CN110718599B - 一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池及制作方法，通过将组分阶变层中各层厚度，在设定方向上依次减小，进而减小了组分阶变层中随着纳米硬度减小和外延厚度增加后位错释放的几率，减少位错延伸至电池有源区影响性能的几率。或者，设置组分阶变层中各层之间的失配度依次减小，进一步可以减小组分阶变层中随着纳米硬度减小和外延厚度增加后位错释放的几率，减少位错延伸至电池有源区影响性能的几率。也就是说，本申请多结太阳能电池使得位错密度在整个变质缓冲层分布更加均匀，可减少位错之间的相互作用而减少这种相互作用导致产生的线位错缺陷TDD。

Description

一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池及制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体地说，涉及一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池及制作方法。
背景技术
太阳能电池可将太阳能直接转换为电能，是一种最有效的清洁能源形式。Ⅲ-V族化合物半导体太阳能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和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。
但是，传统的晶格匹配三结电池顶电池GaInP和中电池In0.01GaAs的电流密度远小于底电池Ge的电流密度，没有充分利用太阳光谱，限制了光电转换效率的提高。
提高太阳能电池转换效率的最有效途径是提高各子电池的带隙匹配程度，从而更合理的分配太阳光谱。改变各子电池的带隙需要通过改变三元甚至四元材料的组分配比，往往会导致各子电池间存在晶格失配产生残余应力和位错，进而影响电池性能。
在Ⅲ-V族太阳能电池结构的大失配材料外延中采用变质缓冲层可以有效释放晶格失配材料外延时产生残余应力和有效阻断位错向有源区的延伸。
变质缓冲层技术通常采用组分阶变法，一方面组分逐层增加达到目标晶格常数，另一方面每层采用相同组分，使位错钉扎在每一缓冲层的界面处，不向上延伸进入电池有源区。
传统变质缓冲层技术采用组分阶变法，可以把失配产生的大多数位错限制在相邻两层缓冲层的界面处而不向上延伸，但是，仍会有少量位错继续向上进入电池有源区影响电池器件的光电性能。
此外，组分阶变法的台阶数目，每层组分阶变量和台阶厚度都需要惊喜优化，导致工艺窗口较窄，且生产中的工艺波动更会导致其阻断位错和释放应力的效果变差。
并且，传统的组分阶变法往往采用相同厚度的组分阶变层实现，一方面In组分逐层增加使得晶格参数逐层增加，另一方面需要增加Al组分来避免变质缓冲层的吸光。但是，In组分的增加和Al组分的增加都会导致材料纳米硬度减小，临界厚度减小，更容易产生位错释放失配导致的应力。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池及制作方法，技术方案如下：
一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池，所述多结太阳能电池包括：
衬底；
在第一方向上依次设置在所述衬底上的第一子电池、第一隧穿结、变质缓冲层和第二子电池，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；
其中，所述变质缓冲层包括至少三层在所述第一方向上堆叠设置的组分阶变层；
在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层的厚度依次减小。
优选的，在上述多结太阳能电池中，在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层中各层之间的失配度依次减小。
优选的，在上述多结太阳能电池中，至少三层所述组分阶变层的晶格参数均大于所述第一子电池的晶格参数。
优选的，在上述多结太阳能电池中，至少三层所述组分阶变层的晶格参数，在所述第一方向上逐层增加。
优选的，在上述多结太阳能电池中，至少三层所述组分阶变层的In组分和Al组分，在所述第一方向上逐层增加。
优选的，在上述多结太阳能电池中，所述变质缓冲层还包括：
在所述第一方向上，依次设置在所述组分阶变层和所述第二子电池之间的过冲层和模板层；
其中，所述过冲层的晶格参数大于所述第二子电池的晶格参数；
所述模板层的晶格参数等于所述第二子电池的晶格参数。
优选的，在上述多结太阳能电池中，所述变质缓冲层的材料为AlGaInAs材料或GaInAs材料。
优选的，在上述多结太阳能电池中，所述多结太阳能电池还包括：
设置在所述变质缓冲层和所述第二子电池之间的DBR反射层。
优选的，在上述多结太阳能电池中，所述多结太阳能电池还包括：
在所述第一方向上，依次设置在所述第二子电池上的第二隧穿结、第三子电池和欧姆接触层。
一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上以第一方向依次形成第一子电池、第一隧穿结、变质缓冲层和第二子电池，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；
其中，所述变质缓冲层包括至少三层在所述第一方向上堆叠设置的组分阶变层；
在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层的厚度依次减小。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
基于背景技术可知，由于组分阶变层中各层In组分和Al组分增加，导致纳米硬度组成减小，导致临界厚度减小，随着外延厚度增大，越来越容易产生位错释放失配导致的应力。
本申请多结太阳能电池将组分阶变层中各层厚度，在设定方向上依次减小，进而减小了组分阶变层中随着纳米硬度减小和外延厚度增加后位错释放的几率，减少位错延伸至电池有源区影响性能的几率。
并且，设置组分阶变层中各层之间的失配度依次减小，进一步可以减小组分阶变层中随着纳米硬度减小和外延厚度增加后位错释放的几率，减少位错延伸至电池有源区影响性能的几率。
也就是说，本申请多结太阳能电池使得位错密度在整个变质缓冲层分布更加均匀，可减少位错之间的相互作用而减少这种相互作用导致产生的线位错缺陷TDD。
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具有变质缓冲层的多结太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种DBR反射层的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种第二子电池的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种第三子电池的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种第一隧穿结的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种第二隧穿结的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法的流程示意图；
图11为本发明实施例提供的另一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法的流程示意图；
图12为本发明实施例提供的又一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法的流程示意图；
图13为本发明实施例提供的又一种具有变质缓冲层的多结太阳能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具有变质缓冲层的多结太阳能电池的结构示意图。
所述多结太阳能电池包括：
衬底11；
在第一方向上依次设置在所述衬底11上的第一子电池12、第一隧穿结13、变质缓冲层14和第二子电池16，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；
其中，所述变质缓冲层14包括至少三层在所述第一方向上堆叠设置的组分阶变层15；
在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层15的厚度依次减小，或者各层之间的失配度依次减小。
在该实施例中，基于背景技术可知，由于组分阶变层中各层In组分和Al组分增加，导致纳米硬度组成减小，导致临界厚度减小，随着外延厚度增大，越来越容易产生位错释放失配导致的应力。
本申请多结太阳能电池将组分阶变层15中各层厚度，在设定方向上依次减小，进而减小了组分阶变层15中随着纳米硬度减小和外延厚度增加后位错释放的几率，减少位错延伸至电池有源区影响性能的几率。
并且，设置组分阶变层15中各层之间的失配度依次减小，进一步可以减小组分阶变层中随着纳米硬度减小和外延厚度增加后位错释放的几率，减少位错延伸至电池有源区影响性能的几率。
也就是说，本申请多结太阳能电池使得位错密度在整个变质缓冲层分布更加均匀，可减少位错之间的相互作用而减少这种相互作用导致产生的线位错缺陷TDD。
需要说明的是，图1中组分阶变层的层数以三层为例进行示意，其可根据实际需求而定组分阶变层的层数，例如五层或七层或八层等。
其中，所述第一子电池和所述第二子电池的失配度a＝(B-A)/A*100％，A为第一子电池的晶格参数，B为第二子电池的晶格参数。
组分阶变层各层之间的失配度，例如，第一层组分阶变层和第二层组分阶变层的失配度b＝(D-C)/C*100％，C为第一层组分阶变层的晶格参数，D为第二层组分阶变层的晶格参数。
进一步的，基于本发明上述实施例，至少三层所述组分阶变层15的晶格参数均大于所述第一子电池12的晶格参数。
进一步的，基于本发明上述实施例，至少三层所述组分阶变层15的晶格参数，在所述第一方向上逐层增加。
进一步的，基于本发明上述实施例，至少三层所述组分阶变层15的In组分和Al组分，在所述第一方向上逐层增加。
在该实施例中，相比较现有技术而言，即使，在本申请中将组分阶变层15的In组分和Al组分逐层增加，也不会造成现有技术中存在的缺陷。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的另一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的结构示意图。
所述变质缓冲层14还包括：
在所述第一方向上，依次设置在所述组分阶变层15和所述第二子电池16之间的过冲层17和模板层18；
其中，所述过冲层17的晶格参数大于所述第二子电池16的晶格参数；
所述模板层18的晶格参数等于所述第二子电池16的晶格参数。
在该实施例中，所述变质缓冲层14的材料包括但不限定为AlGaInAs材料或GaInAs材料。也就是说，所述组分阶变层15、所述过冲层17和所述模板层18的材料包括但不限定为AlGaInAs材料或GaInAs材料。
需要说明的是，所述过冲层17和所述模板层18的厚度可根据实际需求而定，在本发明实施例中并不作限定。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图3，图3为本发明实施例提供的又一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的结构示意图。
所述多结太阳能电池还包括：
设置在所述变质缓冲层14和所述第二子电池16之间的DBR反射层19。
在该实施例中，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种DBR反射层的结构示意图，所述DBR反射层19包括：在所述第一方向上重复交叠设置的第一介质层20和第二介质层21；
其中，重复交叠设置周期为n，3≤n≤30。
需要说明的是，所述重复交叠设置周期可根据实际情况而定，在本发明实施例中并不作限定。
其中，所述第一介质层20的材料为AlxInzGaAs材料；所述第二介质层21的材料为AlyInzGaAs材料；
其中，0≤x＜y≤1，0.01≤z≤0.03。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的结构示意图。
所述多结太阳能电池还包括：
在所述第一方向上，依次设置在所述第二子电池16上的第二隧穿结22、第三子电池23和欧姆接触层24。
在该实施例中，参考图6，图6为本发明实施例提供的一种第二子电池的结构示意图，所述第二子电池16包括在第一方向上依次设置的背场层25、p型掺杂InGaAs层基区26、n型掺杂InGaAs层发射区27和窗口层28。
其中，所述背场层25的材料包括但不限定于GaInP材料或AlGaAs材料。
参考图7，图7为本发明实施例提供的一种第三子电池的结构示意图，所述第三子电池23包括在第一方向上依次设置的AlGaInP背场层29、p型掺杂AlGaInP或GaInP层基区30、n型掺杂AlGaInP或GaInP层发射区31和AlInP窗口层32。
参考图8，图8为本发明实施例提供的一种第一隧穿结的结构示意图，所述第一隧穿结13包括在第一方向上依次设置的第一N型层33和第一P型层34，所述第一N型层33为n型GaAs层或n型GaInP层，所述第一P型层34为p型(Al)GaAs层，其中，第一N型层33和第一P型层34的掺杂元素分别为Si和C。
参考图9，图9为本发明实施例提供的一种第二隧穿结的结构示意图，所述第二隧穿结22包括在第一方向上依次设置的第二N型层35和第二P型层36，所述第二N型层35为n型InGaAs层或n型GaInP层，所述第二P型层36为p型(Al)InGaAs层，其中，第二N型层35和第二P型层36的掺杂元素分别为Si和C。
其中，所述欧姆接触层24的材料包括但不限定为InGaAs材料。
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具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法，参考图10，图10为本发明实施例提供的一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法的流程示意图。
所述制作方法包括：
S101：提供一衬底；
S102：在所述衬底上以第一方向依次形成第一子电池、第一隧穿结、变质缓冲层和第二子电池，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；
其中，所述变质缓冲层包括至少三层在所述第一方向上堆叠设置的组分阶变层；
在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层的厚度依次减小，或者各层之间的失配度依次减小。
在该实施例中，所述第一子电池具有由第一晶格常数材料构成的pn结，所述第二子电池具有由第二晶格常数材料构成的pn结，其中第一晶格常数比第二晶格常数至少小0.001nm。
下面对形成第一子电池和所述第一隧穿结的具体过程进行阐述。
在p型Ge衬底上进行磷扩散获得n型发射区，形成第一子电池的pn结，并通过在p型Ge衬底上生长和衬底晶格匹配的(Al)GaInP层作为成核层，并作为第一子电池的窗口层。
在第一子电池上生长n型GaAs或n型GaInP作为第一隧穿结的第一N型层，生长p型(Al)GaAs作为第一隧穿结的第一P型层，其中，第一N型层和第一P型层的掺杂元素分别为Si和C。
需要说明的是，图1中组分阶变层的层数以三层为例进行示意，其可根据实际需求而定组分阶变层的层数，例如五层或七层或八层等。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图11，图11为本发明实施例提供的另一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法的流程示意图，所述制作方法包括：
S201：提供一衬底；
S202：在所述衬底上以第一方向依次形成第一子电池、第一隧穿结和至少三层堆叠设置的组分阶变层；
S203：在形成至少三层所述组分阶变层时，在所述第一方向上，在顶层所述组分阶变层上依次设置过冲层和模板层；
S204：在所述模板层上形成第二子电池。
其中，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；在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层的厚度依次减小，且各层之间的失配度依次减小。
需要说明的是，至少三层堆叠设置的组分阶变层、过冲层和模板层构成变质缓冲层。
在该实施例中，所述过冲层和所述模板层的厚度可根据实际需求而定，在本发明实施例中并不作限定。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图12，图12为本发明实施例提供的又一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法的流程示意图，所述制作方法包括：
S301：提供一衬底；
S302：在所述衬底上以第一方向依次形成第一子电池、第一隧穿结和至少三层堆叠设置的组分阶变层；
S303：在形成至少三层所述组分阶变层时，在所述第一方向上，在顶层所述组分阶变层上依次设置过冲层和模板层；
S304：在形成所述模板层时，在所述模板层背离所述过冲层的一侧形成DBR反射层；
S305：在所述DBR反射层上形成第二子电池。
其中，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；在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层的厚度依次减小，且各层之间的失配度依次减小。
在该实施例中，所述DBR反射层包括：在所述第一方向上重复交叠设置的第一介质层和第二介质层；
其中，重复交叠设置周期为n，3≤n≤30。
需要说明的是，所述重复交叠设置周期可根据实际情况而定，在本发明实施例中并不作限定。
其中，所述第一介质层的材料为AlxInzGaAs材料；所述第二介质层的材料为AlyInzGaAs材料；
其中，0≤x＜y≤1，0.01≤z≤0.03。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图13，图13为本发明实施例提供的又一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法的流程示意图，所述制作方法包括：
S401：提供一衬底；
S402：在所述衬底上以第一方向依次形成第一子电池、第一隧穿结和至少三层堆叠设置的组分阶变层；
S403：在形成至少三层所述组分阶变层时，在所述第一方向上，在顶层所述组分阶变层上依次设置过冲层和模板层；
S404：在形成所述模板层时，在所述模板层背离所述过冲层的一侧形成DBR反射层；
S405：在所述DBR反射层上形成第二子电池；
S406：在所述第二子电池上以所述第一方向依次形成第二隧穿结、第三子电池和欧姆接触层。
其中，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；在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层的厚度依次减小，且各层之间的失配度依次减小。
需要说明的是，在本申请全部实施例中，多结太阳能电池和制作方法的实施例部分其原理和阐述均可共用，相同之处不再阐述。
以上对本发明所提供的一种具有变质缓冲层的多结太阳能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 (8)

1.一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池，其特征在于，所述多结太阳能电池包括：
衬底；
在第一方向上依次设置在所述衬底上的第一子电池、第一隧穿结、变质缓冲层和第二子电池，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；
其中，所述变质缓冲层包括至少三层在所述第一方向上堆叠设置的组分阶变层；
在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层的厚度依次减小；
其中，至少三层所述组分阶变层的In组分和Al组分，在所述第一方向上逐层增加；
所述变质缓冲层的材料为AlGaInAs材料或GaInAs材料。
2.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于，在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层中各层之间的失配度依次减小。
3.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于，至少三层所述组分阶变层的晶格参数均大于所述第一子电池的晶格参数。
4.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于，至少三层所述组分阶变层的晶格参数，在所述第一方向上逐层增加。
5.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于，所述变质缓冲层还包括：
在所述第一方向上，依次设置在所述组分阶变层和所述第二子电池之间的过冲层和模板层；
其中，所述过冲层的晶格参数大于所述第二子电池的晶格参数；
所述模板层的晶格参数等于所述第二子电池的晶格参数。
6.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于，所述多结太阳能电池还包括：
设置在所述变质缓冲层和所述第二子电池之间的DBR反射层。
7.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于，所述多结太阳能电池还包括：
在所述第一方向上，依次设置在所述第二子电池上的第二隧穿结、第三子电池和欧姆接触层。
8.一种具有变质缓冲层的多结太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上以第一方向依次形成第一子电池、第一隧穿结、变质缓冲层和第二子电池，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；
其中，所述变质缓冲层包括至少三层在所述第一方向上堆叠设置的组分阶变层；
在所述第一方向上，至少三层所述组分阶变层的厚度依次减小；
其中，至少三层所述组分阶变层的In组分和Al组分，在所述第一方向上逐层增加；
所述变质缓冲层的材料为AlGaInAs材料或GaInAs材料。
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