CN107403850B - 一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池及其制备方法，包括一个p型衬底以及三个或三个以上串联设置的子电池，且在所有的子电池中至少有一个子电池为含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池，该GaInNAs子电池包括由下至上按层状结构叠加的p型背场、非有意掺杂的GaInNAs基区、n型发射区、n型窗口层，所述非有意掺杂的GaInNAs基区在靠近p型背场方向含有嵌入式背场结构，该嵌入式背场结构为与p型背场所用材料及掺杂条件一致的圆柱阵列，该圆柱阵列为远离空间电荷区而无法被有效收集的少子提供势垒，将少子反射回空间电荷区，从而提高少子收集效率，进而提高短路电流密度和多结电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能。基于III-V族化合物半导体材料制备而成的高效多结太阳能电池是利用MBE或MOCVD技术从下至上连续生长具有不同禁带宽度的p-n结子电池，并在各子电池之间插入超薄隧穿结，让波长最短的光被最上边的宽带隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，其转换效率远远超过了目前已知的其他各种光伏电池。
提高叠层太阳电池转换效率的方法主要有两种：一种是增加子电池的结数，尽量使每结子电池吸收的太阳光光谱接近实际太阳光的光谱，从而增加输出电压；另一种方法是使每一结子电池的输出电流达到匹配，并使限流结的电流尽量达到最高。近年来，很多机构也在开发新型结构的多结太阳电池以改善多个子电池之间的电流匹配，提升效率。这些新型结构的多结太阳电池针对其电流分配不合理的880～1800nm波段进行电池带隙的重新分配和组合，以便更加合理的利用长波波段太阳能光谱，从而到更高的光电转换效率。稀氮化合物GaInNAs材料能够通过控制材料中In原子与N原子的含量，可在GaAs或Ge基底上晶格匹配外延生长，并实现禁带宽度在0.8～1.4eV之间连续可调，是提升新一代叠层太阳电池效率最有潜力的材料之一。基于稀氮化合物的晶格匹配材料体系太阳电池，可实现电池全结构的晶格匹配一次生长，提高太阳电池外延片质量的同时降低了器件工艺的难度与复杂度。
MOCVD具有低成本，高产量的优点，适用于规模化生产，是目前太阳电池外延片的主要生产手段。然而，利用MOCVD技术制备GaInNAs材料的过程中主要的问题在于：由于GaInNAs需要低温生长才能保证N原子的有效并入，材料中会同时引入大量的C原子，GaInNAs材料中过多的缺陷以及p型GaInNAs掺杂问题将造成材料载流子寿命较短、迁移率低，电池内部光生载流子的分离能力与输运收集受到极大的制约，这导致GaInNAs子电池成为多结电池中的限流结。此时，若GaInNAs材料层太厚，并不能形成对光生载流子的有效收集；若GaInNAs材料太薄则造成电池吸收率太低，不能将相应波段的光子完全吸收。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池及其制备方法，通过在加厚的GaInNAs子电池中引入嵌入式背场结构，在远离空间电荷区的基区内部形成势垒产生一个辅助电场，将少子反射回去，从而提高GaInNAs子电池的短路电流密度。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池，包括一个p型衬底以及三个或三个以上串联设置的子电池，各子电池与相邻结构保持晶格匹配，各子电池之间用隧穿结连接，且在所有的子电池中至少有一个子电池为含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池，该GaInNAs子电池包括由下至上按层状结构叠加的p型背场、非有意掺杂的GaInNAs基区、n型发射区、n型窗口层，其中，所述非有意掺杂的GaInNAs基区在靠近p型背场方向含有嵌入式背场结构，该嵌入式背场结构为与p型背场所用材料及掺杂条件一致的圆柱阵列，该圆柱阵列为远离空间电荷区而无法被有效收集的少子提供势垒，将少子反射回空间电荷区，从而提高少子收集效率。
所述p型背场采用但不限于GaInP、AlGaInP、GaAs、或AlInP等带隙高于GaInNAs材料的III-V族半导体材料。
所述n型发射区采用但不限于GaAs或GaInNAs等III-V族半导体材料。
所述n型窗口层的带隙需要高于GaInNAs材料，采用但不限于GaInP、AlGaAs、或AlInP等带隙较宽的III-V族半导体材料。
所述p型衬底为Ge衬底或GaAs衬底。
上述含嵌入式背场结构的多结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：选择一p型衬底；
步骤2：在p型衬底上，生长GaInNAs子电池之下的子电池；
步骤3：生长含有嵌入式背场结构的GaInNAs子电池，步骤依次为采用金属有机物化学气相沉积技术生长GaInNAs子电池的p型背场、在p型背场之上采用电子束刻蚀的方法制备图案化的SiO2掩膜、采用金属有机物化学气相沉积技术制备圆柱阵列、利用缓冲氧化物刻蚀液选择性腐蚀去除SiO2掩膜，以及采用金属有机物化学气相沉积技术依次生长非有意掺杂的GaInNAs基区、n型发射区及n型窗口层；
步骤4：在生长完GaInNAs子电池之后，生长GaInNAs子电池之上的子电池；
步骤5：对含嵌入式背场结构的多结太阳能电池进行退火。
其中，各子电池与相邻结构保持晶格匹配，各子电池之间用隧穿结连接。
步骤1中所述p型衬底为Ge衬底或GaAs衬底；步骤2中所述GaInNAs子电池之下的子电池的带隙比GaInNAs子电池的带隙窄；步骤3中所述GaInNAs子电池的基区带隙在0.9～1.4eV之间；步骤4中所述GaInNAs子电池之上的子电池的带隙比GaInNAs子电池的带隙宽，且保证各子电池的带隙从下到上依次递增。
步骤3中所述p型背场厚度为100～150nm、掺杂浓度为1e18～1e19/cm3，所述非有意掺杂的GaInNAs基区厚度为1500～3000nm，所述n型发射区厚度为50～150nm、掺杂浓度为5e17～5e18/cm3，所述n型窗口层厚度为20～50nm、掺杂浓度为5e17～5e18/cm3。
步骤3中所述圆柱阵列采用与p型背场一样的材料与掺杂条件，该圆柱阵列直径为100～500nm，圆心距为5～10μm，高度为1000～1500nm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明通过在GaInNAs子电池中引入嵌入式背场结构产生附加电场，提高光生载流子的收集效率，从而提高短路电流密度和多结电池的光电转换效率。
附图说明
图1为含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池结构示意图。
图2为图案化的SiO2掩膜截面图及俯视图。
图3为含嵌入式背场结构的三结太阳能电池结构示意图。
图4为含嵌入式背场结构的五结太阳能电池结构示意图。
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。
实施例1(含嵌入式背场结构的三结太阳能电池)
如图3所示，本实施例所述的含嵌入式背场结构的三结太阳能电池，包括有p型衬底，可以是GaAs衬底或Ge衬底，其中，在所述p型衬底之上，按照层状叠加结构由下至上依次设置有含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池、GaAs子电池和GaInP子电池，各子电池之间通过隧道结连接，所有外延层材料与衬底保持晶格匹配。
所述含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池的结构从下到上包括p型背场、圆柱阵列、非故意掺杂的GaInNAs基区、n型发射区及n型窗口层，该含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池的总厚度为2000～3000nm，GaInNAs材料带隙为1.0eV。
所述GaAs子电池总厚度为3000～3500nm，GaAs材料带隙为1.42eV。
所述GaInP子电池总厚度为600～800nm，GaInP材料带隙为1.9eV。
下面为本实施例上述含嵌入式背场结构的三结太阳能电池的具体制作方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：选择一p型衬底，所述p型衬底可采用Ge衬底或GaAs衬底。
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术在所述p型衬底制备缓冲层；
步骤3：生长含有嵌入式背场结构的GaInNAs子电池，所述含有嵌入式背场结构的GaInNAs子电池的具体结构如图1所示；
采用金属有机物化学气相沉积技术在所述缓冲层之上生长GaInNAs子电池的p型背场，所述p型背场可采用但不限于GaInP、AlGaInP、GaAs、或AlInP等带隙高于GaInNAs材料的III-V族半导体材料，所述p型背场厚度为100～150nm，掺杂浓度为1e18～1e19/cm3；
在p型背场之上采用电子束刻蚀的方法制备图案化的SiO2掩膜，所述图案化的SiO2掩膜截面图及俯视图如图2所示，其中，圆柱阵列直径为100～500nm，圆心距约为5～10μm，高度为1000～1500nm；
采用金属有机物化学气相沉积技术制备圆柱阵列，该圆柱阵列采用与背场一致的材料及掺杂浓度；
利用缓冲氧化物刻蚀液(BOE)选择性腐蚀去除SiO2掩膜；
采用金属有机物化学气相沉积技术生长非有意掺杂的GaInNAs基区，所述非有意掺杂的GaInNAs基区厚度为1500～3000nm，材料带隙为1.0eV；
采用金属有机物化学气相沉积技术生长n型发射区，所述n型发射区可采用但不限于GaAs或GaInNAs等III-V族半导体材料，所述n型发射区厚度为50～150nm，掺杂浓度为5e17～5e18/cm3；
采用金属有机物化学气相沉积技术生长n型窗口层，所述n型窗口层的带隙需要高于GaInNAs材料，可采用但不限于GaInP、AlGaAs、或AlInP等带隙较宽的III-V族半导体材料，所述n型窗口层厚度为20～50nm、掺杂浓度为5e17～5e18/cm3；
步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术在GaInNAs子电池制备第一隧道结，所述第一隧道结生长温度为500～560℃，所述第一隧道结总厚度为25nm；
步骤5：采用金属有机物化学气相沉积技术在第一隧道结之上生长GaAs子电池，所述GaAs子电池包含p型背场、p型基区、n型发射区、n型窗口层，所述GaAs子电池生长温度为600～650℃，总厚度为3000～3500nm，GaAs材料带隙为1.42eV；
步骤6：采用金属有机物化学气相沉积技术在GaAs子电池之上生长第二隧道结，所述第二隧道结生长温度为500～560℃，所述第二隧道结总厚度为25nm；
步骤7：采用金属有机物化学气相沉积技术在第二隧道结之上生长GaInP子电池，所述GaInP子电池生长温度为600～650℃，总厚度为600～800nm，GaInP材料带隙为1.8eV；
步骤8：对含嵌入式背场结构的多结太阳电池进行退火。
实施例2(含嵌入式背场结构的五结太阳能电池)
如图4所示，本实施例所述的含嵌入式背场结构的五结太阳能电池，包括有p型Ge衬底，其中在所述p型Ge衬底之上，按照层状叠加结构由下至上依次设置有Ge子电池、含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池、GaAs子电池、AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池，各子电池之间通过隧道结连接，所有外延层材料与衬底保持晶格匹配。
所述Ge子电池通过在p型Ge衬底之上预通磷烷及生长GaInP成核层形成n型发射区得到。
所述含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池的结构从下到上包括p型背场、圆柱阵列、非故意掺杂的GaInNAs基区、n型发射区及n型窗口层，该含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池的总厚度为2000～3000nm，GaInNAs材料带隙为1.0eV。
所述GaAs子电池总厚度为3000～3500nm，GaAs材料带隙为1.42eV。
所述AlGaInAs子电池总厚度为2000～3000nm，AlGaInAs材料带隙为1.72eV。
所述AlGaInP子电池总厚度为300～600nm，AlGaInP材料带隙为2.08～2.18eV。
下面为本实施例上述含嵌入式背场结构的五结太阳能电池的具体制作方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：选择一p型衬底，所述p型衬底可采用Ge衬底或GaAs衬底。
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术在所述p型衬底之上生长一层低温的GaInP成核层，生长温度为500～550℃，厚度为10nm；该低温GaInP成核层用于增加衬底表面的成核密度。
步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术在GaInP成核层上生长GaInAs缓冲层；该缓冲层生长温度为600～650℃，该缓冲层厚度为500～1000nm，掺杂浓度为5e18～1e19/cm3；该缓冲层用于减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量。
步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术在GaInAs缓冲层之上制备第一隧道结，所述第一隧道结生长温度为500～560℃，所述第一隧道结总厚度为25nm。
步骤5：采用金属有机物化学气相沉积技术在第一隧道结之上生长含有嵌入式背场结构的GaInNAs子电池，所述含有嵌入式背场结构的GaInNAs子电池的具体结构如图1所示；
采用金属有机物化学气相沉积技术在所述缓冲层之上生长GaInNAs子电池的p型背场，所述p型背场可采用但不限于GaInP、AlGaInP、GaAs、或AlInP等带隙高于GaInNAs材料的III-V族半导体材料，所述p型背场厚度为100～150nm，掺杂浓度为1e18～1e19/cm3；
在p型背场之上采用电子束刻蚀的方法制备图案化的SiO2掩膜，所述图案化的SiO2掩膜截面图及俯视图如图2所示，其中，圆柱阵列直径为100～500nm，圆心距约为5～10μm，高度为1000～1500nm；
采用金属有机物化学气相沉积技术制备圆柱阵列，该圆柱阵列采用与背场一致的材料及掺杂浓度；
利用缓冲氧化物刻蚀液(BOE)选择性腐蚀去除SiO2掩膜；
采用金属有机物化学气相沉积技术生长非有意掺杂的GaInNAs基区，所述非有意掺杂的GaInNAs基区厚度为1500～3000nm，材料带隙为1.0eV；
采用金属有机物化学气相沉积技术生长n型发射区，所述n型发射区可采用但不限于GaAs或GaInNAs等III-V族半导体材料，所述n型发射区厚度为50～150nm，掺杂浓度为5e17～5e18/cm3；
采用金属有机物化学气相沉积技术生长n型窗口层，所述n型窗口层的带隙需要高于GaInNAs材料，可采用但不限于GaInP、AlGaAs、或AlInP等带隙较宽的III-V族半导体材料，所述n型窗口层厚度为20～50nm、掺杂浓度为5e17～5e18/cm3；
步骤6：采用金属有机物化学气相沉积技术在GaInNAs子电池制备第二隧道结，所述第二隧道结生长温度为500～560℃，所述第二隧道结总厚度为25nm；
步骤7：采用金属有机物化学气相沉积技术在第二隧道结之上生长GaAs子电池，所述GaAs子电池包含p型背场、p型基区、n型发射区、n型窗口层，所述GaAs子电池生长温度为600～650℃，总厚度为3000～3500nm，GaAs材料带隙为1.42eV；
步骤8：采用金属有机物化学气相沉积技术在GaAs子电池之上生长第三隧道结，所述第三隧道结生长温度为500～560℃，所述第三隧道结总厚度为25nm；
步骤9：采用金属有机物化学气相沉积技术在第三隧道结之上生长AlGaInAs子电池，所述AlGaInAs子电池生长温度为650～700℃，总厚度为2000～3000nm，AlGaInAs材料带隙为1.72eV；
步骤10：采用金属有机物化学气相沉积技术在GaAs子电池之上生长第四隧道结，所述第四隧道结生长温度为500～560℃，所述第四隧道结总厚度为25nm；
步骤11：采用金属有机物化学气相沉积技术在第四隧道结之上生长AlGaInP子电池，所述AlGaInAs子电池生长温度为650～700℃，总厚度为300～600nm，AlGaInP材料带隙为2.08～2.18eV。
步骤12：对含嵌入式背场结构的多结太阳电池进行退火。
以上所述实施例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)
1.一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池，其特征在于：包括一个p型衬底以及三个或三个以上串联设置的子电池，各子电池与相邻结构保持晶格匹配，各子电池之间用隧穿结连接，且在所有的子电池中至少有一个子电池为含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池，该GaInNAs子电池包括由下至上按层状结构叠加的p型背场、非有意掺杂的GaInNAs基区、n型发射区、n型窗口层，其中，所述非有意掺杂的GaInNAs基区在靠近p型背场方向含有嵌入式背场结构，该嵌入式背场结构为与p型背场所用材料及掺杂条件一致的圆柱阵列，该圆柱阵列为远离空间电荷区而无法被有效收集的少子提供势垒，将少子反射回空间电荷区，从而提高少子收集效率。
2.根据权利要求1所述的一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池，其特征在于：所述p型背场采用带隙高于GaInNAs材料的III-V族半导体材料。
3.根据权利要求1所述的一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池，其特征在于：所述n型发射区采用III-V族半导体材料。
4.根据权利要求1所述的一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池，其特征在于：所述n型窗口层采用带隙高于GaInNAs材料的III-V族半导体材料。
5.根据权利要求1所述的一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池，其特征在于：所述p型衬底为Ge衬底或GaAs衬底。
6.一种权利要求1所述含嵌入式背场结构的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择一p型衬底；
步骤2：在p型衬底上，生长GaInNAs子电池之下的子电池；
步骤3：生长含有嵌入式背场结构的GaInNAs子电池，步骤依次为采用金属有机物化学气相沉积技术生长GaInNAs子电池的p型背场、在p型背场之上采用电子束刻蚀的方法制备图案化的SiO2掩膜、采用金属有机物化学气相沉积技术制备圆柱阵列、利用缓冲氧化物刻蚀液选择性腐蚀去除SiO2掩膜，以及采用金属有机物化学气相沉积技术依次生长非有意掺杂的GaInNAs基区、n型发射区及n型窗口层；
步骤4：在生长完GaInNAs子电池之后，生长GaInNAs子电池之上的子电池；
步骤5：对含嵌入式背场结构的多结太阳能电池进行退火。
7.根据权利要求6所述的一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于：各子电池与相邻结构保持晶格匹配，各子电池之间用隧穿结连接。
8.根据权利要求6所述的一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤1中所述p型衬底为Ge衬底或GaAs衬底；步骤2中所述GaInNAs子电池之下的子电池的带隙比GaInNAs子电池的带隙窄；步骤3中所述GaInNAs子电池的基区带隙在0.9～1.4eV之间；步骤4中所述GaInNAs子电池之上的子电池的带隙比GaInNAs子电池的带隙宽，且保证各子电池的带隙从下到上依次递增。
9.根据权利要求6所述的一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤3中所述p型背场厚度为100～150nm、掺杂浓度为1e18～1e19/cm3，所述非有意掺杂的GaInNAs基区厚度为1500～3000nm，所述n型发射区厚度为50～150nm、掺杂浓度为5e17～5e18/cm3，所述n型窗口层厚度为20～50nm、掺杂浓度为5e17～5e18/cm3。
10.根据权利要求6所述的一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤3中所述圆柱阵列采用与p型背场一样的材料与掺杂条件，该圆柱阵列直径为100～500nm，圆心距为5～10μm，高度为1000～1500nm。
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