CN103280482A - 多结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多结太阳能电池，特别地是一种Ga_0.5In_0.5P/In_0.01Ga_0.99As/Ge多结太阳能电池，其特征在于：多结太阳能电池结构的中电池中包含叠层In_xGa_1-xAs量子点应力调制层，以及在应力调制下形成的多层自组装InAs量子点分子结构。本发明可以提升多结太阳能电池的电流，提高光电转换效率，同时增强多结太阳能电池的抗辐射性能。

Description

多结太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高效率多结太阳能电池制造技术，属半导体材料技术领域。更具体的，本发明涉及一种具有外延生长的叠层量子点结构的Ⅲ-Ⅴ族多结半导体太阳能电池。

背景技术

对太阳电池来说，可利用的太阳光谱波长为300～2000 nm，单结的太阳电池只能覆盖利用某一波长范围的阳光，为了充分利用太阳光不同波段的光子能量，提高太阳电池的光电转换效率，一般做法将多种不同带隙的半导体材料搭配，组成多结太阳电池。

GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池，由于外延层晶格匹配，外延生长简单，是目前最常用的多结太阳电池结构之一。在聚光条件下，GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池已获得超过40%光电转换效率。该电池结构中，GaInP具有可以吸收总太阳光子通量25%的带隙，然而，经由GaInP子电池后，仅有14%的总太阳光子通量可以被InGaAs中电池所吸收，最终被Ge底电池吸收的占总太阳光子通量的36%。由于三结电池是串联，所以电流由中电池限制，这就导致了各结子电池的电流不匹配，因此，传统的GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池结构并不是效率最优化的组合，难以达到最佳的三结电池效率。为了得到最佳的电池效率，GaInP/InGaAs/Ge晶格匹配三结电池需要降低中电池的带隙，将InGaAs材料的带隙降低到1eV左右，主要实现途径有在中电池插入量子点结构、插入量子阱结构等方法。其中插入量子点以获得有效带隙接近于1eV的子电池已经被证明是切实可行的技术路线。但是，一般量子点都是通过S-K生长模式获得的，这种量子点具有大小难以控制的特点，由于同一外延层中具有不同尺寸的量子点，应用到电池的有源区中将会出现电子和空穴从大带隙量子点转换到小带隙量子点中的现象，这将会严重降低电池的转换效率。因此，如果能够控制多层量子点结构中每层量子点的尺寸均匀性，使每层量子点的带隙基本相同，就可以有效提升电池转换效率。在量子点电池结构中，另外一个限制效率提升的因素就是量子点结构的光谱响应偏低。研究表明，量子点分子结构相比于量子点结构，具有更高的光谱响应。同时还可以有效降低需要外延的量子点分子结构的层数，增加技术可行性和降低成本。

发明内容

为了解决传统三结电池电流不匹配，在中电池中插入量子点结构存在光谱响应差，有源区量子点均匀性差等缺点，本发明提供了一种具有应力调制量子点分子结构的高效多结太阳能电池结构和制备方法，用于提高量子点结构的光谱响应，减少量子点间的跃迁损耗，提升三结电池短路电流，从而进一步提高多结太阳能电池光电转换效率。

本发明的技术问题是通过以下技术方案实现的：

多结太阳能电池，包含底电池、中电池和顶电池，其特征在于：所述中电池包含：InxGa1-xAs量子点应力调制层，以及多层自组装InAs量子点分子结构，所述InxGa1-xAs量子点应力调制层由InGaAs量子点层和GaAs盖层组成，所述InAs量子点分子结构形成于InxGa1-xAs量子点应力调制层上，由InAs量子点分子和GaAs盖层组成。

在本发明中，优选地，所述底电池为Ge电池，中电池为InGaAs电池，顶电池为GaInP电池；在电池中，所述In_xGa_1-xAs量子点应力调制层为超晶格结构，其周期为15～30，其中In_xGa_1-xAs层的In组分x为0.40～0.99；所述InAs量子点分子结构为超晶格结构，其量子点的密度等于或大于1×10⁹cm^-3。

前述多结太阳能电池的制备方法包括以下步骤：1）提供一生长衬底，在其上形成底电池；2）在所述底电池之上形成中电池，其包含InxGa1-xAs量子点应力调制层，以及多层自组装InAs量子点分子结构，所述InxGa1-xAs量子点应力调制层由InGaAs量子点层和GaAs盖层组成，所述InAs量子点分子结构形成于InxGa1-xAs量子点应力调制层上，由InAs量子点分子和GaAs盖层组成；3）在所述中电池之上形成底电池。

前述制备方法中，所述生长衬底为Ge衬底，通过在该衬底上外延生长Ge底电池，或使用扩散法在该衬底上形成Ge底电池；所述中电池为InGaAs电池，所述顶电池为GaInP电池。

形成所述中电池的步骤包括下面步骤：在底电池之上外延生长背场层及基区；在所述基区上生长由InGaAs/GaAs组成的量子点应力调制层；在所述量子点应力调制层表面沉积InAs量子点层，在所述InAs量子点层表面覆盖GaAs，重复生长InAs量子点，获得多层自组装InAs量子点分子结构；在所述自组装InAs量子点分子结构上生长发射区。

优选地，所述量子点应力调制层中InGaAs的生长速率为0.01～5 ML/s，厚度为2～10个单原子层；所述InAs量子点层在应力调制下形成了量子点分子结构，其形貌为链状量子点或子点团簇，其生长速率为0.01～5 ML/s，厚度为1.5～4个单原子层。特别地，在外延生长所述InAs量子点分子层后，可以引入生长停顿以增强原子迁移，生长停顿时间为5～100秒。

本发明的有益效果：1）和常规GaInP/InGaAs/Ge三结电池相比，可以有效扩展InGaAs中电池的光谱响应，提高三结电池的短路电流，改善三结电池的电流匹配，达到更高的转换效率。2）相比于常规量子点电池，可以减少由量子点尺寸不均匀造成的载流子复合，提高少子寿命，从而增加载流子吸收能力，最终提升效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1为根据本发明实施的三结太阳电池结构示意图。

图中各标号表示：

100：Ge底电池；

110：GaInP窗口层；

210：Al_0.2Ga_0.8As背场层；

220：In_0.01Ga_0.99As基区；

230：InGaAs/GaAs应变量子点层；

231：InGaAs量子点；

232：GaAs盖层；

240：InAs/GaAs叠层量子点分子层；

241：InAs量子点；

242：GaAs盖层；

250：InGaAs发射区；

260：AlInP窗口层；

300：GaInP顶电池；

400：InGaAs缓冲层；

500：底、中电池隧穿结；

510：中、顶电池隧穿结；

600：GaAs盖帽层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种三结太阳能电池，包括：Ge底电池100、In_0.01Ga_0.99As中电池和Ga_0.5In_0.5P顶电池300，各结子电池之间通过隧穿结500、510串联起来。

Ge底电池100通过在P型Ge衬底上自扩散形成。在MOCVD设备中，预通PH₃并生长GaInP初始层可以使P原子扩散到Ge衬底中，形成N型Ge发射区，发射区厚度约为0.1um。

Ge底电池100和中电池之间用隧穿结500连接。隧穿结500为重掺杂PN结，具有隧穿效应，一般由n型和p型重掺杂的GaAs、AlGaAs、GaInP等材料组成，厚度在10～30 nm之间。可在隧穿结和Ge底电池100之间插入一层厚度在300-2000nm的In_0.01Ga_0.99As缓冲层400以获得平整的外延表面，保证隧穿结的高晶体质量外延。

InGaAs中电池由背场层210、与Ge晶格匹配的In_0.01Ga_0.99As p-i-n结构，以及窗口层260组成。背场层210一般为AlGaAs材料，窗口层260一般为AlInP或GaInP。In_0.01Ga_0.99As p-i-n结构的P区（基区220）为Zn掺杂的In_0.01Ga_0.99As材料，掺杂浓度在1×10¹⁶cm^-3 --3×10¹⁸cm^-3之间；N区（发射区250）为Si掺杂In_0.01Ga_0.99As，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3-3×10¹⁹cm^-3；i区由In_xGa_1-xAs/GaAs超晶格应力调制层230以及InAs/GaAs量子点量子点分子结构240组成，其中In_xGa_1-xAs/GaAs超晶格应力调制层由In组分在0.40-0.99之间的In_xGa_1-xAs 量子点层231与GaAs覆盖层232组成，其中In_xGa_1-xAs厚度为超过其临界厚度以形成量子点结构，GaAs盖层厚度为10-50nm，以保证底层量子点可以调制盖层的应力。In_xGa_1-xAs/GaAs量子点超晶格周期为15-30之间。在应力调制层230外延完成后，生长InAs量子点结构241，在应力调制下InAs量子点将形成量子点分子结构。多次重复沉积InAs/GaAs量子点层，就可以得到由量子点分子组成的超晶格结构。通过此方法形成的量子点分子，密度高，可达1×10¹⁰cm^-3以上，因此可以有效扩展In_0.01Ga_0.99As中电池的吸收边（可将中电池的吸收边从880nm扩展到1100nm），同时由于底层In_xGa_1-xAs/GaAs量子点的应力调制作用，该量子点分子的尺寸均匀性好，可以有效抑制InAs量子点由于尺寸均匀性差导致的电子和空穴从大带隙量子点转换到小带隙量子点中的现象，提升中电池的光谱响应，最终提高效率。

中电池和顶电池300之间通过隧穿结510连接。隧穿结510可选用重掺杂的n+-GaAs/p+-AlGaAs，厚度在10～30 nm之间。

Ga_0.5In_0.5P顶电池300具体由AlGaInP或AlGaAs背场层、p-GaInP基区、n-GaInP发射区、AlInP窗口层组成。其中Ga_0.5In_0.5P基区为渐变掺杂，掺杂浓度在1×10¹⁶cm^-3 -- 3×10¹⁸cm^-3之间，GaInP发射区掺杂浓度在1×10¹⁸cm-3 -- 3×10¹⁹cm^-3之间。

前述多结太阳能电池的制备方法，主要包括下列步骤：

首先，选用P型掺杂的单晶Ge衬底，厚度在100-200微米之间，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～3×10¹⁸cm^-3，作为Ge底电池的基区。进入MOCVD生长，在锗衬底通过预通PH₃，使磷原子扩散到锗衬底中得到N型发射区，其厚度约为100nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；再外延生长n型GaInP窗口层110，厚度20～50nm，以克服锗衬底上外延产生的反向畴，其晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度约为1×10¹⁸cm^-3。

下一步，生长n型In_0.01Ga_0.99As缓冲层400，为中电池和顶电池生长提供晶体质量较佳的表面，缓冲层的厚度为500～2000nm，掺杂浓度约为1×10¹⁸cm^-3。

下一步，生长中底电池的隧穿结500，隧穿结由n型掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3、厚度约为20nm的GaAs层和p型掺杂大于5×10¹⁹cm^-3、厚度约为20nm的GaAs层组成。‘

下一步，在隧穿结500上形成中电池。具体包括下列步骤：首先，生长厚度约50nm、P型掺杂浓度约为1×10¹⁸cm^-3的AlGaAs层，作为中电池的背场层310。接着，外延生长InGaAs量子点应力调制层230，其中InGaAs的生长速率为0.01～0.5ML/s（单原子层/秒），厚度为2～10个单原子层。具体工艺：在背场层310上生长厚度约2微米、P型掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁸cm^-3的In_0.01Ga_0.99As，继续生长由2.5nm In_0.4Ga_0.6As/12nm GaAs组成的量子点超晶格应力调制层230，超晶格周期为15个。然后，外延生长在InAs量子点分子结构240，生长速率为0.01～0.5 ML/s（单原子层/秒），厚度为1.5～4个单原子层。具体工艺：在超晶格应力调制层230表面沉积2.0ML（monolayer）的InAs从而得到InAs量子点分子结构，接着在InAs量子点分子表面覆盖5nm GaAs，重复生长InAs量子点，重复5～20次，得到由InAs量子点分子和GaAs盖层组成的超晶格结构240。 最后，在InAs量子点分子结构240上生长厚度为100nm，掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3到1×10¹⁹cm^-3之间的n-In_0.01Ga_0.99As作为中电池发射区250。在发射区250上生长厚度为20～100nm的n型Al_0.5In_0.5P层，作为中电池的窗口层260，Al_0.5In_0.5P窗口层260晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度约为5×10¹⁸cm^-3。

下一步，在中电池窗口层260上生长顶中电池的隧穿结510。隧穿结510包括n型掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3、厚度为20-100nm的GaAs层和p型掺杂大于5×10¹⁹cm^-3、厚度为20-100nm的Al_0.3Ga_0.3As层。

下一步，在隧穿结510形成顶电池。具体工艺：首先，在隧穿结510上生长厚度为20～100nm、p型AlGaInP层作为顶电池的背场层，AlGaInP背场层晶格常数与Ge匹配，p型掺杂浓度约为5×10¹⁷cm^-3；接着生长厚度为700～1500nm、p型掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3的Ga_0.5In_0.5P层作为顶电池基区；然后生长厚度50～200nm、p型掺杂浓度约为6×10¹⁸cm^-3的Ga_0.5In_0.5P层作为顶电池发射区，从而获得顶电池；最后，生长厚度为20～100nm的n型Al_0.5In_0.5P层作为顶电池的窗口层，Al_0.5In_0.5P窗口层晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度约为5×10¹⁸cm^-3。

下一步，生长厚度约500nm、n型掺杂浓度约为5×10¹⁸cm^-3的GaAs盖帽层600作为欧姆接触层。

很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施方式。

Claims (12)

1.多结太阳能电池，包含底电池、中电池和顶电池，其特征在于：所述中电池包含：In_xGa_1-xAs量子点应力调制层，以及多层自组装InAs量子点分子结构，所述In_xGa_1-xAs量子点应力调制层由InGaAs量子点层和GaAs盖层组成，所述InAs量子点分子结构形成于In_xGa_1-xAs量子点应力调制层上，由InAs量子点分子和GaAs盖层组成。

2.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述底电池为Ge电池，中电池为InGaAs电池，顶电池为GaInP电池。

3.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述In_xGa_1-xAs量子点应力调制层中In_xGa_1-xAs层的In组分x为0.40～0.99。

4.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述In_xGa_1-xAs量子点应力调制层为超晶格结构，其周期为15～30。

5.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述InAs量子点分子结构中量子点的密度等于或大于1×10⁹cm^-3。

6.多结太阳能电池的制备方法，包括步骤：

提供一生长衬底，在其上形成底电池；

在所述底电池之上形成中电池，其包含In_xGa_1-xAs量子点应力调制层，以及多层自组装InAs量子点分子结构，所述In_xGa_1-xAs量子点应力调制层由InGaAs量子点层和GaAs盖层组成，所述InAs量子点分子结构形成于In_xGa_1-xAs量子点应力调制层上，由InAs量子点分子和GaAs盖层组成；

在所述中电池之上形成底电池。

7.根据权利要求6所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述生长衬底为Ge衬底，通过在该衬底上外延生长Ge底电池，或使用扩散法在该衬底上形成Ge底电池；所述中电池为InGaAs电池，所述顶电池为GaInP电池。

8.根据权利要求7所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述形成中电池的步骤包括下面步骤：

在底电池之上外延生长背场层及基区；

在所述基区上生长由InGaAs/GaAs组成的量子点应力调制层；

在所述量子点应力调制层表面沉积InAs量子点层，在所述InAs量子点层表面覆盖GaAs，重复生长InAs量子点，获得多层自组装InAs量子点分子结构；

在所述自组装InAs量子点分子结构上生长发射区。

9.根据权利要求8所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述量子点应力调制层中InGaAs的生长速率为0.01～5 ML/s，厚度为2～10个单原子层。

10.根据权利要求8所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述InAs量子点层在应力调制下形成了量子点分子结构，其形貌为链状量子点或子点团簇。

11.根据权利要求8所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述InAs量子点分子层的生长速率为0.01～5 ML/s，厚度为1.5～4个单原子层。

12.根据权利要求8所述的多结太阳能电池，其特征在于：在外延生长所述InAs量子点分子层后，引入生长停顿以增强原子迁移，生长停顿时间为5～100秒。