CN103346191B - GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，包括GaAs衬底以及GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池，所述GaAs衬底具有双面生长结构;所述GaAs衬底的第一面设置有GaInP/GaAs双结电池，第二面设置有一渐变过渡层，并通过该渐变过渡层与所述InGaAsP/InGaAs双结电池级联。该四结级联太阳电池带隙组合为1.90eV，1.42eV，～1.03eV，0.73eV，各个子电池的电流失配小，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率。

Description

GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池及其制备 方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏技术领域，尤其涉及一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池以及该电池的制备方法。

背景技术

在太阳电池领域，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，该材料体系在太阳电池领域中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受晶格匹配的制约，该三结电池中Ge电池覆盖较宽的光谱，其短路电流最大可达到两结电池的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，所以该三结电池的效率还有改进的空间。最直观的想法是在GaAs和Ge电池中间插入一带隙为～1.00eV的InGaAsN材料，在保持短路电流不变的情况下，将开路电压提高约0.60V，将原来三结电池转换效率提高约20%，四结电池可望达到约39%的转换效率。

但是，由于很难制备少子寿命足够长的InGaAsN材料，吸收太阳光产生的电子-空穴对没有足够的时间被分离和收集从而产生有效的电流输出，使得用InGaAsN制作的高效太阳电池的技术难度很大。研究人员在寻求别的途径来获得高效太阳能转换，一种方法是采用晶片键合的方法将晶格失配的具有合理带隙组合的电池键合在一起，实现电流匹配，提高电池效率。但是晶片键合电池往往存在两个主要问题：以GaInP/GaAs和InGaAsP/InGaAs双结电池的键合为例，晶片键合电池需要GaAs和InP两个衬底，这大大增加了电池的制作成本；二是晶片键合电池的键合部分需要良好的欧姆接触和良好的透光率，这给工艺带来很大的挑战，增加了电池的制作难度。

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

本发明的目的是提供一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，该四结级联太阳电池带隙组合为1.90eV，1.42eV，～1.03eV，0.73eV，各个子电池的电流失配小，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，包括GaAs衬底以及GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池，其中，所述GaAs衬底具有双面生长结构;所述GaAs衬底的第一面设置有GaInP/GaAs双结电池，第二面设置有一渐变过渡层，并通过该渐变过渡层与所述InGaAsP/InGaAs双结电池级联。

优选地，所述渐变过渡层包括Al_xIn_1-xAs渐变过渡层，其中x=1～0.48；所述Al_xIn_{1- x}As渐变过渡层的带隙大于1.42eV。

优选地，所述GaAs衬底与所述渐变过渡层之间设置有第二隧道结，所述第二隧道结包括按照远离GaAs衬底方向依次连接的P++GaAs材料层和N++GaAs材料层。

优选地，所述InGaAsP/InGaAs双结电池包括按照远离所述渐变过渡层的方向依次连接InGaAsP子电池、第一隧道结以及InGaAs子电池；所述InGaAsP子电池包括按照远离所述渐变过渡层的方向依次连接的N++InP或In(Ga)AlAs窗口层、N-InGaAsP发射区、P-InGaAsP基区以及P++InGaAsP背场；所述第一隧道结包括按照远离所述InGaAsP子电池的方向依次连接的P++InGaAs材料层和N++InGaAs材料层；所述InGaAs子电池包括按照远离所述第一隧道结的方向依次连接的N++InP或InGaAsP窗口层、N-InGaAs发射区、P-InGaAs基区、P++InGaAsP背场以及P+InGaAs接触层。

优选地，所述GaInP/GaAs双结电池包括按照远离所述GaAs衬底的方向依次连接GaAs子电池、第三隧道结以及GaInP子电池；所述GaAs子电池包括按照远离所述GaAs衬底的方向依次连接的GaAs缓冲层、P++AlGaAs背场、P-GaAs基区、N-GaAs发射区以及N++AlInP窗口层；所述第三隧道结包括按照远离所述GaAs子电池的方向依次连接的N++GaInP材料层和P++AlGaAs材料层；所述GaInP子电池包括按照远离所述第三隧道结的方向依次连接的P++AlGaInP背场、P-GaInP基区、N-GaInP发射区、N++AlInP窗口层以及N+GaAs接触层。

在另一个优选的实施方案中，所述GaAs子电池包括设置于所述GaAs衬底第二面的P++AlGaAs背场，按照远离所述GaAs衬底第一面的依次连接的N-GaAs发射区和N++AlInP窗口层；所述GaAs衬底形成所述GaAs子电池的基区。

本发明的另一个目的是提供如上所述的四结级联太阳电池的制作方法，该方法具体为，采用具有双面生长结构的GaAs衬底作为衬底，首先，在所述GaAs衬底的第二面生长一渐变过渡层；然后在所述渐变过渡层上生长InGaAsP/InGaAs双结电池；最后在所述GaAs衬底的第一面生长GaInP/GaAs双结电池，获得所述GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。

优选地，所述渐变过渡层包括Al_xIn_1-xAs渐变过渡层，其中x=1～0.48；所述Al_xIn_{1- x}As渐变过渡层的带隙大于1.42eV；所述Al_xIn_1-xAs渐变过渡层采用In组分线性渐进和/或In组分步进的方法生长。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)该四结级联太阳电池带隙组合为1.90eV，1.42eV，～1.03eV，0.73eV，各个子电池的电流失配小，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率；

2)该四结级联太阳电池采用双面抛光的GaAs衬底，通过双面生长的方式制作太阳电池，降低了电池生长的难度，节省了电池生长的时间，也降低了太阳电池因长时间退火造成的性能衰退;

3)该四结级联太阳电池可以在GaAs衬底上实现GaAs子电池，充分利用了GaAs支撑衬底，节约了电池的制作成本。

附图说明

图1为本发明实施例1制备获得的四结级联太阳电池的结构示意图。

图2为本发明实施例2制备获得的四结级联太阳电池的结构示意图。

具体实施方式

下面将对结合附图用实施例对本发明做进一步说明。

如前所述，鉴于目前太阳电池领域存在的客观困难，本发明的其中一个目的是提供一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，包括GaAs衬底以及GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池，其中，所述GaAs衬底具有双面生长结构;所述GaAs衬底的第一面设置有GaInP/GaAs双结电池，第二面设置有一渐变过渡层，并通过该渐变过渡层与所述InGaAsP/InGaAs双结电池级联。

该四结级联太阳电池带隙组合为1.90eV，1.42eV，～1.03eV，0.73eV，各个子电池的电流失配小，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率。

本发明的另一个目的是提供如上所述的四结级联太阳电池的制作方法，该方法具体为，采用具有双面生长结构的GaAs衬底作为衬底，首先，在所述GaAs衬底的第二面生长一渐变过渡层；然后在所述渐变过渡层上生长InGaAsP/InGaAs双结电池；最后在所述GaAs衬底的第一面生长GaInP/GaAs双结电池，最终获得带隙组合为1.90eV，1.42eV，～1.03eV，0.73eV的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。

该四结级联太阳电池采用双面抛光的GaAs衬底，通过双面生长的方式制作太阳电池，降低了电池生长的难度，节省了电池生长的时间，也降低了太阳电池因长时间退火造成的性能衰退。

实施例1

参阅图1，该四结级联太阳电池包括具有双面生长结构的GaAs衬底15；

所述GaAs衬底15的第二面设置有一渐变过渡层12，按照远离所述渐变过渡层12的方向，依次连接有InGaAsP子电池30、第一隧道结29以及InGaAs子电池28；所述InGaAsP子电池30包括按照远离所述渐变过渡层的方向依次连接的N++InP或In(Ga)AlAs窗口层11、N-InGaAsP发射区10、P-InGaAsP基区09以及P++InGaAsP背场08；所述第一隧道结29包括按照远离所述InGaAsP子电池30的方向依次连接的P++InGaAs材料层07和N++InGaAs材料层06；所述InGaAs子电池28包括按照远离所述第一隧道结29的方向依次连接的N++InP或InGaAsP窗口层05、N-InGaAs发射区04、P-InGaAs基区03、P++InGaAsP背场02以及P+InGaAs接触层01；所述GaAs衬底15与所述渐变过渡层12之间设置有第二隧道结31，所述第二隧道结31包括按照远离GaAs衬底15方向依次连接的P++GaAs材料层14和N++GaAs材料层13；

所述GaAs衬底15的第一面按照远离该衬底的方向，依次连接有GaAs子电池32、第三隧道结33以及GaInP子电池34；所述GaAs子电池32包括按照远离所述GaAs衬底15的方向依次连接的GaAs缓冲层16、P++AlGaAs背场17、P-GaAs基区18、N-GaAs发射区19以及N++AlInP窗口层20；所述第三隧道结33包括按照远离所述GaAs子电池32的方向依次连接的N++GaInP材料层21和P++AlGaAs材料层22；所述GaInP子电池34包括按照远离所述第三隧道结33的方向依次连接的P++AlGaInP背场23、P-GaInP基区24、N-GaInP发射区25、N++AlInP窗口层26以及N+GaAs接触层27。

下面介绍如上所述的四结级联太阳电池的制备方法，该方法具体包括步骤：

S101：采用双面抛光的P型GaAs衬底15，在其中的第二面生长第二隧道结31；所述第二隧道结31包括按照远离GaAs衬底15方向依次连接的P++GaAs材料层14和N++GaAs材料层13；

S102：在所述的第二隧道结31上生长高掺杂的Al_xIn_1-xAs渐变过渡层12，其中Al的组分由1.00变化至0.48，从而使其由GaAs晶格常数过渡到InP晶格常数，Al的组分采用台阶的方式自1.0降低至0.48，采用10个过渡层过渡，每层厚度200nm，最后生长约500nm的高掺杂Al_0.48In_0.52As过渡层；

S103：在所述的Al_xIn_1-xAs渐变过渡层12上依次生长InGaAsP子电池30、第一隧道结29以及InGaAs子电池28；所述InGaAsP子电池30包括按照远离所述渐变过渡层的方向依次连接的0.05μm的N++InP或In(Ga)AlAs窗口层11、0.4μm的N-InGaAsP发射区10、2.5μm的P-InGaAsP基区09以及0.3μm的P++InGaAsP背场08；所述第一隧道结29包括按照远离所述InGaAsP子电池30的方向依次连接的15～30nm的P++InGaAs材料层07和10～30nm的N++InGaAs材料层06；所述InGaAs子电池28包括按照远离所述第一隧道结29的方向依次连接的0.1μm的N++InP或InGaAsP窗口层05、0.2μm的N-InGaAs发射区04、2.5μm的P-InGaAs基区03、0.3μm的P++InGaAsP背场02以及500nm的P+InGaAs接触层01；

S104：在所述GaAs衬底15的第一面，按照远离GaAs衬底15的方向依次生长GaAs子电池32、第三隧道结33以及GaInP子电池34；所述GaAs子电池32包括按照远离所述GaAs衬底15的方向依次连接的200nm的GaAs缓冲层16、50nm的P++AlGaAs背场17、2.0μm的P-GaAs基区18、0.1μm的N-GaAs发射区19以及0.1μm的N++AlInP窗口层20；所述第三隧道结33包括按照远离所述GaAs子电池32的方向依次连接的15～30nm的N++GaInP材料层21和10～30nm的P++AlGaAs材料层22；所述GaInP子电池34包括按照远离所述第三隧道结33的方向依次连接的50nm的P++AlGaInP背场23、0.8μm的P-GaInP基区24、0.1μm的N-GaInP发射区25、0.05μm的N++AlInP窗口层26以及500nm的N+GaAs接触层27；得到如图1所示的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。

接下来进行电池的工艺过程：在电池的表面分别制作正负电极和减反膜，最终形成目标太阳能电池。

实施例2

参阅图2，该四结级联太阳电池包括具有双面生长结构的GaAs衬底15；

所述GaAs衬底15的第二面设置有一渐变过渡层12，按照远离所述渐变过渡层12的方向，依次连接有InGaAsP子电池30、第一隧道结29以及InGaAs子电池28；所述InGaAsP子电池30包括按照远离所述渐变过渡层的方向依次连接的N++InP或In(Ga)AlAs窗口层11、N-InGaAsP发射区10、P-InGaAsP基区09以及P++InGaAsP背场08；所述第一隧道结29包括按照远离所述InGaAsP子电池30的方向依次连接的P++InGaAs材料层07和N++InGaAs材料层06；所述InGaAs子电池28包括按照远离所述第一隧道结29的方向依次连接的N++InP或InGaAsP窗口层05、N-InGaAs发射区04、P-InGaAs基区03、P++InGaAsP背场02以及P+InGaAs接触层01；所述GaAs衬底15与所述渐变过渡层12之间设置有第二隧道结31，所述第二隧道结31包括按照远离GaAs衬底15方向依次连接的P++GaAs材料层14和N++GaAs材料层13；

在本实施例中，所述GaAs衬底15的第二面与所述第二隧道结31之间设置有P++AlGaAs背场17；

所述GaAs衬底15的第一面按照远离该衬底的方向，依次连接GaAs子电池32的N-GaAs发射区19和N++AlInP窗口层20、第三隧道结33以及GaInP子电池34；所述第三隧道结33包括按照远离所述GaAs子电池32的方向依次连接的N++GaInP材料层21和P++AlGaAs材料层22；所述GaInP子电池34包括按照远离所述第三隧道结33的方向依次连接的P++AlGaInP背场23、P-GaInP基区24、N-GaInP发射区25、N++AlInP窗口层26以及N+GaAs接触层27；

在本实施例中，所述GaAs子电池32包括设置于所述GaAs衬底15第二面的P++AlGaAs背场17，按照远离所述GaAs衬底15第一面的依次连接的N-GaAs发射区19和N++AlInP窗口层20；所述GaAs衬底15形成所述GaAs子电池32的基区。

下面介绍如上所述的四结级联太阳电池的制备方法，该方法具体包括步骤：

S101：采用双面抛光的P型GaAs衬底15，在其中的第二面生长高掺杂GaAs子电池的P++AlGaAs背场17；

S102：在所述P++AlGaAs背场17上生长第二隧道结31；所述第二隧道结31包括按照远离GaAs衬底15方向依次连接的P++GaAs材料层14和N++GaAs材料层13；

S103：在所述的第二隧道结31上生长高掺杂的Al_xIn_1-xAs渐变过渡层12，其中Al的组分由1.00变化至0.48，从而使其由GaAs晶格常数过渡到InP晶格常数，Al的组分采用线性渐变的方式自1.0降低至0.48，，最后生长高掺杂Al_0.48In_0.52As过渡层；

S104：在所述的Al_xIn_1-xAs渐变过渡层12上依次生长InGaAsP子电池30、第一隧道结29以及InGaAs子电池28；所述InGaAsP子电池30包括按照远离所述渐变过渡层的方向依次连接的0.05μm的N++InP或In(Ga)AlAs窗口层11、0.4μm的N-InGaAsP发射区10、2.5μm的P-InGaAsP基区09以及0.3μm的P++InGaAsP背场08；所述第一隧道结29包括按照远离所述InGaAsP子电池30的方向依次连接的15～30nm的P++InGaAs材料层07和10～30nm的N++InGaAs材料层06；所述InGaAs子电池28包括按照远离所述第一隧道结29的方向依次连接的0.1μm的N++InP或InGaAsP窗口层05、0.2μm的N-InGaAs发射区04、2.5μm的P-InGaAs基区03、0.3μm的P++InGaAsP背场02以及500nm的P+InGaAs接触层01；

S105：在所述GaAs衬底15的第一面，按照远离GaAs衬底15的方向依次生长GaAs子电池32的0.1μm的N-GaAs发射区19以及0.1μm的N++AlInP窗口层20，并依次生长第三隧道结33以及GaInP子电池34；所述第三隧道结33包括按照远离所述GaAs子电池32的方向依次连接的15～30nm的N++GaInP材料层21和10～30nm的P++AlGaAs材料层22；所述GaInP子电池34包括按照远离所述第三隧道结33的方向依次连接的50nm的P++AlGaInP背场23、0.8μm的P-GaInP基区24、0.1μm的N-GaInP发射区25、0.05μm的N++AlInP窗口层26以及500nm的N+GaAs接触层27；得到如图2所示的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池。

接下来进行电池的工艺过程：在电池的表面分别制作正负电极和减反膜，最终形成目标太阳能电池。

按照本实施例制作的四结级联太阳电池，可以在GaAs衬底上实现GaAs子电池，充分利用了GaAs支撑衬底，节约了电池的制作成本。

上述施例中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。

上述实施例中的各个步骤均采用MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)或MBE(MolecularBeamEpitaxy，分子束外延)方式生长。

若采用MOCVD法，则各层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，则各层N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，包括GaAs衬底以及GaInP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池，其特征在于：所述GaAs衬底具有双面生长结构；所述GaAs衬底的第一面设置有GaInP/GaAs双结电池，第二面设置有一渐变过渡层，并通过该渐变过渡层与所述InGaAsP/InGaAs双结电池级联；

其中，所述GaInP/GaAs双结电池包括按照远离所述GaAs衬底的方向依次连接GaAs子电池、第三隧道结以及GaInP子电池；

其中，所述GaAs子电池包括设置于所述GaAs衬底第二面的P++AlGaAs背场，按照远离所述GaAs衬底第一面的依次连接的N-GaAs发射区和N++AlInP窗口层；所述GaAs衬底形成所述GaAs子电池的基区；

其中，所述渐变过渡层包括Al_xIn_1-xAs渐变过渡层，其中x＝1～0.48；所述Al_xIn_1-xAs渐变过渡层的带隙大于1.42eV。

2.根据权利要求1所述的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，其特征在于：所述GaAs衬底与所述渐变过渡层之间设置有第二隧道结，所述第二隧道结包括按照远离GaAs衬底方向依次连接的P++GaAs材料层和N++GaAs材料层。

3.根据权利要求1所述的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，其特征在于：所述InGaAsP/InGaAs双结电池包括按照远离所述渐变过渡层的方向依次连接InGaAsP子电池、第一隧道结以及InGaAs子电池。

4.根据权利要求3所述的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池，其特征在于：所述InGaAsP子电池包括按照远离所述渐变过渡层的方向依次连接的N++InP或InAlAs或InGaAlAs窗口层、N-InGaAsP发射区、P-InGaAsP基区以及P++InGaAsP背场；所述第一隧道结包括按照远离所述InGaAsP子电池的方向依次连接的P++InGaAs材料层和N++InGaAs材料层；所述InGaAs子电池包括按照远离所述第一隧道结的方向依次连接的N++InP或InGaAsP窗口层、N-InGaAs发射区、P-InGaAs基区、P++InGaAsP背场以及P+InGaAs接触层。

5.一种GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四结级联太阳电池的制备方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

S101：采用双面抛光的P型GaAs衬底，在其中一面生长高掺杂GaAs子电池的P++AlGaAs背场；

S102：在所述P++AlGaAs背场上生长第二隧道结；所述第二隧道结包括按照远离P++AlGaAs背场方向依次连接的P++GaAs材料层和N++GaAs材料层；

S103：在所述的第二隧道结上生长高掺杂的渐变过渡层；所述渐变过渡层包括Al_xIn_{1- x}As渐变过渡层，其中x＝1～0.48；所述Al_xIn_1-xAs渐变过渡层的带隙大于1.42eV；所述Al_xIn_1-xAs渐变过渡层采用In组分线性渐进和/或In组分步进的方法生长；其中Al的组分由1.00变化至0.48，从而使其由GaAs晶格常数过渡到InP晶格常数，Al的组分采用线性或台阶的方式自1.0降低至0.48，最后生长高掺杂的Al_0.48In_0.52As过渡层；

S104：在所述的Al_xIn_1-xAs渐变过渡层上依次生长InGaAsP子电池、第一隧道结以及InGaAs子电池；所述InGaAsP子电池包括按照远离所述渐变过渡层的方向依次连接的N++InP或InAlAs或InGaAlAs窗口层、N-InGaAsP发射区、P-InGaAsP基区以及P++InGaAsP背场；所述第一隧道结包括按照远离所述InGaAsP子电池的方向依次连接的P++InGaAs材料层和N++InGaAs材料层；所述InGaAs子电池包括按照远离所述第一隧道结的方向依次连接的N++InP或InGaAsP窗口层、N-InGaAs发射区、P-InGaAs基区、P++InGaAsP背场以及P+InGaAs接触层；

S105：在所述GaAs衬底的另一面，按照远离GaAs衬底的方向依次生长GaAs子电池的N-GaAs发射区和N++AlInP窗口层、第三隧道结以及GaInP子电池；所述第三隧道结包括按照远离所述GaAs子电池的方向依次连接的N++GaInP材料层和P++AlGaAs材料层；所述GaInP子电池包括按照远离所述第三隧道结的方向依次连接的P++AlGaInP背场、P-GaInP基区、N-GaInP发射区N++AlInP窗口层以及N+GaAs接触层。