CN111834474A - 一种三结太阳能电池的制备方法和三结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例公开了一种三结太阳能电池的制备方法和三结太阳能电池，在衬底上形成第一接触层后，在第一接触层上形成第一电池，在第一电池上形成第一隧道结，在第一隧道结上形成第二电池，在第二电池上形成第二隧道结，在第二隧道结上形成第三电池，在第三电池上形成第二接触层，得到三结太阳能电池。第一电池为禁带宽度最大的顶电池，第二电池为中电池，第三电池为禁带宽度最小的底电池。相较于禁带宽度较小的底电池，顶电池与GaAs材料之间的晶格常数匹配性更好，因此，这种采用倒装方式制备的电池相较于正装方式具有更少的缺陷，得到的三结太阳能电池性能更好。

Description

一种三结太阳能电池的制备方法和三结太阳能电池
技术领域
本发明实施例涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种三结太阳能电池的制备方法和三结太阳能电池。
背景技术
随着节能减排运动的兴起，以太阳能光伏为代表的可再生清洁能源得到快速发展。传统的三结太阳能电池一般在Ge衬底上形成，Ge基多结太阳能电池，价格昂贵，生产成本高，难以进入民用市场。在制备太阳能电池的过程中，通常先制备底电池，再制备中电池，最后制备顶电池，由于衬底材料和底电池材料的晶格匹配性差，导致制备的电池存在较多的缺陷。此外，由于传统的三结电池中顶电池和中电池与底电池Ge之间电流密度存在不匹配，导致电路中电性能的损耗，限制了光电转换效率的提高。
在实现应用过程中，发明人发现有的制备太阳能电池的过程中，通常先制备底电池，再制备中电池，最后制备顶电池，由于衬底材料和底电池材料的晶格匹配性差，导致制备的电池存在较多的缺陷。
发明内容
本发明要解决现有的制备太阳能电池的过程中，通常先制备底电池，再制备中电池，最后制备顶电池，由于衬底材料和底电池材料的晶格匹配性差，导致制备的电池存在较多的缺陷的问题。
针对以上技术问题，本发明的实施例提供了一种三结太阳能电池的制备方法，包括：
在衬底上形成第一接触层，在所述第一接触层上形成第一电池，并在所述第一电池上形成第一隧道结；
在所述第一隧道结上形成第二电池，并在所述第二电池上形成第二隧道结；
在所述第二隧道结上形成第三电池，并在所述第三电池上形成第二接触层；
其中，所述第一电池的禁带宽度大于所述第二电池的禁带宽度，所述第二电池的禁带宽度大于所述第三电池的禁带宽度。
本发明的实施例提供了一种由上述方法制备的三结太阳能电池，包括第一接触层、第一电池、第一隧道结、第二电池、第二隧道结、第三电池和第二接触层；
所述第一电池在所述第一接触层上形成，所述第一隧道结在所述第一电池上形成，所述第二电池在所述第一隧道结上形成，所述第二隧道结在所述第二电池上形成，所述第三电池在所述第二隧道结上形成，所述第二接触层在所述第三电池上形成。
本发明的实施例提供了一种三结太阳能电池的制备方法和三结太阳能电池，在衬底上形成第一接触层后，在第一接触层上形成第一电池，在第一电池上形成第一隧道结，在第一隧道结上形成第二电池，在第二电池上形成第二隧道结，在第二隧道结上形成第三电池，在第三电池上形成第二接触层，得到三结太阳能电池。第一电池为禁带宽度最大的顶电池，第二电池为中电池，第三电池为禁带宽度最小的底电池。相较于禁带宽度较小的底电池，顶电池与GaAs材料之间的晶格常数匹配性更好，因此，这种采用倒装方式制备的电池相较于正装方式具有更少的缺陷，得到的三结太阳能电池性能更好。
此外，第三电池采用禁带宽度渐变的渐变量子阱结构，扩宽了电池的光谱响应范围，底电池与中电池，顶电池的禁带宽度连续，从而使三结电池电流密度匹配，提高光电转化效率。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例提供的一种三结太阳能电池的制备方法的流程示意图；
图2是本发明另一个实施例提供的制备三结太阳能电池的层结构示意图；
图3是本发明另一个实施例提供的三结太阳能电池的底电池的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
图1为本实施例提供的三结太阳能电池的制备方法的流程示意图，参见图1，该方法包括：
101：在衬底上形成第一接触层，在所述第一接触层上形成第一电池，并在所述第一电池上形成第一隧道结；
102：在所述第一隧道结上形成第二电池，并在所述第二电池上形成第二隧道结；
103：在所述第二隧道结上形成第三电池，并在所述第三电池上形成第二接触层；
其中，所述第一电池的禁带宽度大于所述第二电池的禁带宽度，所述第二电池的禁带宽度大于所述第三电池的禁带宽度。
衬底作为形成三结太阳能电池的模具，通常在形成第二接触层后，需将衬底与第一接触层剥离。第一接触层的材料通常与衬底的材料相同，本实施例采用GaAs形成衬底和第一接触层，GaAs价格便宜，便于三结太阳能电池的推广应用。第一电池的禁带宽度最大，为顶电池，第三电池的禁带宽度最小，为底电池。本实施例提供的方法中，在形成三结太阳能电池时采用倒装的生长方式，最先形成顶电池，最后形成底电池。GaAs与禁带宽度较大的材料具有较好的晶格匹配度，在第一接触层上形成顶电池时晶格匹配性较好，因此采用这种倒装的生长方式制备的电池大大降低了电池内部的缺陷，提高了电池性能。
图2为本实施例提供的制备三结太阳能电池的层结构示意图，参见图2，在制备三结太阳能电池时，依次形成第一接触层40，第一电池50、第一隧道结60、第二电池70、第二隧道结80、第三电池90和第二接触层100。第一电池为顶电池，禁带宽度为1.7-2.2eV。第二电池为中电池，禁带宽度为1.3-1.6eV。第三电池为底电池，禁带宽度为0.7-1.1eV。
本实施例提供了一种三结太阳能电池的制备方法，在衬底上形成第一接触层后，在第一接触层上形成第一电池，在第一电池上形成第一隧道结，在第一隧道结上形成第二电池，在第二电池上形成第二隧道结，在第二隧道结上形成第三电池，在第三电池上形成第二接触层，得到三结太阳能电池。第一电池为禁带宽度最大的顶电池，第二电池为中电池，第三电池为禁带宽度最小的底电池。相较于禁带宽度较小的底电池，禁带宽度较大的顶电池与衬底上的第一接触层之间的晶格常数匹配性更好，因此，这种采用倒装方式制备的电池相较于正装方式具有更少的缺陷，得到的三结太阳能电池性能更好。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述在所述第二隧道结上形成第三电池，包括：
在所述第二隧道结上形成层数等于预设层数的量子阱层，将形成的所述预设层数的量子阱层作为所述第三电池；
其中，每一量子阱层均包括势垒层和势阱层，且后形成的量子阱层中势阱层的禁带宽度大于先形成的量子阱层中势阱层的禁带宽度。
第三电池由多层量子阱层构成，每一量子阱层包括势垒层和势阱层。在由顶电池向底电池的方向上，即倒装生长方向上，势阱层的禁带宽度逐渐变大。底电池的这种渐变量子阱结构扩宽了电池的光谱响应范围，提高了光电转换效率。预设层数为设定数值，例如，2-200层，本实施例对此不做具体限制。
本实施例提供了一种三结太阳能电池的制备方法，第三电池采用禁带宽度渐变的渐变量子阱结构，扩宽了电池的光谱响应范围，底电池与中电池，顶电池的禁带宽度连续，从而使三结电池电流密度匹配，提高光电转化效率
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述在所述第二隧道结上形成层数等于预设层数的量子阱层，包括：
循环执行量子阱层形成操作，直到形成的量子阱层的层数等于所述预设层数；
其中，所述量子阱层形成操作包括：
在第二隧道结上或者在当前已形成的量子阱层上形成势垒层，在形成的势垒层上形成势阱层，形成新的量子阱层。
制备第一层量子阱层时，在第二隧道结上形成势垒层和势阱层，得到第一层量子阱层。然后每次在三结太阳能电池当前已形成的量子阱层上形成势垒层，然后在该势垒层上形成势阱层，得到一层量子阱层。图3为本实施例提供的三结太阳能电池的底电池的结构示意图，参见图3，在第二隧道结上形成势垒层901，在势垒层901上形成势阱层902，得到第一层量子阱层。在第一层量子阱层上，再形成势垒层903，在势垒层903上形成势阱层904，得到第二层量子阱层。以此类推，得到n层量子阱层。
势阱层通过改变材料中In的比例来调节势阱层的禁带宽度，相邻的势阱层中制作了势垒层，有利于势阱层中In粒的释放，从而降低第三电池中的缺陷。
本实施例提供了一种三结太阳能电池的制备方法，通过循环制作渐变的量子阱层得到第三电池，扩大了电池的光谱吸收范围。相邻的势阱层中制作了势垒层，有利于势阱层中In粒的释放，降低第三电池中的缺陷，提高了电池的性能。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述在所述第二隧道结上形成层数等于预设层数的量子阱层，将形成的所述预设层数的量子阱层作为所述第三电池，包括：
在所述第二隧道结上形成层数等于预设层数的量子阱层，并在最后形成的量子阱层上形成势垒层，将形成的所述预设层数的量子阱层和在最后形成的量子阱层上形成的势垒层作为所述第三电池。
如图3所示，在形成n层量子阱层后，再在最后形成的势阱层上形成一层势垒层907。n层量子阱层和最后形成的势垒层907共同形成第三电池。本实施例提供的制备方法中，势垒层907的形成使得最后一层势阱层中In粒得以释放，进一步降低底电池制备过程中的缺陷，优化整个电池的性能。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述在衬底上形成第一接触层，包括：
在衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层上形成所述第一接触层；
其中，在形成所述第二接触层后，通过所述牺牲层将衬底与所述第一接触层分离，得到三结太阳能电池。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述在衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层上形成所述第一接触层，包括：
在衬底上形成缓冲层，在所述缓冲层上形成所述牺牲层，在所述牺牲层上形成所述第一接触层。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述衬底由GaAs形成，所述牺牲层由AlAs形成，所述缓冲层由GaAs形成。
其中，牺牲层还可以由AlGaAs形成。
如图2所示，在制备三结太阳能电池的过程中，在GaAs的衬底10上形成缓冲层20。缓冲层20由GaAs形成。在缓冲层20上形成牺牲层30。牺牲层30由AlAs形成。然后在牺牲层30上形成第一接触层40。在完成三结太阳能电池的制备过程后，通过牺牲层30将第一接触层和衬底分离，使得衬底10得以重复利用，提高衬底利用率，降低生产成本。
进一步地，在上述各实施例的基础上，所述第一接触层和所述第二接触层由GaAs形成，第一电池由GaInP形成，所述第二电池由GaInAs形成。
在衬底由GaAs形成时，由GaAs形成的第一接触层与衬底具有良好的结合，且由GaAs形成的第一接触层与禁带宽度较大的第一电池具有更好的晶格匹配性。一方面，由GaAs形成的衬底降低了三结太阳能电池的制造成本，另一方面，在第一接触层上先生长禁带宽度较大的顶电池的这种倒装生长方式由于接触层和电池之间良好的晶格匹配性使得生长的电池缺陷较少，具有更好的电学性能。
进一步地，在上述各实施例的基础上，每一量子阱层中的势垒层由GaIn0.05As形成，每一量子阱层中的势阱层由GaInxnAs形成；
其中，通过调节In的组分调节势阱层的禁带宽度，In的组分越大，势阱层的禁带宽度越大。
如图3所示，整个第三电池中的势阱层中的GaInxnAs中In组分0.2<xn<0.6，且xn>xn-1。通过In组分的渐变使得势阱层的禁带宽度渐变，得到渐变的量子阱结构。
具体来说，进一步地，所述在衬底上形成第一接触层包括：(1)将衬底传入MOCVD设备中，通入H2气体，升高温度对衬底进行高温清洗，温度范围为200-1000摄氏度；(2)在衬底上生长掺杂为GaAs缓冲层20,生长温度范围200-1000摄氏度，生长速度
Figure BDA0002033513880000081
的条件下生长300-1000nm；(3)在缓冲层20上生长牺牲层30，生长温度范围400-1000摄氏度，厚度10-100nm；(4)在牺牲层上生长第一接触层40(n型接触层)，掺杂浓度范围1E18-1E22，生长温度范围400-1000摄氏度，厚度范围30-200nm。
所述在所述第一接触层上形成第一电池，并在所述第一电池上形成第一隧道结，包括：(5)在第一接触层40上生长顶电池GaInP50，禁带宽度范围为1.7-2.2eV,掺杂浓度范围1E17-1E20，生长温度范围400-1000摄氏度，生长速度
Figure BDA0002033513880000082
的条件下生长30-200nm厚度；(6)在顶电池GaInP50上生长第一隧道结60(隧道结Ⅰ)，掺杂浓度范围1E18-1E22，生长温度范围400-1000摄氏度，生长速度
Figure BDA0002033513880000083
的条件下生长30-100nm厚度。
所述在所述第一隧道结上形成第二电池，并在所述第二电池上形成第二隧道结，包括：(7)在隧道结Ⅰ上生长中电池GaInAs70，禁带宽度范围为1.3-1.6eV,掺杂浓度范围1E17-1E20，生长温度范围400-1000摄氏度，生长速度
Figure BDA0002033513880000084
的条件下生长30-200nm厚度；(8)在中电池GaInAs70上生长隧道结Ⅱ80，掺杂浓度范围1E18-1E22，生长温度范围400-1000摄氏度，生长速度
Figure BDA0002033513880000085
的条件下生长30-100nm。隧道结Ⅱ不限于GaAs和AlGaAs，用于连接中电池GaInP和底电池GaIn0.05As/GaInxnAs渐变式量子阱。
所述在所述第二隧道结上形成第三电池，包括：(9)在第二隧道结80(隧道结Ⅱ)上生长底电池GaIn0.05As/GaInxnAs渐变量子式阱超晶格。如图3所示，第一层GaIn0.05As势垒层901，第二层GaInx1As势阱层(0.2<x1<0.6)902组成的第一个周期，第三层GaIn0.05As势垒层903，第四层GaInx2As势阱层(x1<x2<0.6)904组成的第二个周期，重复上述周期渐变式生长，最后以GaIn0.05As势垒层905，GaInxnAs势阱层(xn-1<xn<0.6)906做为最后一个周期，最后在最后一个周期形成的势阱层906上形成GaIn0.05As势垒层907。
通过优化GaInx1As势阱层的组分以及生长参数使其禁带宽度从0.7eV连续到1.1eV，GaInx1As势阱层In的组分为0.2<x<0.6，包括左端点0.2和右端点0.6，生长温度范围400-1000摄氏度，沉积的速率
Figure BDA0002033513880000091
生长厚度为0.01-20nm,掺杂浓度范围为1E17-1E20，GaIn0.05As势垒层生长温度范围400-1000摄氏度，沉积的速率
Figure BDA0002033513880000092
生长厚度为0.01-20nm,掺杂浓度范围为1E17-1E20，周期数2-100。
所述在所述第三电池上形成第二接触层，包括：(10)底电池GaIn0.05As/GaInxnAs渐变量子阱超晶格上生长第二接触层100(p型接触层)为高掺杂GaAs层，掺杂浓度范围1E18-1E22，生长温度范围400-1000摄氏度，厚度范围30-200nm；(11)将温度冷却到室温，从设备中取出。
本实施例提供的方法上用倒装的生长方式依次生长顶电池GaInP，中电池InGaAs和底电池多层渐变式的量子阱结构，顶电池和第一接触层之间具有很好的晶格匹配性，使得制备的电池具有更少的缺陷，性能更好。在GaAs衬底和薄膜之间设置牺牲层可用于衬底与薄膜的分离，增加了衬底的利用率。此外，底电池用多层渐变式的量子阱结构，势垒层材质为In0.05GaAs，势阱层材质由InxGa1-xAs组成,通过调配In的组分，使量子阱从下到上每一层In组分从小到大依次变化，这样形成禁带宽度从0.7eV到1.1eV连续变化，引入中间能级为量子阱的太阳能电池，并扩宽了电池的光谱响应范围，底电池与中电池，顶电池的禁带宽度连续，从而使三结电池电流密度匹配，提高光电转化效率。
按照上述以倒装方式制备三结太阳能电池的方法，本实施例提供了一种三结太阳能电池，包括第一接触层、第一电池、第一隧道结、第二电池、第二隧道结、第三电池和第二接触层；
所述第一电池在所述第一接触层上形成，所述第一隧道结在所述第一电池上形成，所述第二电池在所述第一隧道结上形成，所述第二隧道结在所述第二电池上形成，所述第三电池在所述第二隧道结上形成，所述第二接触层在所述第三电池上形成。
如图2所示，该三结太阳能电池包括在GaAs衬底10上以倒装的方式依次生长缓冲层20，牺牲层30，N型GaAs接触层40，顶电池GaInP50，隧道结Ⅰ60，中电池GaInAs70，隧道结Ⅱ80，底电池GaIn0.05As/GaInAs渐变式量子阱超晶格90，P型GaAs接触层100。
这种倒装生长的方式制备的三结太阳能电池，由于顶电池和衬底上的接触层之间具有较好的晶格匹配性，因此通过该方法制备的三结太阳能电池的内部缺陷较少，电池具有更好的性能。
本实施例提供了一种三结太阳能电池，在衬底上形成第一接触层后，在第一接触层上形成第一电池，在第一电池上形成第一隧道结，在第一隧道结上形成第二电池，在第二电池上形成第二隧道结，在第二隧道结上形成第三电池，在第三电池上形成第二接触层，得到三结太阳能电池。第一电池为禁带宽度最大的顶电池，第二电池为中电池，第三电池为禁带宽度最小的底电池。相较于禁带宽度较小的底电池，顶电池与GaAs材料之间的晶格常数匹配性更好，因此，这种采用倒装方式制备的电池相较于正装方式具有更少的缺陷，得到的三结太阳能电池性能更好。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述第三电池包括层数等于所述预设层数的量子阱层；
其中，每一量子阱层均包括势垒层和势阱层，且后形成的量子阱层中势阱层的禁带宽度大于先形成的量子阱层中势阱层的禁带宽度。
具体地，如图3所示，底电池90是由第一层GaIn0.05As势垒层901，第二层GaInx1As势阱层(0.2<x1<0.6)902组成的第一个周期，第三层GaIn0.05As势垒层903，第四层GaInx2As势阱层(x1<x2<0.6)904组成的第二个周期，依次上述周期渐变式生长，最后以GaIn0.05As势垒层905，GaInxnAs势阱层(xn-1<xn<0.6)906和GaIn0.05As势垒层907作为最后一个周期，周期数2-100，总厚度100-5000nm。其中，GaInxnAs势阱层In的组分为0.2<x<0.6，包括左端点0.2和右端点0.6，沉积的速率
Figure BDA0002033513880000111
生长厚度为0.01-20nm，掺杂浓度范围为1E17-1E20，GaIn0.05As势垒层沉积的速率
Figure BDA0002033513880000112
生长厚度为0.01-20nm，掺杂浓度范围为1E17-1E20。
本实施例提供了一种三结太阳能电池，第三电池采用禁带宽度渐变的渐变量子阱结构，扩宽了电池的光谱响应范围，底电池与中电池，顶电池的禁带宽度连续，从而使三结电池电流密度匹配，提高光电转化效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种三结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成第一接触层，在所述第一接触层上形成第一电池，并在所述第一电池上形成第一隧道结；
在所述第一隧道结上形成第二电池，并在所述第二电池上形成第二隧道结；
在所述第二隧道结上形成第三电池，并在所述第三电池上形成第二接触层；
其中，所述第一电池的禁带宽度大于所述第二电池的禁带宽度，所述第二电池的禁带宽度大于所述第三电池的禁带宽度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第二隧道结上形成第三电池，包括：
在所述第二隧道结上形成层数等于预设层数的量子阱层，将形成的所述预设层数的量子阱层作为所述第三电池；
其中，每一量子阱层均包括势垒层和势阱层，且后形成的量子阱层中势阱层的禁带宽度大于先形成的量子阱层中势阱层的禁带宽度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述第二隧道结上形成层数等于预设层数的量子阱层，包括：
循环执行量子阱层形成操作，直到形成的量子阱层的层数等于所述预设层数；
其中，所述量子阱层形成操作包括：
在第二隧道结上或者在当前已形成的量子阱层上形成势垒层，在形成的势垒层上形成势阱层，形成新的量子阱层。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述第二隧道结上形成层数等于预设层数的量子阱层，将形成的所述预设层数的量子阱层作为所述第三电池，包括：
在所述第二隧道结上形成层数等于预设层数的量子阱层，并在最后形成的量子阱层上形成势垒层，将形成的所述预设层数的量子阱层和在最后形成的量子阱层上形成的势垒层作为所述第三电池。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在衬底上形成第一接触层，包括：
在衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层上形成所述第一接触层；
其中，在形成所述第二接触层后，通过所述牺牲层将衬底与所述第一接触层分离，得到三结太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在衬底上形成牺牲层，在所述牺牲层上形成所述第一接触层，包括：
在衬底上形成缓冲层，在所述缓冲层上形成所述牺牲层，在所述牺牲层上形成所述第一接触层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述衬底由GaAs形成，所述牺牲层由AlAs形成，所述缓冲层由GaAs形成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一接触层和所述第二接触层由GaAs形成，第一电池由GaInP形成，所述第二电池由GaInAs形成。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，每一量子阱层中的势垒层由GaIn0.05As形成，每一量子阱层中的势阱层由GaInxnAs形成；
其中，通过调节In的组分调节势阱层的禁带宽度，In的组分越大，势阱层的禁带宽度越大。
10.一种由权利要求1-9中任一方法制备的三结太阳能电池，其特征在于，包括第一接触层、第一电池、第一隧道结、第二电池、第二隧道结、第三电池和第二接触层；
所述第一电池在所述第一接触层上形成，所述第一隧道结在所述第一电池上形成，所述第二电池在所述第一隧道结上形成，所述第二隧道结在所述第二电池上形成，所述第三电池在所述第二隧道结上形成，所述第二接触层在所述第三电池上形成；
所述第三电池包括层数等于所述预设层数的量子阱层；
其中，每一量子阱层均包括势垒层和势阱层，且后形成的量子阱层中势阱层的禁带宽度大于先形成的量子阱层中势阱层的禁带宽度。
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