CN108198891A - 太阳能电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开太阳能电池，包括Ge底电池，生长于Ge底电池之上的下隧穿结，生长于下隧穿结之上的InGaAs中电池，生长于InGaAs中电池之上的上隧穿结，生长于上隧穿结之上的GaInP顶电池，以及生长于GaInP顶电池之上的欧姆接触层，欧姆接触层吸收垂直入射光线；InGaAs中电池包括中电池发射区、上中电池基区和下中电池基区，上中电池基区之上生长中电池发射区，中电池发射区之上生长上隧穿结，上中电池基区与下中电池基区之间生长上波导层，下中电池基区与下隧穿结之间生长下波导层。本发明还公开太阳能电池制作方法。本发明提供不同结构的太阳能电池，同时提升电池转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是指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，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，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GaInP顶电池和InGaAs中电池与Ge底电池之间电流密度不匹配，限制光电转换效率的提高。因此，三结太阳能电池如何进一步调整中电池与顶电池和底电池的电流匹配成为亟待解决的问题。
现有技术中，提高子电池电流密度的一种途径是通过提高子电池InGaAs中的In组份，但高In组份会导致Ge底电池与InGaAs中电池之间较大晶格失配，产生失配位错和穿透位错，引起电池性能下降。
另一种途径是在InGaAs中电池中引入谐振腔的技术，使得光谱中可被InGaAs中电池的吸收区域绝大部分都在InGaAs中电池被吸收掉，从而提高InGaAs中电池电流密度。如公开号为CN 101958348A公开一种外延生长的侧向太阳能电池装置，具有外延生长表面，包含基板；第一波导层形成在该基板之上；p-n结形成在该第一波导层之上；隧穿结形成在该p-n结之上；第二波导层形成在该隧穿结之上；以及欧姆接触层形成在该第二波导层之上，其中该p-n结位于该外延生长表面与该基板之间，且光线入射方向与该外延生长表面平行。
与常规三结太阳电池相比，通过提高InGaAs中电池对光谱的吸收效率，调整与GaInP顶电池和Ge底电池的匹配电流，最终实现电池转换效率的提升。然而，所述外延生长的侧向太阳能电池装置为侧向结构，光线入射方向与该外延生长表面平行，其电池转换效率有待进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于提供太阳能电池及其制作方法，以提供不同结构的太阳能电池，同时提升电池转换效率。
为了达成上述目的，本发明的解决方案为：
太阳能电池，包括Ge底电池，生长于Ge底电池之上的下隧穿结，生长于下隧穿结之上的InGaAs中电池，生长于InGaAs中电池之上的上隧穿结，生长于上隧穿结之上的GaInP顶电池，以及生长于GaInP顶电池之上的欧姆接触层，欧姆接触层吸收垂直入射光线；InGaAs中电池包括中电池发射区、上中电池基区和下中电池基区，上中电池基区之上生长中电池发射区，中电池发射区之上生长上隧穿结，上中电池基区与下中电池基区之间生长上波导层，下中电池基区与下隧穿结之间生长下波导层。
入射光经欧姆接触层先进入顶电池后进入中电池，中电池吸收波段的光在上中电池基区吸收后，剩余部分通过上波导层反射再次被上中电池基区吸收，其余没被上中电池基区吸收的中电池吸收波段的光在上波导层与下波导层之间形成全反射的波导作用，充分被下中电池基区吸收。因此，提高中电池对特定波段的吸收效率，减少光下漏至底电池被吸收而造成电流失配；同时提供不同结构的太阳能电池，并提升电池转换效率。
进一步，上波导层和下波导层的材料分别为GaInP、AlGaInP、AlInP、GaAs、AlAs、AlGaAs、GaInAs、AlInAs、AlGaInAs中的一种或几种。
进一步，上波导层和下波导层分别为复合波导层，包括反射不同波段入射光的多个波导层，每一波导层包括双层循环结构，其中第一层的厚度D1＝(2K+1)*λ/4n1，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n1为该第一层材料的折射率，第二层的厚度D2＝(2K+1)*λ/4n2，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n2为第二层材料的折射率。
进一步，上波导层和下波导层分别包括反射不同波段入射光的第一上波导层、第二上波导层、第三上波导层、以及第一下波导层、第二下波导层、第三下波导层；其中第一上波导层和第一下波导层的第一层的厚度D11＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n1，第二层的厚度D21＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n2，第二上波导层和第二下波导层的第一层的厚度D12＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n1，第二层的厚度D22＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n2，第三上波导层和第三下波导层的第一层的厚度D13＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n1，第二层的厚度D23＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n2。
进一步，Ge底电池与下隧穿结之间生长成核层；下波导层与下中电池基区之间生长中电池BSF层；中电池发射区与上隧穿结之间生长中电池窗口层；GaInP顶电池由顶电池基区及顶电池发射区形成，顶电池基区与上隧穿结之间生长顶电池BSF层，顶电池基区之上生长顶电池发射区，顶电池发射区之上生长顶电池窗口层，顶电池窗口层之上生长欧姆接触层。
太阳能电池制作方法，包括以下步骤：采用金属有机化学气相外延沉积MOCVD或分子束外延MBE方法在Ge衬底上堆叠生长Ge底电池、下隧穿结、下波导层、下中电池基区、上波导层、上中电池基区、中电池发射区、上隧穿结、顶电池及欧姆接触层，欧姆接触层吸收垂直入射光线；中电池包括下中电池基区、上中电池基区和中电池发射区，中电池为InGaAs中电池，顶电池为GaInP顶电池。
进一步，还包括：在Ge底电池与下隧穿结之间生长成核层；在下波导层与下中电池基区之间生长中电池BSF层；在中电池发射区与上隧穿结之间生长中电池窗口层；上隧穿结之上生长顶电池BSF层，在顶电池BSF层之上生长顶电池基区，在顶电池基区之上生长顶电池发射区，在顶电池发射区之上生长顶电池窗口层，在顶电池窗口层之上生长欧姆接触层。
进一步，上波导层和下波导层的材料分别为GaInP、AlGaInP、AlInP、GaAs、AlAs、AlGaAs、GaInAs、AlInAs、AlGaInAs中的一种或几种。
进一步，下中电池基区的厚度小于上中电池基区的厚度。
进一步，上波导层和下波导层分别为复合波导层，包括反射不同波段入射光的多个波导层，每一波导层包括双层循环结构，其中第一层的厚度D1＝(2K+1)*λ/4n1，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n1为该第一层材料的折射率，第二层的厚度D2＝(2K+1)*λ/4n2，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n2为第二层材料的折射率。
进一步，上波导层和下波导层分别包括反射不同波段入射光的第一上波导层、第二上波导层、第三上波导层、以及第一下波导层、第二下波导层、第三下波导层；其中第一上波导层和第一下波导层的第一层的厚度D11＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n1，第二层的厚度D21＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n2，第二上波导层和第二下波导层的第一层的厚度D12＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n1，第二层的厚度D22＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n2，第三上波导层和第三下波导层的第一层的厚度D13＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n1，第二层的厚度D23＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n2。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的结构示意图。
标号说明
Ge底电池1 Ge衬底11
底电池发射区12 下隧穿结21
上隧穿结22 下波导层31
第一下波导层311 第二下波导层312
第三下波导层313 上波导层32
第一上波导层321 第二上波导层322
第三上波导层323 InGaAs中电池4
下中电池基区41 上中电池基区42
中电池发射区43 GaInP顶电池5
顶电池基区51 顶电池发射区52
欧姆接触层6 成核层7
中电池BSF层81 顶电池BSF层82
中电池窗口层91 顶电池窗口层92。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
请参阅图1所述，本发明揭示的太阳能电池，包括Ge底电池1，生长于Ge底电池1之上的下隧穿结21，生长于下隧穿结21之上的下波导层31，生长于下波导层31之上的InGaAs中电池4的下中电池基区41，生长于下中电池基区41之上的上波导层32，生长于上波导层32之上的InGaAs中电池4的上中电池基区42，生长于上中电池基区42之上的InGaAs中电池4的中电池发射区43，生长于InGaAs中电池4的中电池发射区43之上的上隧穿结22，生长于上隧穿结22之上的GaInP顶电池5，以及生长于GaInP顶电池5之上的欧姆接触层6，欧姆接触层6吸收垂直入射光线。
入射光经欧姆接触层6先进入GaInP顶电池5后进入InGaAs中电池4，InGaAs中电池4吸收波段的光在上中电池基区42吸收后，剩余部分通过上波导层32反射再次被上中电池基区42吸收，其余没被上中电池基区42吸收的InGaAs中电池4吸收波段的光在上波导层32与下波导层31之间形成全反射的波导作用，充分被下中电池基区41吸收，从而提高InGaAs中电池4对特定波段的吸收效率，减少光下漏至Ge底电池1被吸收而造成电流失配。
上波导层32和下波导层31的材料分别为GaInP、AlGaInP、AlInP、GaAs、AlAs、AlGaAs、GaInAs、AlInAs、AlGaInAs中的一种或几种。上波导层32和下波导层31分别为复合波导层，包括反射不同波段入射光的多个波导层，每一波导层包括双层循环结构，其中第一层的厚度D1＝(2K+1)*λ/4n1，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n1为该第一层材料的折射率，第二层的厚度D2＝(2K+1)*λ/4n2，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n2为第二层材料的折射率。上波导层32和下波导层31分别为复合波导层，复合波导层由反射不同波段入射光部分形成，从而尽量将太阳光全部吸收，进一步提高吸收效率。
如图1所示，本实施例中，上波导层32和下波导层31分别包括反射不同波段入射光的第一上波导层321、第二上波导层322和第三上波导层323，以及第一下波导层311、第二下波导层312和第三下波导层313三部分，图中显示为三部分层叠结构，不以层叠结构为限，可以为其它关系，如混合在一起，或者位于同一平面内等等。其中第一上波导层321和第一下波导层311的第一层的厚度D11＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n1，第二层的厚度D21＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n2，第二上波导层322和第二下波导层312的第一层的厚度D12＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n1，第二层的厚度D22＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n2，第三上波导层323和第三下波导层323的第一层的厚度D13＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n1，第二层的厚度D23＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n2。该上波导层32和下波导层31的三部分对应不同波段入射光，即该三部分分别对应太阳光的不同波段，从而尽量将太阳光全部吸收。
在Ge底电池1与下隧穿结21之间生长成核层7。下波导层31与下中电池基区41之间生长中电池BSF层81。中电池发射区43与上隧穿结22之间生长中电池窗口层91。GaInP顶电池51由顶电池基区51及顶电池发射区52形成，顶电池基区51与上隧穿结22之间生长顶电池BSF层82，顶电池基区51之上生长顶电池发射区52，顶电池发射区52之上生长顶电池窗口层92，顶电池窗口层92之上生长欧姆接触层6。Ge底电池1由Ge衬底11及底电池发射区12形成。
本发明还公开所述太阳能电池制作方法，包括以下步骤：采用金属有机化学气相外延沉积MOCVD或分子束外延MBE方法在Ge衬底11上堆叠生长Ge底电池1、下隧穿结21、下波导层31、下中电池基区41、上波导层32、上中电池基区42、中电池发射区43、上隧穿结22、顶电池5及欧姆接触层6，欧姆接触层6吸收垂直入射光线。中电池4包括下中电池基区41、上中电池基区42和中电池发射区43，中电池4为InGaAs中电池，顶电池5为GaInP顶电池。
在p型Ge衬底11上进行磷扩散获得n型发射区，形成了Ge底电池1的pn结，并通过在p型Ge衬底11上面生长和Ge衬底11晶格匹配的GaInP层作为成核层7，并作为底电池1的窗口层，增强对载流子的反射能力，有助于收集载流子。在成核层7上生长下隧穿结21，生长n型GaAs或n型GaInP作为下隧穿结21的N型层，生长p型GaAs材料作为下隧穿结21的P型层，其中N型和P型掺杂分别采用Si和C掺杂。
在下波导层31与下中电池基区41之间生长中电池BSF层81，下中电池基区41选取p型掺杂InGaAs材料，中电池BSF层81选取GaInP或AlGaAs材料。上中电池基区42选取p型掺杂InGaAs材料，中电池发射区43选取n型掺杂InGaAs，在中电池发射区43之上生长中电池窗口层91，中电池窗口层91选取AlGaInP或AlInP材料。优选为，下中电池基区41的厚度小于上中电池基区42的厚度。
生长n型GaAs或n型GaInP作为上隧穿结22的N型层，生长p型GaAs材料作为上隧穿结22的P型层，其中N型和P型掺杂分别采用Si和C掺杂。上隧穿结22之上生长顶电池BSF层82，在顶电池BSF层82之上生长顶电池基区51，在顶电池基区51之上生长顶电池发射区52，在顶电池发射区52之上生长顶电池窗口层92，在顶电池窗口层92之上生长欧姆接触层6。顶电池基区51为p型掺杂AlGaInP或GaInP层，顶电池发射区52为n型掺杂AlGaInP或GaInP层，顶电池窗口层92为AlInP窗口层。
上波导层32和下波导层31的材料分别为GaInP、AlGaInP、AlInP、GaAs、AlAs、AlGaAs、GaInAs、AlInAs、AlGaInAs中的一种或几种。上波导层32和下波导层31分别为复合波导层，包括反射不同波段入射光的多个波导层，每一波导层包括双层循环结构，其中第一层的厚度D1＝(2K+1)*λ/4n1，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n1为该第一层材料的折射率，第二层的厚度D2＝(2K+1)*λ/4n2，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n2为第二层材料的折射率。上波导层32和下波导层31分别为复合波导层，复合波导层由反射不同波段入射光部分形成，从而尽量将太阳光全部吸收，进一步提高吸收效率。
如图1所示，本实施例中，上波导层32和下波导层31分别包括反射不同波段入射光的第一上波导层321、第二上波导层322和第三上波导层323，以及第一下波导层311、第二下波导层312和第三下波导层313三部分，图中显示为三部分层叠结构，不以层叠结构为限，可以为其它关系，如混合在一起，或者位于同一平面内等等。其中第一上波导层321和第一下波导层311的第一层的厚度D11＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n1，第二层的厚度D21＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n2，第二上波导层322和第二下波导层312的第一层的厚度D12＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n1，第二层的厚度D22＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n2，第三上波导层323和第三下波导层323的第一层的厚度D13＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n1，第二层的厚度D23＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n2。该上波导层32和下波导层31的三部分对应不同波段入射光，即三部分分别对应太阳光的不同波段，从而尽量将太阳光全部吸收。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
Claims (11)
1.太阳能电池，其特征在于：包括Ge底电池，生长于Ge底电池之上的下隧穿结，生长于下隧穿结之上的InGaAs中电池，生长于InGaAs中电池之上的上隧穿结，生长于上隧穿结之上的GaInP顶电池，以及生长于GaInP顶电池之上的欧姆接触层，欧姆接触层吸收垂直入射光线；InGaAs中电池包括中电池发射区、上中电池基区和下中电池基区，上中电池基区之上生长中电池发射区，中电池发射区之上生长上隧穿结，上中电池基区与下中电池基区之间生长上波导层，下中电池基区与下隧穿结之间生长下波导层。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：上波导层和下波导层的材料分别为GaInP、AlGaInP、AlInP、GaAs、AlAs、AlGaAs、GaInAs、AlInAs、AlGaInAs中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：上波导层和下波导层分别为复合波导层，包括反射不同波段入射光的多个波导层，每一波导层包括双层循环结构，其中第一层的厚度D1＝(2K+1)*λ/4n1，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n1为该第一层材料的折射率，第二层的厚度D2＝(2K+1)*λ/4n2，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n2为第二层材料的折射率。
4.如权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于：上波导层和下波导层分别包括反射不同波段入射光的第一上波导层、第二上波导层、第三上波导层、以及第一下波导层、第二下波导层、第三下波导层；其中第一上波导层和第一下波导层的第一层的厚度D11＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n1，第二层的厚度D21＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n2，第二上波导层和第二下波导层的第一层的厚度D12＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n1，第二层的厚度D22＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n2，第三上波导层和第三下波导层的第一层的厚度D13＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n1，第二层的厚度D23＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n2。
5.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：Ge底电池与下隧穿结之间生长成核层；下波导层与下中电池基区之间生长中电池BSF层；中电池发射区与上隧穿结之间生长中电池窗口层；GaInP顶电池由顶电池基区及顶电池发射区形成，顶电池基区与上隧穿结之间生长顶电池BSF层，顶电池基区之上生长顶电池发射区，顶电池发射区之上生长顶电池窗口层，顶电池窗口层之上生长欧姆接触层。
6.太阳能电池制作方法，其特征在于：包括以下步骤：采用金属有机化学气相外延沉积MOCVD或分子束外延MBE方法在Ge衬底上堆叠生长Ge底电池、下隧穿结、下波导层、下中电池基区、上波导层、上中电池基区、中电池发射区、上隧穿结、顶电池及欧姆接触层，欧姆接触层吸收垂直入射光线；中电池包括下中电池基区、上中电池基区和中电池发射区，中电池为InGaAs中电池，顶电池为GaInP顶电池。
7.如权利要求6所述的太阳能电池制作方法，其特征在于：还包括：在Ge底电池与下隧穿结之间生长成核层；在下波导层与下中电池基区之间生长中电池BSF层；在中电池发射区与上隧穿结之间生长中电池窗口层；上隧穿结之上生长顶电池BSF层，在顶电池BSF层之上生长顶电池基区，在顶电池基区之上生长顶电池发射区，在顶电池发射区之上生长顶电池窗口层，在顶电池窗口层之上生长欧姆接触层。
8.如权利要求6所述的太阳能电池制作方法，其特征在于：上波导层和下波导层的材料分别为GaInP、AlGaInP、AlInP、GaAs、AlAs、AlGaAs、GaInAs、AlInAs、AlGaInAs中的一种或几种。
9.如权利要求6所述的太阳能电池制作方法，其特征在于：下中电池基区的厚度小于上中电池基区的厚度。
10.如权利要求6所述的太阳能电池制作方法，其特征在于：上波导层和下波导层分别为复合波导层，包括反射不同波段入射光的多个波导层，每一波导层包括双层循环结构，其中第一层的厚度D1＝(2K+1)*λ/4n1，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n1为该第一层材料的折射率，第二层的厚度D2＝(2K+1)*λ/4n2，K为自然数，λ为中电池吸收光谱波长，n2为第二层材料的折射率。
11.如权利要求9所述的太阳能电池制作方法，其特征在于：上波导层和下波导层分别包括反射不同波段入射光的第一上波导层、第二上波导层、第三上波导层、以及第一下波导层、第二下波导层、第三下波导层；其中第一上波导层和第一下波导层的第一层的厚度D11＝
(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n1，第二层的厚度D21＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱上限/4n2，第二上波导层和第二下波导层的第一层的厚度D12＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n1，第二层的厚度D22＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱中间/4n2，第三上波导层和第三下波导层的第一层的厚度D13＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n1，第二层的厚度D23＝(2K+1)*λ中电池吸收光谱下限/4n2。
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