CN107546287B - 一种太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种太阳能电池及其制作方法，所述太阳能电池包括依次层叠设置且晶格匹配的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池，所述第二子电池中包括多量子阱结构；其中，所述多量子阱结构包括交叉层叠的多层势阱层和多层势垒层，以及位于所述势阱层和所述势垒层之间的缓冲过渡层。所述缓冲过渡层能够更为精确的平衡应力，减少缺陷，并且可以改善多量子阱结构中势阱层和势垒层之间的界面处出现原子互扩散的问题。

Description

一种太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池制作技术领域，尤其涉及一种太阳能电池及其制作方法。
背景技术
太阳能电池可将太阳能直接转换为电能，是一种清洁能源利用装置。III-V族化合物半导体太阳电池在目前材料体系中转换效率最高，同时具有耐高温性能好、抗辐照能力强等优点，被公认为是新一代高性能长寿命空间主电源，其中GaInP/InGaAs/Ge晶格匹配结构的三结电池已在航天领域得到广泛应用。
传统的晶格匹配三结电池中顶电池GaInP和中电池InGaAs与底电池Ge之间电流密度存在不匹配，限制了光电转换效率的提高。因此，三结电池如何进一步调整顶中电池的匹配电流成为亟待解决的问题。
现有技术中提出了在PN结的本征层中加入多量子阱结构(MQW)，利用应变平衡等外延生长技术，可以较好地解决晶格失配的问题，由于量子阱结构引入了中间能级，使得电池的光谱响应得到扩展，从而达到提高电池的短路电流的目的。与常规三结太阳电池相比，通过拓展GaAs中电池的光谱响应，调整顶中电池的匹配电流，最终实现电池转换效率的提升。
尽管通过平衡应力的方法能够减少晶体缺陷，但由于GaAsP的周期性高势垒阻碍了载流子的输运，降低太阳电池的开路电压Voc和填充因子FF，而且需要足够多的MQW数目对于收集光子提高太阳电池性能至关重要，但是过多的MQW数目会带来过多的界面。界面处存在原子扩散问题，从而影响太阳能电池的光电性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种太阳能电池及其制作方法，以解决现有技术中多量子阱结构的势阱层和势垒层之间的界面处存在原子互相扩散的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种太阳能电池，包括：
依次层叠设置且晶格匹配的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池，所述第二子电池中包括多量子阱结构；
其中，所述多量子阱结构包括交叉层叠的多层势阱层和多层势垒层，以及位于所述势阱层和所述势垒层之间的缓冲过渡层。
优选地，所述第一子电池为Ge底电池，所述第二子电池为包含多量子阱结构的InGaAs中电池，所述第三子电池为GaInP或AlGaInP顶电池。
优选地，所述多量子阱结构中势阱层的材质为InxGa1-xAs；势垒层的材质为GaAs1- yPy；其中，x的取值范围为0-0.3，包括0.3；y的取值范围为0-0.5，包括0.5。
优选地，当所述势阱层材料为InxGa1-xAs，且x<0.1时，所述缓冲过渡层的材质为GaAs；
当所述势阱层材料为InxGa1-xAs，且x≥0.1时，所述缓冲过渡层的材质为InzGaAs，其中，0<z<x。
优选地，所述缓冲过渡层的厚度范围为0.3nm-3nm，包括端点值。
优选地，多层所述缓冲过渡层中至少存在一层缓冲过渡层厚度与其余缓冲过渡层的厚度不同。
优选地，所述多量子阱结构的周期数为2-100，包括端点值。
优选地，所述势阱层的厚度范围为1nm-10nm，包括端点值；所述势垒层的厚度范围为1nm-20nm，包括端点值。
本发明还提供一种太阳能电池制作方法，用于制作形成上面任意一项所述的太阳能电池，所述太阳能电池制作方法包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一子电池、位于所述第一子电池上的第一隧穿结、位于所述第一隧穿结上的背场层，以及位于所述背场层上的基区；
在所述基区背离所述衬底表面形成多量子阱结构中的第一层；
在所述第一层上形成第一缓冲过渡层；
在所述第一缓冲过渡层上形成所述多量子阱结构中的第二层；
在所述第二层上形成第二缓冲过渡层；
重复形成所述第一层、所述第一缓冲过渡层、所述第二层、所述第二缓冲过渡层的步骤，形成包括多个所述第一层、所述第一缓冲过渡层、所述第二层和所述第二缓冲过渡层的多量子阱结构；
在所述多量子阱结构上形成发射区；
在所述发射区上形成窗口层，以完成第二子电池的结构；
在所述第二子电池上形成第二隧穿结；
在所述第二隧穿结上形成第三子电池。
优选地，在所述多量子阱结构中的每层结构生长结束后，停止通入所有的反应源，保留通入运载所述反应源的载气预设时间，所述预设时间为0.5s-10s，包括端点值。
优选地，所述第一层为势阱层，所述第二层为势垒层；或者所述第一层为势垒层，所述第二层为势阱层。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的太阳能电池，包括依次层叠设置且晶格匹配的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池，所述第二子电池中包括多量子阱结构；其中，所述多量子阱结构包括交叉层叠的多层势阱层和多层势垒层，以及位于所述势阱层和所述势垒层之间的缓冲过渡层。所述缓冲过渡层能够有效避免应变势阱层和应变势垒层直接相接时界面间的不受控的应力弛豫和不清晰的界面，从而可以更为精确的平衡应力，减少缺陷，并改善多量子阱结构中势阱层和势垒层之间的界面处出现原子互扩散的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多量子阱结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种太阳能电池的制作方法流程图；
图4为本发明实施例提供的一种生长停顿方法流程示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中界面处存在原子扩散问题，从而影响太阳能电池的光电性能。
具体地，应力平衡量子阱结构设计通常采用InGaAs材料作为势阱层，GaAsP材料作为势垒层，InGaAs与GaAsP界面处主要存在两个问题：一、生长InGaAs材料时会在InGaAs/GaAsP界面形成In分凝(indiumsegregation)效应导致In会扩散进入其他层材料；二、As原子和P原子会在界面处互相扩散。从而影响含量子阱结构的太阳电池的光电性能。
基于此，本发明提供一种太阳能电池，包括：
依次层叠设置且晶格匹配的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池，所述第二子电池中包括多量子阱结构；
其中，所述多量子阱结构包括交叉层叠的多层势阱层和多层势垒层，以及位于所述势阱层和所述势垒层之间的缓冲过渡层。
本发明提供的太阳能电池，包括依次层叠设置且晶格匹配的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池，所述第二子电池中包括多量子阱结构；其中，所述多量子阱结构包括交叉层叠的多层势阱层和多层势垒层，以及位于所述势阱层和所述势垒层之间的缓冲过渡层。所述缓冲过渡层能够有效避免应变势阱层和应变势垒层直接相接时界面间的不受控的应力弛豫和不清晰的界面，从而可以更为精确的平衡应力，减少缺陷，并改善多量子阱结构中势阱层和势垒层之间的界面处出现原子互扩散的问题。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种太阳能电池，如图1所示，包括依次层叠设置且晶格匹配的第一子电池1、第一隧穿结J1、第二子电池2、第二隧穿结J2和第三子电池3，第二子电池2中包括多量子阱结构23；其中，如图2所示，多量子阱结构23包括交叉层叠的多层势阱层231和多层势垒层233，以及位于势阱层231和势垒层233之间的原子层厚度级别的缓冲过渡层232。
本实施例中不限定第一子电池1、第二子电池2、第三子电池3的具体材质，只要三个子电池之间晶格匹配即可。可选的，本实施例中第一子电池1为Ge底电池，第二子电池2为包含多量子阱结构的InGaAs中电池，第三子电池3为GaInP或AlGaInP顶电池。
基于上述第一子电池1、第二子电池2和第三子电池3的材料，本实施例中，为使各层之间的晶格匹配度较高，可选的，多量子阱结构23中势阱层231的材质为InxGa1-xAs；势垒层233的材质为GaAs1-yPy；其中，x的取值范围为0-0.3，包括右端点值0.3；y的取值范围为0-0.5，包括右端点值0.5。
需要说明的是，本实施例中缓冲过渡层232的作用为进一步平衡势垒层和势阱层界面处的应力，以减小缺陷产生，从而改善界面问题。因此，本实施例中对缓冲过渡层232的材质不做限定，只要能够减小界面缺陷产生，平衡多量子阱结构中的势阱层231和势垒层233之间的应力即可。可选的，缓冲过渡层232的材质可以根据势阱层231中In组分的量进行选择设置。如，当势阱层231为InxGa1-xAs，且其中x取值较小时，也即In组分较少时，可选的，x<0.1时，缓冲过渡层232的材质为GaAs，使得缓冲过渡层232与势阱层231的晶格更加匹配，从而平衡应力；而当势阱层231为InxGa1-xAs，且其中x取值较大时，也即In组分较多时，可选的，x≥0.1时，缓冲过渡层232的材质为InzGaAs，其中，0<z<x，使得缓冲过渡层232与势阱层231的晶格更加匹配，从而有效平衡势阱层231和势垒层233界面处的应力。
本实施例中不限定多量子阱结构的周期，可选的，多量子阱结构23的周期数为2-100，包括端点值。本实施例中也不限定多量子阱结构23中势阱层231、势垒层233以及缓冲过渡层232的厚度，可选的，势阱层231的厚度范围为1nm-10nm，包括端点值；势垒层233的厚度范围为1nm-20nm，包括端点值。需要说明的是，本实施例中缓冲过渡层的厚度为原子厚度量级的，如果厚度较厚，会导致多量子阱的能带结构发生变化影响器件性能，因此，本实施例中可选的，缓冲过渡层232的厚度范围为0.3nm-3nm，包括端点值。
需要说明的是，本实施例中所述的厚度范围为每一层势阱层、势垒层或缓冲过渡层的厚度，而对于多量子阱结构中包括多层势阱层、势垒层和缓冲过渡层的情况下，每层势阱层的厚度可以是相同的，也可以是薄厚交替的，还可以是逐渐变薄或逐渐变厚的；同样的，每层势垒层的厚度可以是相同的，可以是薄厚交替的，还可以是逐渐变薄或逐渐变厚的；而缓冲过渡层的也同上；而且，本实施例中不限定势阱层、势垒层和缓冲过渡层厚度变化趋势是否相同，可以相同也可以不相同，本实施例中不再进行赘述。
本实施例中不限定各个膜层结构的制作方法，可选的，采用MOCVD(Metal-organicChemical Vapor Deposition，金属有机化学气相外延沉积)或MBE(Molecular BeamEpitaxy，分子束外延)方法在Ge衬底上生长而成。
本发明提供的太阳能电池，包括依次层叠设置且晶格匹配的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池，所述第二子电池中包括多量子阱结构；其中，所述多量子阱结构包括交叉层叠的多层势阱层和多层势垒层，以及位于所述势阱层和所述势垒层之间的缓冲过渡层。所述缓冲过渡层能够有效避免应变势阱层和应变势垒层直接相接时界面间的不受控的应力弛豫和不清晰的界面，从而可以更为精确的平衡应力，减少缺陷，并改善多量子阱结构中势阱层和势垒层之间的界面处出现原子互扩散的问题。
本发明还提供一种太阳能电池制作方法，用于制作形成上一实施例中所述的太阳能电池，制作所述太阳能电池的原料包括：
采用高纯N2或高纯H2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯AsH3作为As源，高纯PH3作为P源，金属有机源三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMA1)作为铝源，n型掺杂剂为硅烷(SiH4)或者乙硅烷(Si2H6)，p型掺杂剂为二乙基锌(DEZn)和四氯化碳(CCl4)，衬底为锗衬底。
请参见图3，所述太阳能电池制作方法包括：
S101：提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一子电池、位于所述第一子电池上的第一隧穿结、位于所述第一隧穿结上的背场层，以及位于所述背场层上的基区；
具体地，参见图1所示结构，所述半导体衬底形成工艺包括：
提供Ge衬底；
对所述Ge衬底进行p型掺杂，形成p型Ge衬底11；
在p型Ge衬底11上进行磷扩散获得n型发射区12，形成了第一子电池的pn结，并通过在p型Ge衬底上面生长和衬底晶格匹配的(Al)GaInP层作为成核层13，并作为第一子电池的窗口层；
生长n型GaAs或n型GaInP作为第一隧穿结J1的N型层；生长p型GaAs材料或AlGaAs材料作为第一隧穿结J1的P型层。
以上各层的材质为本发明实施例中的示例，本实施例中各层结构还可以是其他材质，只要满足晶格匹配即可，本实施例中对此不做限定，以下所用材质也只是示例，本发明实施例中不再进行赘述。
本实施例中在生长完第一子电池1和第一隧穿结J1后，在第一隧穿结背离p型Ge衬底11的表面形成第二子电池2的背场层21，本实施例中背场层选取GaInP材料或AlGaAs材料，以保证与第一隧穿结J1的晶格匹配。
在背场层21背离p型Ge衬底11的表面形成p型掺杂InGaAs层基区。
S102：在所述基区背离所述衬底表面形成多量子阱结构中的第一层；
S103：在所述第一层上形成第一缓冲过渡层；
S104：在所述第一缓冲过渡层上形成所述多量子阱结构中的第二层；
S105：在所述第二层上形成第二缓冲过渡层；
S106：重复形成所述第一层、所述第一缓冲过渡层、所述第二层、所述第二缓冲过渡层的步骤，形成包括多个所述第一层、所述第一缓冲过渡层、所述第二层和所述第二缓冲过渡层的多量子阱结构；
以上步骤S102-S106为形成多量子阱结构的具体制作方法，主要是形成势阱层和势垒层的叠层结构，并在每层势阱层和势垒层之间都插入一层缓冲过渡层。
需要说明的是，本实施例中不限定势阱层和势垒层的具体层数，以及势阱层与势垒层的位置关系，可选的，第一层为势阱层，第二层为势垒层；或者第一层为势垒层，第二层为势阱层。
多量子阱结构的周期为2-100，包括端点值；其中，多周期InxGa1-xAs/GaAs1-yPy量子阱结构层包括势阱层InGaAs和势垒层GaAsP，其中，x的取值范围为0-0.3，包括右端点值0.3；y的取值范围为0-0.5，包括右端点值0.5。势阱层InGaAs的厚度为1nm-10nm，包括端点值；势垒层GaAsP厚度1nm-20nm，包括端点值。在势阱层InGaAs和势垒层GaAsP中间插入一层0.3nm-3nm的GaAs或InzGaAs缓冲过渡层，0<z<x。
本实施例中不限定多量子阱结构中各层结构生长方式，可选的，在生长多量子阱结构中的各层结构时，采用的生长方式为生长停顿方法，即在所述多量子阱结构中的每层结构生长结束后，停止通入所有的反应源，保留通入运载所述反应源的载气预设时间，所述预设时间为0.5s-10s，包括端点值。
请参见图4所示，生长停顿方法包括：
S102：生长一层势阱层；
对应上面步骤中的S102：形成多量子阱结构中的第一层，本实施例中以第一层为势阱层，第二层为势垒层为例进行说明。
S1021：关闭反应源，只通入载气，生长停顿一定时间；
S103：生长一层缓冲过渡层；
对应上面步骤中的S103：在所述第一层上形成第一缓冲过渡层；
S1031：再次关闭反应源，只通入载气，生长停顿一定时间；
S104：然后生长一层势垒层；
对应上面步骤中的S104：在所述第一缓冲过渡层上形成多量子阱结构中的第二层；
S1041：再关闭反应源，只通入载气，生长停顿一定时间；
S105：生长一层缓冲过渡层；
对应上面步骤中的S105：在所述第二层上形成第二缓冲过渡层；
依次类推，生长多层势阱层、缓冲过渡层和势垒层的叠层结构，形成多量子阱层。
为了保证缓冲过渡层能够不受界面处原子互扩散的影响，得到界面清晰的材料，本实施例中采用生长停顿方法生长得到多量子阱结构中的各层结构；采用生长停顿的方法生长，一方面，可以为势阱层和势垒层中的As化物与P化物之间的界面转换提供足够的时间来获得清晰的界面避免了原子扩散；另一方面可以避免生长InGaAs层后在其表面产生的In分凝扩散进入在其上生长的缓冲过渡层材料。
本实施例中不限定生长停顿的具体时间，由于生长停顿时间太短不能改善界面问题，时间过长会对外延层质量会有不良影响，因此，本实施例中可选的，生长停顿的时间设计为0.5s-10s，包括端点值。
本发明通过采用在势阱层InGaAs和势垒层GaAsP之间插入一层缓冲过渡层材料，并且利用生长停顿的方法，可以更为精准的平衡应力以减小缺陷产生和有效的改善界面问题，最终可以显著调高太阳电池的光电性能。
S107：在所述多量子阱结构上形成发射区；
请继续参见图1，在多量子阱结构23上形成第二子电池的发射区24；本实施例中发射区24的材质为n型掺杂InGaAs层。
S108：在所述发射区上形成窗口层，以完成第二子电池的结构；
请继续参见图1，在发射区24上形成窗口层25，其中，窗口层25的材质优选取我AlGaInP材料或AlInP材料。
S109：在所述第二子电池上形成第二隧穿结；
在第二子电池2上生长n型GaAs或n型GaInP作为第二隧穿结J2的N型层，生长p型GaAs或p型AlGaAs材料作为第二隧穿结J2的P型层。
S1010：在所述第二隧穿结上形成第三子电池。
第三子电池3从下往上依次包括AlGaInP背场层、p型掺杂AlGaInP或GaInP基区、n型掺杂AlGaInP或GaInP发射区、AlInP窗口层。
最后生长GaAs或InGaAs层作为与太阳能电池的电极形成欧姆接触的N型欧姆接触层。
本发明提供的太阳能电池制作方法，用于制作包括三结子电池，且第二子电池中包括有多量子阱结构，所述多量子阱结构包括多个势阱层和多个势垒层，在每层势阱层和每层势垒层之间还设置有原子层厚度级别的缓冲过渡层的太阳能电池，所述缓冲过渡层能够有效避免应变势阱层和应变势垒层直接相接时界面间的不受控的应力弛豫和不清晰的界面，从而可以更为精确的平衡应力，减少缺陷，并改善多量子阱结构中势阱层和势垒层之间的界面处出现原子互扩散的问题。
本实施例中还采用生长停顿方式进行多量子阱结构的制作，一方面，可以为势阱层和势垒层中的As化物与P化物之间的界面转换提供足够的时间来获得清晰的界面避免了原子扩散；另一方面可以避免生长InGaAs层后在其表面产生的In分凝扩散进入在其上生长的缓冲过渡层材料。从而可以更为精准的平衡应力以减小缺陷产生和有效的改善界面问题，最终可以显著调高太阳电池的光电性能。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
依次层叠设置且晶格匹配的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池，所述第二子电池中包括多量子阱结构；
其中，所述多量子阱结构包括交叉层叠的多层势阱层和多层势垒层，以及位于所述势阱层和所述势垒层之间的缓冲过渡层；
其中，所述第一子电池为Ge底电池，所述第二子电池为包含多量子阱结构的InGaAs中电池，所述第三子电池为GaInP或AlGaInP顶电池；
所述多量子阱结构中势阱层的材质为InxGa1-xAs；势垒层的材质为GaAs1-yPy；其中，x的取值范围为0-0.3，包括0.3；y的取值范围为0-0.5，包括0.5；
当所述势阱层材料为InxGa1-xAs，且x<0.1时，所述缓冲过渡层的材质为GaAs；
当所述势阱层材料为InxGa1-xAs，且x≥0.1时，所述缓冲过渡层的材质为InzGaAs，其中，0<z<x。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述缓冲过渡层的厚度范围为0.3nm-3nm，包括端点值。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，多层所述缓冲过渡层中至少存在一层缓冲过渡层厚度与其余缓冲过渡层的厚度不同。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述多量子阱结构的周期数为2-100，包括端点值。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述势阱层的厚度范围为1nm-10nm，包括端点值；所述势垒层的厚度范围为1nm-20nm，包括端点值。
6.一种太阳能电池制作方法，其特征在于，用于制作形成权利要求1-5任意一项所述的太阳能电池，所述太阳能电池制作方法包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底包括第一子电池、位于所述第一子电池上的第一隧穿结、位于所述第一隧穿结上的背场层，以及位于所述背场层上的基区；
在所述基区背离所述衬底表面形成多量子阱结构中的第一层；
在所述第一层上形成第一缓冲过渡层；
在所述第一缓冲过渡层上形成所述多量子阱结构中的第二层；
在所述第二层上形成第二缓冲过渡层；
重复形成所述第一层、所述第一缓冲过渡层、所述第二层、所述第二缓冲过渡层的步骤，形成包括多个所述第一层、所述第一缓冲过渡层、所述第二层和所述第二缓冲过渡层的多量子阱结构；
在所述多量子阱结构上形成发射区；
在所述发射区上形成窗口层，以完成第二子电池的结构；
在所述第二子电池上形成第二隧穿结；
在所述第二隧穿结上形成第三子电池。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池制作方法，其特征在于，在所述多量子阱结构中的每层结构生长结束后，停止通入所有的反应源，保留通入运载所述反应源的载气预设时间，所述预设时间为0.5s-10s，包括端点值。
8.根据权利要求6或7所述的太阳能电池制作方法，其特征在于，所述第一层为势阱层，所述第二层为势垒层；或者所述第一层为势垒层，所述第二层为势阱层。
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