CN103346189B - 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，其中两个子电池采用GaNAsBi材料制作，与GaAs衬底晶格匹配，本发明还涉及该三结太阳电池的制备方法，本发明的三结太阳电池及其制备方法简化了制备工艺，提高了电池效率，降低了生产成本。

Description

三结太阳电池及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及太阳电池领域，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，将与相应光谱匹配的不同带隙的子电池依次串联，以实现对太阳光谱的分段利用。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。该帯隙组合并未达到最优值，其最高转换效率仅有32-33%（1个太阳）。
新的研究表明具有帯隙组合为1.93±0.03eV、1.39±0.03eV、0.94±0.03eV的三结太阳电池的效率大于51%（100倍聚光），然而由于晶格常数对材料的限制，具有该理想帯隙组合且与GaAs衬底晶格匹配的材料选择较少。例如，一种能实现该帯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。
为了得到帯隙组合为1.93±0.03eV、1.39±0.03eV、0.94±0.03eV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，从而影响电池性能。因此，这种方法的技术难度显著增加了生产成本。
在对GaAs材料的研究中，掺入N和Bi可以有效调节材料的带隙和晶格常数。因此通过选择合适的N和Bi组分可以使GaNAsBi达到要求的带隙和晶格常数，这无疑使GaNAsBi成为一种能实现优化的帯隙组合并与GaAs衬底晶格匹配的优良电池材料。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于实现对太阳光谱的分段利用，提高电池效率，简化制备工艺以及降低生产成本，为此本发明一方面提供一种三结太阳电池，包括依次生长在P型GaAs衬底上的GaNAsBi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GaAs衬底上设有P电极，所述GaAs欧姆接触层上设有N电极。
优选地，所述GaNAsBi底电池的带隙值为0.94±0.03eV。
优选地，所述GaNAsBi中间电池的带隙值为1.39±0.03eV。
优选地，所述AlGaInP顶电池的带隙值为1.93±0.03eV。
优选地，所述第一隧道结为包括N型GaInP和P型(Al)GaAs重掺层或者(In)GaAs重掺层和P型(Al)GaAs重掺层。
优选地，所述第二隧道结包括N型GaInP重掺层以及P型AlGaInP重掺层。
本发明还提供一种三结太阳电池的制备方法，包括下列步骤：
S1，在GaAs衬底上生长GaNAsBi底电池；
S2，在所述GaNAsBi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GaAs层作为GaAs欧姆接触层；
S7，在所述GaAs欧姆接触层和GaAs衬底上分别制备上电极以及下电极。
优选地，所述三结太阳电池采用MOCVD法或MBE法生长形成。
本发明的三结太阳电池中，通过采用具有与GaNAsBi材料制作底电池和中间电池，优化了带隙组合，各个子电池的电流匹配，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率；且由于三个子电池所用的GaNAsBi、AlGaInP材料分别与GaAs衬底晶格匹配，避免了晶格异变技术带来的技术难度以及该技术中要求生长较厚的缓冲层消耗的大量原材料，简化了制备工艺，降低了生产成本。
【附图说明】
图1为根据本发明一实施例的三结太阳电池的结构示意图。
【具体实施方式】
本发明提供一种三结太阳电池，其中两个子电池采用GaNAsBi材料制作，其三个子电池分别为AlGaInP顶电池、GaNAsBi中间电池以及GaNAsBi底电池，且三个子电池分别与GaAs衬底晶格匹配，带隙分别为1.93±0.03eV、1.39±0.03eV以及0.94±0.03eV。其包括依次连接的GaNAsBi底电池、第一隧道结、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、AlGaInP顶电池以及GaAs欧姆接触层，其中，所述GaAs欧姆接触层和GaAs衬底上分别设有上、下电极。
本发明还提供一种三结太阳电池的制备方法，该方法包括下列步骤：
(1)在GaAs衬底上生长GaNAsBi底电池；
(2)在所述GaNAsBi底电池上生长第一隧道结；
(3)在所述第一隧道结上生长GaNAsBi中间电池；
(4)在所述GaNAsBi中间电池上生长第二隧道结；
(5)在所述第二隧道结上生长AlGaInP顶电池；
(6)在所述AlGaInP顶电池上生长GaAs层作为GaAs欧姆接触层；
（7）在所述GaAs欧姆接触层和GaAs衬底上分别制备上电极以及下电极。
前述AlGaInP/GaNAsBi/GaNAsBi三结太阳电池中的各结构层均是采用MOCVD法或MBE法生长形成的。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
如图1所示，为本发明三结太阳电池一实施例结构示意图，本发明的三结太阳电池依次包括N电极12、N型GaAs欧姆接触层11、AlGaInP顶电池13、第二隧道结14、GaNAsBi中间电池15、第一隧道结16、GaNAsBi底电池17、P型GaAs衬底18以及P电极19，所述AlGaInP顶电池13、GaNAsBi中间电池15以及GaNAsBi底电池17分别与所述GaAs衬底18晶格匹配，所述GaNAsBi底电池17包含依次设置的P型GaNAsBi基区01、N型GaNAsBi发射区02；所述第一隧道结16包括依次设置的N型GaInP03、P型(Al)GaAs重掺层04；所述GaNAsBi中间电池15包含依次设置的GaNAsBi基区05、GaNAsBi发射区06；所述第二隧道结14包含依次设置的N型GaInP重掺层07、P型AlGaInP重掺层08；所述AlGaInP顶电池13包含依次设置的AlGaInP基区09、AlGaInP发射区10；其中，所述N型GaInP03也可为(In)GaAs重掺层。
在其具体实施例中，所述GaNAsBi底电池中，N和Bi的组分分别为1.45%和2.56%时，其带隙为0.94eV；所述GaNAsBi中间电池中，N和Bi的组分分别为0.058%和0.1%时，其带隙为1.39eV；所述AlGaInP顶电池与GaAs衬底晶格匹配，其中，Al的组分为2.5%时，其带隙为1.93eV；需要说明的是，各组分可随着需求进行百分比的波动，其带隙也相应的随着变动。
本实施例采用用MOCVD方法生长三结太阳电池，其结构如图1所示：
(1)在P型GaAs衬底18生长P型掺杂约3×1017cm-3的3.0微米GaNAsBi底电池的P型GaNAsBi基区01，生长N型掺杂约2×1018cm-3的0.2微米的GaNAsBi底电池的N型GaNAsBi发射区02。
(2)生长N型掺杂浓度大于1×1019cm-3以上的0.015微米的GaInP或(In)GaAs03，然后生长P型掺杂浓度大于1×1019cm-3的0.015微米的(Al)GaAs04，形成第一隧道结16。
(3)生长P型掺杂浓度约3×1017cm-3的3.0微米的GaNAsBi作为GaNAsBi中间电池15的GaNAsBi基区05，再生长N型掺杂浓度约2×1018cm-3的0.2微米的GaNAsBi作为GaNAsBi中间电池15的GaNAsBi发射区06。
(4)生长N型掺杂浓度大于1×1019cm-3的0.015微米的GaInP作为GaInP重掺层07，生长P型掺杂浓度大于1×1019cm-3以上的0.015微米的AlGaAs作为AlGaInP重掺层08，形成第二隧道结14。
(5)生长P型掺杂浓度约为1×1017cm-3的0.5微米的AlGaInP作为AlGaInP电池13的AlGaInP基区09，再生长N型掺杂浓度约为2×1018cm-3的0.2微米的AlGaInP作为AlGaInP电池13的AlGaInP发射区10。
(6)然后生长N型掺杂浓度约为6×1018cm-3的0.5微米的GaAs作为AlGaInP顶电池13的GaAs欧姆接触层11。
在P型GaAs衬底18和N型GaAs欧姆接触层11上分别制备P电极19、N电极12，获得目标太阳电池芯片。
上述实施例采用MOCVD法生长三结太阳电池，其中，N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；若采用MBE法，则N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
本发明的三结太阳电池具有优化的带隙组合，其带隙分别为1.93±0.03eV、1.39±0.03eV以及0.94±0.03eV，各个子电池的电流匹配，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率；三个子电池分别与GaAs衬底晶格匹配，避免了晶格异变技术带来的技术难度以及该技术中要求生长较厚的缓冲层消耗的大量原材料，简化了制备工艺，降低了生产成本；所述的三结太阳电池采用MOCVD法或MBE法生长，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它支撑衬底材料键合再去除GaAs衬底的复杂工艺，降低了工艺难度。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种三结太阳电池，其特征在于：包括依次生长在P型GaAs衬底上的GaNAsBi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GaAs衬底上设有P电极，所述GaAs欧姆接触层上设有N电极；所述GaNAsBi底电池的带隙值为0.94±0.03eV；所述GaNAsBi中间电池的带隙值为1.39±0.03eV；所述AlGaInP顶电池的带隙值为1.93±0.03eV。
2.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于：所述第一隧道结为包括N型GaInP和P型(Al)GaAs重掺层或者(In)GaAs重掺层和P型(Al)GaAs重掺层。
3.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于：所述第二隧道结包括N型GaInP重掺层以及P型AlGaInP重掺层。
4.如权利要求1-3所述的三结太阳电池的制备方法，包括下列步骤：
S1，在GaAs衬底上生长GaNAsBi底电池；
S2，在所述GaNAsBi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GaAs层作为GaAs欧姆接触层；
S7，在所述GaAs欧姆接触层和GaAs衬底上分别制备上电极以及下电极。
5.根据权利要求4所述的三结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述三结太阳电池采用MOCVD法或MBE法生长形成。
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CN101882644A (zh) * 2009-05-08 2010-11-10 安科太阳能公司 具有ⅳ/ⅲ-ⅴ族混合合金的多结太阳能电池

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