗口；600：InxGa1-xAs 盖层接触层。
具体实施方式
实施案例一
如图1所示，基于图形化锗衬底的三节太阳能电池，包括Ge底电池100，InxGa1-xAs中电池200，InyGa1-yP顶电池300，将子电池之间连接在一起的中电池底电池隧道结400和中电池顶电池隧道结500，以及InGaP形核层700和InxGa1-xAs 盖层接触层600。
具体结构如下：
生长衬底使用图形化的锗衬底，p型，掺杂浓度在5×1017～5×1018之间，直接作为底电池基区101；采用高温扩散P或者As，得到底电池发射区102。
形核层700直接在图形化衬底上生长InyGa1-yP，掺Si，生长厚度在0.4～0.6μm，y值大小通过计算确定。该层晶格常数与中电池200和顶电池300匹配，但与底电池失配。生长这一层时，先采用低温沉积，然后再高温退火5min，接着低温生长，得到高质量形核层。
隧道结400与形核层700晶格匹配，n++-InGaP， p++-InAlGaAs，浓度在1×1019～3×1022之间，厚度为10～30nm。
形成中电池200的步骤如下，采用Inx（AlGa）1-xAs生长p型BSF 201，厚度0.3μm，然后在生长5～6μm基区InxGa1-xAs 202，p型浓度在1～5×1017，发射区InxGa1-xAs 203 ，n型，厚度0.2～0.3μm，x范围约在0.2～0.4之间。中电池窗口InAlP 204 与中电池匹配，掺杂浓度为1×1018，厚度在100～200nm
在中电池200上面，生长隧道结500，隧道结500与400完全一致。
形成中电池200的步骤如下，采用Iny（AlGa）1-yP生长p型BSF 301，厚度0.3μm，然后在生长1～2μm基区InyGa1-yP 302，p型浓度在1～5×1017，发射区InyGa1-yP 303 ，n型，厚度0.1～0.2μm，y范围约在0.2～0.4之间。顶电池窗口InAlP 304 与顶电池匹配，掺杂浓度为1×1018，厚度在100～200nm
盖层600采用InxGa1-xAs材料做欧姆接触，n型，掺杂浓度在3～5×1018，厚度在0.4～0.7μm。
实施案例二
       也可以采用InxGa1-xAs来生长700形核层。其余结构一致。

Claims (6)

1.一种基于图形化锗衬底的三节太阳能电池，其特征在于包括Ge底电池，以及顺序生长的底电池窗口、中电池底电池隧道结、InxGa1-xAs中电池、中电池顶电池隧道结、InyGa1-yP顶电池和InxGa1-xAs 盖层接触层。
2.根据权利要求1所述基于图形化锗衬底的三节太阳能电池，其特征在于：
所述Ge底电池由Ge底电池基区和生长在Ge底电池基区上的Ge底电池发射区组成；
所述中电池底电池隧道结由n++-InGaP隧道结和生长在n++-InGaP隧道结上的p++-InAlGaAs隧道结组成；
所述InxGa1-xAs中电池由InAlGaAs中电池BSF和顺序生长的InxGa1-xAs中电池基区、InxGa1-xAs中电池发射区、InAlP中电池窗口组成；
所述中电池顶电池隧道结由n++-InGaP隧道结和生长在n++-InGaP隧道结上的p++-InAlGaAs隧道结组成；
所述InyGa1-yP顶电池由InAlGaP中电池BSF和顺序生长的InyGa1-yP顶电池基区、
InyGa1-yP顶电池发射区、InAlP顶电池窗口组成。
3.如权利要求1所述基于图形化锗衬底的三节太阳能电池的制备方法，其特征在于：先将图形化Ge衬底通过扩散形成Ge底电池；然后在衬底图形上直接生长大失配InxGa1-xAs中电池；最后生长与中电池晶格匹配的顶电池InyGa1-yP。
4.根据权利要求3所述基于图形化锗衬底的三节太阳能电池的制备方法，其特征在于所述Ge底电池由P型Ge为基区，扩散的Ⅴ族后的N型锗为发射区。
5.根据权利要求3所述基于图形化锗衬底的三节太阳能电池的制备方法，其特征在于所述底电池窗口的厚度为0.4～0.6μm。
6.根据权利要求6所述基于图形化锗衬底的三节太阳能电池的制备方法，其特征在于所述底电池窗口采用InGaP或者InGaAs。
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