CN103280483B - 一种三结太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三结太阳电池及其制备方法，该电池包括依次连接的P型GaAs衬底、InGaAsN底电池、第一隧道结、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、AlGaInP顶电池以及N型GaAs欧姆接触层，其中所述P型GaAs衬底上设有P型电极、所述N型GaAs欧姆接触层上设有N型电极。本发明提出的三结太阳电池及其制备方法解决了目前采用晶格异变、倒置生长等技术存在的材料消耗大、工艺难度大、成本较高的问题。
Description
【技术领域】
本发明涉及半导体太阳电池材料及器件制造领域，尤其涉及一种三结太阳电池及其制备方法。
【背景技术】
目前在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体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的子电池依次串联，以实现对太阳光谱的充分利用。
在三结太阳电池中，目前研究较为成熟的材料体系是与GaAs衬底晶格匹配生长的GaInP/GaAs/Ge三结电池，其带隙组合为1.9eV、1.42eV、0.7eV，该带隙组合并未达到最优值，其最高转换效率仅为32%左右。最新研究表明具有带隙组合1.93eV、1.39eV、0.94eV的三结太阳电池的效率大于51%，然而由于晶格常数对材料的限制，具有该优化带隙组合且与GaAs衬底晶格匹配的材料较少，如一种能实现该带隙组合的材料体系为AlInAs/InGaAsP/InGaAs，然而该材料体系与GaAs衬底有约2.1%的晶格失配。
为了得到带隙组合为1.93eV、1.39eV、0.94eV的AlInAs/InGaAsP/InGaAs材料，一种方法是利用晶格异变技术在GaAs衬底上引入晶格失配的晶格异变缓冲层，然而缓冲层的引入将带来各种材料缺陷，会对电池性能产生不良影响，上述方法不仅增加了生长难度，而且增加了生产成本。
【发明内容】
为解决现有太阳电池制作工艺中生长难度大、生产成本高的问题，本发明提出一种三结太阳电池及其制备方法。
本发明一方面提出一种三结太阳电池，包括依次连接的P型GaAs衬底、InGaAsN底电池、第一隧道结、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、AlGaInP顶电池以及N型GaAs欧姆接触层，其中在所述P型GaAs衬底上设有P型电极、在所述N型GaAs欧姆接触层上设有N型电极。
本发明另一方面提出一种三结太阳电池制备方法，包括如下步骤，步骤S1：在P型GaAs衬底上生长InGaAsN底电池；步骤S2：在所述InGaAsN底电池上生长第一隧道结；步骤S3：在所述第一隧道结上生长GaNAsBi中间电池；步骤S4：在所述GaNAsBi中间电池上生长第二隧道结；步骤S5：在所述第二隧道结上生长AlGaInP顶电池；步骤S6：在所述AlGaInP顶电池上生长N型GaAs欧姆接触层；步骤S7：在所述P型GaAs衬底上制备P型电极，在所述N型GaAs欧姆接触层上制备N型电极。
本发明提出的三结太阳电池及其制备方法采用了优化的带隙组合：1.93eV、1.39eV以及0.94eV，同时各个子电池与GaAs衬底晶格匹配，该制备方法充分利用现有GaAs基多结电池工艺，解决了目前采用晶格异变、倒置生长等技术存在的材料消耗大、工艺难度大、成本较高的问题。
【附图说明】
图1所示为本发明一实施例的三结太阳电池结构示意图；
图2所示为本发明一实施例的三结太阳电池制备方法流程图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合具体实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。应当理解，文中所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
本发明一方面提供一种三结太阳电池，如图所示，所述三结太阳电池包括依次连接的P型GaAs衬底100、InGaAsN底电池200、第一隧道结300、GaNAsBi中间电池400、第二隧道结500、AlGaInP顶电池600以及N型GaAs欧姆接触层700，其中在所述P型GaAs衬底上设有P型电极800、在所述N型GaAs欧姆接触层上设有N型电极900。
优选地，所述InGaAsN底电池200带隙值为0.94±0.03eV，其中In摩尔分数可选取9.3%-11.6%范围内任意一值，N摩尔分数可选取3.2%-4%范围内任意一值。
优选地，所述GaNAsBi中间电池400带隙值为1.39±0.03eV，其中N摩尔分数可选取0.03%-0.18%范围内任意一值，Bi摩尔分数可选取0.05%-0.3%范围内任意一值。
优选地，所述AlGaInP顶电池600带隙值为1.93±0.03eV，其中Al摩尔分数可选取0.1%-5%范围内任意一值。
在一优选实施例中，所述InGaAsN底电池200带隙值为0.94eV，其中In摩尔分数为10%，N摩尔分数为3.6%；所述GaNAsBi中间电池400带隙值为1.39eV，其中N摩尔分数为0.058%，Bi摩尔分数为0.1%；所述AlGaInP顶电池600带隙值为1.93eV，其中Al摩尔分数为2.5%。
优选地，所述InGaAsN底电池200包括P型掺杂浓度为3×1017cm-3、厚度为3.0μm的基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的发射区。
优选地，所述第一隧道结300包括N型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaInP、GaAs或InGaAs，以及P型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaAs或AlGaAs。
优选地，所述GaNAsBi中间电池400包括P型掺杂浓度为3×1017cm-3、厚度为3.0μm的基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的发射区。
优选地，所述第二隧道结500包括N型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaInP，以及P型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的AlGaAs。
优选地，所述AlGaInP顶电池600包括P型掺杂浓度为1×1017cm-3、厚度为0.5μm的基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的发射区。
优选地，所述N型GaAs欧姆接触层700为N型掺杂浓度为6×1018cm-3、厚度为0.5μm的GaAs。
其中，在上述优选实施例中，所述N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Zn、Be、Mg或C，制作所述三结太阳电池的方法包括但不限于MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀）法、MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）法。当采用MOCVD法制作所述三结太阳电池时，N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；当采用MBE法制作所述三结太阳电池时，N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
本发明另一方面提供了一种三结太阳电池制备方法，如图2所示，所述三结太阳电池制备方法包括如下步骤，步骤S1：在P型GaAs衬底上生长InGaAsN底电池；步骤S2：在所述InGaAsN底电池上生长第一隧道结；步骤S3：在所述第一隧道结上生长GaNAsBi中间电池；步骤S4：在所述GaNAsBi中间电池上生长第二隧道结；步骤S5：在所述第二隧道结上生长AlGaInP顶电池；步骤S6：在所述AlGaInP顶电池上生长N型GaAs欧姆接触层；步骤S7：在所述P型GaAs衬底上制备P型电极，在所述N型GaAs欧姆接触层上制备N型电极。
优选地，可选用MOCVD法、MBE法或其他制备方法实施上述步骤一至步骤六中的生长过程。
优选地，上述步骤S1进一步包括：在所述P型GaAs衬底上生长带隙值为0.94±0.03eV的InGaAsN底电池，其中In摩尔分数为9.3%-11.6%范围内的任意一值、N摩尔分数为3.2%-4%范围内的任意一值。
优选地，上述步骤S3进一步包括：在所述第一隧道结上生长带隙值为1.39±0.03eV的GaNAsBi中间电池，其中N摩尔分数为0.03%-0.18%范围内的任意一值、Bi摩尔分数为0.05%-0.3%范围内的任意一值。
优选地，上述步骤S5进一步包括：在所述第二隧道结上生长带隙值为1.93±0.03eV的AlGaInP顶电池，其中Al摩尔分数为0.1%-5%范围内的任意一值。
优选地，上述步骤S1具体包括：在所述P型GaAs衬底上生长P型掺杂浓度为3×1017cm-3、厚度为3.0μm的InGaAsN底电池基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的InGaAsN底电池发射区。
优选地，上述步骤S2具体包括：在所述InGaAsN底电池上生长N型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaInP、GaAs或InGaAs，以及P型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaAs或AlGaAs作为所述第一隧道结。
优选地，上述步骤S3具体包括：在所述第一隧道结上生长P型掺杂浓度为3×1017cm-3、厚度为3.0μm的GaNAsBi中间电池基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的GaNAsBi中间电池发射区。
优选地，上述步骤S4具体包括：在所述GaNAsBi中间电池上生长N型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaInP，以及P型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的AlGaAs作为所述第二隧道结。
优选地，上述步骤S5具体包括：在所述第二隧道结上生长P型掺杂浓度为1×1017cm-3、厚度为0.5μm的AlGaInP顶电池基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的AlGaInP顶电池发射区。
优选地，上述步骤S6具体包括：在所述AlGaInP顶电池上生长N型掺杂浓度为6×1018cm-3、厚度为0.5μm的GaAs作为所述N型GaAs欧姆接触层。
优选地，在上述实施例中，生长方法可选用MOCVD法或MBE法。当采用MOCVD法时，N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；当采用MBE法时，N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
本发明提出的三结太阳电池及其制备方法采用了优化的带隙组合：1.93eV、1.39eV以及0.94eV，同时各个子电池与GaAs衬底晶格匹配，该制备方法充分利用现有GaAs基多结电池工艺，在电池制备过程中只需经过一次生长过程，避免了倒置生长电池结构需要先与其他支撑衬底材料键合再除去GaAs衬底的复杂工艺，解决了目前采用晶格异变、倒置生长等技术存在的材料消耗大、工艺难度大、成本较高的问题。
虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅仅是用来解释和说明本发明的技术方案，而并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明所提出技术方案的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、变形、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (17)
1.一种三结太阳电池，包括依次连接的P型GaAs衬底、InGaAsN底电池、第一隧道结、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、AlGaInP顶电池以及N型GaAs欧姆接触层，其中所述P型GaAs衬底上设有P型电极、所述N型GaAs欧姆接触层上设有N型电极；所述InGaAsN底电池带隙值为0.94±0.03eV，In、N摩尔分数分别为9.3％-11.6％、3.2％-4％；所述GaNAsBi中间电池带隙值为1.39±0.03eV，N、Bi摩尔分数分别为0.03％-0.18％、0.05％-0.3％；所述AlGaInP顶电池带隙值为1.93±0.03eV，Al摩尔分数为0.1％-5％。
2.根据权利要求1所述三结太阳电池，其特征在于，所述InGaAsN底电池包括P型掺杂浓度为3×1017cm-3、厚度为3.0μm的基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的发射区。
3.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述第一隧道结包括N型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaInP、GaAs或InGaAs，以及P型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaAs或AlGaAs。
4.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述GaNAsBi中间电池包括P型掺杂浓度为3×1017cm-3、厚度为3.0μm的基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的发射区。
5.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述第二隧道结包括N型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaInP，以及P型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的AlGaAs。
6.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述AlGaInP顶电池包括P型掺杂浓度为1×1017cm-3、厚度为0.5μm的基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的发射区。
7.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述N型GaAs欧姆接触层为N型掺杂浓度为6×1018cm-3、厚度为0.5μm的GaAs。
8.根据权利要求2至权利要求7任意一项所述的三结太阳电池，其特征在于，所述N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Zn、Be、Mg或C。
9.一种三结太阳电池制备方法，包括步骤：
S1，在P型GaAs衬底上生长InGaAsN底电池；
S2，在所述InGaAsN底电池上生长第一隧道结；
S3，在所述第一隧道结上生长GaNAsBi中间电池；
S4，在所述GaNAsBi中间电池上生长第二隧道结；
S5，在所述第二隧道结上生长AlGaInP顶电池；
S6，在所述AlGaInP顶电池上生长N型GaAs欧姆接触层；
S7，在所述P型GaAs衬底上制备P型电极，在所述N型GaAs欧姆接触层上制备N型电极；
步骤S1包括：在P型GaAs衬底上生长带隙值为0.94±0.03eV的InGaAsN底电池，其中In、N摩尔分数分别为9.3％-11.6％、3.2％-4％；
步骤S3包括：在所述第一隧道结上生长带隙值为1.39±0.03eV的GaNAsBi中间电池，其中N、Bi摩尔分数分别为0.03％-0.18％、0.05％-0.3％；
步骤S5包括：在所述第二隧道结上生长带隙值为1.93±0.03eV的AlGaInP顶电池，其中Al摩尔分数为0.1％-5％。
10.根据权利要求9所述的三结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤S1至步骤S6中采用的生长方法为MOCVD法或MBE法。
11.根据权利要求10所述的三结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤S1包括：在所述P型GaAs衬底上生长P型掺杂浓度为3×1017cm-3、厚度为3.0μm的InGaAsN底电池基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的InGaAsN底电池发射区。
12.根据权利要求10所述的三结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤S2包括：在所述InGaAsN底电池上生长N型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaInP、GaAs或InGaAs，以及P型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaAs或AlGaAs作为所述第一隧道结。
13.根据权利要求10所述的三结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤3包括：在所述第一隧道结上生长P型掺杂浓度为3×1017cm-3、厚度为3.0μm的GaNAsBi中间电池基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的GaNAsBi中间电池发射区。
14.根据权利要求10所述的三结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤S4包括：在所述GaNAsBi中间电池上生长N型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的GaInP，以及P型掺杂浓度为1×1019cm-3、厚度为0.015μm的AlGaAs作为所述第二隧道结。
15.根据权利要求10所述的三结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤S5包括：在所述第二隧道结上生长P型掺杂浓度为1×1017cm-3、厚度为0.5μm的AlGaInP顶电池基区以及N型掺杂浓度为2×1018cm-3、厚度为0.2μm的AlGaInP顶电池发射区。
16.根据权利要求10所述的三结太阳电池制备方法，其特征在于，步骤S6包括：在所述AlGaInP顶电池上生长N型掺杂浓度为6×1018cm-3、厚度为0.5μm的GaAs作为所述N型GaAs欧姆接触层。
17.根据权利要求11至权利要求16任意一项所述的三结太阳电池制备方法，其特征在于，采用MOCVD法时，N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；采用MBE法时，N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
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