CN110112236B - 一种砷化镓多结太阳电池及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种砷化镓多结太阳电池及制作方法，该砷化镓多结太阳电池中，第一隧穿结和所述第二隧穿结的结构相同，通过在n型GaInP层和p型AlGaAs层之间插入一个GaAs薄层，与GaInP层和AlGaAs层相比，GaAs层具有更低的电子有效质量，更高的掺杂效率，因此可以获得更薄的耗尽区宽度和更短的隧穿深度，其相比GaInP层和AlGaAs层更低的带隙也会形成三明治的量子阱结构减少隧穿深度，最终获得更高的峰值隧穿电流密度。此外，GaAs层还可以作为过渡层，有效抑制P原子和掺杂剂向AlGaAs层的扩散，可以获得组分陡峭的界面，改善隧穿结的隧穿电流和热稳定性。

Description

一种砷化镓多结太阳电池及制作方法
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，更具体地说，涉及一种砷化镓多结太阳电池及制作方法。
背景技术
太阳电池用于将太阳能直接转换为电能，是一种最有效的清洁能源形势。砷化镓多结太阳电池凭借其较高的转换效率、优良的抗辐射性能、稳定的温度特性和易于规模化生产等优势，已全面取代Si太阳电池成为空间飞行器的主要电源。
在砷化镓多结太阳电池结构中，引入隧穿结可实现子电池间的串联，解决子电池直接相连导致的电池反偏，实现光生载流子的良好输运，提高了多结电池的转换效率。
理想隧穿结应具有高晶体质量、高掺杂浓度和薄隧穿结厚度等特点；具有至少比下一结子电池更宽的带隙，降低隧穿结对入射光吸收造成的光辐照电流损失；具有高峰值的隧穿电流，满足聚光砷化镓多结太阳电池大电流输运的要求；具有较低的串联电阻，以减小其对电池开路电压的损耗等。
1980年美国北卡罗来纳州立大学(NCSU)的Bedair等人第一次将隧穿结在砷化镓多结太阳电池中应用，采用的是n-AlGaAs/p-AlGaAs结构。由于减少隧穿结吸光的要求，同样来自该机构的Jung等人在1993年发明了
n-GaInP/p-AlGaAs这种宽带隙的隧穿结结构。此后该结构被广泛应用在商业化的砷化镓多结太阳电池结构中。
但是此隧穿结结构的隧穿电流和热稳定性还不能满足更高性能砷化镓多结太阳电池的要求。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种砷化镓多结太阳电池及制作方法，技术方案如下：
一种砷化镓多结太阳电池，所述砷化镓多结太阳电池包括：
衬底；
依次设置在所述衬底上的第一子电池、第一隧穿结、DBR反射层、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池；
其中，所述第一隧穿结和所述第二隧穿结的结构相同，所述第一隧穿结包括在第一方向上依次设置的n型GaInP层、GaAs层和p型AlGaAs层；
所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述第一子电池。
优选的，所述第一子电池为Ge底电池。
优选的，所述第二子电池为InGaAs中电池。
优选的，所述第三子电池为(Al)GaInP顶电池。
优选的，所述n型GaInP层的掺杂元素为Si或Se或Te；
所述n型GaInP层的掺杂浓度为5E18-5E19，包括端点值。
优选的，所述p型AlGaAs层的掺杂元素为C或Zn或Mg；
所述p型AlGaAs层的掺杂浓度为1E19-2E20，包括端点值。
优选的，所述GaAs层的厚度为1nm-10nm，包括端点值。
优选的，所述GaAs层为n型掺杂，掺杂元素为Si或Se或Te，掺杂浓度为5E18-5E19，包括端点值。
优选的，所述GaAs层为p型掺杂，掺杂元素为C或Zn或Mg，掺杂浓度为1E19-2E20，包括端点值。
一种砷化镓多结太阳电池的制作方法，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次设置第一子电池、第一隧穿结、DBR反射层、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池；
其中，所述第一隧穿结和所述第二隧穿结的结构相同，所述第一隧穿结包括在第一方向上依次设置的n型GaInP层、GaAs层和p型AlGaAs层；
所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述第一子电池。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
该砷化镓多结太阳电池中，第一隧穿结和所述第二隧穿结的结构相同，通过在n型GaInP层和p型AlGaAs层之间插入一个GaAs薄层，与GaInP层和AlGaAs层相比，GaAs层具有更低的电子有效质量，更高的掺杂效率，因此可以获得更薄的耗尽区宽度和更短的隧穿深度，其相比GaInP层和AlGaAs层更低的带隙也会形成三明治的量子阱结构减少隧穿深度，最终获得更高的峰值隧穿电流密度。
此外，GaAs层还可以作为过渡层，有效抑制P原子和掺杂剂向AlGaAs层的扩散，可以获得组分陡峭的界面，改善隧穿结的隧穿电流和热稳定性。
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砷化镓多结太阳电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第一子电池的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第二子电池的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的第三子电池的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种砷化镓多结太阳电池的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种砷化镓多结太阳电池的结构示意图，所述砷化镓多结太阳电池包括：
衬底11；
依次设置在所述衬底上的第一子电池12、第一隧穿结13、DBR反射层14、第二子电池15、第二隧穿结16和第三子电池17；
其中，所述第一隧穿结13和所述第二隧穿结16的结构相同，所述第一隧穿结13包括在第一方向上依次设置的n型GaInP层131、GaAs层132和p型AlGaAs层133；
所述第一方向垂直于所述衬底11，且由所述衬底11指向所述第一子电池12。
在该实施例中，第一隧穿结13和所述第二隧穿结16的结构相同，通过在n型GaInP层和p型AlGaAs层之间插入一个GaAs薄层，与GaInP层和AlGaAs层相比，GaAs层具有更低的电子有效质量，更高的掺杂效率，因此可以获得更薄的耗尽区宽度和更短的隧穿深度，其相比GaInP层和AlGaAs层更低的带隙也会形成三明治的量子阱结构减少隧穿深度，最终获得更高的峰值隧穿电流密度。
此外，GaAs层还可以作为过渡层，有效抑制P原子和掺杂剂向AlGaAs层的扩散，可以获得组分陡峭的界面，改善隧穿结的隧穿电流和热稳定性。
进一步的，所述第一子电池12为Ge底电池。
参考图2，图2为本发明实施例提供的第一子电池的结构示意图，所述第一子电池12包括：
在所述第一方向上依次设置在所述衬底上的第一发射区21和成核区22。
在该实施例中，所述第一子电池12的结构仅仅以举例的形式进行说明，在本发明实施例中并不作限定。
进一步的，所述第二子电池15为InGaAs中电池。
参考图3，图3为本发明实施例提供的第二子电池的结构示意图，所述第二子电池15包括：
在所述第一方向上依次设置在所述DBR反射层14上的第一背场层31、第一基区32、第二发射区33和第一窗口层34。
在该实施例中，所述第二子电池15的结构仅仅以举例的形式进行说明，在本发明实施例中并不作限定。
进一步的，所述第三子电池17为(Al)GaInP顶电池。
参考图4，图4为本发明实施例提供的第三子电池的结构示意图，所述第三子电池17包括：
在所述第一方向上依次设置在所述第二隧穿结16上的第二背场层41、第二基区42、第三发射区43、第二窗口层44和接触层45。
在该实施例中，所述第三子电池17的结构仅仅以举例的形式进行说明，在本发明实施例中并不作限定。
进一步的，所述n型GaInP层的掺杂元素包括但不限定为Si或Se或Te；
其中，所述n型GaInP层的掺杂浓度为5E18-5E19，包括端点值。
进一步的，所述p型AlGaAs层的掺杂元素包括但不限定为C或Zn或Mg；
其中，所述p型AlGaAs层的掺杂浓度为1E19-2E20，包括端点值。
进一步的，所述GaAs层的厚度为1nm-10nm，包括端点值。
其中，所述GaAs层的厚度为3nm或7nm或9nm。
进一步的，所述GaAs层为n型掺杂；
其中，其掺杂元素包括但不限定为Si或Se或Te，掺杂浓度为5E18-5E19，包括端点值。
进一步的，所述GaAs层为p型掺杂；
其中，其掺杂元素包括但不限定为C或Zn或Mg，掺杂浓度为1E19-2E20，包括端点值。
基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种砷化镓多结太阳电池的制作方法，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种砷化镓多结太阳电池的制作方法的流程示意图，所述制作方法包括：
S501：提供一衬底；
S502：在所述衬底上依次设置第一子电池、第一隧穿结、DBR反射层、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池；其中，所述第一隧穿结和所述第二隧穿结的结构相同，所述第一隧穿结包括在第一方向上依次设置的n型GaInP层、GaAs层和p型AlGaAs层；所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述第一子电池。
在该实施例中，通过该制作方法形成的砷化镓多结太阳电池，其第一隧穿结和所述第二隧穿结的结构相同，通过在n型GaInP层和p型AlGaAs层之间插入一个GaAs薄层，与GaInP层和AlGaAs层相比，GaAs层具有更低的电子有效质量，更高的掺杂效率，因此可以获得更薄的耗尽区宽度和更短的隧穿深度，其相比GaInP层和AlGaAs层更低的带隙也会形成三明治的量子阱结构减少隧穿深度，最终获得更高的峰值隧穿电流密度。
此外，GaAs层还可以作为过渡层，有效抑制P原子和掺杂剂向AlGaAs层的扩散，可以获得组分陡峭的界面，改善隧穿结的隧穿电流和热稳定性。
以上对本发明所提供的一种砷化镓多结太阳电池及制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (9)

1.一种砷化镓多结太阳电池，其特征在于，所述砷化镓多结太阳电池包括：
衬底；
依次设置在所述衬底上的第一子电池、第一隧穿结、DBR反射层、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池；
其中，所述第一隧穿结和所述第二隧穿结的结构相同，所述第一隧穿结包括在第一方向上依次设置的n型GaInP层、GaAs层和p型AlGaAs层，所述n型GaInP层的掺杂浓度为5E18-5E19，包括端点值，所述p型AlGaAs层的掺杂浓度为1E19-2E20，包括端点值，所述GaAs层为过渡层，所述GaAs层的厚度为1nm-10nm，包括端点值；
所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述第一子电池。
2.根据权利要求1所述的砷化镓多结太阳电池，其特征在于，所述第一子电池为Ge底电池。
3.根据权利要求1所述的砷化镓多结太阳电池，其特征在于，所述第二子电池为InGaAs中电池。
4.根据权利要求1所述的砷化镓多结太阳电池，其特征在于，所述第三子电池为（Al）GaInP顶电池。
5.根据权利要求1所述的砷化镓多结太阳电池，其特征在于，所述n型GaInP层的掺杂元素为Si或Se或Te。
6.根据权利要求1所述的砷化镓多结太阳电池，其特征在于，所述p型AlGaAs层的掺杂元素为C或Zn或Mg。
7.根据权利要求1所述的砷化镓多结太阳电池，其特征在于，所述GaAs层为n型掺杂，掺杂元素为Si或Se或Te，掺杂浓度为5E18-5E19，包括端点值。
8.根据权利要求1所述的砷化镓多结太阳电池，其特征在于，所述GaAs层为p型掺杂，掺杂元素为C或Zn或Mg，掺杂浓度为1E19-2E20，包括端点值。
9.一种砷化镓多结太阳电池的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次设置第一子电池、第一隧穿结、DBR反射层、第二子电池、第二隧穿结和第三子电池；
其中，所述第一隧穿结和所述第二隧穿结的结构相同，所述第一隧穿结包括在第一方向上依次设置的n型GaInP层、GaAs层和p型AlGaAs层，所述n型GaInP层的掺杂浓度为5E18-5E19，包括端点值，所述p型AlGaAs层的掺杂浓度为1E19-2E20，包括端点值，所述GaAs层为过渡层，所述GaAs层的厚度为1nm-10nm，包括端点值；
所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述第一子电池。
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