CN111509056A - 可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构，生长在太阳电池的吸收层上方，包含具有不同掺杂浓度的多层掺杂材料层，各层掺杂材料层的掺杂浓度由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层增加，以在窗口层结构内部形成强电场分布和能带弯曲，实现对窗口层结构内的光生电子空穴对的分离与输运，提高太阳电池在窗口层结构吸收谱段的量子效率。本发明在不影响太阳电池电压特性的前提下，降低入射光能量的损失，改善太阳电池的电流特性，提升太阳电池能量转换效率。

Description

可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构
技术领域
本发明涉及一种太阳电池的窗口层结构，具体是指一种可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构。
背景技术
太阳电池指的是能有效吸收太阳能，并将其转换成电能的半导体部件。该太阳电池采用硅、硒等半导体材料将太阳能转换成电能，具有可靠性高、寿命长、转换效率高等优点，可用于人造卫星、航标灯、晶体管收音机等的电源。
现有技术中，太阳电池的核心区域为由不同导电类型的半导体吸收层材料构成的PN结，通过形成的内建电场对入射光产生的电子空穴对进行分离，并形成定向输运。考虑到半导体吸收层材料在界面处存在的缺陷、位错等，在太阳电池的结构设计与实际制备过程中，通常会增加设置辅助功能层，如窗口层、背场层等，在能带结构中引入少子(少数载流子)势垒，减少由载流子复合造成的能量损失，从而改善太阳电池的能量转换效率。
但是，辅助功能层的引入，特别是位于太阳电池前表面处的窗口层，无可避免的会吸收部分入射光，从而造成可被太阳电池的半导体吸收层收集利用的光子数量减少。因此目前通常采用带隙明显宽于半导体吸收层的材料来制作窗口层，并且窗口层的厚度也应较薄，通常控制在100nm以内，使得窗口层尽可能少的吸收入射光。
现有技术中，尽管在太阳电池的结构设计时对窗口层材料与厚度的选择做出诸多考量，但由于材料对光的吸收程度与其厚度呈指数增长的关系，因此窗口层仍然还是会吸收大量的光子能量高于其带隙的入射光。而这部分被吸收的光子产生的电子空穴对，由于无法在窗口层内有效地进行分离输运，绝大部分将再次以载流子复合的形式进行能量耗散，其中只有极少部分能够扩散至太阳电池吸收层中，并被PN结的内建电场进行分离从而被有效利用。因此，在太阳电池的量子效率谱中，在太阳电池响应的短波区域(即窗口层吸收段)，窗口层内电子空穴对极低的利用效率，致使太阳电池的整体量子效率显著降低，且降幅直接由窗口层材料的消光系数决定。这极大地限制了太阳电池的输出电流的大小。
目前，这种由于窗口层吸收光子造成的太阳电池性能受限，在单结太阳电池、多结太阳电池以及级联太阳电池中均有体现。
基于上述，本发明提出一种可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构，通过在窗口层内构建电场，实现对窗口层内电子空穴对的有效分离与输运，提高太阳电池的量子效率短波响应，改善太阳电池的电流特性，可解决现有技术中存在的缺陷和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构，具有很强的内建电场，实现对窗口层结构内部的光生电子空穴对的分离与输运，提高太阳电池在窗口层结构吸收谱段的量子效率，改善太阳电池的电流特性，提升太阳电池能量转换效率。
为实现上述目的，本发明提供一种可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构，生长在太阳电池的吸收层上方，包含具有不同掺杂浓度的多层掺杂材料层，各层掺杂材料层的掺杂浓度由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层增加，以在窗口层结构内部形成强电场分布和能带弯曲，实现对窗口层结构内的光生电子空穴对的分离与输运，提高太阳电池在窗口层结构吸收谱段的量子效率。
优选的，各层掺杂材料层采用具有相同带隙的材料，且各层掺杂材料层所采用的材料的带隙高于吸收层所采用的材料的带隙。
优选的，各层掺杂材料层采用具有不同带隙的材料，且各层掺杂材料层所采用的材料的带隙高于吸收层所采用的材料的带隙，且各层掺杂材料层的带隙由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层增加。
其中，各层掺杂材料层所采用的材料的带隙比吸收层所采用的材料的带隙高0.2～1.0eV。
优选的，各层掺杂材料层的厚度由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层降低。
优选的，最靠近吸收层的掺杂材料层的掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3，厚度为50～200nm。
优选的，最远离吸收层的掺杂材料层的掺杂浓度为5×1018～5×1020cm-3，厚度为10～50nm。
本发明还提供一种可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池，其包含依次在衬底上生长的背场层、吸收层和窗口层结构。
综上所述，本发明提供的可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构，通过对构成窗口层结构的各层掺杂材料层进行不同程度的掺杂，使窗口层结构内部的能带结构发生大幅弯曲，形成很强的内建电场分布，实现对窗口层结构内部的光生电子空穴对的分离与输运，大幅改善窗口层结构附加吸收产生的电子空穴对的利用效率，提高太阳电池在窗口层结构吸收谱段(短波区域)的量子效率，在不影响太阳电池电压特性的前提下，降低入射光能量的损失，改善太阳电池的电流特性，提升太阳电池能量转换效率。
附图说明
图1为本发明中可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构的一种实施例的示意图；
图2为本发明中包含第二种实施例的窗口层结构的太阳电池的示意图；
图3为本发明中第二种实施例的窗口层结构与传统窗口层结构相比较的量子效率谱的示意图；
图4为本发明中第二种实施例的窗口层结构与传统窗口层结构相比较的表面反射谱的示意图。
具体实施方式
通过阅读参照图1～图4所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的特征、目的和优点将会变得更明显。参见示出本发明实施例的图1～图4，下文将更详细的描述本发明。然而，本发明可以由许多不同形式实现，并且不应解释为受到在此提出的实施例的限制。
本发明所提供的可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构，生长在太阳电池的吸收层上方，包含具有不同掺杂浓度的多层掺杂材料层，各层掺杂材料层的掺杂浓度由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层增加(即最靠近吸收层的掺杂材料层的掺杂浓度最低)，以在窗口层结构内部形成较强的电场分布，形成大幅能带弯曲，实现对窗口层结构内的光生电子空穴对的分离与输运，从而提高太阳电池在窗口层结构吸收谱段的量子效率，改善太阳电池的电流特性。
所述的能带弯曲(Band Bending)是指，对电子而言，越是顺着电场方向，其电势越低，其势能就越大。因此，顺着电场方向，电子所处的能级越来越高，于是便发生弯曲。
在本发明的一个优选实施例中，各层掺杂材料层采用具有相同带隙的材料，且各层掺杂材料层所采用的材料的带隙显著高于吸收层所采用的材料的带隙。
在本发明的一个优选实施例中，各层掺杂材料层采用具有不同带隙的材料，且各层掺杂材料层所采用的材料的带隙显著高于吸收层所采用的材料的带隙，且各层掺杂材料层的带隙由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层增加(即最靠近吸收层的掺杂材料层的带隙最小)。
其中，各层掺杂材料层所采用的材料的带隙比吸收层所采用的材料的带隙高0.2～1.0eV。优选的，各层掺杂材料层所采用的材料的带隙比吸收层所采用的材料的带隙高0.3eV或0.5eV。
在本发明的一个优选实施例中，各层掺杂材料层的厚度由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层降低(即最靠近吸收层的掺杂材料层最厚)。
具体的，最靠近吸收层的掺杂材料层的掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3，厚度为50～200nm。
具体的，最远离吸收层的掺杂材料层的掺杂浓度为5×1018～5×1020cm-3，厚度为10～50nm。
如图2所示，为包含本发明所提供的窗口层结构的太阳电池的示意图。该太阳电池采用低气压金属有机物气相沉积设备在P型InP(磷化铟)衬底1上生长形成，包含：依次在衬底1上生成的背场层2、吸收层和窗口层结构。
其中，所述的背场层2形成在衬底1上，使用P型InP材料，厚度为100nm，掺杂浓度为5×1017cm-3。其中，所述的吸收层使用In0.62Ga0.38As0.81P0.19(铟镓砷磷)材料，其带隙为0.85eV。该吸收层包含生长在背场层2上的P型基区3，以及生长在P型基区3上的N型发射区4；P型基区3的厚度为3500nm，掺杂浓度为5×1016cm-3，N型发射区4的厚度为100nm，掺杂浓度为1×1018cm-3。
在本实施例中，所述的窗口层结构生长在N型发射区4上，使用双层具有不同掺杂浓度的掺杂材料层构成，两层掺杂材料层均采用N型InP材料，带隙相同，为1.34eV，明显高于吸收层0.85eV的带隙。具体的，其中靠近N型发射区4的掺杂材料层5为厚度较厚的低掺杂材料层，掺杂浓度为2×1018cm-3，厚度为70nm。而远离N型发射区4的掺杂材料层5为厚度较薄的高掺杂材料层，掺杂浓度为3×1019cm-3，厚度为30nm。
根据上述实施例所提供的包含本发明窗口层结构的太阳电池，采用标准III-V族太阳电池流片工艺制得，并与使用传统窗口层结构的太阳电池进行比较。在比较时，为避免由于窗口层厚度引起的差异，传统太阳电池的窗口层结构的厚度与本发明的一致，均为100nm。
比较结果如图3所示，其中，实线表示本发明窗口层结构的量子效率，点划线表示传统窗口层结构的量子效率。很明显能够看出，采用本发明窗口层结构的In0.62Ga0.38As0.81P0.19太阳电池，在400～900nm波长范围内的量子效率明显大幅高于采用传统窗口层结构的同类太阳电池。同时如图4所示，实线表示本发明窗口层结构的表面反射率，点划线表示传统窗口层结构的表面反射率，可看出两者具有近乎完全相同的表面反射曲线，这说明太阳电池的量子效率的提高并非由于器件光学结构(如窗口层结构厚度)的改变而引起。另外也注意到，本发明在量子效率的提升范围截止于920nm附近，与本发明窗口层结构采用的InP材料的带隙(1.34eV)基本吻合。这也意味着本发明提供的太阳电池的窗口层结构有效的实现了对窗口层结构中附加吸收产生的光生电子空穴对的利用，因此太阳电池的电流密度也得到了提升。
如图1所示，为本发明提供的窗口层结构的另一种实施例的示意图。在本实施例中，太阳电池的吸收层20使用Ga0.52In0.48P材料(镓铟磷)材料，其带隙为1.91eV，该吸收层包含P型基区与N型发射区4。所述的窗口层结构10生长在N型发射区4上，包含三层带隙依次增高、掺杂浓度依次增大、厚度依次减小的掺杂材料层。具体的，靠近N型发射区4的掺杂材料层5为厚度最厚、带隙最小的低掺杂材料层，使用材料为Al0.51In0.49P(磷化铟铝)材料，其带隙为2.29eV，掺杂浓度为5×1017cm-3，厚度为100nm。在掺杂材料层5上生长的掺杂材料层7为厚度稍薄、带隙稍大的中等掺杂材料层，使用材料为Al0.54In0.46P材料，其带隙为2.30eV，掺杂浓度为1×1018cm-3，厚度为70nm。在掺杂材料层7上生长的掺杂材料层6为厚度最薄、带隙最大的高掺杂材料层，使用材料为Al0.6In0.4P材料，其带隙为2.31eV，掺杂浓度为3×1018cm-3，厚度为10nm。
相比图2所示的实施例，图1所示的实施例中，窗口层结构包含三层掺杂材料层，且按照由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序，三层掺杂材料层的掺杂浓度依次增大、带隙依次增高、厚度依次减小。并且，这三层掺杂材料的带隙均明显高于吸收层的带隙。
综上所述，本发明提供的可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构，通过对构成窗口层结构的各层掺杂材料层进行不同程度的掺杂，使窗口层结构内部的能带结构发生大幅弯曲，形成很强的内建电场分布，实现对窗口层结构内部的光生电子空穴对的分离与输运，大幅改善窗口层结构附加吸收产生的电子空穴对的利用效率，提高太阳电池在窗口层结构吸收谱段(短波区域)的量子效率，在不影响太阳电池电压特性的前提下，降低入射光能量的损失，改善太阳电池的电流特性，提升太阳电池能量转换效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池的窗口层结构，其特征在于，该窗口层结构生长在太阳电池的吸收层上方，包含具有不同掺杂浓度的多层掺杂材料层；
各层掺杂材料层的掺杂浓度由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层增加，以在窗口层结构内部形成强电场分布和能带弯曲，实现对窗口层结构内的光生电子空穴对的分离与输运，提高太阳电池在窗口层结构吸收谱段的量子效率。
2.如权利要求1所述的窗口层结构，其特征在于，各层掺杂材料层采用具有相同带隙的材料，且各层掺杂材料层所采用的材料的带隙高于吸收层所采用的材料的带隙。
3.如权利要求1所述的窗口层结构，其特征在于，各层掺杂材料层采用具有不同带隙的材料，且各层掺杂材料层所采用的材料的带隙高于吸收层所采用的材料的带隙，且各层掺杂材料层的带隙由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层增加。
4.如权利要求2或3所述的窗口层结构，其特征在于，各层掺杂材料层所采用的材料的带隙比吸收层所采用的材料的带隙高0.2～1.0eV。
5.如权利要求1所述的窗口层结构，其特征在于，各层掺杂材料层的厚度由最靠近吸收层至最远离吸收层的次序逐层降低。
6.如权利要求5所述的窗口层结构，其特征在于，最靠近吸收层的掺杂材料层的掺杂浓度为5×1017～5×1018cm-3，厚度为50～200nm。
7.如权利要求5所述的窗口层结构，其特征在于，最远离吸收层的掺杂材料层的掺杂浓度为5×1018～5×1020cm-3，厚度为10～50nm。
8.一种可有效利用窗口层内电子空穴对的太阳电池，其特征在于，包含：依次在衬底上生长的背场层、吸收层和如权利要求1～7中任一项所述的窗口层结构。
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