CN103515462A - 一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103515462A
CN103515462A CN201210218156.8A CN201210218156A CN103515462A CN 103515462 A CN103515462 A CN 103515462A CN 201210218156 A CN201210218156 A CN 201210218156A CN 103515462 A CN103515462 A CN 103515462A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gaas
dbr
solar cell
algaas
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201210218156.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103515462B (zh
Inventor
夏伟
于军
吴德华
苏来发
张新
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SUZHOU SHENGXIN OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Original Assignee
Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd filed Critical Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Priority to CN201210218156.8A priority Critical patent/CN103515462B/zh
Publication of CN103515462A publication Critical patent/CN103515462A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103515462B publication Critical patent/CN103515462B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02167—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明提供一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池的外延结构依次包括Ge衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAs DBR，AlInP/AlGaInP DBR，AlGaAs背场层，GaAs n-基层，GaAs发射层，AlGaAs窗口层，GaAs电极接触层；其中，AlGaAs/AlAs DBR依次是可反射600nm、650nm、700nm三个波段光谱的反射层构成的复合结构，采用MOCVD法制得。本发明使用半导体GaAs薄膜材料生长代替常规的单晶硅、多晶硅太阳能电池，转换效率达25%，显著提高了GaAs薄膜单结太阳能电池转化效率。

Description

一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种利用复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池的制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
太阳电池的发展，最早可追溯自1954年由Bell实验室的发明，当时的目的是希望能提供偏远地区供电系统的能源，那时太阳电池的效率只有6%。接着从1957年苏联发射第一颗人造卫星开始，一直到1969年美国太空人登陆月球，太阳电池的应用得以充分发挥。虽然当时太阳电池的造价昂贵，但其对人类历史的贡献却是具有深远历史意义的。近年来全球的通讯市场蓬勃发展，各大通讯计划不断提出，例如Motorola公司的铱(Iridiμm)计划，将使用66颗低轨道的卫星(LEO)，Bill Gates之Teledesic计划，预计将使用840颗LEO卫星，这些都将促使太阳电池被广泛地使用在太空中。
人类发展太阳电池的最终目标，就是希望能取代目前传统的能源。我们都知道太阳的能量是取之不尽用之不竭的，从太阳表面所放射出来的能量，换算成电力约3.8×1023kW；若太阳光经过一亿五千万公里的距离，穿过大气层到达地球的表面也约有1.8×1014kW，这个值大约为全球平均电力的十万倍大。若能有效的运用此能源，则不仅能解决消耗性能源的问题，连环保问题也可一并获得解决。目前太阳电池发展的瓶颈主要有两项因素：一项为效率，另一项为价格。
太阳电池是一种能量转换的光电元件，它是经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能，此种光电元件称为太阳电池(Solar Cell)。从物理学的角度来看，有人称之为光伏电池(Photovoltaic，简称PV)，其中的photo就是光(light)，而voltaic就是电力(electricity)。太阳电池的种类繁多，若依材料的种类来区分，可分为单晶硅(single crystal silicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon，简称a-Si)、Ⅲ-Ⅴ族[包括：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓铟(InGaP)]、Ⅱ-Ⅵ族[包括：碲化镉(CdTe)、硒化铟铜(CuInSe2)]等。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。
制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电于转换反应，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。如图1所示。
当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。由于半导体不是电的良导体，电子在通过PN结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结，以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
近年来，随着空间科学和技术的发展，对空间电源提出了更高的要求。80年代初期，苏联、美国、英国、意大利等国开始研究GaAs基系太阳电池。80年代中期，GaAs太阳电池已经用于空间系统，如1986年苏联发射的和平号空间站，装备了10KW的GaAs太阳电池，单位面积比功率达到180W/m2。8年后，电池阵输出功率总衰退不大于15%。这些年，GaAs基系太阳电池经历了从LPE(液相外延)到MOVPE（金属有机物化学气相沉淀），从同质外延到异质外延，从单结到多结叠层结构发展变化。其效率不断提高，从最初的16%增加到25%，工业生产规模年产达100KW以上，并在空间系统得到广泛的应用。更高的效率减小了阵列的大小和重量，增加了火箭的装载量，减少火箭燃料消耗，因此整个卫星电源系统的费用更低。
美国率先在80年代中期制定计划，发展MOVPE同质外延GaAs太阳电池，并于80年代中期实现批量生产。例如，美国太阳能公司当时生产的GaAs/GaAs太阳电池，批量生产平均效率达17%(AM0，28℃)。除苏联和平号空间站采用了GaAs/GaAs太阳电池外，1995年发射的阿根廷科学卫星SAC．B和1997年发射的SUNSAT卫星上也采用了单结GaAs太阳电池。
尽管GaAs/GaAs电池的各种优点，但GaAs/GaAs太阳电池具有单晶材料成本高、机械强度较差等不足之处，不符合空间电源低成本、高可靠的要求。为克服这一缺点，1983年开始逐步以Ge单晶代替GaAs单晶衬底。将GaAs电池生长在与GaAs的晶格常数及热胀系数十分接近的Ge衬底上，可获得与生长在GaAs衬底上的电池相当的效率；同时，Ge的机械强度比GaAs高，将GaAs电池生长在更薄的Ge衬底上，可提高重量比功率，将更适用于空间。此外，Ge单晶价格只有GaAs单晶的40%左右，可显著降低电池成本。
CN102054884A（200910198508.6）公开了一种空间太阳同步轨道下工作的GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池阵。本发明利用高效GaAs/Ge太阳电池的光伏特性，在光照期将光能转换为电能为负载提供稳定高效的电能，其由左右两翼，6块太阳电池板，共12998片GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池片组成，构成单元主要包括基板、叠层GaAs/Ge太阳电池、连接件与输电电路等。本发明GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池阵具有效率高、温度系数低、抗辐照性能强、可靠性高的特点，其可适应LEO粒子辐射区与高能量低密度等离子区辐射与充电环境，并完全适用于太阳同步轨道温度交变频率高的工作条件。该发明侧重于太阳能电池板的利用。CN101764174A（CN200810207794.3）公开了一种聚光多结砷化镓太阳电池的制造方法，它包括在锗单晶片衬底上制作多结砷化镓外延片、在外延片上涂布一层黑胶保护层，衬底采用腐蚀工艺减薄厚度、在衬底镀一层钯/银/金作为下电极、在外延片上采用负胶光刻工艺光刻出电极图形，并在电极图形上镀金锗镍/银/金作为上电极、在上电极上再蒸镀一层减反射膜以及去胶金属化后划成需要的尺寸等步骤。本发明聚光多结砷化镓太阳电池的制造方法采用刻槽和腐蚀台面工艺，降低了电池的漏电流损失，提高了填充因子和开路电压，因此效率也显著提高，产品合格率也显著增加。该发明利用光刻工艺提高转化效率，但是成本昂贵，可实施性较低。CN101859807A（CN201010189176.8）公开了一种GaAs单结太阳能电池，在电池外延层的表面形成有电极和双层减反膜，双层减反膜的上层膜采用折射率小于下层膜的材料，下层膜采用折射率位于上层膜和窗口层折射率之间的光致发光材料。光致发光材料能够吸收GaAs不能吸收波段的太阳光，并将这部分光转化为能被GaAs所吸收的光，其最终结果是更宽波段的太阳光将被GaAs太阳能电池所吸收并转换为电能，拓宽了GaAs单结太阳能电池对太阳光的吸收波段，提高了电池的光电转换效率。该发明利用双层减反膜技术，提高了光的利用率，但是波段拓宽能力极为有限。中国专利文献CN 1941422A公开了一种具有布拉格反射器的n/p型高抗辐射GaAs太阳电池，在缓冲层与一基区制作一层布拉格反射器结构，该布拉格反射器使用7个周期的铝镓砷/镓砷材料，共生长约0.9μm厚，能对光子进行重新吸收而产生新的电子空穴对，增加转化效率，但是仅使用这种布拉格反射层对低能级的光子不能反射，全部被衬底吸收，增大了工作温度，减少了太阳能电池的寿命。该发明采用了单层DBR结构，采用了铝镓砷/镓砷的反射层，但是吸收能力有限。
综上，现有的单晶、多晶硅、有机物太阳能电池转化效率不高，而使用Ge衬底生长GaAs单结太阳能电池，但在GaAs/Ge太阳能电池结构材料的生长中,Ge、GaAs单晶材料在晶格常数和热膨胀系数方面还存在一定差异,这些差异在太阳能电池结构材料的生长中会导致各种缺陷的产生,严重影响了太阳能电池的性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法。
术语说明：
DBR：分布式布拉格反射镜，Distributed Brag Reflector。也称布拉格反射层。
MOCVD：金属有机化学气相沉积，MOCVD法是半导体化合物生长的常规技术。
TMGa：中文名为三甲基镓，分子式为Ga(CH3)3。
TMAl：中文名为三甲基铝，分子式为[(CH3)3Al]2。
载流子浓度：掺杂半导体中单位体积内的电子或空穴数。单位1E18cm-3含义是每立方厘米中含有1*1018个原子。
本发明的技术方案如下：
一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，包括采用MOCVD法制得外延结构，该太阳能电池的外延结构依次包括Ge衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAs DBR，AlInP/AlGaInP DBR，AlGaAs背场层，GaAs n-基层，GaAs发射层，AlGaAs窗口层，GaAs电极接触层；其中，AlGaAs/AlAsDBR依次是可反射600nm、650nm、700nm三个波段光谱的反射层构成的复合结构。
本发明含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，使用Ge衬底作为衬底，采用MOCVD法依次生长缓冲层、AlGaAs/AlAs DBR、AlInP/AlGaInP DBR，背场层，n-基层，发射层，窗口层，电极接触层，完成一个完整的单层太阳能结构。
其中，GaAs缓冲层用于和原衬底实现完美的晶格匹配，避免衬底表面与新生长材料带来的缺陷与位错，并为下一步生长提供了新鲜的界面；AlGaAs/AlAs DBR、AlInP/AlGaInP DBR组成复合布拉格反射层，作用是能对所有能态的光子进行重新吸收而产生新的电子空穴对，扩大光谱吸收范围，增加转化效率；背场层因为其禁带宽度比较高，能降低背面的电子复合，起到阻止电子流失的作用；n-基层则为电子聚集提供了场所；发射层为空穴聚集提供了场所；而窗口层，因为其禁带宽度最高，所以能起到钝化表面，降低非辐射复合，为空穴能在发射层聚集起到阻止作用；位于最上层的电极接触层，则是起到接通电极的作用。
根据本发明，优选的，Ge衬底厚度为150~200μm；
根据本发明，优选的，GaAs缓冲层厚度为0.3~1.5μm，载流子浓度为1E18cm-3～6E19cm-3；
根据本发明，优选的，AlGaAs/AlAs DBR依次是反射600nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAs DBR、反射650nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAs DBR、反射700nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为1E18cm-3～9E18cm-3；
上述反射600nm、650nm、700nm三个波段光的三种反射层的厚度分别是0.2~0.3μm、0.2~0.3μm、0.2~0.4μm，AlGaAs/AlAs DBR总厚度0.6~1.0μm。
AlInP/AlGaInP DBR厚度为0.2~0.4μm，用来反射低能态的光子，提高转化效率，载流子浓度为2E18cm-3～1E19cm-3；
AlGaAs背场层厚度为0.1~0.5μm，载流子浓度1E18cm-3～4E19cm-3；
GaAs n-基层厚度为2~5μm，载流子浓度为1E17cm-3～5E18cm-3；
GaAs发射层厚度为0.05~0.5μm，载流子浓度为1E18cm-3～8E19cm-3；
AlGaAs窗口层厚度为20～100nm，载流子浓度为1E18cm-3～2E19cm-3；
GaAs电极接触层厚度为0.2~1μm，载流子浓度8E18cm-3～5E19cm-3。
根据本发明，一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池的制备方法，包括采用MOCVD法制备外延结构，包括以下步骤：
1、将Ge衬底放入反应室，在350-600℃的温度范围内生长一层0.3~1.5μm厚的GaAs材料的缓冲层，载流子浓度为1E18cm-3～6E19cm-3；
2、在缓冲层上面于400~750℃的温度先生长复合结构的AlGaAs/AlAs DBR：首先生长反射600nm光谱的5-10对AlGaAs/AlAs DBR，然后调整生长厚度生长反射650nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAsDBR，再调整生长厚度生长反射700nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAs DBR用来反射大部分的光子，其载流子浓度为1E18cm-3～9E18cm-3；反射600nm、650nm、700nm三个波段光谱的反射层生长厚度分别是0.2~0.3μm、0.2~0.3μm、0.2~0.4μm。
3、在生长好的AlGaAs/AlAs DBR上面再次生长2~5对AlInP/AlGaInP作为第二布拉格反射层，厚度0.2~0.4μm，用来反射低能态的光子，提高转化效率，载流子浓度为2E18cm-3～1E19cm-3；
4、在500-800℃的温度范围内，继续生长一层0.1~0.5μm厚的AlGaAs材料作为背场层，载流子浓度1E18cm-3～4E19cm-3；
5、继续在背场层上生长，在500-700℃范围内，生长一层n-基层，n-基层的材料是GaAs，厚度在2~5μm，其载流子浓度为1E17cm-3～5E18cm-3；
6、在550-800℃的温度条件下，继续生长一层发射层，发射层材料是GaAs，厚度在0.05~0.5μm，其载流子浓度为1E18cm-3～8E19cm-3；
7、在500-700℃的条件下，在发射层上面继续生长一层窗口层，窗口层材料为AlGaAs，厚度为20～100nm，载流子浓度为1E18cm-3～2E19cm-3；
8、最上面一层，在温度500-800℃范围内生长电极接触层，电极接触层材料为GaAs，厚度为0.2~1μm，载流子浓度8E18cm-3~5E19cm-3。
根据本发明，利用MOCVD生长Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池的工艺条件如下：
反应室压力：50~200mbar，
生长温度：350~800℃，
背景H2流量：15000－30000sccm，
有机金属源TMAl，温度：10~28℃，有机金属源优选为99.9999%的高纯TMAl；
有机金属源TMGa，温度：-5~10℃，有机金属源优选为99.9999%的高纯TMGa；
砷烷：AsH3气体是为99.9995%的高纯AsH3，
载气：99.999%的高纯氢气经纯化器纯化为99.9999%的超高纯氢气。
本发明在Ge衬底上预先生长一层GaAs过渡层,然后生长太阳能电池结构材料,对有效地消除因晶格失配、反相畴等产生的各种缺陷有明显效果。基于单结太阳能电池转化效率的局限性和经济成本核算，本发明人意外地发现将复合布拉格反射层（DBR）引入到单结太阳能结构中，可出人意料地解决使用单个DBR中不能解决的低能级光子吸收问题，使得单结太阳能转化效率提高了30%。
本发明的优良效果：
本发明采用复合DBR代替了传统的单层DBR，此外，本发明不仅使用两套DBR复合结构，且在AlGaAs/AlAs DBR中使用了三个波段的复合结构，效果更为突出。本发明拓宽了GaAs材料吸收光子的反射光谱，使更多被穿透损耗的光子反射回来重新吸收，产生新的电子空穴对，从而提高电池的开路电压和短路电流，增加转化效率；使得单节太阳能转化效率提高了30%，可达到25%，极大地提高了Ge基GaAs单层薄膜太阳能电池转化效率。
附图说明
图1为PN结示意图。
图2为单结GaAs太阳电池结构示意图。
图中，1、P区，2、N区，3、空间电荷区，4、内电场，5、电流方向，6、电极接触层，7、窗口层，8、发射层，9、n-基层，10、背场层，11、AlInP/AlGaInP DBR，12、AlGaAs/AlAs DBR，13、GaAs缓冲层，14、Ge衬底。
具体实施方式：
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例使用MOCVD设备，德国Aixtron厂生产，型号2600G3。
利用MOCVD生长Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池的工艺条件如下：
反应室压力：50~200mbar，
生长温度：350~800℃，
背景H2流量：15000－30000sccm，
有机金属源TMAl温度：10~28℃，有机金属源优选为99.9999%的高纯TMAl，
有机金属源TMGa温度：-5~10℃，有机金属源优选为99.9999%的高纯TMGa，
AsH3气体是为99.9995%的高纯AsH3，
载气优选99.999%的高纯氢气经纯化器纯化为99.9999%的超高纯氢气。
实施例1
一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池的制备方法，采用MOCVD法生长，包括以下步骤：
1、将200μm厚的Ge衬底14放入反应室，在500℃的温度范围内生长一层0.9μm厚的GaAs材料的缓冲层13，载流子浓度需要达到2E19cm-3；
2、在缓冲层上面700℃的温度范围内先生长复合结构的AlGaAs/AlAs的DBR12，首先生长反射600nm光谱的8对AlGaAs/AlAsDBR，然后调整生长厚度反射650nm光谱的5对AlGaAs/AlAsDBR，最后调整生长厚度反射700nm光谱的5对AlGaAs/AlAs DBR用来反射大部分的光子，其载流子浓度到6E18cm-3；复合结构中反射600nm、650nm、700nm三个波段光谱的反射层厚度分别为0.3μm、0.2μm、0.3μm；
3、在已经生长好的AlGaAs/AlAs的DBR上面再次生长2至5对AlInP/AlGaInP的第二层DBR11，约有0.3μm厚，用来反射低能态的光子，提高转化效率，载流子浓度为6E18cm-3；
4、在650℃的温度范围内，生长一层0.3μm厚的AlGaAs材料作为背场层10，载流子浓度2E19cm-3；
5、继续在背场层上生长，在650℃范围内，生长一层比较厚的n-基层9，生长材料是GaAs，厚度在4μm，其载流子浓度为2E18cm-3；
6、在650℃的温度条件下，继续生长一层发射层8，生长材料是GaAs，厚度在0.3μm，其载流子浓度为2E19cm-3；
7、在600℃的条件下，在发射层上面继续生长一层窗口层7，生长材料为AlGaAs，厚度为80nm，载流子浓度为1E19cm-3；
8、最上面一层在温度为700℃环境下生长电极接触层6，材料为GaAs，厚度为0.8μm。
本实施例的单节太阳能电池经过金属蒸镀、光刻电极，并蒸镀TiO2/SiO2双层减反射膜，在AM0,1sun，25℃条件下实现最高光电转换效率24.8%。
实施例2
一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池的制备方法，采用MOCVD法生长，步骤如下：
1、将200μm厚的Ge衬底14放入反应室，在500℃的温度范围内生长一层0.9μm厚的GaAs材料的缓冲层13，载流子浓度需要达到2E19cm-3；
2、在缓冲层上面650℃的温度范围内先生长AlGaAs/AlAs的DBR12，首先生长反射630nm光谱的7对AlGaAs/AlAsDBR，然后调整生长厚度反射700nm光谱的7对AlGaAs/AlAs DBR，最后调整生长厚度反射770nm光谱的5对AlGaAs/AlAs DBR用来反射大部分的光子，其载流子浓度为5E18cm-3，复合结构中反射600nm、650nm、700nm三个波段光谱的反射层厚度分别为0.3μm、0.2μm、0.3μm。
3、在已经生长好的AlGaAs/AlAs的DBR上面再次生长2至5对AlInP/AlGaInP的第二层DBR11，约有0.3μm厚，用来反射低能态的光子，提高转化效率，载流子浓度为6E18cm-3；
4、在650℃的温度范围内，生长一层0.3μm厚的AlGaAs材料作为背场层10，载流子浓度2E19cm-3；
5、继续在背场层上生长，在650℃范围内，生长一层比较厚的n-基层9，生长材料是GaAs，厚度在4μm，其载流子浓度为2E18cm-3；
6、在650℃的温度条件下，继续生长一层发射层8，生长材料是GaAs，厚度在0.3μm，其载流子浓度为2E19cm-3；
7、在600℃的条件下，在发射层上面继续生长一层窗口层7，生长材料为AlGaAs，厚度为80nm，载流子浓度为1E19cm-3；
8、最上面一层在温度为700℃环境下生长电极接触层6，材料为GaAs，厚度为0.8μm。
本实施例的单节太阳能电池经过金属蒸镀、光刻电极，并蒸镀TiO2/SiO2双层减反射膜，在AM0,1sun，25℃条件下实现最高光电转换效率25%，比普通单节太阳电池提高约30%。

Claims (10)

1.一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，包括采用MOCVD法制得外延结构，该太阳能电池的外延结构依次包括Ge衬底、GaAs缓冲层，AlGaAs/AlAs DBR，AlInP/AlGaInP DBR，AlGaAs背场层，GaAs n-基层，GaAs发射层，AlGaAs窗口层，GaAs电极接触层；其中，AlGaAs/AlAsDBR依次是可反射600nm、650nm、700nm三个波段光谱的反射层构成的复合结构。
2.如权利要求1所述的含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，其特征在于Ge衬底厚度为150~200μm。
3.如权利要求1所述的含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，其特征在于GaAs缓冲层厚度为0.3~1.5μm，载流子浓度为1E18cm-3～6E19cm-3。
4.如权利要求1所述的含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，其特征在于AlGaAs/AlAs DBR依次是反射600nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAs DBR、反射650nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAs DBR、反射700nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAs DBR，载流子浓度为1E18cm-3～9E18cm-3。
5.如权利要求4所述的含复合DBR的Ge基单结太阳能电池，，其特征在于反射600nm、650nm、700nm三个波段光的三种反射层的厚度分别是0.2~0.3μm、0.2~0.3μm、0.2~0.4μm。
6.如权利要求1所述的含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，其特征在于AlInP/AlGaInP DBR厚度为0.2~0.4μm，载流子浓度为2E18cm-3～1E19cm-3。
7.如权利要求1所述的含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，其特征在于AlGaAs背场层厚度为0.1~0.5μm，载流子浓度1E18cm-3～4E19cm-3。
8.如权利要求1所述的含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，其特征在于GaAsn-基层厚度为2~5μm，载流子浓度为1E17cm-3～5E18cm-3；GaAs发射层厚度为0.05~0.5μm，载流子浓度为1E18cm-3～8E19cm-3。
9.如权利要求1所述的含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池，其特征在于AlGaAs窗口层厚度为20~100nm，载流子浓度为1E18cm-3～2E19cm-3；GaAs电极接触层厚度为0.2~1μm，载流子浓度8E18cm-3~5E19cm-3。
10.一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池的制备方法，包括采用MOCVD法制备外延结构，包括以下步骤：
（1）将Ge衬底放入反应室，在350-600℃的温度范围内生长一层0.3~1.5μm厚的GaAs材料的缓冲层，载流子浓度为1E18cm-3～6E19cm-3；
（2）在缓冲层上面于400~750℃的温度先生长复合结构AlGaAs/AlAs DBR：首先生长反射600nm光谱的5-10对AlGaAs/AlAs DBR，然后调整生长厚度生长反射650nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAsDBR，再调整生长厚度生长反射700nm光谱的5~10对AlGaAs/AlAs DBR用来反射大部分的光子，其载流子浓度为1E18cm-3～9E18cm-3；复合结构中反射600nm、650nm、700nm三个波段光谱的反射层厚度分别是0.2~0.3μm、0.2~0.3μm、0.2~0.4μm；
（3）在生长好的AlGaAs/AlAs DBR上面再次生长2~5对Al InP/AlGaInP作为第二布拉格反射层，厚度0.2~0.4μm，用来反射低能态的光子，提高转化效率，载流子浓度为2E18cm-3～1E19cm-3；
（4）在500-800℃的温度范围内，继续生长一层0.1~0.5μm厚的AlGaAs材料作为背场层，载流子浓度1E18cm-3～4E19cm-3；
（5）继续在背场层上生长，在500-700℃范围内，生长一层n-基层，n-基层的材料是GaAs，厚度在2~5μm，其载流子浓度为1E17cm-3～5E18cm-3；
（6）在550-800℃的温度条件下，继续生长一层发射层，发射层材料是GaAs，厚度在0.05~0.5μm，其载流子浓度为1E18cm-3～8E19cm-3；
（7）在500-700℃的条件下，在发射层上面继续生长一层窗口层，窗口层材料为AlGaAs，厚度为20~100nm，载流子浓度为1E18cm-3～2E19cm-3；
（8）最上面一层，在温度500-800℃范围内生长电极接触层，电极接触层材料为GaAs，厚度为0.2~1μm，载流子浓度8E18cm-3~5E19cm-3。
CN201210218156.8A 2012-06-28 2012-06-28 一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法 Active CN103515462B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210218156.8A CN103515462B (zh) 2012-06-28 2012-06-28 一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210218156.8A CN103515462B (zh) 2012-06-28 2012-06-28 一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103515462A true CN103515462A (zh) 2014-01-15
CN103515462B CN103515462B (zh) 2015-12-09

Family

ID=49897869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210218156.8A Active CN103515462B (zh) 2012-06-28 2012-06-28 一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103515462B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105938855A (zh) * 2016-06-27 2016-09-14 山东浪潮华光光电子股份有限公司 一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构及其制备方法
CN106024925A (zh) * 2016-07-21 2016-10-12 江西德义半导体科技有限公司 一种砷化镓低倍聚光太阳能电池
CN106206824A (zh) * 2016-09-05 2016-12-07 上海空间电源研究所 一种含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池
CN107221574A (zh) * 2017-07-19 2017-09-29 中山德华芯片技术有限公司 应用于多结太阳能电池的复合dbr结构及其制备方法
WO2017185777A1 (zh) * 2016-04-29 2017-11-02 厦门市三安光电科技有限公司 一种AlGaInP发光二极管
CN110557082A (zh) * 2019-09-20 2019-12-10 深圳市拓日新能源科技股份有限公司 便携式太阳能充电装置
CN112103356A (zh) * 2020-11-09 2020-12-18 南昌凯迅光电有限公司 一种高效三结砷化镓太阳电池及制作方法
CN113258004A (zh) * 2021-04-16 2021-08-13 杭州电子科技大学 基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池及制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101388419A (zh) * 2008-10-27 2009-03-18 厦门乾照光电有限公司 具有反射层的三结太阳电池及其制造方法
CN101859807A (zh) * 2010-06-02 2010-10-13 华中科技大学 一种GaAs单结太阳能电池
CN102054884A (zh) * 2009-11-10 2011-05-11 上海空间电源研究所 空间用GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池阵
CN102280548A (zh) * 2011-09-05 2011-12-14 厦门乾照光电股份有限公司 发光二极管结构及其制造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101388419A (zh) * 2008-10-27 2009-03-18 厦门乾照光电有限公司 具有反射层的三结太阳电池及其制造方法
CN102054884A (zh) * 2009-11-10 2011-05-11 上海空间电源研究所 空间用GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池阵
CN101859807A (zh) * 2010-06-02 2010-10-13 华中科技大学 一种GaAs单结太阳能电池
CN102280548A (zh) * 2011-09-05 2011-12-14 厦门乾照光电股份有限公司 发光二极管结构及其制造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
向贤碧 等: ""Ⅲ-Ⅴ族太阳电池的研究和应用"", 《阳光能源》 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017185777A1 (zh) * 2016-04-29 2017-11-02 厦门市三安光电科技有限公司 一种AlGaInP发光二极管
CN105938855B (zh) * 2016-06-27 2017-05-10 山东浪潮华光光电子股份有限公司 一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构及其制备方法
CN105938855A (zh) * 2016-06-27 2016-09-14 山东浪潮华光光电子股份有限公司 一种蓝宝石衬底单结太阳能电池结构及其制备方法
CN106024925B (zh) * 2016-07-21 2018-04-13 江西德义半导体科技有限公司 一种砷化镓低倍聚光太阳能电池
CN106024925A (zh) * 2016-07-21 2016-10-12 江西德义半导体科技有限公司 一种砷化镓低倍聚光太阳能电池
CN106206824A (zh) * 2016-09-05 2016-12-07 上海空间电源研究所 一种含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池
CN106206824B (zh) * 2016-09-05 2018-09-04 上海空间电源研究所 一种含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池
CN107221574A (zh) * 2017-07-19 2017-09-29 中山德华芯片技术有限公司 应用于多结太阳能电池的复合dbr结构及其制备方法
CN107221574B (zh) * 2017-07-19 2023-04-18 中山德华芯片技术有限公司 应用于多结太阳能电池的复合dbr结构及其制备方法
CN110557082A (zh) * 2019-09-20 2019-12-10 深圳市拓日新能源科技股份有限公司 便携式太阳能充电装置
CN112103356A (zh) * 2020-11-09 2020-12-18 南昌凯迅光电有限公司 一种高效三结砷化镓太阳电池及制作方法
CN112103356B (zh) * 2020-11-09 2021-03-02 南昌凯迅光电有限公司 一种高效三结砷化镓太阳电池及制作方法
CN113258004A (zh) * 2021-04-16 2021-08-13 杭州电子科技大学 基于分布布拉格反射器的半透明太阳能电池及制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103515462B (zh) 2015-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103515462B (zh) 一种含复合DBR的Ge基GaAs薄膜单结太阳能电池及其制备方法
US6300557B1 (en) Low-bandgap double-heterostructure InAsP/GaInAs photovoltaic converters
AU2007254673B2 (en) Nanowall solar cells and optoelectronic devices
US4547622A (en) Solar cells and photodetectors
WO2010080672A2 (en) Multi-junction pv module
CN101950774A (zh) 四结GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs太阳电池的制作方法
CN105826420A (zh) 一种具有反射层的双面生长四结太阳能电池及其制备方法
CN105355680B (zh) 一种晶格匹配的六结太阳能电池
CN210535681U (zh) 一种晶格失配的五结太阳能电池
CN109148621B (zh) 一种双面生长的高效六结太阳能电池及其制备方法
CN210668401U (zh) 一种硅基叠层双面太阳电池
CN102790119B (zh) GaInP/GaAs/Ge/Ge四结太阳能电池及其制备方法
CN110931593A (zh) 一种晶格匹配的硅基无砷化合物四结太阳电池
CN209045576U (zh) 一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型dbr结构
CN103489952B (zh) 一种SiC衬底单节太阳能电池外延结构及其制备方法
CN105355668A (zh) 一种具有非晶态缓冲层结构的In0.3Ga0.7As电池及制备方法
CN106611803B (zh) 一种太阳能电池片、其制备方法及其组成的太阳能电池组
CN210272400U (zh) 一种含有多层dbr结构的太阳能电池
CN109103278B (zh) 一种无铝的高效六结太阳能电池及其制备方法
CN105938856A (zh) 一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构及其制备方法
CN110137298B (zh) GaAs基多结太阳电池的Ge/Si异质结底电池制备方法
CN102054884A (zh) 空间用GaAs/Ge单结砷化镓太阳电池阵
CN106374001A (zh) 具有锥形背散射层的GaAs薄膜太阳电池及其制备方法
CN205790002U (zh) 一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构
Lee et al. New generation multijunction solar cells for achieving high efficiencies

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20200923

Address after: Songling town (bacha) Economic Development Zone, Wujiang City, Suzhou City, 215200 Jiangsu Province

Patentee after: SUZHOU SHENGXIN OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 261061 No. 9, Golden Road, hi tech Zone, Shandong, Weifang

Patentee before: SHANDONG INSPUR HUAGUANG OPTOELECTRONICS Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right