CN105280746B - 多结太阳能电池外延结构、多结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多结太阳能电池外延结构，包括：GaAs衬底；在GaAs衬底上的GalnP第一子电池；在GalnP第一子电池上的GaAs第二子电池；和在GaAs第二子电池上的lnGaAs第三子电池，其中，GaAs衬底采用(001)面偏＜100＞方向5～20度的偏角。在具有该偏角的衬底上生长的多结电池材料，可以在获得大禁带宽度(Al)GalnP材料的同时，减小lnGaAs电池应变缓冲层的缺陷密度，从而提高倒装多结太阳能电池的整体性能。另外公开了相应的多结太阳能电池及其制备方法。
Description
技术领域
本发明属于化合物半导体太阳能电池领域，具体涉及一种多结太阳能电池外延结构、多结太阳能电池以及其制备方法。
背景技术
近年来，光伏太阳能电池作为一种重要的可再生能源技术，获得了广泛和深入的发展，正在逐步进入各种商业和应用领域。光电转换效率是太阳能电池的核心技术参数，由III-V族半导体化合物组成的多结太阳能电池是目前光电转换效率最高的光伏电池。尤其是在高倍聚光的情况下，GaInP/GaAs/InGaAs倒装三结太阳能电池的最高效率已经超过了44％。
GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池由禁带宽度依次减小的GaInP顶电池、GaAs中电池和InGaAs底电池组成。其材料制备技术主要为分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，它们都需要使用GaAs作为衬底来进行材料外延生长。由于GaInP顶电池与GaAs晶格匹配，而InGaAs底电池与GaAs的晶格失配度较大，所以在材料生长时，一般采用倒装结构来获得更好的材料质量，也就是先生长晶格匹配的顶电池(GaInP第一子电池)和中电池(GaAs第二子电池)，然后生长晶格递变缓冲层(GaInP或AlGaInAs)和底电池(InGaAs第三子电池)。
在这种三结电池的结构设计中，为了获得最高的光电转换效率，要求GaInP顶电池的禁带宽度达到1.9eV。GaInP材料的禁带宽度，在固定晶格常数的条件下，受到Ga、In原子排列有序度的影响，有序度越弱，禁带宽度越大。通常情况下，GaInP材料的禁带宽度小于1.9eV。只有完全无序的GaInP材料的禁带宽度才能达到结构设计所要求的1.9eV。GaInP材料的有序度与材料生长条件密切相关，包括生长温度、生长速度、V/III比、掺杂源和衬底晶向等等。其中，衬底晶向对获得高质量的低有序度GaInP材料最为关键。研究表明，当GaInP外延表面为(001)面偏向(111)A时，有序度最弱，在合适的生长条件下能获得完全无序的材料；当外延表面为(001)面偏向(111)B时，有序度最强，无法获得完全无序的材料。当外延表面为(001)面偏向＜100＞时，偏角方向介于以上两者之间，也可以通过调节生长条件，获得接近无序的GaInP材料，只是调节窗口比较窄。因此采用(001)面偏(111)A或(001)面偏＜100＞的衬底更有利于提高GaInP顶电池的禁带宽度。
另一方面，在InGaAs底电池的外延生长中，如何调节应变缓冲层以减少InGaAs材料中的缺陷密度，是提高底电池效率的关键。以(001)表面的GaAs衬底为例，在应变缓冲层中，由于[110]和[1-10]方向上的失配位错的滑移速率不同，晶格失配应力的释放是各向异性的，这将引起材料缺陷密度的增加，从而导致底电池效率的降低。剩余应力的各向异性程度，与缓冲层材料的种类、掺杂源、结构设计，以及衬底晶向和材料生长参数有关。对于(001)表面的衬底，(111)A或(111)B偏向都会不同程度地加剧剩余应力的各向异性程度，而＜100＞偏向则有利于减小剩余应力的各向异性程度。
综上，由于GaInP顶电池与InGaAs底电池对衬底晶向的要求不同，因此怎样选取合适的衬底晶向来获得理想的电池效率是一个需要解决的问题。
发明内容
鉴于上述技术背景，本发明的目的旨在解决现有技术中所存在的问题或缺陷的一个方面。
相应地，本发明提供一种多结太阳能电池外延结构，包括：
GaAs衬底；
在GaAs衬底上的GaInP第一子电池；
在GaInP第一子电池上的GaAs第二子电池，和
在GaAs第二子电池上的InGaAs第三子电池，
其特征在于，GaAs衬底采用(001)面偏向＜100＞方向5～20度的偏角。
根据本发明的多结太阳能电池外延结构，由于所使用的GaAs衬底在特定的晶向范围内，即，所述GaAs衬底采用(001)面偏向＜100＞方向5-20度的偏角，在具有该偏角的GaAs衬底上制备GaInP第一子电池、GaAs第二子电池和InGaAs第三子电池，可以在获得大禁带宽度(Al)GaInP材料的同时，减小InGaAs电池应变缓冲层的缺陷密度，因此，能同时克服多结电池材料生长中的GaInP子电池的有序度问题和InGaAs子电池的剩余应力的各向异性问题，从而提高多结太阳能电池的效率和整体性能。
优选地，GaAs衬底的偏角采用(001)面偏向＜100＞方向15度。在这种情况下，可以获得最佳的电池综合性能。
根据一个实施例，所述多结太阳能电池还包括：
在GaAs衬底上的腐蚀截止层或剥离牺牲层；
所述GaInP第一子电池设置在所述腐蚀截止层或剥离牺牲层上；
在GaInP第一子电池上的第一隧穿结；
所述GaAs第二子电池设置在所述第一隧穿结上；
在GaAs第二子电池上的第二隧穿结；
在第二隧穿结上的GaInP或AlGaInAs第一缓冲层；
所述InGaAs第三子电池设置在所述第一缓冲层上；和
在InGaAs第三子电池上的接触层。
根据一个实施例，所述多结太阳能电池还包括：所述多结太阳能电池还包括：
在InGaAs第三子电池和接触层之间的InGaAs第四子电池。
根据一个实施例，所述多结太阳能电池还包括：所述多结太阳能电池还包括：
在InGaAs第三子电池上的第三隧穿结，
在第三隧穿结上的GaInP或AlGaInAs第二缓冲层；和
所述第四子电池设置在GaInP或AlGaInAs第二缓冲层上。
根据一个实施例，所述多结太阳能电池还包括除第一至第四子电池之外的至少一个另外的子电池。
根据本发明的另一方面，提供一种多结太阳能电池，包括：
GaInP第一子电池；
在GaInP第一子电池上的GaAs第二子电池；和
在GaAs第二子电池上的InGaAs第三子电池，
其特征在于，各个子电池的表面晶向为(001)面偏向＜100＞方向5～20度。
优选地，GaAs衬底的偏角采用(001)面偏向＜100＞方向15度。
根据本发明的另一方面，提供一种多结太阳能电池的制备方法，包括步骤：
制备GaAs衬底；
在GaAs衬底上制备GaInP第一子电池；
在GaInP第一子电池上制备GaAs第二子电池；和
在GaAs第二子电池上制备InGaAs第三子电池，
其特征在于，所制备的GaAs衬底的偏角采用(001)面偏向＜100＞方向5～20度，在具有该偏角的GaAs衬底的(001)面上制备GaInP第一子电池。
优选地，GaAs衬底的偏角采用(001)面偏向＜100＞方向15度。
附图说明
图1示出了GaAs半导体晶面的的多面体示意图，图中的虚线示出了衬底表面所采用的偏角。
图2为根据本发明的一个实施例的倒装三结太阳能电池外延结构的示意图。
图3为根据本发明的一个实施例的倒装四结太阳能电池的外延结构示意图。
附图标记列表：
001衬底
002腐蚀截至层或剥离牺牲层
003第一欧姆接触层
004第二欧姆接触层
101第一子电池窗口层
102第一子电池发射区
103第一子电池基区
104第一子电池背场层
201第二子电池窗口层
202第二子电池发射区
203第二子电池基区
204第二子电池背场层
301第三子电池窗口层
302第三子电池发射区
303第三子电池基区
304第三子电池背场层
401第四子电池窗口层
402第四子电池发射区
403第四子电池基区
404第四子电池背场层
601第一隧穿结
602第二隧穿结
603第三隧穿结
701第一晶格渐变缓冲层
702第二晶格渐变缓冲层
具体实施方式
下面将详细描述本发明的示例性实施例，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，对这些实施例进行变化仍可获得本发明的有利效果。
以下以倒装多结太阳能电池为例来说明根据本发明的一个实施例的多结太阳能电池的外延结构。倒装多结太阳能电池是指在衬底上各个子电池的生长顺序与普通正装电池相反，也就是说在衬底上先生长禁带宽度较宽的子电池(例如禁带宽度为1.8～2.2eV的顶电池)，然后在这个宽禁带子电池上生长一个或多个禁带宽度递减的各子电池(例如禁带宽度为1.2～1.6eV的中电池和禁带宽度为0.8～1.2eV的底电池)。这样，先生长与衬底(如GaAs)晶格匹配的材料(如GaInP)，然后生长与衬底晶格失配的材料(如晶格递变缓冲层和InGaAs)。这些半导体材料的晶格常数、及电学和光学性能等由材料的生长技术决定，例如分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等等。
下面结合附图通过示例性实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但是，应当理解的是，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。
实施例1
图1示出了GaAs半导体晶面的多面体示意图。图中标出了各晶面的密勒指数，其中我们把(001)面定义为衬底主表面，而实际生长电池的衬底表面与(001)晶面偏离一定的角度，称为衬底的偏角。图中的虚线示出了衬底表面所采用的偏角。
附图2为根据本发明的一个示例性实施例的倒装三结太阳能电池外延结构示意图。如图2所示，提供一种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构：包括：
GaAs衬底001，采用(001)面偏向＜100＞方向15度的偏角；
形成在GaAs衬底001上的腐蚀截至层或剥离牺牲层002；
形成在腐蚀截至层或剥离牺牲层002上的第一欧姆接触层003；
形成在第一欧姆接触层003上的GaInP第一子电池100；
形成在第一子电池100上的第一隧穿结601；
形成在第一隧穿结601上的GaAs第二子电池200；
形成在第二子电池200上的第二隧穿结602；和
形成在第二隧穿结602上的第一缓冲层701，
形成在第一缓冲层701上的InGaAs第三子电池300；和
形成在第三子电池300上的第二欧姆接触层004。
其中，所述第一子电池包括：
n+-AlInP窗口层101，
n+-GaInP发射区102，
p-GaInP基区103，
p+-AlGaInP背场层104。
所述第二子电池包括：
n+-GaInP窗口层201，
n+-GaAs发射区202，
p-GaAs基区203，
p+-AlGaAs背场层204；
所述第三子电池包括：
n+GaInP窗口层301，
n+-InGaAs发射区302，
p-InGaAs基区303，
p+-GaInP背场区304；
上述GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构的制备过程如下：(1)在MOCVD设备中，选用n型GaAs衬底001，偏角为(001)偏＜100＞方向15度；
(2)在此衬底上生长GaInP腐蚀截至层或剥离牺牲层002；
(3)在GaInP腐蚀截至层或剥离牺牲层上生长n++-GaAs接触层003；在n++-GaAs接触层上生长GaInP第一子电池，包括：
(4)n+-AlInP窗口层101，
(5)n+-GaInP发射区102，
(6)p-GaInP基区103，
(7)p+-AlGaInP背场层104；
在GaInP第一子电池上生长AlGaAs第一隧穿结601，包括：
(8)p++-AlGaAs层，
(9)n++-AlGaAs层；
在AlGaAs第一隧穿结上生长GaAs第二子电池，包括：
(10)n+-GaInP窗口层201，
(11)n+-GaAs发射区202，
(12)p-GaAs基区203，
(13)p+-AlGaAs背场层204；
在GaAs第二子电池上生长GaAs第二隧穿结602，包括：
(14)p++-GaAs层，
(15)n++-GaAs层；
(16)在GaAs第二隧穿结上生长GaInP或AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层701，其晶格常数从与GaAs匹配渐变到略大于第三子电池，禁带宽度大于GaAs；
在晶格渐变缓冲层701上生长禁带宽度为1.0eV的InGaAs第三子电池，包括：
(17)n+GaInP窗口层301，
(18)n+-InGaAs发射区302，
(19)p-InGaAs基区303，
(20)p+-GaInP背场区304；
(21)在InGaAs第三子电池上生长p++-InGaAs接触层004。
根据上述实施例的三结太阳能电池外延结构，由于所使用的GaAs衬底的偏角为(001)面偏＜100＞方向15度，并且，在其上外延生长的GaInP第一子电池和InGaAs第三子电池的晶向与衬底相同，因此，能同时克服GaInP子电池外延生长中的有序度问题和InGaAs子电池外延生长中的剩余应力的各向异性问题，从而提高该三结太阳能电池的效率。
实施例2
在实施例1的基础上，还可继续进行倒装四结电池的生长。参考附图3，示出了根据本发明的另一实施例的四结太阳能电池的外延结构及其制备方法。
如图3所示，GaInP/GaAs/InGaAs/InGaAs四结太阳能电池的外延结构包括：
GaAs衬底001；
在GaAs衬底001上的腐蚀截至层或剥离牺牲层002；
在腐蚀截至层或剥离牺牲层002上的第一欧姆接触层003；
在第一欧姆接触层003上的GaInP第一子电池100；
在第一子电池100上的第一隧穿结601；
在第一隧穿结601上的GaAs第二子电池200；
在第二子电池200上的第二隧穿结602；
在第二隧穿结602上的第一缓冲层701，
在第一缓冲层701上的InGaAs第三子电池300；
在第三子电池300上的第三隧穿结603；
在第三隧穿结603上的第二缓冲层702，
在第二缓冲层702上的InGaAs第四子电池400；以及
在第四子电池400上的第二欧姆接触层004。
该实施例的第一子电池100、第二子电池200和第三子电池300的结构与第一实施例相同，第四子电池400包括：
n+-GaInP窗口层401，
n+-InGaAs发射区402，
p-InGaAs基区403，和
p+-GaInP背场区404。
同样，根据该实施例四结太阳能电池的GaAs衬底采用(001)面偏＜100＞方向15度的偏角。
制造上述四结太阳能电池外延结构的具体步骤为：在实施例1的第(20)步后加入如下步骤：
在InGaAs第三子电池上生长GaAs第三隧穿结603，包括：
(21)p++-GaAs，
(22)n++-GaAs：
(23)在GaAs第三隧穿结上生长GaInP或AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层702，其晶格常数从与第三子电池匹配渐变到略大于第四子电池，禁带宽度大于1.0eV；
在第二晶格渐变缓冲层上生长禁带宽度为0.7eV的InGaAs第四子电池，包括：
(24)n+-GaInP窗口层401，
(25)n+-InGaAs发射区402，
(26)p-InGaAs基区403，
(27)p+-GaInP背场区404；
(28)在InGaAs第四子电池上生长p++-InGaAs接触层004。
根据该实施例，由于GaAs衬底表面采用(001)面偏＜100＞方向15度的晶向，因此，与第一实施例相同，能同时克服GaInP子电池外延生长中的有序度问题和InGaAs子电池外延生长中的剩余应力的各向异性问题，从而提高该三结太阳能电池的效率。
实施例3
实施例3提供了一种根据第一实施例和第二实施例的多结太阳能电池的外延结构生产的多结太阳能电池，包括：
GaInP第一子电池；
在GaInP第一子电池上的GaAs第二子电池；和
在GaAs第二子电池上的InGaAs第三子电池，
其中，各个子电池的表面晶向为(001)面偏向＜100＞方向5～20度。
其他实施例
虽然以上通过具体的实施例说明了本发明的构思。但是应当理解，具体的实施例并非用于限制本发明。例如，以上实施例中，GaAs衬底采用(001)面偏向＜100＞方向15度范围内的偏角，但是，根据其它实施例，只要GaAs衬底采用(001)面偏向＜100＞方向5～20度范围内的偏角，均可以达到兼顾GaInP子电池的有序度问题和InGaAs子电池的剩余应力的各向异性问题，提高电池效率的目的。
此外，虽然实施例描述了三结和四结太阳能电池，但显然本发明可以应用于任何多结太阳能电池。并且，实施例中所描述的具体结构并非限制性的，可以根据需要省略或增加一些层结构。并且，附图和说明中的太阳能电池结构中的各层的位置关系是相对位置而非绝对位置。各层电池所用材料也并非限制性的，可采用其它替代材料。因此，在不偏离本发明的实质和原理的情况下可以对实施例进行各种变化，其均落入权利要求限定的本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多结太阳能电池外延结构，包括：
GaAs衬底；
在GaAs衬底上的GaInP第一子电池；
在GaInP第一子电池上的GaAs第二子电池；和
在GaAs第二子电池上的InGaAs第三子电池，
其特征在于，GaAs衬底的偏角采用(001)面偏向(101)或(-101)或(011)或(0-11)面5～20度。
2.根据权利要求1所述的多结太阳能电池外延结构，其特征在于，GaAs衬底的偏角采用(001)面偏向(101)或(-101)或(011)或(0-11)面15度。
3.根据权利要求1或2所述的多结太阳能电池外延结构，其特征在于，所述多结太阳能电池还包括：
在GaAs衬底上的腐蚀截止层或剥离牺牲层；
所述GaInP第一子电池设置在所述腐蚀截止层或剥离牺牲层上；
在GaInP第一子电池上的第一隧穿结；
所述GaAs第二子电池设置在所述第一隧穿结上；
在GaAs第二子电池上的第二隧穿结；
在第二隧穿结上的GaInP或AlGaInAs第一缓冲层；
所述InGaAs第三子电池设置在所述第一缓冲层上；和
在InGaAs第三子电池上的接触层。
4.根据权利要求3所述的多结太阳能电池外延结构，其特征在于，所述多结太阳能电池还包括：
在InGaAs第三子电池和接触层之间的InGaAs第四子电池。
5.根据权利要求4所述的多结太阳能电池外延结构，其特征在于，所述多结太阳能电池还包括：
在InGaAs第三子电池上的第三隧穿结，
在第三隧穿结上的GaInP或AlGaInAs第二缓冲层；和
所述第四子电池设置在GaInP或AlGaInAs第二缓冲层上。
6.根据权利要求5所述的多结太阳能电池外延结构，其特征在于，所述多结太阳能电池还包括至少一个另外的子电池。
7.一种多结太阳能电池，包括：
GaInP第一子电池；
在GaInP第一子电池上的GaAs第二子电池；和
在GaAs第二子电池上的InGaAs第三子电池，
其特征在于，各个子电池的表面晶向为(001)面偏向(101)或(-101)或(011)或(0-11)面5～20度。
8.根据权利要求7所述的多结太阳能电池，其中，各个子电池的表面晶向为(001)面偏向(101)或(-101)或(011)或(0-11)面15度。
9.一种多结太阳能电池的制备方法，包括步骤：
制备GaAs衬底；
在GaAs衬底上制备GaInP第一子电池；
在GaInP第一子电池上制备GaAs第二子电池；和
在GaAs第二子电池上制备InGaAs第三子电池，
其特征在于，所制备的GaAs衬底的偏角采用(001)面偏向(101)或(-101)或(011)或(0-11)面方向5～20度，在具有该偏角的GaAs衬底的表面上制备GaInP第一子电池。
10.根据权利要求9所述的多结太阳能电池的制备方法，其中，GaAs衬底的偏角采用(001)面偏向(101)或(-101)或(011)或(0-11)面15度。
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