CN112038425A - 一种多结叠层激光光伏电池 - Google Patents
一种多结叠层激光光伏电池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112038425A CN112038425A CN201910476086.8A CN201910476086A CN112038425A CN 112038425 A CN112038425 A CN 112038425A CN 201910476086 A CN201910476086 A CN 201910476086A CN 112038425 A CN112038425 A CN 112038425A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- junction
- layer
- cell
- type
- sub
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 40
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims abstract description 32
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 78
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 57
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 36
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 7
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 37
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 31
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 38
- 239000010408 film Substances 0.000 description 29
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 28
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 25
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 25
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 13
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 11
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 10
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 10
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 10
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 10
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 9
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 8
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 8
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 4
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 239000012788 optical film Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
- H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN heterojunction type
- H01L31/0725—Multiple junction or tandem solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
- H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
- H01L31/0687—Multiple junction or tandem solar cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier
- H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
- H01L31/0693—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells the devices including, apart from doping material or other impurities, only AIIIBV compounds, e.g. GaAs or InP solar cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
本发明公开了一种多结叠层激光光伏电池，其包括电池单元层叠体以及分别与电池单元层叠体底部、顶部电连接的下、上电极，所述电池单元层叠体包括层叠设置的6个以上PN结子电池，相邻两个所述的子电池之间经隧穿结串联。其中每个PN结子电池采用一种带隙的半导体单晶材料作吸收层，多个子电池中至少具有2种不同带隙，各子电池的带隙从所述光伏电池的光入射侧到另一侧按依次减小的顺序排列。与现有技术相比，本发明提供的多结叠层激光光伏电池因采用了多带隙材料作为吸收层，不仅可以使得多结叠层电池的制作更易于实现(尤其对于是超多结叠层光伏电池效果更为显著)，又能大幅减小电池的总厚度、降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏电池，具体涉及一种采用多带隙材料作吸收层的多结叠层激光光伏电池，所述多结叠层激光光伏电池能够将目标激光能量转换为电能。
背景技术
激光传能系统将激光源发出的光能通过光纤或自由空间传送到远端光伏电池上将光能转换为电能，提供稳定的电功率输出。激光传能比采用传统的金属线和同轴电缆电力传输技术有更多的优点，可以应用在需要消除电磁干扰或需要将电子器件与周围环境隔离的情况下，在无线电通信、工业传感器、国防、航空、医药和能源等方向有重要应用。激光光伏电池的工作原理与太阳电池类似，但由于是针对单色光源，前者可以获得更高的转换效率。
III-V族半导体AlxGa1-xAs(x<0.45)、InP和InGaAsP等具有直接带隙，吸收系数一般较大，可用于吸收相应波长的激光而转换为电能。以GaAs材料为例，室温下的禁带宽度Eg是1.428eV，GaAs PN结电池可以用于将700-850nm的激光能量转换为电能，用作激光传能系统中的光电转换器件。GaAs单结光伏电池的开路电压约为1V,而激光传能系统中通常需要光伏电池片的输出电压至少在5V甚至更高，在GaAs或Ge导电衬底上生长多结叠层结构实现高的输出电压，已有采用20结GaAs电池获得23V的开路电压。然而，当转换808nm激光的GaAs叠层电池的结数为20时，最薄的子电池PN结吸收层厚度小于40nm。制作这么薄的PN结并精确控制厚度对用于制备电池结构的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)技术生长材料的均匀性提出了很高的要求，甚至使得制造20结以上的GaAs激光光伏电池产品变得不可能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多结叠层激光光伏电池，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种用于将激光能量转换为电能的多结叠层激光光伏电池，包括电池单元层叠体以及分别与电池单元层叠体底部、顶部电连接的下电极、上电极，所述电池单元层叠体包括层叠设置的N个PN结子电池，相邻两个所述子电池之间经隧穿结串联，N≥6。
进一步的，所述PN结子电池中的光吸收层包括基区和发射区，所述基区和发射区具有相同带隙，并且所述基区、发射区分别具有第一导电特性、第二导电特性，所述第一导电特性、第二导电特性中的任一者为n型导电特性，另一者为p型导电特性。
进一步的，沿逐渐远离所述光伏电池的激光入射侧的方向，所述N个PN结子电池的带隙呈现减小趋势。
优选的，与所述光伏电池配合的目标激光的光子能量与所述光伏电池激光入射侧的子电池的带隙之差小于0.1eV。
在一些实施方案中，所述子电池包含沿设定方向依次设置的背场层、基区、发射区和窗口层，所述背场层和基区具有第一导电特性，而所述发射区和窗口层具有第二导电特性，并且所述背场层和窗口层均不吸收入射的目标激光。
本发明实施例还提供了一种制备所述多结叠层激光光伏电池的方法，其包括：
在导电衬底正面生长形成电池单元层叠体；
在所述电池单元层叠体上形成介质膜，并在所述介质膜上加工出窗口，使所述电池单元层叠体的欧姆接触层的至少局部区域从所述窗口中露出；
在从所述窗口中暴露出的欧姆接触层上制作上电极；
刻蚀从所述窗口中暴露出的欧姆接触层的未被上电极覆盖的区域，直至露出所述电池单元层叠体的电流扩展层；以及
在导电衬底背面制作下电极。
与现有技术相比，本发明提供多结叠层激光光伏电池因采用多带隙材料作为吸收层，不仅可以使得多结叠层电池的结构设计更为灵活、更易于制作，而且可以提升多结电池的良率，尤其对于是超多结(十二结及以上)叠层光伏电池效果更为显著；同时，采用多带隙材料后，光伏电池的总厚度明显减小，生长时间缩短，利于降低光伏电池的制造成本。
附图说明
图1是本发明一实施例中一种多结叠层激光光伏电池外延晶片的剖面结构示意图。
图2是本发明一实施例中一种多结叠层激光光伏电池初成品的剖面示意图。
图3是本发明一实施例中一种多结叠层激光光伏电池成品的俯视图。
图4是本发明另一实施例中一种多结叠层激光光伏电池外延晶片的剖面结构示意图。
图5是本发明另一实施例中一种多结叠层激光光伏电池初成品的剖面示意图。
图6是本发明另一实施例中一种多结叠层激光光伏电池成品的俯视图。
具体实施方式
针对现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和实践，提出了本发明的技术方案，以下予以详细说明。
本发明实施例的一个方面提供的一种所述光伏电池包括衬底、电池单元层叠体、上电极和下电极，所述下电极、上电极分别与电池单元层叠体底部、顶部电连接，所述电池单元层叠体包括欧姆接触层、电流扩展层、层叠设置的N个PN结子电池以及设置于相邻两个所述子电池之间的隧穿结，N≥6。
进一步的，其中每个PN结子电池采用一种带隙的半导体单晶材料作吸收层，多个子电池中至少具有2种不同带隙，各子电池的带隙从所述光伏电池的光入射侧到另一侧按依次减小的顺序排列。
在一些实施方案中，所述的PN结子电池可以包括(Al)GaAs PN结子电池或InGaAsPPN结电池等，且不限于此。
在一些实施方案中，所述PN结子电池中的光吸收层包括基区和发射区，所述基区和发射区具有相同带隙，并且所述基区、发射区分别具有第一导电特性、第二导电特性，所述第一导电特性、第二导电特性中的任一者为N型导电特性，另一者为P型导电特性。
例如，所述PN结子电池为AlGaAs PN结子电池，其中的光吸收层包括P型AlxGa1-xAs基区和N型AlxGa1-xAs发射区，0≤x≤0.2。
例如，所述PN结子电池为InGaAsP PN结子电池，其中的光吸收层包括P型In1- xGaxAsyP1-y，基区和N型In1-xGaxAsyP1-y发射区，其中，0≤x≤0.53，0≤y≤1。
在一些实施方案中，沿逐渐远离所述光伏电池的激光入射侧的方向，所述N个PN结子电池的带隙呈现减小趋势，其中位于所述激光入射侧的子电池的带隙最接近入射的目标激光的光子能量。
其中，所述光伏电池的激光入射侧是其受光面所在的一侧。
具体而言，对于所述光伏电池，可以从光入射侧到另一侧将子电池分为至少两组，每组子电池分别具有不同的带隙，且按依次减小的顺序排列。
以所述光伏电池是AlGaAs多结叠层电池为例，入射光侧的一组子电池的带隙设置应使Alx1Ga1-x1As的带隙接近入射光激光子能量，从而Alx1Ga1-x1As对该波长光子的吸收系数在103cm-1量级，最薄顶子电池吸收层厚度在102nm量级。这样最薄子电池的生长就比较容易。更确切的说，AlxGa1-xAs中的x的设计随入射激光波长而改变，亦即，可以依据入射激光波长而调整AlxGa1-xAs的具体组成，使之满足前述要求。例如，当入射波长为850-770nm时，则x可以为0.02-0.14。
又以所述光伏电池是InGaAsP多结叠层电池为例，光入射侧的一组子电池的带隙设置应使In1-xGaxAsyP1-y的带隙接近入射光激光子能量，从而In1-xGaxAsyP1-y对该波长光子的吸收系数在103cm-1量级，最薄顶子电池吸收层厚度在102nm量级，这样最薄子电池的生长就比较容易。更确切的说，In1-xGaxAsyP1-y中的x、y的设计随入射激光波长而改变，亦即，可以依据入射激光波长而调整In1-xGaxAsyP1-y的具体组成，使之满足前述要求。例如，当入射波长为980-1550nm时，则x和y分别为0.09-0.43和0.196-0.919。
采用前述的带隙设计，既可以显著地增大多结电池中最薄的子电池的吸收层厚度，使得多结叠层电池中最薄的子电池更容易生长和控制，同时还使得整个电池的结构不会因为采用吸收系数较小的单一带隙材料而变得非常厚。
在一些实施方案中，所述子电池包含沿设定方向依次设置的背场层、基区、发射区和窗口层，所述背场层和基区具有第一导电特性，而所述发射区和窗口层具有第二导电特性，并且所述背场层和窗口层均不吸收入射的目标激光。
例如，所述PN结子电池为AlxGa1-xAsPN结子电池，其包含沿设定方向依次设置的P型背场层、P型AlxGa1-xAs(x＝x1,x2...)基区、N型AlxGa1-xAs(x＝x1,x2...)发射区、N型窗口层，其中P型背场层和N型窗口层均不吸收入射的目标激光。
例如，所述PN结子电池为In1-xGaxAsyP1-y子电池，其包含沿设定方向依次设置的P型背场层、P型In1-xGaxAsyP1-y(x＝x1,x2...，y＝y1,y2...)基区、N型In1-xGaxAsyP1-y(x＝x1,x2...，y＝y1,y2...)发射区、N型窗口层，其中P型背场层和N型窗口层均不吸收入射激光。
在一些实施方案中，所述电池单元层叠体底部经导电衬底与所述下电极电连接。
进一步的，所述导电衬底可以优选自导电单晶衬底。例如，所述导电单晶衬底的材质可以包括GaAs、InP或Ge等，但不限于此。
在一些实施方案中，所述电池单元层叠体形成在导电衬底上，并且所述子电池包含沿远离导电衬底的方向依次设置的背场层、基区、发射区、窗口层，其中所述背场层和窗口层均不能吸收入射的目标激光。
进一步的，所述导电衬底优选采用导电单晶衬底，并且所述背场层、窗口层与所述衬底晶格匹配。
例如，所述PN结子电池可以是AlGaAs子电池，其包含沿远离导电衬底的方向依次设置的P型Aly1Ga1-y1As或P型Ga0.52In0.48P背场层、P型AlxGa1-xAs基区、N型AlxGa1-xAs发射区、N型Aly2Ga1-y2As或N型Ga0.52In0.48P窗口层，其中y1和y2的取值应使Aly1Ga1-y1As和Aly2Ga1-y2As不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整y1、y2，从而改变Aly1Ga1-y1As和Aly2Ga1-y2As的具体组成，使之满足前述要求。
例如，所述PN结子电池可以是InGaAsP子电池，包含沿远离导电衬底的方向依次设置的P型(Alp1Ga1-p1)0.47In0.53As或P型InP背场层、P型In1-xGaxAsyP1-y基区、N型In1-xGaxAsyP1-y发射区、N型(Alp2Ga1-p2)0.47In0.53As或N型InP窗口层，其中p1和p2的取值应使(Alp1Ga1-p1)0.47In0.53As和(Alp2Ga1-p2)0.47In0.53As不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整p1、p2，从而改变(Alp1Ga1-p1)0.47In0.53As和(Alp2Ga1-p2)0.47In0.53As的具体组成，使之满足前述要求。
在一些实施方案中，所述电池单元层叠体上还依次设置有电流扩展层和欧姆接触层，所述欧姆接触层与所述上电极电连接，所述电流扩展层不吸收入射的目标激光。
其中，所述欧姆接触层的材质包括但不限于GaAs或In0.53Ga0.47As等。
在一些实施方案中，所述导电衬底采用N型衬底，所述电池单元层叠体包括依次形成在导电衬底上的第一隧穿结、第一子电池、直至第N隧穿结和第N子电池，其中隧穿结与子电池交替设置，且所述第一隧穿结至第N隧穿结中的任一者均不吸收入射的目标激光。
其中，所述隧穿结包含N+型半导体材料层和P+型半导体材料层，所述N+型半导体材料层、P+型半导体材料层分别与相邻PN结子电池的N型层、P型层连接，并且所述N+型半导体材料层、P+型半导体材料层均不吸收入射的目标激光。
进一步的，当所述衬底的导电类型与电池单元叠层体底部结构层的导电类型不同时，在所述衬底与电池单元叠层体之间还插入隧穿结用以转换导电类型。
例如，所述PN结子电池可以是AlGaAs子电池，所述电池单元层叠体包括依次形成在导电衬底上的第一隧穿结、第一AlxGa1-xAs子电池、直至第N隧穿结和第N AlxGa1-xAs子电池，其中隧穿结与子电池交替设置，且所述第一隧穿结至第N隧穿结中的任一者均不吸收入射激光。其中，所述第一隧穿结可以包含沿远离导电衬底方向依次设置的N+型Ga0.52In0.48P或N+型(Al)GaAs层和P+型(Al)GaAs层，所述第二隧穿结至第N隧穿结中的任一者包含沿远离导电衬底方向依次设置的N+型Ga0.51In0.49P或N+型Alz1Ga1-z1As(z1>x)层和P+型Alz2Ga1-z2As(z2>x)层，其中z1、z2的取值应使Alz1Ga1-z1As和Alz2Ga1-z2As不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整z1、z2，从而改变Alz1Ga1-z1As和Alz2Ga1-z2As的具体组成，使之满足前述要求。
例如，所述PN结子电池可以是In1-xGaxAsyP1-y子电池，所述电池单元层叠体包括依次形成在导电衬底上的第一隧穿结、第一In1-xGaxAsyP1-y子电池、直至第N隧穿结和第N In1- xGaxAsyP1-y子电池，其中隧穿结与子电池交替设置，且所述第一隧穿结至第N隧穿结中的任一者均不吸收入射激光。其中，所述第一隧穿结可以包含沿远离导电衬底方向依次设置的N+型InP或N+型(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As层和P+型InP或P+型(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As层，所述第二隧穿结至第N隧穿结中的任一者包含沿远离导电衬底方向依次设置的N+型InP或N+型(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As层和P+型InP或P+型(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As层，其中z1、z2的取值应使(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As和(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整z1、z2，从而改变(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As和(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As的具体组成，使之满足前述要求。
在一些实施方案中，所述第N子电池上还依次形成有N型电流扩展层和N+型欧姆接触层，所述电流扩展层不吸收入射的目标激光。
例如，所述PN结子电池可以是AlGaAs子电池，其中第N AlGaAs子电池上还依次形成有N型Ga0.51In0.49P或N型Aly3Ga1-y3As电流扩展层和N+型GaAs欧姆接触层，其中y3的取值应使所述电流扩展层不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整y3，从而改变Aly3Ga1-y3As的具体组成，使之满足前述要求。
在另一些实施方案中，所述导电衬底采用P型衬底，所述电池单元层叠体包括依次形成在导电衬底上的第一子电池、第一隧穿结直至第(N-1)子电池、第(N-1)隧穿结和第N子电池，其中隧穿结与子电池交替设置，且所述第一隧穿结至第(N-1)隧穿结中的任一者均不吸收入射的目标激光。
例如，所述PN结子电池可以是AlGaAs子电池，所述电池单元层叠体包括依次形成在导电衬底上的第一AlxGa1-xAs子电池、第一隧穿结直至第(N-1)AlxGa1-xAs子电池、第(N-1)隧穿结和第N AlxGa1-xAs子电池，其中隧穿结与子电池交替设置，且所述第一隧穿结至第(N-1)隧穿结中的任一者均不吸收入射激光。
例如，所述PN结子电池可以是InGaAsP子电池，所述光伏电池包括导电单晶衬底(如InP)、多个In1-xGaxAsyP1-y(x＝x1,x2...，y＝y1,y2...)子电池、各子电池间的隧穿结、电流扩展层和欧姆接触层。各子电池间通过隧穿结串联。
进一步的，所述第一隧穿结至第(N-1)隧穿结中的任一者包含沿远离导电衬底方向依次设置的N+型层和P+型层，其中该两层均不吸收入射的目标激光。
例如，所述第一隧穿结至第(N-1)隧穿结中的任一者包含沿远离导电衬底方向依次设置的N+型Ga0.52In0.48P或N+型Alz1Ga1-z1As层和P+型Alz2Ga1-z2As层，其中z1>x，z2>x，且z1、z2的取值应使Alz1Ga1-z1As和Alz2Ga1-z2As不吸收入射激光。亦即，可以依据入射激光波长而调整z1、z2，从而改变Alz1Ga1-z1As和Alz2Ga1-z2As的具体组成，使之满足前述要求。
进一步的，所述第N子电池上还依次形成有N型电流扩展层和N+型欧姆接触层，所述电流扩展层不吸收入射的目标激光。
例如，所述PN结子电池可以是AlGaAs子电池，其中第N AlGaAs子电池上还依次形成有N型Ga0.52In0.48P或N型Aly3Ga1-y3As电流扩展层和N+型GaAs欧姆接触层，y3>x，且y3的取值应使所述电流扩展层不吸收入射激光。亦即，可以依据入射激光波长而调整y3，从而改变Aly3Ga1-y3As的具体组成，使之满足前述要求。
例如，所述PN结子电池可以是In1-xGaxAsyP1-y子电池，其中第N In1-xGaxAsyP1-y子电池上还依次形成有N型InP或N型(Alz3Ga1-z3)0.47In0.53As电流扩展层和N+型In0.53Ga0.47As欧姆接触层，其中z3的取值应使所述电流扩展层不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整z3，从而改变(Alz3Ga1-z3)0.47In0.53As的具体组成，使之满足前述要求。
在一些实施方案中，所述导电衬底采用P型衬底，所述电池单元层叠体包括依次形成在导电衬底上的第一In1-xGaxAsyP1-y子电池、第一隧穿结直至第(N-1)In1-xGaxAsyP1-y子电池、第(N-1)隧穿结和第N In1-xGaxAsyP1-y子电池，其中隧穿结与子电池交替设置，且所述第一隧穿结至第(N-1)隧穿结中的任一者均不吸收入射激光。
进一步地，所述第一隧穿结至第(N-1)隧穿结中的任一者包含沿远离导电衬底方向依次设置的N+型InP或N+型(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As层和P+型InP或P+型(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As层，其中z1、z2的取值应使(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As和(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整z1、z2，从而改变(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As和(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As的具体组成，使之满足前述要求。
在本发明的前述实施例中，第一隧穿结至第(N-1)隧穿结的物质组成可以是完全相同的。在一些实施方案中，所述电池单元层叠体中各PN结子电池的吸收层厚度应使各PN结子电池在充分吸收入射的目标激光光能时产生的光电流相同。
例如，所述电池单元层叠体中各AlxGa1-xAs PN结子电池的厚度可以使各AlxGa1-xAsPN结子电池在充分吸收入射激光光能时产生的光电流相同。又例如，所述电池单元层叠体中各In1-xGaxAsyP1-y PN结子电池的厚度可以使各In1-xGaxAsyP1-y PN结子电池在充分吸收入射激光光能时产生的光电流相同。
在一些实施方案中，所述光伏电池的受光面上还设有减反射膜。
在一些实施方案中，所述光伏电池的受光面分布在所述光伏电池的顶端面上。
本发明的前述实施例中通过采用带隙与光子能量接近的半导体材料作吸收层，可以明显地增大多结电池中最薄的子电池的吸收层厚度，使得多结叠层电池中很薄的子电池更容易生长和控制，而且20结以上的多结电池的制作也成为可能，其原理在于：当半导体的带隙接近激光光子能量时，即半导体的带隙较大时，半导体的吸收系数急剧下降，吸收一定比例的入射光所需的厚度就会显著增大。同时，本发明的前述实施例中通过采用带隙略小的半导体材料作厚度较大的底电池吸收层，使得整个光伏电池的结构不会因为采用吸收系数较小的单一带隙材料而变得非常厚。因此，采用本发明实施例提供的多带隙多结叠层电池结构，既可以使得多结叠层电池的制作更易于实现，尤其对于是超多结(十二结及以上)叠层光伏电池效果更为显著，又不会显著增加制造成本。
本发明实施例的另一个方面提供的一种制作所述多结叠层激光光伏电池的制作方法包括：
在导电衬底正面生长形成电池单元层叠体；
在所述电池单元层叠体上形成介质膜，并在所述介质膜上加工出窗口，使所述电池单元层叠体的欧姆接触层的至少局部区域从所述窗口中露出；
在从所述窗口中暴露出的欧姆接触层上制作上电极；
刻蚀从所述窗口中暴露出的欧姆接触层的未被上电极覆盖的区域，直至露出所述电池单元层叠体的电流扩展层；以及
在导电衬底背面制作下电极。
例如，在一些较为具体的实施方案中，所述制作方法可以包括：在导电单晶衬底上依次生长形成若干个AlxGa1-xAs、InGaAsP或AlGaInAs PN结子电池、用于各子电池间电学连接的隧穿结、电流扩展层和顶部重掺的欧姆接触层，而后分别制作包含栅电极的上电极、下电极及增透膜，形成目标器件。其中，各子电池的吸收层的材质可以为AlxGa1-xAs、InGaAsP或AlGaInAs。
在一些实施方案中，所述的制作方法还可包括：至少采用MOCVD、MBE中的任一种方式生长形成所述电池单元层叠体。
进一步的，在生长形成所述电池单元层叠体的过程中，可以采用的N型掺杂原子包括Si、Se、S或Te等，但不限于此。
进一步的，在生长形成所述电池单元层叠体的过程中，可以采用的P型掺杂原子包括Be、Zn、Mg或C等，但不限于此。
在一些实施方案中，所述的制作方法还可包括：先对所述导电衬底背面进行减薄处理，之后在导电衬底背面制作下电极。
在一些实施方案中，所述的制作方法还可包括：至少通过快速退火方式使上电极与所述欧姆接触层之间形成欧姆接触。
在一些实施方案中，所述的制作方法还可包括：在所形成的多结叠层激光光伏电池的受光面上制作减反膜。
在本发明的一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法可以包括如下步骤：
(1)在导电单晶衬底上由MOCVD方法依次生长各层材料，N型掺杂原子为Si、Se、S或Te；P型掺杂原子为Zn、Mg或C；
或者，在导电单晶衬底上由MBE方法依次生长各层材料，N型掺杂原子为Si、Se、S或Te；P型掺杂原子为Be、Mg或C；
(2)在上述外延生长好的多结叠层电池晶片(电池单元层叠体)正面(N+GaAs或N+In0.53Ga0.47As接触层)沉积一层介质膜，然后采用光刻和腐蚀的方法在该层介质膜上制作圆形窗口，露出N+GaAs或N+In0.53Ga0.47As接触层；
(3)通过匀胶、光刻、电子束蒸发(热蒸发或磁控溅射)一层或多层金属、金属剥工艺步骤，制作包含圆形受光区域中栅电极的上电极；
(4)采用湿法方法腐蚀圆形受光区域内栅电极未覆盖部分的N+型GaAs或N+型In0.53Ga0.47As接触层，直至露出电流扩展层；
(5)通过机械抛光减薄衬底；
(6)衬底背面以电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射一层或多层金属制作平面电极；
(7)采用快速退火在金属与半导体间形成欧姆接触。
(8)在受光面制作减反膜。
(9)通过光刻的方法在圆形受光面以外引线键合处去掉减反射膜，露出金属用于键合引线。
(10)解理或切割分离激光光伏电池芯片，完成激光光伏电池工艺。
本发明的一些更为具体的实施方案涉及一种在N型GaAs衬底上制作的AlGaAs十二结叠层激光光伏电池。所述激光光伏电池的制作方法包括如下具体步骤：
(一)十二结AlGaAs叠层激光光伏电池外延晶片(电池单元层叠体)的生长
(1)在N型GaAs衬底上生长第一隧穿结，隧穿结包括沿远离衬底方向依次设置的N+型Ga0.52In0.48P或N+型(Al)GaAs层，P+型(Al)GaAs层；
(2)在上述第一隧穿结上生长P型Aly1Ga1-y1As(y1>x)或P型Ga0.52In0.48P背场层、P型AlxGa1-xAs基区、N型AlxGa1-xAs发射区、N型Aly2Ga1-y2As(y2>x)或N型Ga0.52In0.48P(与GaAs晶格匹配)窗口层，形成第一AlGaAs子电池；
(3)在上述第一AlGaAs子电池上生长第二隧穿结，隧穿结包括沿远离衬底方向依次设置的N+型Ga0.52In0.48P或N+型Alz1Ga1-z1As(z1>x1)层，P+型Alz2Ga1-z2As(z2>x)层，z1和z2的设置使得Alz1Ga1-z1As和Alz2Ga1-z2As不吸收入射光；
(4)然后依次交替生长隧穿结(与第一隧穿结结构相同)和AlGaAs子电池，直至第十二AlGaAs子电池；
(5)在第十二AlGaAs子电池的N型Aly3Ga1-y3As(y3>x)或N型Ga0.52In0.48P窗口层上生长N+型(大于4×1018cm-3)GaAs接触层，用作欧姆接触，y3的设置使得电流宽扩展层不吸收入射光。
所述十二结GaAs激光光伏电池外延晶片中的各结构层均可以采用MOCVD或MBE法生长而成；
若采用MOCVD法，则N型掺杂原子可以为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子可以为Zn、Mg或C，但均不限于此；
若采用MBE法，则N型掺杂原子可以为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子可以为Be、Mg或C，但均不限于此。
(二)器件(多结叠层激光光伏电池)的制作
(1)采用PECVD在上述外延生长好的AlGaAs十二结叠层电池外延晶片正面(N+GaAs接触层)沉积一层SiO2介质膜，然后采用光刻和腐蚀的方法在该层SiO2上制作圆形窗口，露出N+GaAs接触层；
(2)通过匀胶、光刻、电子束蒸发(热蒸发或磁控溅射)AuGe/Ni/Au、金属剥离工艺步骤，制作包含圆形受光区域中栅电极的上电极；
(3)采用湿法方法腐蚀圆形受光区域内栅电极未覆盖部分的N+型GaAs接触层，直至露出电流扩展层；
(4)通过机械抛光将衬底减薄到约100μm；
(5)衬底背面以电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射一层或多层金属(N型GaAs衬底采用AuGe/Ni/Au，P型GaAs衬底采用Ti/Pd/Au)制作平面电极；
(6)采用快速退火在金属与半导体间形成欧姆接触。
(7)在受光面制作减反膜。
(8)通过光刻的方法在受光面以外引线键合处去掉减反射膜，露出金属用于键合引线。
(9)解理或切割分离激光光伏电池芯片，完成激光光伏电池工艺。
在本发明的一些更为具体的实施方案中涉及一种在N型InP衬底上制作的InGaAsP或AlGaInAs十二结叠层激光光伏电池。该激光光伏电池的制作方法包括如下具体步骤：
(一)十二结InGaAsP叠层激光光伏电池外延晶片(电池单元层叠体)的生长
(1)在N型InP衬底上生长第一隧穿结，隧穿结包括沿远离衬底方向依次设置的N+型InP或N+型(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As层，P+型InP或(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As层,其中z1、z2的取值应使(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As和(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整z1、z2，从而改变(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As和(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As的具体组成，使之满足前述要求。
(2)在上述第一隧穿结上生长P型(Alp1Ga1-p1)0.47In0.53As或P型InP背场层、P型In1- xGaxAsyP1-y基区、N型In1-xGaxAsyP1-y发射区、N型(Alp2Ga1-p2)0.47In0.53As或N型InP窗口层，形成第一InGaAsP子电池，其中p1和p2的取值应使(Alp1Ga1-p1)0.47In0.53As和(Alp2Ga1-p2)0.47In0.53As不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整p1、p2，从而改变(Alp1Ga1-p1)0.47In0.53As和(Alp2Ga1-p2)0.47In0.53As的具体组成，使之满足前述要求。
(3)在上述第一InGaAsP子电池上生长第二隧穿结，隧穿结包括沿远离衬底方向依次设置的N+型InP或N+型(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As层，P+型InP或(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As层,其中z1、z2的取值应使(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As和(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整z1、z2，从而改变(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As和(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As的具体组成，使之满足前述要求。
(4)然后依次交替生长隧穿结(与第一隧穿结结构相同)和InGaAsP子电池，直至第十二InGaAsP子电池；
(5)在第十二InGaAsP子电池的N型InP或N型(Alp2Ga1-p2)0.47In0.53As窗口层上生长N型InP或N型(Alz3Ga1-z3)0.47In0.53As电流扩展层和N+型In0.53Ga0.47As欧姆接触层，其中z3的取值应使所述电流扩展层不吸收入射激光。换言之，可以依据入射激光波长而调整z3，从而改变(Alz3Ga1-z3)0.47In0.53As的具体组成，使之满足前述要求。
所述十二结InGaAsP激光光伏电池外延晶片中的各结构层均采用MOCVD或MBE法生长而成；
若采用MOCVD法，则N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C；若采用MBE法，则N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
(二)器件(多结叠层激光光伏电池)的制作
(1)采用PECVD在上述外延生长好的InGaAsP十二结叠层电池外延晶片正面(N+In0.53Ga0.47As接触层)沉积一层SiO2介质膜，然后采用光刻和腐蚀的方法在该层SiO2上制作圆形窗口，露出N+In0.53Ga0.47As接触层；
(2)通过匀胶、光刻、电子束蒸发(热蒸发或磁控溅射)AuGe/Ni/Au、金属剥离工艺步骤，制作包含圆形受光区域中栅电极的上电极；
(3)采用湿法方法腐蚀圆形受光区域内栅电极未覆盖部分的N+型In0.53Ga0.47As接触层，直至露出电流扩展层；
(4)通过机械抛光将衬底减薄到约100μm；
(5)衬底背面以电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射一层或多层金属(N型InP衬底采用AuGe/Ni/Au，P型InP衬底采用Ti/Pd/Au)制作平面电极；
(6)采用快速退火在金属与半导体间形成欧姆接触。
(7)在受光面制作减反膜。
(8)通过光刻的方法在受光面以外引线键合处去掉减反射膜，露出金属用于键合引线。
(9)解理或切割分离激光光伏电池芯片，完成激光光伏电池工艺。
本发明前述实施例的多结叠层激光光伏电池中采用Alx1Ga1-x1As或InGaAsP作为吸收层来转换激光能量，采用多个带隙材料做吸收层，这种带隙设计可以显著地增大多结电池中最薄的子电池的吸收层厚度，使得多结叠层电池中最薄的子电池更容易生长和控制，同时整个电池的结构不会因为采用吸收系数较小的单一带隙材料而变得非常厚，不会显著增加制造成本，尤其对于是超多结(十二结及以上)叠层光伏电池效果更为显著。
以下结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更为详尽的解释说明。
参见图1、图2、图3所示是本发明一典型实施例涉及的一种转换808nm激光的十二结AlGaAs叠层激光光伏电池，其可以包含GaAs衬底100，第一隧穿结01A，第一GaAs子电池01B，第二隧穿结02A，第二GaAs子电池02B，第三隧穿结03A，直至第六GaAs子电池06B；第七隧穿结07A，第七AlGaAs子电池07B，第八隧穿结08A，第八AlGaAs子电池08B，直至第十二隧穿结12A，第十二AlGaAs子电池12B，电流扩展层13，GaAs欧姆接触层14，负电极50，正电极51，减反膜52，总线61，受光面62和电极栅线63等。其中，第一GaAs子电池到第十二AlGaAs子电池01B、02B...11B和12B层包含AlGaAs或GaInP背场层xxB0、AlGaAs基区xxB1、AlGaAs发射区xxB2、AlGaAs或GaInP窗口层xxB3；第一隧穿结01A包括(Al)GaAs或GaInP 01A0和(Al)GaAs层01A1；第二隧穿结至第六隧穿结02A、03A...11A和12A包括(Al)GaAs或GaInP xxA0和AlGaAs层xxA1。
该十二结AlGaAs叠层激光光伏电池的制作方法具体包括如下步骤：
Ⅰ、用MOCVD方法生长AlGaAs转换808nm激光的十二结叠层激光光伏电池外延晶片，其中十二个子电池分为两组，底部六个子电池的吸收层采用带隙为1.428eV的GaAs，顶部六个子电池的吸收层为带隙为1.515eV的Al0.07Ga0.93As，电池结构及各层的编号见图1。
(1)在N型GaAs衬底(1-2×1018cm-3，厚度350μm)100上生长第一隧穿结01A，由20nm掺Si浓度1×1019cm-3的N+型GaAs层01A0和20nm掺C浓度4×1019cm-3的P+型Al0.3Ga0.7As层01A1组成；
(2)生长30nm掺C浓度为1×1018cm-3的P型Al0.2Ga0.8As 01B0，作为第一GaAs子电池01B的背场，然后生长1356nm掺C杂浓度为4×1017cm-3的GaAs 01B1作为第一子电池01B的基区，再生长200nm掺Si浓度约为1×1018cm-3的GaAs 01B2作为第一子电池01B的发射区，接着生长40nm掺Si浓度为1×1018cm-3的Al0.2Ga0.8As 01B3作为第一子电池01B的窗口层。
(3)生长20nm掺Si浓度为1×1019cm-3的Al0.2Ga0.8As 02A0作为第二隧穿结02A的N+层、20nm掺C浓度4×1019cm-3的Al0.3Ga0.7As层02A1作为第二隧穿结02A的P+层；
(4)按照上述方法依次交替生长其他GaAs子电池(02B、03B、04B和05B)和隧穿结(03A、04A、05A和06A)，直至第六GaAs子电池06B。
(5)生长20nm掺Si浓度为1×1019cm-3的Al0.2Ga0.8As 07A0作为第七隧穿结07A的N+层、20nm掺C浓度4×1019cm-3的Al0.3Ga0.7As层07A1作为第七隧穿结07A的P+层；
(6)生长30nm掺C浓度为1×1018cm-3的P型Al0.2Ga0.8As 07B0，作为第七Al0.07Ga0.93As子电池07B的背场，然后生长厚约166.2nm的掺C杂浓度为4×1017cm-3的Al0.07Ga0.93As 07B1作为第七子电池07B的基区，再生长50nm掺Si浓度约为1×1018cm-3的Al0.07Ga0.93As 07B2作为第七子电池07B的发射区，接着生长40nm掺Si浓度为1×1018cm-3的Al0.2Ga0.8As 07B3作为第一子电池07B的窗口层。
(7)生长Al0.07Ga0.93As子电池(08B、09B、10B和11B)和隧穿结(09A、10A、11A和12A)，直至第十二Al0.07Ga0.93As子电池12B。为保证器件吸收入射到电池中光的99％并满足各(Al)GaAs子电池中产生的光电流相同。各子电池吸收层的厚度如表1所示，作为对比，表1中同时列出了采用GaAs或Al0.07Ga0.93As单一带隙作材料作吸收层的十二结电池各子电池的厚度。
表1双带隙AlGaAs电池及采用GaAs或Al0.07Ga0.93As单一带隙材料作吸收层的转换808nm十二结激光光伏电池中各子电池吸收层的厚度(μm)
(8)在第十二AlGaAs子电池的窗口层12B3上生长1000nm掺Si浓度1×1018cm- 3Ga0.52In0.48P电流扩展层13和100nm掺Si浓度6×1018cm-3的GaAs欧姆接触层14，完成外延晶片的生长，其结构可以参阅图1。
Ⅱ、十二结AlGaAs叠层激光光伏电池的制备工艺
(1)采用PECVD在外延生长好的AlGaAs叠层多结电池外延晶片正面(N+GaAs接触层15)沉积一层200nm SiO2，然后在该层SiO2上匀光刻胶，采用光刻胶曝光、显影把光刻掩模板上的图形转移到光刻胶上，暴露出SiO2表面；接着以光刻胶作掩膜采用HF缓冲腐蚀液在SiO2上腐蚀出受光面窗口，露出N+GaAs接触层。
(2)随后在晶片正面匀光刻胶，采用光刻胶曝光、显影把光刻掩模上的栅线图形转移到前面制作好的受光面内，露出部分N+GaAs接触层制作栅线电极。
(3)通过电子束蒸发方法在晶片正面依次沉积AuGe/Ni/Au(35/10/100nm)、Ag1000nm、Au 100nm金属层作为正(上)电极50，采用剥离的方法去掉不需要区域的金属，制作出受光面中宽度6μm、间距为250μm栅线的上电极。
(4)采用湿法方法腐蚀受光区域内栅电极未覆盖部分的N+型GaAs接触层，直至露出电Ga0.52In0.48P流扩展层13。
(5)通过机械抛光减薄GaAs衬底100到约110μm，
(6)在晶片背面GaAs衬底100上用电子束次蒸发依次沉积AuGe/Ni/Au(35/10/100nm)形成下电极层51，此时所获AlGaAs十二结叠层激光光伏电池器件初成品的结构请参阅图2；
(7)采用快速退火在N2气氛和420℃下退火90秒，金属与N型GaAs之间形成欧姆接触。
(8)采用光学镀膜机在受光面蒸镀43nm TiO2/102nm SiO2双层减反射膜52。
(9)通过光刻的方法在受光面以外总线处去掉减反射膜，露出金属用于键合引线。
(10)通过解理分离激光光伏电池芯片，完成激光光伏电池工艺，该AlGaAs十二结叠层激光光伏电池器件成品的结构可参阅图3，该电池的开路电压大于12V。
参见图4、图5、图6所示是本发明另一典型实施例涉及的一种转换1064nm激光的十二结InGaAsP叠层激光光伏电池，其可以包含InP衬底200，第一隧穿结21A，第一InGaAsP子电池21B，第二隧穿结22A，第二InGaAsP子电池22B，第三隧穿结23A，直至第六InGaAsP子电池26B；第七隧穿结27A，第七InGaAsP子电池27B，第八隧穿结28A，第八InGaAsP子电池28B，直至第十二隧穿结32A，第十二InGaAsP子电池32B，电流扩展层33，In0.53Ga0.47As欧姆接触层34，正电极71，负电极70，减反膜72，总线81，受光面82和电极栅线83等。其中，第一InGaAsP子电池到第十二InGaAsP子电池21B、22B...31B和32B层包含(Alp1Ga1-p1)0.47In0.53As或InP背场层xxB0、InGaAsP基区xxB1、InGaAsP发射区xxB2、(Alp2Ga1-p2)0.47In0.53As或InP窗口层xxB3；第一隧穿结21A包括(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As或InP层21A0和(Alz2Ga1-z2)0.47In0.53As或InP层21A1；第二隧穿结至第六隧穿结22A、23A...31A和32A包括(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As或InP层xxA0和(Alz1Ga1-z1)0.47In0.53As或InP层xxA1。该十二结1064nm InGaAsP叠层激光光伏电池的制作方法具体包括如下步骤：
Ⅰ、用MOCVD方法生长双带隙InGaAsP 1064nm激光的十二结叠层激光光伏电池外延晶片，十二结电池分为两组，底部六结的吸收层采用带隙为1.1eV的In0.845Ga0.155As0.337P0.663,顶部六结的吸收层为带隙为1.17eV的In0.89Ga0.11As0.24P0.76，电池结构及各层的编号见图4。
(1)在N型InP衬底(1-3×1018cm-3，厚度350μm)100上生长第一隧穿结21A，由20nm掺Si浓度大于1×1019cm-3的N+型Al0.47In0.53As层21A0和20nm掺C或Zn浓度大于1×1019cm-3的P+型Al0.47In0.53As层21A1组成；
(2)生长30nm掺Zn浓度为1×1018cm-3的P型InP 21B0，作为第一In0.845Ga0.155As0.337P0.663子电池21B的背场，然后生长1389nm掺Zn杂浓度为4×1017cm-3的In0.845Ga0.155As0.337P0.66321B1作为第一子电池21B的基区，再生长200nm掺Si浓度约为1×1018cm-3的In0.845Ga0.155As0.337P0.663 21B2作为第一子电池21B的发射区，接着生长40nm掺Si浓度为1×1018cm-3的InP 21B3作为第一子电池21B的窗口层。
(3)生长20nm掺Si浓度为1×1019cm-3的Al0.47In0.53As 22A0作为第二隧穿结22A的N+层、20nm掺C浓度大于1×1019cm-3的Al0.47In0.53As层22A1作为第二隧穿结22A的P+层；
(4)按照上述方法依次交替生长其他In0.845Ga0.155As0.337P0.663子电池(22B、23B、24B和25B)和隧穿结(23A、24A、25A和26A)，直至第六In0.845Ga0.155As0.337P0.663子电池26B。
(5)生长20nm掺Si浓度为1×1019cm-3的Al0.47In0.53As 27A0作为第七隧穿结27A的N+层、20nm掺Zn浓度4×1019cm-3的Al0.47In0.53As层27A1作为第七隧穿结27A的P+层；
(6)生长30nm掺Zn浓度为1×1018cm-3的P型InP 27B0，作为第七In0.89Ga0.11As0.24P0.76子电池27B的背场，然后生长0.1462nm掺Zn杂浓度为4×1017cm-3的In0.89Ga0.11As0.24P0.76 27B1作为第七子电池27B的基区，再生长70nm掺Si浓度约为1×1018cm-3的In0.89Ga0.11As0.24P0.76 07B2作为第七子电池27B的发射区，接着生长40nm掺Si浓度为1×1018cm-3的InP 27B3作为第一子电池27B的窗口层。
(7)生长In0.89Ga0.11As0.24P0.76子电池(28B、29B、30B和31B)和隧穿结(29A、30A、31A和32A)，直至第十二In0.89Ga0.11As0.24P0.76子电池32B。为保证器件吸收入射到电池中光的99％并满足各InGaAsP子电池中产生的光电流相同。各子电池吸收层的厚度如表2所示，作为对比，表2中同时列出了采用In0.845Ga0.155As0.337P0.663或In0.89Ga0.11As0.24P0.76单一带隙作材料作吸收层的十二结电池各子电池的厚度。
表2双带隙InGaAsP及两个InGaAsP单一带隙材料作吸收层的1064nm十二结激光光伏电池中各子电池吸收层的厚度(μm)
(8)在第十二In0.89Ga0.11As0.24P0.76子电池的窗口层32B3上生长1000nm掺Si浓度1×1018cm-3InP电流扩展层33和100nm掺Si浓度6×1018cm-3的In0.53Ga0.47As欧姆接触层34，完成外延晶片的生长，其结构见图4。
Ⅱ、双带隙十二结InGaAsP叠层激光光伏电池的制备工艺
(1)采用PECVD在外延生长好的InGaAsP叠层多结电池外延晶片正面(N+In0.53Ga0.47A接触层34)沉积一层200nm SiO2，然后在该层SiO2上匀光刻胶，采用光刻胶曝光、显影把光刻掩模板上的图形转移到光刻胶上，暴露出SiO2表面；接着以光刻胶作掩膜采用HF缓冲腐蚀液在SiO2上腐蚀出受光面窗口，露出N+In0.53Ga0.47A接触层。
(2)随后在晶片正面匀光刻胶，采用光刻胶曝光、显影把光刻掩模上的栅线图形转移到前面制作好的受光面内，露出部分N+In0.53Ga0.47A接触层制作栅线电极。
(3)通过电子束蒸发方法在晶片正面依次沉积AuGe/Ni/Au(35/10/100nm)、Ag1000nm、Au 100nm金属层作为正(上)电极70，采用剥离的方法去掉不需要区域的金属，制作出受光面中宽度6μm、间距为250μm栅线的上电极。
(4)采用湿法方法腐蚀受光区域内栅电极未覆盖部分的N+型In0.53Ga0.47A接触层，直至露出电InP流扩展层33。
(5)通过机械抛光减薄InP衬底100到约110μm。
(6)在InP衬底200背面上用电子束次蒸发依次沉积AuGe/Ni/Au(35/10/100nm)形成下电极层71，此时所获InGaAsP十二结叠层激光光伏电池器件初成品的结构请参阅图2；
(7)采用快速退火在N2气氛和420℃下退火90秒，金属与N型In0.53Ga0.47As及N型InP之间形成欧姆接触。
(8)采用光学镀膜机在受光面蒸镀73nm TiO2/107nm SiO2双层减反射膜72。
(9)通过光刻的方法在受光面以外总线处去掉减反射膜，露出金属用于键合引线。
(10)通过解理分离激光光伏电池芯片，完成激光光伏电池工艺，该InGaAsP十二结叠层激光光伏电池器件成品的结构可参阅图6，该电池的开路电压大于7V。
应当理解，以上仅是本发明的较佳应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均应落在本发明权利保护范围之内。
Claims (11)
1.一种多结叠层激光光伏电池，用于将激光能量转换为电能，所述光伏电池包括衬底、电池单元层叠体、上电极和下电极，所述下电极、上电极分别与电池单元层叠体底部、顶部电连接，其特征在于：所述电池单元层叠体包括欧姆接触层、电流扩展层、层叠设置的N个PN结子电池以及设置于相邻两个所述子电池之间的隧穿结，N≥6。
2.根据权利要求1所述的多结叠层激光光伏电池特征在于：所述PN结子电池中的光吸收层包括基区和发射区，所述基区和发射区具有相同带隙，并且所述基区、发射区分别具有第一导电类型、第二导电类型，所述第一导电类型、第二导电类型中的任一者为n型导电类型，另一者为p型导电类型。
3.根据权利要求1所述的多结叠层激光光伏电池，其特征在于：所述子电池包含沿设定方向依次设置的背场层、基区、发射区和窗口层，所述背场层和基区具有第一导电类型，而所述发射区和窗口层具有第二导电类型，并且所述背场层和窗口层均不吸收入射的目标激光。
4.根据权利要求1所述的多结叠层激光光伏电池，其特征在于：沿逐渐远离所述光伏电池的激光入射侧的方向，所述N个PN结子电池的带隙呈现减小趋势；优选的，入射所述光伏电池的目标激光的光子能量与所述光伏电池激光入射侧的子电池的带隙之差小于0.1eV。
5.根据权利要求1所述的多结叠层激光光伏电池，其特征在于：所述隧穿结包含N+型半导体材料层和P+型半导体材料层，所述N+型半导体材料层、P+型半导体材料层分别与相邻PN结子电池的N型层、P型层连接，并且所述N+型半导体材料层、P+型半导体材料层均不吸收入射的目标激光。
6.根据权利要求1所述的多结叠层激光光伏电池，其特征在于：所述电池单元层叠体上依次设置有电流扩展层和欧姆接触层，所述欧姆接触层与所述上电极电连接，所述电流扩展层不吸收入射的目标激光。
7.根据权利要求1所述的多结叠层激光光伏电池，其特征在于：所述电池包含与电池单元叠层体底部连接的导电单晶衬底，所述衬底与所述下电极电连接；优选的，所述导电单晶衬底的材质包括GaAs、InP或Ge。
8.根据权利要求7所述的多结叠层激光光伏电池，其特征在于：当所述衬底的导电类型与电池单元叠层体底部结构层的导电类型不同时，在所述衬底与电池单元叠层体之间还插入隧穿结用以转换导电类型。
9.根据权利要求7所述的多结叠层激光光伏电池，其特征在于：所述PN结子电池的光吸收层由与GaAs或Ge衬底晶格匹配的AlGaAs材料组成；或者，所述PN结子电池的光吸收层由与InP衬底晶格匹配的InGaAsP材料组成；或者，所述PN结子电池的光吸收层由与InP衬底晶格匹配的InGaAlAs材料组成。
10.根据权利要求1或9所述的多结叠层激光光伏电池，其特征在于：所述电池单元层叠体中各PN结子电池的光吸收层的厚度应使得所述多结叠层激光光伏电池在充分吸收入射的目标激光时各PN结子电池产生的光电流相同。
11.根据权利要求1所述的多结叠层激光光伏电池，其特征在于：所述光伏电池的受光面上还设有减反射膜；优选的，所述受光面分布在所述光伏电池的顶端面上。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910476086.8A CN112038425B (zh) | 2019-06-03 | 一种多结叠层激光光伏电池 | |
| EP19931679.5A EP3958331A4 (en) | 2019-06-03 | 2019-06-21 | LAMINATED MULTI-JUNIT LASER PHOTOVOLTAIC CELL |
| US17/428,640 US11611008B2 (en) | 2019-06-03 | 2019-06-21 | Multi-junction laminated laser photovoltaic cell |
| PCT/CN2019/092185 WO2020243998A1 (zh) | 2019-06-03 | 2019-06-21 | 一种多结叠层激光光伏电池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910476086.8A CN112038425B (zh) | 2019-06-03 | 一种多结叠层激光光伏电池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112038425A true CN112038425A (zh) | 2020-12-04 |
| CN112038425B CN112038425B (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112713211A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-27 | 中山德华芯片技术有限公司 | 一种硅基六结太阳电池及其制作方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103022058A (zh) * | 2011-09-21 | 2013-04-03 | 索尼公司 | 多结太阳能电池、化合物半导体器件、光电转换元件和化合物半导体层叠层结构体 |
| CN103022057A (zh) * | 2011-09-21 | 2013-04-03 | 索尼公司 | 多结太阳能电池、光电转换元件和化合物半导体层叠层结构体 |
| CN103337548A (zh) * | 2013-06-19 | 2013-10-02 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 含Bi热光伏电池的结构及其制备方法 |
| CN105514207A (zh) * | 2015-12-08 | 2016-04-20 | 天津三安光电有限公司 | 一种多结太阳能电池的集成旁路二极管的制备方法 |
| CN107039557A (zh) * | 2015-12-25 | 2017-08-11 | 阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司 | 堆叠状的多结太阳能电池 |
| CN108735848A (zh) * | 2017-04-17 | 2018-11-02 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 多结叠层激光光伏电池及其制作方法 |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103022058A (zh) * | 2011-09-21 | 2013-04-03 | 索尼公司 | 多结太阳能电池、化合物半导体器件、光电转换元件和化合物半导体层叠层结构体 |
| CN103022057A (zh) * | 2011-09-21 | 2013-04-03 | 索尼公司 | 多结太阳能电池、光电转换元件和化合物半导体层叠层结构体 |
| CN103337548A (zh) * | 2013-06-19 | 2013-10-02 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 含Bi热光伏电池的结构及其制备方法 |
| CN105514207A (zh) * | 2015-12-08 | 2016-04-20 | 天津三安光电有限公司 | 一种多结太阳能电池的集成旁路二极管的制备方法 |
| CN107039557A (zh) * | 2015-12-25 | 2017-08-11 | 阿聚尔斯佩西太阳能有限责任公司 | 堆叠状的多结太阳能电池 |
| CN108735848A (zh) * | 2017-04-17 | 2018-11-02 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 多结叠层激光光伏电池及其制作方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 胡英 主编: "《新兴微纳电子技术丛书 新能源与微纳电子技术》", 西安电子科技大学出版社, pages: 50 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112713211A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-27 | 中山德华芯片技术有限公司 | 一种硅基六结太阳电池及其制作方法 |
| CN112713211B (zh) * | 2020-12-29 | 2022-03-15 | 中山德华芯片技术有限公司 | 一种硅基六结太阳电池及其制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US11611008B2 (en) | 2023-03-21 |
| WO2020243998A1 (zh) | 2020-12-10 |
| EP3958331A1 (en) | 2022-02-23 |
| EP3958331A4 (en) | 2022-06-15 |
| US20220020890A1 (en) | 2022-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1047136B1 (en) | Bilayer passivation structure for photovoltaic cells | |
| TWI542026B (zh) | 高效多接面太陽能電池 | |
| JP5215284B2 (ja) | 多接合型化合物半導体太陽電池 | |
| US20130133730A1 (en) | Thin film inp-based solar cells using epitaxial lift-off | |
| US20140102506A1 (en) | High efficiency photovoltaic cell for solar energy harvesting | |
| US20030136442A1 (en) | Group III-V solar cell | |
| US9691930B2 (en) | Fabrication of solar cells with electrically conductive polyimide adhesive | |
| CN210073891U (zh) | 一种提高抗辐照性能的多结太阳能电池 | |
| EP2246905A2 (en) | Multijunction photovoltaic structure with three-dimensional subcell and method thereof | |
| CN108735848B (zh) | 多结叠层激光光伏电池及其制作方法 | |
| CN111725332A (zh) | 一种高性能三结砷化镓太阳电池 | |
| US11611008B2 (en) | Multi-junction laminated laser photovoltaic cell | |
| US10026856B2 (en) | Systems and methods for advanced ultra-high-performance InP solar cells | |
| CN107546293B (zh) | 双结太阳能电池及其制备方法、太阳能电池外延结构 | |
| CN112038425B (zh) | 一种多结叠层激光光伏电池 | |
| Mizuno et al. | A “smart stack” triple-junction cell consisting of InGaP/GaAs and crystalline Si | |
| CN114566560B (zh) | 一种砷化镓激光光伏电池及其制备方法 | |
| KR102175147B1 (ko) | 태양 전지 및 이의 제조 방법 | |
| US20190035965A1 (en) | Group iii-v compound semiconductor solar cell, method of manufacturing group iii-v compound semiconductor solar cell, and artificial satellite | |
| JP2005347402A (ja) | 裏面反射型化合物半導体太陽電池およびその製造方法 | |
| CN115548156B (zh) | 薄膜型激光换能器及其制备方法 | |
| US20140261690A1 (en) | Intermediate band solar cells with dilute group iii-v nitrides | |
| US20140069489A1 (en) | Photovoltaic cell and manufacturing method thereof | |
| CN112563354A (zh) | 四结太阳能电池及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |