CN106067493A - 一种微晶格失配量子阱太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微晶格失配量子阱太阳能电池及其制备方法，其电池是以p型Ge为衬底，自衬底上表面起由下而上依次层叠排列着In0.5Ga0.5P成核层、In0.01Ga0.99As缓冲层、分布式布拉格反射镜、第一隧道结、InxGa1‑xP渐变缓冲层、InyGa1‑yAs中电池、第二隧道结、InzGa1‑zP顶电池、InyGa1‑yAs欧姆接触层、正面电极、减反射膜；在p型Ge衬底下表面制备有背面电极。本发明采用与p型Ge衬底存在微晶格失配的InyGa1‑yAs和InzGa1‑zP分别作为中电池材料、顶电池材料，并增加“InyGa1‑yAs/Ga0.92In0.08N0.028As”量子阱结构，同时采用InxGa1‑xP渐变缓冲层来消除微晶格失配产生的位错等缺陷，并采用分布式布拉格反射镜增强InyGa1‑yAs中电池对太阳光子的利用率，最终可以提高中电池和顶电池的电流密度，提升电池的光电转换效率。

Description

一种微晶格失配量子阱太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，尤其是指一种微晶格失配量子阱太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是一种将太阳光转换为电能的半导体光电器件，基本原理是利用半导体技术制造出PN结，大于半导体禁带宽度的太阳光被电池吸收，激发光生载流子，在PN结的内建势场作用下，光生电子和空穴分离，向相反方向分别运动到N型侧及P型侧，形成光生电压，经过电极引出后在负载电路上形成光生电流。
由于太阳光能量呈宽谱分布，能量小于半导体带隙的光子不能激发产生光生载流子，能量大于半导体带隙的光子将激发半导体产生光生载流子，但多出半导体带隙的能量将以热能的形式传递给半导体材料，致使器件发热损耗。可见，单结太阳能器件对太阳能光谱的利用效率较低，不利于光电转换效率的提高。采用不同禁带宽度的材料组成的多结叠层太阳能电池能够大幅提高太阳光的利用效率。
多结太阳能电池是将不同禁带宽度的半导体材料分别制作成子电池，通过隧道结将子电池按照能隙大小依次串接起来，从而实现对不同波段太阳光实现高效的光电转换。
目前研究最多的多结电池是基于“GaInP/GaAs/Ge”晶格匹配结构的三结电池；由于传统的晶格匹配三结电池中顶电池GaInP和中电池GaAs与底电池Ge之间电流密度存在不匹配，导致电路中电性能的损耗，限制了光电转换效率的提高。由于Ge底电池具有较长的光吸收范围，因此提高GaInP、GaAs子电池电流密度是提升三结电池光电转换效率的重要方向。
提高GaInP顶电池和GaAs中电池的电流密度，一种途径是通过提高子电池活性层的In组份，但In组份的提高会引起GaInP与GaAs之间较大的晶格失配；一定程度晶格失配就会诱发失配位错和穿透位错，位错进入到电池的活性层将引起电池的性能严重下降，控制位错的产生需要复杂的结构设计及严格的外延生长条件，并且过多的In会引起外延生长及芯片工艺的不稳定性。基于工艺及位错控制方面的考虑，我们需要控制In组份的添加量。
提高子电池电流密度的另一种途径是采用量子阱结构，采用较高带隙的材料作为势垒，较低带隙的材料作为势阱，这样可以进一步提高子电池光吸收能力。同时并且由于势阱层很薄，即使势垒层与势阱层之间存在晶格常数失配，可以通过形成应变来抵消，不会引起位错的产生。
高In组份的大晶格失配结构的电池缺陷不容易控制，而单纯量子阱结构由于势阱层的低带隙会造成开路电压较多的下降，因此本专利提出一种采用微晶格失配和量子阱相结合的多结太阳能电池及其制备方法，此电池可以大幅提高电池的回路电流密度，并可以维持开路电压不产生较大的下降，从而可以提高电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微晶格失配量子阱太阳能电池及其制备方法，该电池可解决多结电池中子电池、顶子电池与底电池间的电流不匹配，提高电池的回路电流密度，提升电池光电转换效率，并且制备工艺稳定、简便。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案，如下：
一种微晶格失配量子阱太阳能电池，以p型Ge为衬底，自衬底上表面起由下而上依次层叠排列着In0.5Ga0.5P成核层、In0.01Ga0.99As缓冲层、分布式布拉格反射镜、第一隧道结、InxGa1-xP渐变缓冲层、InyGa1-yAs中电池、第二隧道结、InzGa1-zP顶电池、InyGa1-yAs欧姆接触层、正面电极、减反射膜，在p型Ge衬底的下表面制备有背面电极；所述InxGa1-xP渐变缓冲层采用阶梯型渐变缓冲层技术，其厚度为2350nm，该InxGa1-xP渐变缓冲层共由9层不同In组份的InxGa1-xP组成，从下往上每一层InxGa1-xP的In组份x和厚度分别为0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm，0.519、250nm，0.524、250nm，0.530、250nm，0.560、350nm，0.530、500nm；该InxGa1-xP渐变缓冲层在610℃～630℃条件下制备，掺杂Zn，掺杂浓度为7.0×17/cm3～1×18/cm3；所述InyGa1-yAs中电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配，InyGa1-yAs的In组份y为0.03～0.05，该InyGa1-yAs中电池由从下而上依次层叠设置的Al0.3GaInAs背面反射场、含有量子阱结构的p型InyGa1-yAs基区、n型InyGa1-yAs发射区、Al0.47In0.53P窗口层组成；p型InyGa1-yAs基区所含有的量子阱结构由InyGa1-yAs与Ga0.92In0.08N0.028As交替生长20次得到，该量子阱结构中InyGa1-yAs和Ga0.92In0.08N0.028As厚度分别为15nm、8nm，0.03<y<0.05；所述InzGa1-zP顶电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配，与InyGa1-yAs中电池之间晶格匹配，该InzGa1-zP顶电池的In组份z为0.052～0.054；所述InzGa1-zP顶电池由从下而上依次层叠设置的Al0.7GaInAs背面反射场、p型InzGa1-zP基区、n型InzGa1-zP发射区、Al0.47In0.53P窗口层组成；所述InzGa1-zP顶电池的p型InzGa1-zP基区厚度为500～700nm，掺杂Zn，采用线性渐变型掺杂方式，掺杂浓度为4×17/cm3线性渐变到5×16/cm3。
所述p型Ge衬底采用掺杂Ga的Ge单晶，该p型Ge衬底直径为75mm～150mm，厚度为130um～230um，该p型Ge衬底斜切角为(100)面偏<111>晶向6或9°，电阻率0.005～0.1ohm·cm。
所述In0.5Ga0.5P成核层是在600～620℃条件下制备得到的，其厚度为10nm～20nm；该In0.5Ga0.5P成核层掺杂Si，掺杂浓度为5×17/cm3～1×18/cm3。
所述In0.01Ga0.99As缓冲层的厚度为400nm～1000nm，该In0.01Ga0.99As缓冲层掺杂Si，掺杂浓度为5×17/cm3～5×18/cm3。
所述分布式布拉格反射镜由Al0.5In0.5P和Ga0.5In0.5P两种不同折射率的材料组成，该布拉格反射镜由Al0.5In0.5P和Ga0.5In0.5P交替生长12～20次制备得到；所述分布式布拉格反射镜的反射中心波长为850～900nm，并采用Si掺杂，掺杂浓度为2.0×18/cm3～3.0×18/cm3。
所述第一隧道结由n型重掺杂的GaAs(n++-GaAs)和p型重掺杂的Al0.3Ga0.7As(p++-Al0.3Ga0.7As)组成，该n++-GaAs厚度为10～20nm，在530℃～570℃条件下制备，掺杂Te和Si，掺杂浓度为2×19/cm3～5×19/cm3；该p++-Al0.3Ga0.7As厚度为10～30nm，在530℃～570℃条件下制备，掺杂C，掺杂浓度为1×20/cm3～2×20/cm3；所述第一隧道结用于连接InyGa1-yAs中电池和InxGa1-xP渐变缓冲层之下的材料。
所述第二隧道结由n型重掺杂的In0.5Ga0.5P(n++-In0.5Ga0.5P)和p型重掺杂的Al0.3Ga0.7As(p++-Al0.3Ga0.7As)组成，该n++-In0.5Ga0.5P厚度为10～20nm，在530℃～570℃条件下制备，掺杂Te，掺杂浓度为2×19/cm3～5×19/cm3；该p++-Al0.3Ga0.7As厚度为10～30nm，在530℃～570℃条件下制备，掺杂C，掺杂浓度为1×20/cm3～2×20/cm3；所述第二隧道结用于连接InyGa1-yAs中电池和InzGa1-zP顶电池。
所述InyGa1-yAs欧姆接触层厚度为200～500nm，该InyGa1-yAs欧姆接触层中In组份y为0.03～0.05，该InyGa1-yAs欧姆接触层采用Si掺杂，掺杂浓度为2×18/cm3～4×18/cm3。
所述正面电极和背面电极均为Au-Ag合金，厚度3um～5um；所述减反射膜为Al2O3或SiO2，厚度200～500nm。
本发明上述微晶格失配量子阱太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)p型Ge衬底准备：p型Ge衬底采用掺杂Ga的Ge单晶，该p型Ge衬底直径为75mm～150mm，厚度为130um～230um，该p型Ge衬底斜切角为(100)面偏<111>晶向6或9°，电阻率0.005～0.1ohm·cm；
2)p型Ge衬底处理：将选定的p型Ge衬底载入MOCVD反应室，设定反应室压力为35torr～45torr，将反应室温度升高到700℃～750℃，PH3气氛下对衬底处理5min～10min；
3)In0.5Ga0.5P成核层生长：将反应室温度降低到600℃～620℃，在经过处理的p型Ge衬底上生长In0.5Ga0.5P成核层，生长速率为厚度10～20nm；
4)In0.01Ga0.99As缓冲层生长：将反应室温度升高到630℃～640℃，在In0.5Ga0.5P成核层上生长In0.01Ga0.99As缓冲层，生长速率为厚度400nm～1000nm；
5)分布式布拉格反射镜生长：将反应室温度升高到640℃～670℃，在In0.01Ga0.99As缓冲层上生长分布式布拉格反射镜，该分布式布拉格反射镜的采用经过严密计算的Al0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P材料组合，在In0.01Ga0.99As缓冲层上首先生长Al0.5In0.5P，然后在Al0.5In0.5P上生长Ga0.5In0.5P，同理，Al0.5In0.5P和Ga0.5In0.5P交替生长12～20次，生长速率为
6)第一隧道结生长：将反应室温度降低到530℃～570℃，在分布式布拉格反射镜上生长n++-GaAs，速率为厚度10nm～20nm；将反应室温度保持在530℃～570℃，在n++-GaAs上生长p++-Al0.3Ga0.7As，速率为 厚度10nm～30nm；
7)InxGa1-xP渐变缓冲层生长：将反应室温度升高到610～630℃，在第一隧道结上按顺序沉积In组份和厚度分别为0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm，0.519、250nm，0.524、250nm，0.530、250nm，0.560、350nm，0.530、500nm的InxGa1-xP渐变缓冲层，速率为
8)InyGa1-yAs中电池生长：将反应室温度升高到620℃～640℃，在InxGa1-xP渐变缓冲层上首先生长Al0.3GaInAs背面反射场，生长速率为 厚度120～180nm，掺杂Si，掺杂浓度1×18/cm3～3×18/cm3；
将反应室温度保持在620℃～640℃，在Al0.3GaInAs背面反射场上生长p型InyGa1- yAs基区，首先生长一层厚度为800nm～1000nm的InyGa1-yAs，速率为掺杂Zn，掺杂浓度为2×17/cm3～5×17/cm3；在此基础上生长一层厚度为15nm的InyGa1-yAs，速率为再生长一层厚度为8nm的Ga0.92In0.08N0.028As，速率为重复生长“15nm厚的InyGa1-yAs/8nm厚的Ga0.92In0.08N0.028As”19次，均掺杂Zn，掺杂浓度为2×17/cm3～5×17/cm3，即完成“InyGa1-yAs/Ga0.92In0.08N0.028As”量子阱结构的生长；再在量子阱结构上沉积一层厚度为300nm～500nm的InyGa1-yAs-Zn，速率为 掺杂浓度为2×17/cm3～5×17/cm3；
将反应室温度保持在620℃～640℃，在p型InyGa1-yAs基区上生长n型InyGa1-yAs发射区，速率为厚度80nm～120nm，掺杂Si，掺杂浓度为1×18/cm3～3×18/cm3；
将反应室温度保持在620℃～640℃，在n型InyGa1-yAs发射区上生长Al0.47In0.53P窗口层，速率为厚度为30nm～50nm，掺杂Si，掺杂浓度1×18/cm3～5×18/cm3；
9)第二隧道结生长：将反应室温度降低到530℃～570℃，在Al0.47In0.53P窗口层上生长n++-In0.5Ga0.5P，速率为厚度10nm～20nm；将反应室温度保持在530℃～570℃，在n++-GaAs上生长p++-Al0.3Ga0.7As，速率为 厚度10nm～30nm；
10)InzGa1-zP顶电池生长：将反应室温度升高到610℃～630℃，在第二隧道结上生长Al0.7GaInAs背面反射场，速率为厚度为50nm～70nm，掺杂Zn，掺杂浓度为1×18/cm3～3×18/cm3；
将反应室温度保持在610℃～630℃，在Al0.7GaInAs背面反射场上生长p型InzGa1- zP基区，速率为厚度为500～700nm；
将反应室温度保持在610℃～630℃，在p型InzGa1-zP基区上生长n型InzGa1-zP发射区，0.052<z<0.054，速率为厚度50～100nm，掺杂Si，掺杂浓度为1×18/cm3～4×18/cm3；
将反应室温度保持在610℃～630℃，在n型InzGa1-zP发射区上生长Al0.47In0.53P窗口层，速率为厚度为30nm～50nm，掺杂Si，掺杂浓度1×18/cm3～5×18/cm3；
11)InyGa1-yAs欧姆接触层生长：将反应室温度升高到620℃～640℃，在Al0.47In0.53P窗口层上生长InyGa1-yAs欧姆接触层，0.03<y<0.05，速率为 厚度为200nm～500nm；
12)正面电极、背面电极、减反射膜生长：待反应室降温取出生长结束的外延片，将外延片进行芯片流片工艺，经过清洗、腐蚀、光刻流程，采用真空蒸镀技术在InyGa1-yAs欧姆接触层上制备出正面电极Au-Ag合金，厚度为2um～5um；然后在p型Ge衬底下表面制备出背面电极Au-Ag合金，厚度为2um～5um；最后在正面电极上蒸镀制备减反射膜Al2O3或SiO2，厚度200nm～500nm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、利用本发明制备的太阳能电池，采用微晶格失配结合“InyGa1-yAs/Ga0.92In0.08N0.028As”量子阱结构，可以使InyGa1-yAs中电池吸收边扩展到1100nm附近，大于未添加量子阱的中子电池吸收边915nm，所以可以较大程度地提高中电池的电流。同时，通过调整顶电池的厚度，提高顶子电池的电流，最终可以提升中顶子电池与底子电池间的电流匹配，增加闭合电路中的串联电流。同时，由于中子电池未增加In组份，中子电池的开路电压未有明显下降。整体上，在未明显降低开路电压的同时，我们提高了闭合电路中的电流，电池的光电转换效率从28.6％提高到31％。
2、利用本发明制备的太阳能电池，采用中心波长在850～900nm分布式布拉格反射镜，反射带宽度为90nm～100nm，就可以实现InyGa1-yAs中电池光吸收波段的高反射。根据我们中电池的能带设计，波长小于950nm的反射光将会被中电池再次吸收，大幅提高了光子的利用率。同时，由于光子利用率的提高，可以实现中电池的减薄设计，这对减少电池整体的发热非常有益，有助于减轻电池的老化，电池的寿命显著增加了20％。
3、利用本发明制备的太阳能电池，采用InxGa1-xP渐变缓冲层，可以有效消除Ge衬底与InyGa1-yAs中电池之间晶格失配引发的位错等缺陷，同时InxGa1-xP渐变缓冲层材料的光学吸收边在650nm～670nm之间，不会吸收分布式布拉格反射镜所产生的反射光，有助于提高中电池的光子利用效率，提高整体性能。
4、利用本发明制备的太阳能电池，可以方便地和现有常规结构砷化镓电池制备生产线相结合，不需要额外投入新的生产设备，具有成本低、工艺简便和稳定的优点。
附图说明
图1为本发明所述微晶格失配量子阱太阳能电池的结构示意图。
图2为本发明所述分布式布拉格反射镜结构示意图。
图3为本发明所述InxGa1-xP渐变缓冲层结构示意图。
图4为本发明所述p型InyGa1-yAs基区结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所述的微晶格失配量子阱太阳能电池，主要由“Ge/InyGa1- yAs/InzGa1-zP”三结结构组成，也可以是“Ge/InyGa1-yAs/AlGaInAs/AlGaInP”四结结构。在本实施例中，所述的的微晶格失配量子阱太阳能电池是以p型Ge为衬底，自衬底上表面起由下而上依次层叠排列着In0.5Ga0.5P成核层、In0.01Ga0.99As缓冲层、分布式布拉格反射镜、第一隧道结、InxGa1-xP渐变缓冲层、InyGa1-yAs中电池、第二隧道结、InzGa1-zP顶电池、InyGa1-yAs欧姆接触层、正面电极、减反射膜；在p型Ge衬底的下表面制备有背面电极。
所述的In0.5Ga0.5P成核层是在600～620℃条件下制备得到的，其厚度为10nm～20nm，优选16nm；该In0.5Ga0.5P成核层掺杂Si，掺杂浓度为5×17/cm3～1×18/cm3，优选8×17/cm3。
所述的In0.01Ga0.99As缓冲层厚度为400nm～1000nm，优选750nm；该In0.01Ga0.99As缓冲层掺杂Si，掺杂浓度为5×17/cm3～5×18/cm3，优选2×18/cm3。
所述的分布式布拉格反射镜由Al0.5In0.5P和Ga0.5In0.5P两种不同折射率的材料组成，如图2所示，该布拉格反射镜由Al0.5In0.5P和Ga0.5In0.5P交替生长12～20次制备得到，优选16次，所述的分布式布拉格反射镜反射中心波长为850～900nm，优选880nm，所述的分布式布拉格反射镜采用Si掺杂，掺杂浓度为2.0×18/cm3～3.0×18/cm3，优选2.5×18/cm3。
所述的第一隧道结由n型重掺杂的GaAs(n++-GaAs)和p型重掺杂的Al0.3Ga0.7As(p++-Al0.3Ga0.7As)组成，该n++-GaAs厚度为10～20nm，优选15nm，在530℃～570℃条件下制备，优选550℃，掺杂Te和Si，掺杂浓度为2×19/cm3～5×19/cm3，优选4×19/cm3；该p++-Al0.3Ga0.7As厚度为10～20nm，优选12nm，在低温530℃～570℃条件下制备，优选550℃，掺杂C，掺杂浓度为1×20/cm3～2×20/cm3，优选1.6×20/cm3；第一隧道结用于连接InyGa1-yAs中电池和InxGa1-xP渐变缓冲层之下的材料。
所述的InxGa1-xP渐变缓冲层采用阶梯型渐变缓冲层技术，其厚度为2350nm，该InxGa1-xP渐变缓冲层共由9层不同In组份的InxGa1-xP组成，如图3所示，从下往上每一层InxGa1-xP的In组份x和厚度分别为0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm，0.519、250nm，0.524、250nm，0.530、250nm，0.560、350nm，0.530、500nm，该InxGa1-xP渐变缓冲层在610℃～630℃条件下制备，优选620℃，掺杂Zn，掺杂浓度为7.0×17/cm3～1×18/cm3，优选9.0×17/cm3。
所述的InyGa1-yAs中电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配，InyGa1-yAs的In组份y为0.03～0.05，优选0.04，该InyGa1-yAs中电池由Al0.3GaInAs背面反射场、含有量子阱结构的p型InyGa1-yAs基区、n型InyGa1-yAs发射区、Al0.47In0.53P窗口层组成；p型InyGa1-yAs基区所含有的量子阱结构由InyGa1-yAs与Ga0.92In0.08N0.028As交替生长20次得到，如图4所示，该量子阱结构中InyGa1-yAs和Ga0.92In0.08N0.028As厚度分别为15nm、8nm，0.03<y<0.05，优选0.04。
所述的第二隧道结由n型重掺杂的In0.5Ga0.5P(n++-In0.5Ga0.5P)和p型重掺杂的Al0.3Ga0.7As(p++-Al0.3Ga0.7As)组成，该n++-In0.5Ga0.5P厚度为10～20nm，优选15nm，在530℃～570℃条件下制备，优选550℃，掺杂Te，掺杂浓度为2×19/cm3～5×19/cm3，优选4×19/cm3；该p++-Al0.3Ga0.7As厚度为10～20nm，优选12nm，在530℃～570℃条件下制备，优选550℃，掺杂C，掺杂浓度为1×20/cm3～2×20/cm3，优选1.6×20/cm3；所述的第二隧道结用于连接InyGa1-yAs中电池和InzGa1-zP顶电池。
所述的InzGa1-zP顶电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配，与所述的InyGa1-yAs中电池之间晶格匹配，该InzGa1-zP顶电池的In组份z为0.052～0.054，优选0.053；所述的InzGa1- zP顶电池由Al0.7GaInAs背面反射场、p型InzGa1-zP基区、n型InzGa1-zP发射区、Al0.47In0.53P窗口层组成。所述的InzGa1-zP顶电池的p型InzGa1-zP基区厚度为500～700nm，优选600nm，掺杂Zn，采用线性渐变型掺杂方式，掺杂浓度为4×17/cm3线性渐变到5×16/cm3。
所述的InyGa1-yAs欧姆接触层厚度为200～500nm，优选360nm，该InyGa1-yAs欧姆接触层中In组份y为0.03～0.05，优选0.04，该InyGa1-yAs欧姆接触层采用Si掺杂形成高掺杂浓度，掺杂浓度为2×18/cm3～4×18/cm3，优选3×18/cm3。
以下为本实施例上述微晶格失配量子阱太阳能电池的制备过程，其具体情况如下：
1)p型Ge衬底准备：p型Ge衬底采用掺杂Ga的Ge单晶，该p型Ge衬底直径为75mm～150mm，优选100mm，厚度为130um～230um，优选175um该p型Ge衬底斜切角为(100)面偏<111>晶向6°或9°，优选9°，电阻率0.005～0.1ohm·cm，优选0.05ohm·cm。
2)p型Ge衬底处理：将选定的p型Ge衬底载入MOCVD反应室，设定反应室压力为35torr～45torr，优选39torr，将反应室温度升高到700℃～750℃，优选730℃，PH3气氛下对衬底处理5min～10min，优选8min。
3)In0.5Ga0.5P成核层生长：将反应室温度降低到600℃～620℃，优选615℃，在经过处理的p型Ge衬底上生长In0.5Ga0.5P成核层，生长速率为优选厚度10～20nm，优选15nm。
4)In0.01Ga0.99As缓冲层生长：将反应室温度升高到630℃～650℃，优选640℃，在In0.5Ga0.5P成核层上生长In0.01Ga0.99As缓冲层，生长速率为 优选厚度400nm～1000nm，优选750nm。
5)分布式布拉格反射镜生长：将反应室温度升高到640℃～670℃优选650℃，在In0.01Ga0.99As缓冲层上生长分布式布拉格反射镜，该分布式布拉格反射镜的采用经过严密计算的Al0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P材料组合，在In0.01Ga0.99As缓冲层上首先生长Al0.5In0.5P，然后在Al0.5In0.5P上生长Ga0.5In0.5P，以此为例，Al0.5In0.5P和Ga0.5In0.5P交替生长12～20次，优选16次，生长速率为优选为
6)第一隧道结生长：将反应室温度降低到530℃～570℃，优选550℃，在分布式布拉格反射镜上生长n++-GaAs，速率为优选厚度10nm～20nm，优选15nm；将反应室温度保持在530℃～570℃，优选550℃，在n++-GaAs上生长p++-Al0.3Ga0.7As，速率为优选厚度10nm～30nm，优选15nm。
7)InxGa1-xP渐变缓冲层生长：将反应室温度升高到610～630℃，优选620℃在第一隧道结上按顺序沉积In组份和厚度分别为0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm，0.519、250nm，0.524、250nm，0.530、250nm，0.560、350nm，0.530、500nm的InxGa1-xP渐变缓冲层，速率为优选
8)InyGa1-yAs中电池生长：将反应室温度升高到620℃～640℃，优选630℃，在InxGa1-xP渐变缓冲层上首先生长Al0.3GaInAs背面反射场，生长速率为 优选厚度120～180nm，优选160nm，掺杂Si，掺杂浓度1×18/cm3～3×18/cm3，优选2.5×18/cm3；
将反应室温度保持在620℃～640℃，优选630℃，在Al0.3GaInAs背面反射场上生长p型InyGa1-yAs基区，首先生长一层厚度为800nm～1000nm的InyGa1-yAs，优选850nm，速率为优选掺杂Zn，掺杂浓度为2×17/cm3～5×17/cm3，优选4×17/cm3；在此基础上生长一层厚度为15nm的InyGa1-yAs，速率为优选再生长一层厚度为8nm的Ga0.92In0.08N0.028As，速率为优选重复生长“InyGa1-yAs(15nm)/Ga0.92In0.08N0.028As(8nm)”19次，均掺杂Zn，掺杂浓度为2×17/cm3～5×17/cm3，优选4×17/cm3，即完成“InyGa1-yAs/Ga0.92In0.08N0.028As”量子阱结构的生长；再在量子阱结构上沉积一层厚度为300nm～500nm的InyGa1-yAs-Zn，优选350nm，速率为优选掺杂浓度为2×17/cm3～5×17/cm3，优选4×17/cm3；
将反应室温度保持在620℃～640℃，优选630℃，在p型InyGa1-yAs基区上生长n型InyGa1-yAs发射区，速率为优选厚度80nm～120nm，优选100nm，掺杂Si，掺杂浓度为1×18/cm3～3×18/cm3，优选2.5×18/cm3；
将反应室温度保持在620℃～640℃，优选630℃，在n型InyGa1-yAs发射区上生长Al0.47In0.53P窗口层，速率为优选厚度为30nm～50nm，优选40nm，掺杂Si，掺杂浓度1×18/cm3～5×18/cm3，优选4×18/cm3。
9)第二隧道结生长：将反应室温度降低到530℃～570℃，优选550℃，在Al0.47In0.53P窗口层上生长n++-In0.5Ga0.5P，速率为优选厚度10nm～20nm，优选15nm；将反应室温度保持在530℃～570℃，优选550℃，在n++-GaAs上生长p++-Al0.3Ga0.7As，速率为优选厚度10nm～30nm，优选15nm。
10)InzGa1-zP顶电池生长：将反应室温度升高到610℃～630℃，优选625℃，在第二隧道结上生长Al0.7GaInAs背面反射场，速率为优选 厚度为50nm～70nm，优选60nm，掺杂Zn，掺杂浓度为1×18/cm3～3×18/cm3，优选2.5×18/cm3；
将反应室温度保持在610℃～630℃，优选625℃，在Al0.7GaInAs背面反射场上生长p型InzGa1-zP基区，速率为优选厚度为500～700nm，优选600nm；
将反应室温度保持在610℃～630℃，优选625℃，在p型InzGa1-zP基区上生长n型InzGa1-zP发射区(0.052<z<0.054，z优选0.04)，速率为优选厚度50～100nm，优选80nm，掺杂Si，掺杂浓度为1×18/cm3～4×18/cm3，优选3×18/cm3；
将反应室温度保持在610℃～630℃，优选625℃，在n型InzGa1-zP发射区上生长Al0.47In0.53P窗口层，速率为优选厚度为30nm～50nm，优选40nm，掺杂Si，掺杂浓度1×18/cm3～5×18/cm3，优选4×18/cm3。
11)InyGa1-yAs欧姆接触层生长：将反应室温度升高到620℃～640℃，优选630℃，在Al0.47In0.53P窗口层上生长InyGa1-yAs欧姆接触层(0.03<y<0.05，y优选0.04)，速率为优选厚度为200nm～500nm，优选360nm。
12)正面电极、背面电极、减反射膜生长：待反应室降温取出生长结束的外延片，将外延片进行芯片流片工艺，经过清洗、腐蚀、光刻流程，采用真空蒸镀技术在InyGa1-yAs欧姆接触层上制备出正面电极Au-Ag合金，厚度为2um～5um，优选4um；然后在p型Ge衬底下表面制备出背面电极Au-Ag合金，厚度为2um～5um，优选4um；最后在正面电极上蒸镀制备减反射膜Al2O3或SiO2，厚度200nm～500nm，优选300nm。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：以p型Ge为衬底，自衬底上表面起由下而上依次层叠排列着In0.5Ga0.5P成核层、In0.01Ga0.99As缓冲层、分布式布拉格反射镜、第一隧道结、InxGa1-xP渐变缓冲层、InyGa1-yAs中电池、第二隧道结、InzGa1-zP顶电池、InyGa1- yAs欧姆接触层、正面电极、减反射膜，在p型Ge衬底的下表面制备有背面电极；所述InxGa1-xP渐变缓冲层采用阶梯型渐变缓冲层技术，其厚度为2350nm，该InxGa1-xP渐变缓冲层共由9层不同In组份的InxGa1-xP组成，从下往上每一层InxGa1-xP的In组份x和厚度分别为0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm，0.519、250nm，0.524、250nm，0.530、250nm，0.560、350nm，0.530、500nm；该InxGa1-xP渐变缓冲层在610℃～630℃条件下制备，掺杂Zn，掺杂浓度为7.0×17/cm3～1×18/cm3；所述InyGa1-yAs中电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配，InyGa1-yAs的In组份y为0.03～0.05，该InyGa1-yAs中电池由从下而上依次层叠设置的Al0.3GaInAs背面反射场、含有量子阱结构的p型InyGa1-yAs基区、n型InyGa1-yAs发射区、Al0.47In0.53P窗口层组成；p型InyGa1-yAs基区所含有的量子阱结构由InyGa1-yAs与Ga0.92In0.08N0.028As交替生长20次得到，该量子阱结构中InyGa1-yAs和Ga0.92In0.08N0.028As厚度分别为15nm、8nm，0.03<y<0.05；所述InzGa1-zP顶电池与p型Ge衬底之间存在晶格失配，与InyGa1-yAs中电池之间晶格匹配，该InzGa1-zP顶电池的In组份z为0.052～0.054；所述InzGa1-zP顶电池由从下而上依次层叠设置的Al0.7GaInAs背面反射场、p型InzGa1-zP基区、n型InzGa1-zP发射区、Al0.47In0.53P窗口层组成；所述InzGa1-zP顶电池的p型InzGa1-zP基区厚度为500～700nm，掺杂Zn，采用线性渐变型掺杂方式，掺杂浓度为4×17/cm3线性渐变到5×16/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述p型Ge衬底采用掺杂Ga的Ge单晶，该p型Ge衬底直径为75mm～150mm，厚度为130um～230um，该p型Ge衬底斜切角为(100)面偏<111>晶向6或9°，电阻率0.005～0.1ohm·cm。
3.根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述In0.5Ga0.5P成核层是在600～620℃条件下制备得到的，其厚度为10nm～20nm；该In0.5Ga0.5P成核层掺杂Si，掺杂浓度为5×17/cm3～1×18/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述In0.01Ga0.99As缓冲层的厚度为400nm～1000nm，该In0.01Ga0.99As缓冲层掺杂Si，掺杂浓度为5×17/cm3～5×18/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述分布式布拉格反射镜由Al0.5In0.5P和Ga0.5In0.5P两种不同折射率的材料组成，该布拉格反射镜由Al0.5In0.5P和Ga0.5In0.5P交替生长12～20次制备得到；所述分布式布拉格反射镜的反射中心波长为850～900nm，并采用Si掺杂，掺杂浓度为2.0×18/cm3～3.0×18/cm3。
6.根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述第一隧道结由n型重掺杂的GaAs(n++-GaAs)和p型重掺杂的Al0.3Ga0.7As(p++-Al0.3Ga0.7As)组成，该n++-GaAs厚度为10～20nm，在530℃～570℃条件下制备，掺杂Te和Si，掺杂浓度为2×19/cm3～5×19/cm3；该p++-Al0.3Ga0.7As厚度为10～30nm，在低温530℃～570℃条件下制备，掺杂C，掺杂浓度为1×20/cm3～2×20/cm3；所述第一隧道结用于连接InyGa1-yAs中电池和InxGa1-xP渐变缓冲层之下的材料。
7.根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述第二隧道结由n型重掺杂的In0.5Ga0.5P(n++-In0.5Ga0.5P)和p型重掺杂的Al0.3Ga0.7As(p++-Al0.3Ga0.7As)组成，该n++-In0.5Ga0.5P厚度为10～20nm，在530℃～570℃条件下制备，掺杂Te，掺杂浓度为2×19/cm3～5×19/cm3；该p++-Al0.3Ga0.7As厚度为10～30nm，在530℃～570℃条件下制备，掺杂C，掺杂浓度为1×20/cm3～2×20/cm3；所述第二隧道结用于连接InyGa1-yAs中电池和InzGa1-zP顶电池。
8.根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述InyGa1- yAs欧姆接触层厚度为200～500nm，该InyGa1-yAs欧姆接触层中In组份y为0.03～0.05，该InyGa1-yAs欧姆接触层采用Si掺杂，掺杂浓度为2×18/cm3～4×18/cm3。
9.根据权利要求1所述的一种微晶格失配量子阱太阳能电池，其特征在于：所述正面电极和背面电极均为Au-Ag合金，厚度3um～5um；所述减反射膜为Al2O3或SiO2，厚度200～500nm。
10.一种权利要求1所述微晶格失配量子阱太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)p型Ge衬底准备：p型Ge衬底采用掺杂Ga的Ge单晶，该p型Ge衬底直径为75mm～150mm，厚度为130um～230um，该p型Ge衬底斜切角为(100)面偏<111>晶向6或9°，电阻率0.005～0.1ohm·cm；
2)p型Ge衬底处理：将选定的p型Ge衬底载入MOCVD反应室，设定反应室压力为35torr～45torr，将反应室温度升高到700℃～750℃，PH3气氛下对衬底处理5min～10min；
3)In0.5Ga0.5P成核层生长：将反应室温度降低到600℃～620℃，在经过处理的p型Ge衬底上生长In0.5Ga0.5P成核层，生长速率为厚度10～20nm；
4)In0.01Ga0.99As缓冲层生长：将反应室温度升高到630℃～640℃，在In0.5Ga0.5P成核层上生长In0.01Ga0.99As缓冲层，生长速率为厚度400nm～1000nm；
5)分布式布拉格反射镜生长：将反应室温度升高到640℃～670℃，在In0.01Ga0.99As缓冲层上生长分布式布拉格反射镜，该分布式布拉格反射镜的采用经过严密计算的Al0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P材料组合，在In0.01Ga0.99As缓冲层上首先生长Al0.5In0.5P，然后在Al0.5In0.5P上生长Ga0.5In0.5P，同理，Al0.5In0.5P和Ga0.5In0.5P交替生长12～20次，生长速率为
6)第一隧道结生长：将反应室温度降低到530℃～570℃，在分布式布拉格反射镜上生长n++-GaAs，速率为厚度10nm～20nm；将反应室温度保持在530℃～570℃，在n++-GaAs上生长p++-Al0.3Ga0.7As，速率为 厚度10nm～30nm；
7)InxGa1-xP渐变缓冲层生长：将反应室温度升高到610～630℃，在第一隧道结上按顺序沉积In组份和厚度分别为0.5、250nm，0.504、250nm，0.509、250nm，0.514、250nm，0.519、250nm，0.524、250nm，0.530、250nm，0.560、350nm，0.530、500nm的InxGa1-xP渐变缓冲层，速率为
8)InyGa1-yAs中电池生长：将反应室温度升高到620℃～640℃，在InxGa1-xP渐变缓冲层上首先生长Al0.3GaInAs背面反射场，生长速率为 厚度120～180nm，掺杂Si，掺杂浓度1×18/cm3～3×18/cm3；
将反应室温度保持在620℃～640℃，在Al0.3GaInAs背面反射场上生长p型InyGa1-yAs基区，首先生长一层厚度为800nm～1000nm的InyGa1-yAs，速率为掺杂Zn，掺杂浓度为2×17/cm3～5×17/cm3；在此基础上生长一层厚度为15nm的InyGa1-yAs，速率为再生长一层厚度为8nm的Ga0.92In0.08N0.028As，速率为重复生长“15nm厚的InyGa1-yAs/8nm厚的Ga0.92In0.08N0.028As”19次，均掺杂Zn，掺杂浓度为2×17/cm3～5×17/cm3，即完成“InyGa1-yAs/Ga0.92In0.08N0.028As”量子阱结构的生长；再在量子阱结构上沉积一层厚度为300nm～500nm的InyGa1-yAs-Zn，速率为 掺杂浓度为2×17/cm3～5×17/cm3；
将反应室温度保持在620℃～640℃，在p型InyGa1-yAs基区上生长n型InyGa1-yAs发射区，速率为厚度80nm～120nm，掺杂Si，掺杂浓度为1×18/cm3～3×18/cm3；
将反应室温度保持在620℃～640℃，在n型InyGa1-yAs发射区上生长Al0.47In0.53P窗口层，速率为厚度为30nm～50nm，掺杂Si，掺杂浓度1×18/cm3～5×18/cm3；
9)第二隧道结生长：将反应室温度降低到530℃～570℃，在Al0.47In0.53P窗口层上生长n++-In0.5Ga0.5P，速率为厚度10nm～20nm；将反应室温度保持在530℃～570℃，在n++-GaAs上生长p++-Al0.3Ga0.7As，速率为 厚度10nm～30nm；
10)InzGa1-zP顶电池生长：将反应室温度升高到610℃～630℃，在第二隧道结上生长Al0.7GaInAs背面反射场，速率为厚度为50nm～70nm，掺杂Zn，掺杂浓度为1×18/cm3～3×18/cm3；
将反应室温度保持在610℃～630℃，在Al0.7GaInAs背面反射场上生长p型InzGa1-zP基区，速率为厚度为500～700nm；
将反应室温度保持在610℃～630℃，在p型InzGa1-zP基区上生长n型InzGa1-zP发射区，0.052<z<0.054，速率为厚度50～100nm，掺杂Si，掺杂浓度为1×18/cm3～4×18/cm3；
将反应室温度保持在610℃～630℃，在n型InzGa1-zP发射区上生长Al0.47In0.53P窗口层，速率为厚度为30nm～50nm，掺杂Si，掺杂浓度1×18/cm3～5×18/cm3；
11)InyGa1-yAs欧姆接触层生长：将反应室温度升高到620℃～640℃，在Al0.47In0.53P窗口层上生长InyGa1-yAs欧姆接触层，0.03<y<0.05，速率为 厚度为200nm～500nm；
12)正面电极、背面电极、减反射膜生长：待反应室降温取出生长结束的外延片，将外延片进行芯片流片工艺，经过清洗、腐蚀、光刻流程，采用真空蒸镀技术在InyGa1-yAs欧姆接触层上制备出正面电极Au-Ag合金，厚度为2um～5um；然后在p型Ge衬底下表面制备出背面电极Au-Ag合金，厚度为2um～5um；最后在正面电极上蒸镀制备减反射膜Al2O3或SiO2，厚度200nm～500nm。
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Denomination of invention: Microcrystalline lattice mismatch quantum well solar cell and preparation method thereof

Effective date of registration: 20210929

Granted publication date: 20180522

Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Zhongshan branch

Pledgor: ZHONGSHAN DEHUA CHIP TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2021980010236