CN103311354A - Si衬底三结级联太阳电池及其制作方法 - Google Patents

Si衬底三结级联太阳电池及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光伏技术领域，尤其是指一种Si衬底三结级联太阳电池，包括按照远离Si衬底10的方向依次在Si衬底上生长的第一过渡层、GeSi底电池、第二过渡层、第一隧道结、GaAs中间电池、第二隧道结、GaInP顶电池、GaAs接触层。本发明采用Si衬底制作的三结级联太阳能电池，实现带隙能量分别为1.89eV/1.42eV/1.0eV，获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率。

Description

Si衬底三结级联太阳电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能利用的光伏技术领域，尤其涉及一种Si衬底支撑的三结级联太阳电池及其制作方法。
背景技术
作为一种理想的绿色能源材料，太阳电池成为各国的研究热点，为了促进太阳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。叠层电池采用不同禁带宽度的子电池串联能极大的提高太阳光的利用率，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，该材料体系在一个太阳下目前达到的最高转换效率为32～33%。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，如在GaAs和Ge电池中间插入一带隙为1.00eV的InGaAsN材料，做成四结级联太阳电池，实现光电流匹配，提高电池效率。但目前制备的InGaAsN材料缺陷多、载流子迁移率低，影响了电池性能的提高。因此研究人员积极寻求别的途径来获得高效的太阳能电池，如何实现多结太阳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族太阳电池亟需解决的问题。
发明内容
鉴于上述以InGaP/（In）GaAs/Ge三结级联太阳能电池为代表的光伏技术仍无法达到与太阳光谱的最佳匹配，以及制作三结及三结以上的太阳能电池存在的半导体材料间晶格失配的客观困难，本发明提供一种Si衬底三结级联太阳电池，其包括从下至上依次设置在Si衬底上的第一过渡层、GeSi底电池、第二过渡层、第一隧道结、GaAs中间电池、第二隧道结、GaInP顶电池、GaAs接触层。
优选地，所述GeSi底电池、GaAs中间电池、GaInP顶电池的禁带宽度分别为1.89eV、1.42eV、1.0eV。
优选地，所述第一过渡层是的材质是SixGe1-x，0.8≤x＜1。
优选地，所述第一过渡层中所述x含量按照远离Si衬底的方向呈线性或台阶式降低，所述第一过渡层厚度不大于2μm。
优选地，所述第二过渡层的材质为GaAsyP1-y，0.098≤y≤1。
优选地，所述第二过渡层中所述y含量按照远离Si衬底的方向呈线性或台阶式降低，所述第二过渡层厚度不大于3μm。
优选地，还包括分别设置在所述Si衬底底部、GaAs接触层顶部的背电极和栅电极，以及设置在所述栅电极表面的抗反膜。
本发明还提供这种根Si衬底三结级联太阳电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤A、采用金属有机化学气相沉淀法或分子束外延法按照远离Si衬底的方向依次在Si衬底上生长第一过渡层、GeSi底电池、第二过渡层、第一隧道结、GaAs中间电池、第二隧道结、GaInP顶电池、GaAs接触层；
步骤B、分别在所述Si衬底底部、所述GaAs接触层顶部蒸镀背电极和栅电极，以及在所述栅电极表面蒸镀抗反膜。
有益效果：本发明的三结级联太阳能电池在继承以往两结级联太阳电池光电转换效率相对较高、稳定、寿命长的基础上，实现了在Si衬底生长GeSi、GaAs及GaInP子电池，形成1.89eV/1.42eV/1.0eV的带隙组合。本发明采用低廉的Si材料作为衬底，不但减少GaAs的消耗量，也降低了电池的制作成本，同时还提高了电池的机械强度。本发明的三结级联太阳能电池能获得高电压、低电流输出，从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失，实现较高的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例三结级联太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明实施例三结级联太阳能电池的第一过渡层结构示意图。
图3为本发明实施例三结级联太阳能电池的第二过渡层结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易理解，下面特结合本发明具体实施例，详细说明如下：
本发明基于晶格异变渐变过渡层技术，通过两次生长晶格异变过渡层，实现了Si衬底10生长GeSi、GaAs及GaInP子电池并获得三结级联太阳能电池。
如图1所示，本实施例的三结级联太阳能电池包括：按照远离Si衬底10的方向依次在Si衬底10上生长第一过渡层21、GeSi底电池30、第二过渡层22、第一隧道结41、GaAs中间电池50、第二隧道结42、GaInP顶电池60、GaAs接触层70。还包括在所述Si衬底10底部、GaAs接触层70顶部设置的背电极91、栅电极92，以及蒸镀在所述栅电极92上的抗反膜93。
其中，所述GeSi底电池30、GaAs中间电池50、GaInP顶电池60的禁带宽度分别为1.89eV、1.42eV、1.0eV。
下面详细介绍本实施例三结级联太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤A：采用金属有机化学气相沉淀法（MOCVD）按照远离Si衬底10的方向在Si衬底10上生长第一过渡层21、GeSi底电池30、第二过渡层22、第一隧道结41、GaAs中间电池50、第二隧道结42、GaInP顶电池60、GaAs接触层70。在其他实施中，本领域技术人员可知，上述外延层的生长还可以采用分子束外延法（MBE）。
（1）第一过渡层21：在P型Si衬底10上生长多层SixGe1-x作为第一过渡层21，0.8≤x＜1。为了实现所述Si衬底10晶格匹配地过渡至GeSi底电池30，所述x含量按照远离Si衬底10的方向呈台阶式降低。例如，如图2所示，本实施的第一过渡层21包括4层SixGe1-x，从第一层Si0.95Ge0.0521a开始，按照远离Si衬底10的方向，每往上生长一层SixGe1-x，x减少0.05，如此x按照同样的减幅减少4次，直到Si0.8Ge0.221d完成生长为止。其中，Si0.95Ge0.0521a，Si0.9Ge0.121b，Si0.85Ge0.1521c厚度为200nm，最后Si0.8Ge0.221d厚度为500nm。
在其他实施例当中，第一过渡层还可以采用线性降低的方式实现，即设置一组分渐变过渡层实现组分从Si0.95Ge0.05到Si0.8Ge0.2的过渡。但无论哪种方式第一过渡层的总厚度不大于2μm。
（2）SiGe底电池30：本实施例的SiGe底电池30的结构包括依次在第一过渡层21上生长的20～30μm的P-型Si0.8Ge0.2基区以及0.2～2μm的N型Si0.8Ge0.2发射区。
（3）第二过渡层22：采用多层GaAsyP1-y作为第二过渡层22，0.098≤y≤1。为了实现所述SiGe底电池30晶格匹配地过渡至所述GaAs中间电池50、GaInP顶电池60，所述y含量按照远离Si衬底10的方向呈台阶式提高，提高的速率为4～50%。例如，如图3所示，本实施例的第二过渡层22包括20层GaAsyP1-y，从第一层GaAs0.098P0.902开始，按照远离Si衬底10的方向，每往上生长一层GaAsyP1-y，y增加0.045，如此y按照同样的增幅增加20次，此时GaAs0.953P0.047完成生长，最后令y=1，GaAs0.953P0.047表面生长N+型GaAs缓冲层，完成第二过渡层22的制作。其中，GaAs0.098P0.902、GaAs0.143P0.857、GaAs0.188P0.812……GaAs0.953P0.047这20层的厚度为200nm，最后一层GaAs缓冲层的厚度500nm。
在其他实施例当中，第二过渡层还可以采用线性降低的方式实现，即在一组分渐变过渡层实现组分从GaAs0.098P0.902到GaAs的过渡。但无论哪种方式第二过渡层的总厚度不大于3μm。
（4）第一隧道结41：即从下至上依次生长15～30nm的N++GaAs、10～30nm的P++GaAs完成第一隧道结41。
（5）GaAs中间电池50：从下至上依次生长50nm的P++型AlGaAs背场、1.5～2.5μm的P-型GaAs基区、0.1～0.4μm的N型GaAs发射区以及0.05～0.5μm的N++型AlInP窗口层。
（6）第二隧道结42：即从下至上依次生长15～30nm的N++型GaInP、10～30nm的P++型AlGaAs完成第二隧道结42。
（7）GaInP顶电池60：即从下至上依次生长50nm的P++型AlGaInP背场，0.4～1μm的P-型GaInP基区、0.05～0.15μm的N型GaInP发射区以及0.02～0.5μm的N++型AlInP窗口层。
（8）GaAs接触层70：在GaInP顶电池60上生长500nmN+型GaAs接触层70。
步骤B：在Si衬底10底部、选择性腐蚀后的GaAs接触层70顶部分别制作背电极91和栅电极92，在栅电极91上蒸镀抗反膜93，最终形成目标三结级联太阳能电池。
本实施例中，N、N+、N++分别表示掺杂浓度为1.0×1017～1.0×1018/cm2、1.0×1018～9.0×1018/cm2、9.0×1018～1.0×1020/cm2；P-、P++分别表示掺杂浓度为1.0×1015～1.0×1018/cm2、9.0×1018～1.0×1020/cm2。
综上所述，是对本发明一具体实施例的详细描述，对本案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法，等细微结构的改变均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Si衬底三结级联太阳电池，其特征在于，包括从下至上依次设置在Si衬底上的第一过渡层、GeSi底电池、第二过渡层、第一隧道结、GaAs中间电池、第二隧道结、GaInP顶电池、GaAs接触层。
2.根据权利要求1所述三结级联太阳电池，其特征在于，所述GeSi底电池、GaAs中间电池、GaInP顶电池的禁带宽度分别为1.89eV、1.42eV、1.0eV。
3.根据权利要求1所述三结级联太阳电池，其特征在于，所述第一过渡层是的材质是SixGe1-x，0.8≤x＜1。
4.根据权利要求1所述三结级联太阳电池，其特征在于，所述第一过渡层中所述x含量按照远离Si衬底的方向呈线性或台阶式降低，所述第一过渡层厚度不大于2μm。
5.根据权利要求1所述三结级联太阳电池，其特征在于，所述第二过渡层的材质为GaAsyP1-y，0.098≤y≤1。
6.根据权利要求1所述三结级联太阳电池，其特征在于，所述第二过渡层中所述y含量按照远离Si衬底的方向呈线性或台阶式降低，所述第二过渡层厚度不大于3μm。
7.根据权利要求1所述三结级联太阳电池，其特征在于，还包括分别设置在所述Si衬底底部、所述GaAs接触层顶部的背电极和栅电极，以及设置在所述栅电极表面的抗反膜。
8.一种根据权利要求1～7任一项所述的Si衬底三结级联太阳电池的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A、采用金属有机化学气相沉淀法或分子束外延法按照远离Si衬底的方向依次在Si衬底上生长第一过渡层、GeSi底电池、第二过渡层、第一隧道结、GaAs中电池、第二隧道结、GaInP顶电池、GaAs接触层；
步骤B、分别在所述Si衬底底部、GaAs接触层顶部蒸镀背电极和栅电极，以及在所述栅电极表面蒸镀抗反膜。
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