CN103258908B - 一种三结级联太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能技术领域，尤其是三结级联太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：采用有机金属化学气相沉积方法在GaAs衬底上依次生长GaAs1-x-yNxBiy底电池层、第一隧道结、InmGa1-mAs1-nNn中间电池层、第二隧道结、AlpGa1-p-qInqP顶电池层及GaAs接触层；再在所述GaAs衬底底部及所述GaAs接触层顶部制作欧姆电极。本发明还提供这种太阳能电池的结构。本发明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，每个电池层与GaAs晶格匹配，可获得较高的电池效率，是一种潜在的理想的太阳能电池材料。

Description

一种三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技术领域，尤其是一种三结级联太阳能电池的结构及其制作方法。
背景技术
在III-V族太阳能电池领域，通常采用多结体系实现对太阳光谱的分段吸收利用，以获得较高的转换效率。目前研究较多而且技术较为成熟的体系是GaInP/GaAs/Ge三结电池。该电池目前达到的最高转换效率为32-33%。但是该体系仍然存在一个主要问题是Ge电池覆盖较宽的光谱，其短路电流最大可达到另外两结电池的2倍，由于受三结电池串联的制约，Ge电池对应的太阳光谱的能量没有被充分转换利用。计算表明具有1.93eV/1.39eV/0.94eV帯隙组合的三结太阳能电池在100倍聚光下的转换效率大于51%。
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2.5%的失配，而且目前尚缺乏与上述材料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衬底上生长晶格异变缓冲层，实现晶格常数的过渡，然而该技术对材料生长提出了更高的要求，同时缓冲层的引入也带来了较多的缺陷，降低了电池的性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种三结级联太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
采用有机金属化学气相沉积方法在GaAs衬底上依次生长GaAs1-x-yNxBiy底电池层、第一隧道结、InmGa1-mAs1-nNn中间电池层、第二隧道结、AlpGa1-p-qInqP顶电池层及GaAs接触层；再在所述GaAs衬底底部及所述GaAs接触层顶部制作欧姆电极。
优选地，所述GaAs1-x-yNxBiy底电池层、所述InmGa1-mAs1-nNn中间电池层、所述AlpGa1-p-qInqP顶电池层均各包括上下层叠的N型发射区和P型基区。
优选地，所述N型发射区掺杂浓度为2×1018cm-3的，生长厚度为0.2微米；所述P型基区的掺杂浓度为3×1017cm-3的，生长厚度为3.0微米。
优选地，所述GaAs1-x-yNxBiy底电池层的禁带宽度为0.94±0.01eV；所述GaAs1-x-yNxBiy底电池层的x、y分别为1.45%、2.56%。
优选地，所述InmGa1-mAs1-nNn中间电池层的禁带宽度为1.39±0.01eV；所述InmGa1-mAs1-nNn中间电池层的m、n分别为1.0%、0.30%。
优选地，所述AlpGa1-p-qInqP顶电池层的禁带宽度为1.93±0.01eV；所述AlpGa1-p-qInqP顶电池层的p、q分别为3.6%、49.0%。
优选地，所述第一隧道结和/或第二隧道结包括上下层叠的P型层以及N型层，所述N型层的材质为N型GaInP、N型InGaAs或N型GaAs；所述P型层的材质为P型GaAs或者P型AlGaInP；所述N型层或P型层的掺杂浓度均不小于1×1019cm-3，生长厚度均为0.015微米。
本发明还提供采用上述制备方法获得的太阳能电池的结构，包括依次在GaAs衬底上生长的GaAs1-x-yNxBiy底电池层、第一隧道结、InmGa1-mAs1-nNn中间电池层、第二隧道结、AlpGa1-p-qInqP顶电池层及GaAs接触层；所述GaAs衬底底部及所述GaAs接触层顶部还设有欧姆电极。
本发明通过对GaAs调节并引入多种元素，在使晶格常数保持不变的同时可以在较大范围内调节材料的带宽，最终获得1.93eV、1.39eV、0.94eV的帯隙组合，实现对太阳光谱的分段吸收利用。并且，本发明各个子电池间的电流匹配，晶格常数与GaAs衬底匹配，可获得较高的电池效率。采用传统方法生长，生长过程简单。本发明使各个电池层与GaAs晶格匹配并具有所需的带宽，使之成为一种潜在的理想的太阳能电池材料。
附图说明
图1为本发明太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
下面，根据附图对本发明具体实施方式作详细说明。
参阅图1所示，本发明的三结级联太阳能电池，其底、中、顶三个电池层，分别是GaAs1-x-yNxBiy、InmGa1-mAs1-nNn、AlpGa1-p-qInqP材质形成的，具体结构为：依次在GaAs衬底10上生长的GaAs1-x-yNxBiy底电池层20、第一隧道结30、InmGa1-mAs1-nNn中间电池层40、第二隧道结50、AlpGa1-p-qInqP顶电池层60及GaAs接触层70；所述GaAs衬底底部及所述GaAs接触层顶部还设有欧姆电极。
本发明三结级联太阳能电池的制备方法包括下列步骤：
(1)生长GaAs1-x-yNxBiy底电池层20，其中，该GaAs1-x-yNxBiy底电池层20的x、y分别为1.45%、2.56%，
该GaAs1-x-yNxBiy底电池层20包括上下层叠的N型发射区和P型基区。首先在P型GaAs衬底10上通过有机金属化学气相沉积法（MOCVD）生长P型GaAs1-x-yNxBiy，形成掺杂浓度为3×1017cm-3，生长厚度为3.0微米的P型基区21。然后在P型基区生长N型GaAs1-x-yNxBiy，形成掺杂浓度为2×1018cm-3，生长厚度为0.2微米的N型发射区22。由此形成具有禁带宽度为0.94eV的GaAs1-x-yNxBiy底电池层20。
(2)生长第一隧道结30。
该第一隧道结30包括上下层叠的P型层32和N型层31。在所述GaAs1-x-yNxBiy底电池层20的N型发射区22表面，生长N型GaInP，形成掺杂浓度在1×1019cm-3以上，厚度为0.015微米的N型层31。然后在所述N型层31上生长P型GaAs，形成掺杂浓度大于1×1019cm-3，生长厚度为0.015微米的P型层32。
(3)生长InmGa1-mAs1-nNn中间电池层40。其中，所述InmGa1-mAs1-nNn中间电池层40的m、n分别为1.0%、0.30%。
该InmGa1-mAs1-nNn中间电池层40包括上下层叠的N型发射区42和P型基区41。首先在第一隧道结30的P型层32上通过MOCVD法生长P型InmGa1-mAs1-nNn，形成掺杂浓度为3×1017cm-3，厚度为3.0微米的P型基区41。然后在P型基区41上生长N型InmGa1-mAs1-nNn，形成掺杂浓度为2×1018cm-3，生长厚度为0.2微米的N型发射区42。由此形成具有禁带宽度为1.39eV的InmGa1-mAs1-nNn中间电池层40。
(4)生长第二隧道结50。
该第二隧道结50包括上下层叠的P型层52和N型层51。在所述InmGa1-mAs1-nNn中间电池层40的N型发射区42表面，生长N型GaAs，形成掺杂浓度在1×1019cm-3以上，厚度为0.015微米的N型层51。然后在所述N型层51上生长P型GaAs，形成掺杂浓度大于1×1019cm-3，厚度为0.015微米的P型层52。
(5)生长AlpGa1-p-qInqP顶电池层60。其中，所述AlpGa1-p-qInqP顶电池层60的p、q分别为3.6%、49.0%。
该AlpGa1-p-qInqP顶电池层60包括上下层叠的N型发射区62和P型基区61。首先在第二隧道结50的P型层52上通过MOCVD法生长P型AlpGa1-p-qInqP，形成掺杂浓度为3×1017cm-3，生长厚度为3.0微米的P型基区61。然后在P型基区61上生长N型AlpGa1-p-qInqP，形成掺杂浓度为2×1018cm-3，生长厚度为0.2微米的N型发射区62。由此形成具有禁带宽度为1.93eV的AlpGa1-p-qInqP顶电池层60。
(6)生长GaAs接触层70及欧姆电极80的制作。在AlpGa1-p-qInqP顶电池层60的N型发射区62表面，MOCVD法生长P型GaAs，其掺杂浓度约为1×1017cm-3，生长厚度为0.6微米，形成GaAs接触层70。
最后，在GaAs衬底10的底部以及GaAs接触层70的顶部分别制作欧姆电极80。
当然，上述实施例中的禁带宽度还可以在一定范围内调整，调整范围为±0.01eV。
上述实施方法只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的认识能够了解本发明的内容并据以实施，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均应落在本发明权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种三结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用有机金属化学气相沉积方法在GaAs衬底上依次生长GaAs1-x-yNxBiy底电池层、第一隧道结、InmGa1-mAs1-nNn中间电池层、第二隧道结、AlpGa1-p-qInqP顶电池层及GaAs接触层；再在所述GaAs衬底底部及所述GaAs接触层顶部制作欧姆电极；
所述GaAs1-x-yNxBiy底电池层的禁带宽度为0.94±0.01eV；所述GaAs1-x-yNxBiy底电池层的x、y分别为1.45％、2.56％；
所述InmGa1-mAs1-nNn中间电池层的禁带宽度为1.39±0.01eV；所述InmGa1-mAs1-nNn中间电池层的m、n为1.0％、0.30％；
所述AlpGa1-p-qInqP顶电池层的禁带宽度为1.93±0.01eV；所述AlpGa1-p-qInqP顶电池层的p、q分别为3.6％、49.0％。
2.根据权利要求1所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述GaAs1-x-yNxBiy底电池层、所述InmGa1-mAs1-nNn中间电池层、所述AlpGa1-p-qInqP顶电池层均各包括上下层叠的N型发射区和P型基区。
3.根据权利要求2所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述N型发射区掺杂浓度为2×1018cm-3，生长厚度为0.2微米；所述P型基区的掺杂浓度为3×1017cm-3的，生长厚度为3.0微米。
4.根据权利要求1所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一隧道结和/或第二隧道结包括上下层叠的P型层以及N型层，所述N型层的材质为N型GaInP或N型GaAs；所述P型层的材质为P型GaAs或者P型AlGaInP；所述N型层或P型层的掺杂浓度均不小于1×1019cm-3，生长厚度均为0.015微米。
5.根据权利要求1～4任一项所述的三结级联太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括依次在GaAs衬底上生长的GaAs1-x-yNxBiy底电池层、第一隧道结、InmGa1-mAs1-nNn中间电池层、第二隧道结、AlpGa1-p-qInqP顶电池层及GaAs接触层；所述GaAs衬底底部及所述GaAs接触层顶部还设有欧姆电极。
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