CN105097977B - 多结太阳能电池外延结构 - Google Patents
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Abstract
公开一种多结太阳能电池外延结构，包括第一子电池、第二子电池和第三子电池，在第二子电池和第三子电池之间设置有反射渐变层；反射渐变层包括多组分布式布拉格反射层，在每组分布式布拉格反射层内部，材料的晶格常数不变；从第二子电池到第三子电池，各组分布式布拉格反射层的晶格常数逐渐变化，使得最靠近第二子电池的一组分布式布拉格反射层的晶格常数接近第二子电池的晶格常数，最靠近第三子电池的一组分布式布拉格反射层的晶格常数接近第三子电池的晶格常数；整个反射渐变层材料的禁带宽度都不小于第二子电池基区的禁带宽度。根据本发明的多结太阳能电池外延结构，在提高电池的光电转换效率的同时，能够减小电池的厚度，降低电池制造成本。
Description
技术领域
本发明属于化合物半导体薄膜太阳能电池的外延生长领域，具体涉及一种多结太阳能电池外延结构。
背景技术
III-V族化合物半导体多结太阳能电池是转换效率最高的一种太阳能电池，同时具有耐高温性能强、抗辐射能力强、轻薄、温度特性好等优点。近年来，随着聚光光伏技术的发展和移动能源应用的发展，GaAs及相关化合物III-V族太阳能电池因其高光电转换效率而越来越受到关注。同时，配合优异的衬底剥离技术，实现衬底的多次重复利用，能够进一步降低GaAs及相关化合物III-V族太阳能电池芯片的成本，同时减轻电池芯片重量。因此基于III-V族化合物半导体多结太阳能电池的光伏发电技术具有非常广泛的市场发展前景。
对于本领域技术人员而言，GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池是目前转换效率最高的III-V族化合物半导体三结太阳能电池。该类型太阳能电池的优点是各个子电池的带隙宽度和电流都基本匹配。目前，GaInP/GaAs/InGaAs三结薄膜电池在AM1.5G下的最高转换效率已达37.9％。
图2显示一种传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构的示意图。如图2所示，该传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构依次包括：
GaAs衬底101’；
生长在GaAs衬底101’上的GaAs缓冲层102’；
生长在GaAs缓冲层102’上的AlGaAs腐蚀剥离层a’(或标示为103’)；
生长在AlGaAs腐蚀剥离层a’上的欧姆接触层104’；
生长在欧姆接触层104’上的GaInP子电池b’，该GaInP子电池b’依次包括窗口层105’、发射区106’、基区107’和背场区108’；
生长在GaInP子电池b’上的第一隧穿结c’，该第一隧穿结c’依次包括AlGaAs层109’和GaInP层110’；
生长在第一隧穿结c’上的GaAs子电池d’，该GaAs子电池d’依次包括窗口层111’、发射区112’、基区113’和背场区114’；
生长在GaAs子电池d’上的第二隧穿结f’，该第二隧穿结f’依次包括AlGaAs层115’和GaInP层116’；
生长在第二隧穿结f’上的N型掺杂AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs，AlGaInAsP等材料构成的晶格过渡层e’(或标示为117’)；
生长在晶格过渡层e’上的InGaAs子电池g’；和生长在InGaAs子电池g’上的InGaAs接触层122’。
然而，这种传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的生长有一个问题。为了实现带隙宽度和电流的匹配，InGaAs子电池必须在晶格失配的条件下生长。为了在晶格失配的情况下生长低位错密度InGaAs材料，通常需要生长厚度达数微米的晶格过渡层来减小外延层的位错密度，这不但提高了电池的制造成本，同时也增加了电池的重量，限制了电池的应用环境。因此，如何在改善三结电池效率的情况下，进一步减轻电池重量，降低电池制造成本，成为了改善GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的一个极为重要的方面。
发明内容
本发明的目的旨在进一步提高多结太阳能电池的光电转换效率和/或降低制造成本。
根据本发明的一个方面，提供一种多结太阳能电池外延结构，包括：包括层叠布置的第一子电池、第二子电池和第三子电池，其中，
第一子电池和第二子电池具有一致的晶格常数，第二子电池和第三子电池具有不同的晶格常数，
在第二子电池和第三子电池之间设置有反射渐变层，所述反射渐变层构造用于对透过第二子电池基区的光谱进行反射；并且
所述反射渐变层包括层叠布置的多组分布式布拉格反射层，其中，在每组分布式布拉格反射层内部，材料的晶格常数不变；从第二子电池到第三子电池，各组分布式布拉格反射层的晶格常数逐渐变化，使得最靠近第二子电池的一组分布式布拉格反射层的晶格常数接近第二子电池的晶格常数，而最靠近第三子电池的一组分布式布拉格反射层的晶格常数接近第三子电池的晶格常数；且整个反射渐变层材料的禁带宽度都不小于第二子电池基区的禁带宽度。
根据本发明的一个实施例，所述的多结太阳能电池外延结构还包括至少一个另外的子电池。
根据本发明的一个实施例，第一子电池为GaInP子电池，第二子电池为GaAs子电池，第三子电池为InGaAs子电池；且每组分布式布拉格反射层由Al1-yInyAs和AlxGa1-x-yInyAs的周期性多层结构构成，且同一组分布式布拉格反射层内，In的组分比例值y为定值；不同组的分布式布拉格反射层之间，y逐渐变化以使得各组分布式布拉格反射层的晶格常数从第二子电池到第三子电池逐渐增加，且Al的组分比例值x变化以使得各组分布式布拉格反射层中所有材料的禁带宽度Eg都不小于GaAs子电池基区的禁带宽度。
根据本发明的一个实施例，在所述反射渐变层中，各层Al1-yInyAs的厚度相同，各层AlxGa1-x-yInyAs的厚度也相同，且各层Al1-yInyAs的厚度等于各层AlxGa1-x-yInyAs的厚度，且每层Al1-yInyAs或每层AlxGa1-x-yInyAs的厚度根据GaAs子电池的吸收截止波段确定。
根据本发明的一个实施例，在第二子电池上设置所述反射渐变层；且在所述反射渐变层和第三子电池之间设置第二隧穿结。
根据本发明的一个实施例，第一子电池和第二子电池之间设置有第一隧穿结。
根据本发明的一个实施例，所述的多结太阳能电池外延结构，还包括：GaAs衬底；在GaAs衬底上的一层GaAs缓冲层；在GaAs缓冲层上的腐蚀剥离层；在腐蚀剥离层上的GaAs欧姆接触层；其中，所述第一子电池形成在所述欧姆接触层上。
根据本发明的一个实施例，所述的多结太阳能电池外延结构，还包括：在所述第三子电池上形成的InGaAs接触层。
根据本发明的多结太阳能电池外延结构，与传统技术相比，在多结太阳能电池的两个子电池之间，采用反射渐变层代替传统的晶格过渡层材料，在提高电池的光电转换效率的同时，能够减小电池的厚度，减轻电池的重量，整体降低电池的制造成本。
附图说明
图1显示根据本发明的一个实例性实施例的三结太阳能电池结构的示意图；和
图2显示一种传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
以下参照图1说明根据本发明的一个实例性实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池结构的示意图。如图1所示，GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构，包括：
GaAs衬底101；
在GaAs衬底上的一层GaAs缓冲层102；
在GaAs缓冲层上的腐蚀剥离层103或(a)，所述腐蚀剥离层可由在GaAs缓冲层上外延生长的AlxGa1-xAs形成，其中0.7≤x≤1；
在所述AlxGa1-xAs腐蚀剥离层上的一层N型掺杂GaAs欧姆接触层104；
在GaAs欧姆接触层上的GaInP第一子电池(b)；
在第一子电池上的第一隧穿结(c)；
在第一隧穿结上的GaAs第二子电池(d)；
在第二子电池上的反射渐变层(e)，由多组分布式布拉格反射层构成；
在反射渐变层上的第二隧穿结(f)；
在第二隧穿结上的InGaAs第三子电池(g)；和
在第三子电池上的P型掺杂InGaAs接触层122。
具体地，所述第一子电池(b)可包括：
生长在欧姆接触层104上的N型掺杂AlInP第一窗口层105；
生长在第一窗口层105上的N型掺杂GaInP第一发射区106；
生长在第一发射区106上的P型掺杂GaInP第一基区107；和
生长在第一基区107上的P型掺杂AlGaInP第一背场区108。
所述第一隧穿结(c)可包括：
生长在第一背场区108上的第一P型高掺杂AlGaAs层109；和
生长在第一P型高掺杂AlGaAs层109上的第一N型高掺杂GaInP层110。
所述第二子电池(d)可包括：
生长在第一N型高掺杂GaInP层110上的N型掺杂GaInP第二窗口层111；
生长在第二窗口层111上的N型掺杂GaAs第二发射区112；
生长在第二发射区112上的P型掺杂GaAs第二基区113；和
生长在第二基区113上的P型掺杂AlGaAs第二背场区114。
根据上述实施例，反射渐变层(e)为由多组分布式布拉格反射层构成，每组分布式布拉格反射层(DBR)由Al1-yInyAs和AlxGa1-x-yInyAs的周期性多层结构构成，组内In的组分比例值y为定值，各组分布式布拉格反射层(DBR)之间，所有材料单层厚度都相同，每层的厚度由GaAs子电池吸收截止波段决定，通过改变In组分比例y实现各组DBR的晶格常数沿外延生长方向从底面向顶面逐步增加，按长度计从0.567nm增加至0.579nm。同时调节Ga的组分比例值x实现各组DBR层所有材料的禁带宽度Eg都不小于GaAs第二子电池基区的禁带宽度；
所述第二隧穿结(f)可包括：
生长在反射渐变层(e)上的第二P型高掺杂AlGaAs层116；和
生长在第二P型高掺杂AlGaAs层116上的第二N型高掺杂GaInP层117。
所述第三子电池(g)可包括：
生长在第二N型高掺杂GaInP层117上的N型掺杂AlGaInAs第三窗口层118；
生长在第三窗口层118上的N型掺杂InGaAs第三发射区119；
生长在第三发射区119上的P型掺杂InGaAs第三基区120；和
生长在第三基区120上的P型掺杂AlGaInAs第三背场区121。
根据本发明的上述实施例，提供一种新型的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构。该GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构中，在GaAs子电池和InGaAs子电池之间，采用反射渐变层代替传统晶格过渡层材料，通过对GaAs第二子电池吸收波段的反射作用，有效的减小GaAs第二子电池的吸收层厚度，有效提高了电池转换效率，同时减轻三结电池的重量，整体降低三结电池的制造成本。
以下说明图1所示的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构的制造方法。图1所示的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构可以采用一种气相外延生长技术来制造，例如采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)方法生长而成。具体地，上述GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构的制备过程如下：
(1)提供一个GaAs衬底101；
(2)在GaAs衬底101上生长GaAs缓冲层102；
(3)在GaAs缓冲层102上生长AlxGa1-xAs腐蚀剥离层103(在图1中也标示成a)，其中0.7≤x≤1；
(4)在AlGaAs剥离腐蚀层103上生长N型掺杂GaAs接触层104，用于形成欧姆接触；
(5)在N型掺杂GaAs接触层104上生长N型掺杂AlInP窗口层105；
(6)在N型掺杂AlInP窗口层105上生长N型掺杂GaInP发射区106；
(7)在N型掺杂GaInP发射区106上生长P型掺杂GaInP基区107；
(8)在P型掺杂GaInP基区107上生长P型掺杂AlGaInP背场区108；
(9)在P型掺杂AlGaInP背场区108上生长P型高掺杂AlGaAs层109；
(10)在P型高掺杂AlGaAs层109上生长N型高掺杂的GaInP层110；
(11)在N型高掺杂的GaInP层110上生长N型掺杂GaInP窗口层111；
(12)在N型掺杂GaInP窗口层111上生长N型掺杂GaAs发射区112；
(13)在N型掺杂GaAs发射区112上生长P型掺杂GaAs基区113，该基区113厚度的例如为2000nm左右，而图2的传统电池GaAs基区113’厚度的例如为3000nm左右；因此，由于图1的反射渐变层的厚度等于图2的晶格过渡层的厚度，本发明实施例的电池的总体厚度可减小1000nm。
(14)在P型掺杂GaAs基区113上生长P型掺杂AlGaAs背场区114；
(15)在P型掺杂AlGaAs背场区114上生长P型掺杂的反射渐变层115，反射渐变层为由多组分布式布拉格反射层构成，每组分布式布拉格反射层(DBR)由Al1-yInyAs和AlxGa1-x- yInyAs组成，DBR内每层的厚度由GaAs子电池吸收截止波段决定，且每组分布式布拉格反射层的晶格常数为常数，其In的组分比例值y为定值。取一个优选值Al1-yInyAs和AlxGa1-x- yInyAs的各层厚度都为213nm，共有10组分布式布拉格层；各组分布式布拉格反射层(DBR)之间，通过增加In组分比例y实现各组DBR的晶格常数沿外延生长方向从底面向顶面逐步增加，按长度计从0.567nm增加至0.579nm，使多组布拉格反射层晶格常数同时满足第三子电池和第二子电池的晶格渐变要求，另外，在保证各组DBR层所有材料的禁带宽度Eg都不小于GaAs第二子电池基区的禁带宽度的条件下，Ga的组分比例值x取最大值，使各层折射率差值最大，提高反射效率。
(16)在反射渐变层115上生长P型高掺杂AlGaAs层116；
(17)在P型高掺杂AlGaAs层116上生长N型高掺杂GaInP层117；
(18)在N型高掺杂GaInP层117上生长N型掺杂AlGaInAs窗口层118；
(19)在N型掺杂AlGaInAs窗口层118上生长N型掺杂InGaAs发射区119；
(20)在N型掺杂InGaAs发射区119上生长P型掺杂InGaAs基区120；
(21)在P型掺杂InGaAs基区120上生长P型掺杂AlGaInAs背场区121；和
(21)在P型掺杂AlGaInAs背场区121上生长P型掺杂InGaAs接触层122。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，N型掺杂AlInP窗口层105、N型掺杂GaInP发射区106、P型掺杂GaInP基区107和P型掺杂AlGaInP背场区108一同构成GaInP第一子电池b。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，N型掺杂GaInP窗口层111、N型掺杂GaAs发射区112、P型掺杂GaAs基区113和P型掺杂AlGaAs背场区114一同构成GaAs第二子电池d。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，N型掺杂AlGaInAs窗口层118、N型掺杂InGaAs发射区119、P型掺杂InGaAs基区120和P型掺杂AlGaInAs背场区121一同构成InGaAs第三子电池g。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，P型高掺杂AlGaAs层109和N型高掺杂GaInP层110一同构成第一隧穿结c。
在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构中，P型高掺杂AlGaAs层116和N型高掺杂GaInP层117一同构成第二隧穿结f。
在图1所示的本发明的实施例中，先在GaAs第二子电池d上生长反射渐变层e，然后在反射渐变层e上生长第二隧穿结f。
而在图2所示的传统技术中，先在GaAs第二子电池d’上生长第二隧穿结f’，然后在第二隧穿结f’上生长AlGaInAs晶格过渡层e’。
图1所示的本发明的三结太阳能电池外延结构与图2所示的传统的三结太阳能电池外延结构相比，本发明采用反射渐变层115代替传统的AlGaInAs晶格过渡层117’，通过反射渐变层115对透过第二子电池基区113的光谱的反射作用，能够提高第二子电池基区113对光谱的吸收率，因此，可以提高第二子电池的光电转换效率；另一方面，在同样的光电转换效率下，可以减小第二子电池基区113的厚度，从而减轻三结电池的重量，整体降低三结电池的制造成本。
虽然在上述实施例中，以GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池为例说明了本发明的构思。但是，本领域技术人员应当理解，在其它实施例中，第一子电池可不限于GaInP子电池，第二子电池可不限于GaAs子电池，第三子电池也可不限于InGaAs子电池；另外，子电池的个数也不限于三个，还可以包括其它更多的子电池；并且，各个子电池和隧穿结的具体结构也不受限制。总的来说，只要满足下述条件，本发明的发明构思适用于任意的多结太阳能电池外延结构，所述条件为：
在多结太阳能电池外延结构中，包括晶格常数不同的两个子电池，该两个子电池晶格常数不同，在两个子电池(称为第一子电池和第二子电池)之间设置反射渐变层，反射渐变层构造用用于对透过第一子电池基区的光谱进行反射，其中，所述反射渐变层包括层叠布置的多组分布式布拉格反射层；每组分布式布拉格反射层内部，材料的晶格常数不变；从第一子电池到第二子电池，各组分布式布拉格反射层的晶格常数逐渐变化，使得最靠近第一子电池的一组分布式布拉格反射层的晶格常数接近第一子电池的晶格常数，而最靠近第二子电池的一组分布式布拉格反射层的晶格常数接近第二子电池的晶格常数；且整个反射渐变层材料的禁带宽度都不小于第一子电池基区的禁带宽度。
当满足上述条件时，反射渐变层不仅可以起到传统的分布式布拉格反射层的反射作用，而且能够起到晶格过渡层的作用，因此，能够有效提升第一子电池吸收波段光谱的反射率，从而减薄第一子电池的基区厚度，这不但能降低暗电流，提高开路电压，提高多结电池的转换效率，而且能减轻多结太阳能电池的重量，降低整个太阳能电池的制造成本。
因此，本发明不限于描述的实施例。对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本发明的范围。
Claims (7)
1.一种多结太阳能电池外延结构，包括层叠布置的第一子电池、第二子电池和第三子电池，其中，
第一子电池和第二子电池具有一致的晶格常数，第二子电池和第三子电池具有不同的晶格常数，
在第二子电池和第三子电池之间设置有反射渐变层，所述反射渐变层构造用于对透过第二子电池基区的光谱进行反射；并且
所述反射渐变层包括层叠布置的多组分布式布拉格反射层，其中，在每组分布式布拉格反射层内部，材料的晶格常数不变；从第二子电池到第三子电池，各组分布式布拉格反射层的晶格常数逐渐变化，使得最靠近第二子电池的一组分布式布拉格反射层的晶格常数与第二子电池的晶格常数匹配，而最靠近第三子电池的一组分布式布拉格反射层的晶格常数与第三子电池的晶格常数匹配；且整个反射渐变层材料的禁带宽度都不小于第二子电池基区的禁带宽度；
其中，第一子电池为GaInP子电池，
第二子电池为GaAs子电池,
第三子电池为InGaAs子电池；且
每组分布式布拉格反射层由Al1-yInyAs和AlxGa1-x-yInyAs的周期性多层结构构成，且同一组分布式布拉格反射层内，In的组分比例值y为定值；不同组的分布式布拉格反射层之间，y逐渐变化以使得各组分布式布拉格反射层的晶格常数从第二子电池到第三子电池逐渐增加，且Al的组分比例值x变化以使得各组分布式布拉格反射层中所有材料的禁带宽度Eg都不小于GaAs子电池基区的禁带宽度。
2.根据权利要求1所述的多结太阳能电池外延结构，还包括：
至少一个另外的子电池。
3.根据权利要求1所述的多结太阳能电池外延结构，其中，
在所述反射渐变层中，各层Al1-yInyAs的厚度相同，各层AlxGa1-x-yInyAs的厚度也相同，且各层Al1-yInyAs的厚度等于各层AlxGa1-x-yInyAs的厚度，且
每层Al1-yInyAs或每层AlxGa1-x-yInyAs的厚度根据GaAs子电池的吸收截止波段确定。
4.根据权利要求3所述的多结太阳能电池外延结构，其中，
在第二子电池上设置所述反射渐变层；且
在所述反射渐变层和第三子电池之间设置第二隧穿结。
5.根据权利要求4所述的多结太阳能电池外延结构，其中，
第一子电池和第二子电池之间设置有第一隧穿结。
6.根据权利要求5所述的多结太阳能电池外延结构，还包括：
GaAs衬底；
在GaAs衬底上的一层GaAs缓冲层；
在GaAs缓冲层上的腐蚀剥离层；和
在腐蚀剥离层上的GaAs欧姆接触层；
其中，所述第一子电池形成在所述欧姆接触层上。
7.根据权利要求6所述的多结太阳能电池外延结构，还包括：
在所述第三子电池上形成的InGaAs接触层。
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