CN112736157B - 一种三结砷化镓太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三结砷化镓太阳电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。本发明提供的一种三结砷化镓太阳电池，包括：Ge衬底；于所述Ge衬底上由下至上依次外延生长的底电池、GaAs缓冲层、中底隧穿结、AlInP缓冲层、InAlGaAs缓冲层、DBR、中电池、中顶隧穿结、顶电池以及盖帽层；其中，所述AlInP缓冲层具有一粗糙面，所述粗糙面设置于靠近所述InAlGaAs缓冲层的一侧，所述粗糙面由若干个金字塔形凸起均匀分布形成。本发明设计可以直接将材料的晶格常数过渡到目标值，降低生长时间，消除应力，获得高质量、平整的外延片。适合用于禁带匹配，晶格失配的三结砷化镓太阳电池。

Description

一种三结砷化镓太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种三结砷化镓太阳电池及其制备方法。
背景技术
近年来，为了进一步提升高效砷化镓太阳电池的转换效率，国内外的主要研究机构和企业都把研究的焦点放在了禁带匹配，晶格失配的三结砷化镓太阳电池。该类型的太阳电池主要是通过把三结砷化镓太阳电池的各结子电池的吸收光谱重新分配，有效降低太阳光在电池内部转化成热能的几率，提升产品的电流密度，进而提升产品的整体转换效率。该类型的太阳电池的结构，一般是通过生长多层缓冲层的方式，根据底电池和中电池材料及其组分含量的不同，一般需要设置5～10层的缓冲层才能将晶格常数逐渐的过渡到目标值，然后生长中、顶电池子电池。该制备方法耗时长，产能低，并且由于生长过程中应力释放不充分，不可避免的加重外延片的翘曲，影响产品的均匀性，严重时会降低产品性能。
发明内容
基于此，本发明设计一种三结砷化镓太阳电池及其制备方法，解决晶格失配型太阳电池生长过程中，生长缓冲层耗时长、应力释放不充分等问题，缩短外延片制备时间，降低电池生产成本，提高发明产品性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种三结砷化镓太阳电池，该电池包括：
Ge衬底；
于所述Ge衬底上由下至上依次外延生长的底电池、GaAs缓冲层、中底隧穿结、AlInP缓冲层、InAlGaAs缓冲层、DBR、中电池、中顶隧穿结、顶电池以及盖帽层；
其中，所述AlInP缓冲层具有一粗糙面，所述粗糙面设置于靠近所述InAlGaAs缓冲层的一侧，所述粗糙面由若干个金字塔形凸起均匀分布形成。
优选地，所述Ge衬底为P型Ge衬底。
优选地，其中三结砷化镓太阳电池为禁带匹配、晶格失配的三结砷化镓太阳电池。
本发明还提供一种三结砷化镓太阳电池的制备方法，所述三结砷化镓太阳电池如前所述，其制备方法包括依次进行的以下步骤：
步骤1：在Ge衬底上生长底电池，高温下通过PH3扩散的形式，形成底电池发射区，然后生长GaInP或AlGaInP成核层，该成核层同时作为底电池的窗口层；
步骤2：生长GaAs缓冲层，所述GaAs缓冲层厚度为0.1～0.8μm；
步骤3：生长中底隧穿结，所述中底隧穿结厚度为0.01～0.03μm，所述中底隧穿结采用N++GaAs—P++GaAs结构；
步骤4：生长AlInP缓冲层，所述AlInP缓冲层的厚度为0.5～0.8μm，生长完成的AlInP缓冲层表面采用粗化液粗化出若干个金字塔形凸起；
步骤5：生长InAlGaAs缓冲层，所述InAlGaAs缓冲层厚度为0.2～0.4μm，所述InAlGaAs缓冲层材料为InxAlyGaAs，其中，0.03＜x≤0.10，0.05≤y≤0.10；
步骤6：生长DBR，所述DBR采用多周期的InxGaAs/InyAlGaAs材料，周期数大于5对，其中0.03＜x≤0.10，0.03＜y≤0.10；
步骤7：生长中电池，所述中电池材料包括InxGaAs基区和发射区，以及窗口层，其中，0.03＜x≤0.10，基区和发射区的总厚度为1.4～2.2μm，窗口层材料为AlInP或GaInP，窗口层厚度为0.05～0.2μm；
步骤8：生长中顶隧穿结，所述中顶隧穿结厚度为0.01～0.03μm，所述中顶隧穿结为N++GaInP—P++InxAlGaAs结构；
步骤9：生长顶电池，顶电池晶格常数与中电池匹配，由AlzGaInP背电场、GaInP基区、GaInP发射区及AlInP窗口层组成，其中0.15≤z≤0.4；
步骤10：生长InxGaAs盖帽层，厚度为0.4～0.6μm其中，0.03＜x≤0.10。
优选地，步骤3中，所述N++GaAs的掺杂浓度大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se和Si中至少一种；
所述P++GaAs的掺杂浓度大于2×1019/cm3，掺杂剂为Mg、Zn和C中至少一种。
优选地，步骤8中，N++GaInP掺杂浓度为大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se和Si中至少一种；P++InxAlGaAs掺杂浓度大于2×1019/cm3，掺杂剂为Mg、Zn和C中至少一种。
优选地，步骤4所述粗化液为碘酸，粗化深度为0.2～0.4μm。
优选地，步骤9中，所述AlGaInP厚度为0.02～0.15μm，GaInP基区及发射区的总厚度为0.5～1μm，AlInP窗口层厚度为0.05～0.1μm。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：本发明提供的三结砷化镓太阳电池，通过将AlInP缓冲层的上表面设置成粗糙表面，采用该设计，可以为InAlGaAs材料的侧向外延及岛的合并提供条件，在不影响材料晶体质量和不引入应力的前提下，直接将材料的晶格常数过渡到目标值，降低生长时间，消除应力，获得高质量、平整的外延片。适合用于禁带匹配，晶格失配的三结砷化镓太阳电池。
采用本发明的制备方法，具有以下几点优势。
1. 缩短产品外延制备时间，提高产能。
2. 消除外延层晶格阶变带来的应力问题，改善外延片翘曲。
3. 利用粗化和折射率差，提高中电池吸收光的反射率，提高产品的可靠性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1 为本申请实施例所提供的三结砷化镓太阳电池的结构示意图；
图2为AlInP缓冲层结构示意图；
图中，Ge衬底-11、底电池-12、GaAs缓冲层-13、中底隧穿结-14、AlInP缓冲层-15、InAlGaAs缓冲层-16、中电池-17、中顶隧穿结-18、顶电池-19和盖帽层-20、粗糙面-21、凸起-22、DBR-23。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
以下结合附图1～2对本申请进行详细说明。其中，图1 为本申请实施例所提供的三结砷化镓太阳电池的结构示意图；图2为AlInP缓冲层结构示意图（图2中仅示出AlInP缓冲层15以及两个相邻层，其余结构略）；
本实施例提供一种三结砷化镓太阳电池，该太阳电池适合用于制作禁带匹配、晶格失配的三结砷化镓太阳电池，该电池包括：
Ge衬底11；
于所述Ge衬底11上由下至上依次外延生长的底电池12、GaAs缓冲层13、中底隧穿结14、AlInP缓冲层15、InAlGaAs缓冲层16、DBR23、中电池17、中顶隧穿结18、顶电池19以及盖帽层20；其中，所述AlInP缓冲层15具有一粗糙面21，所述粗糙面21设置于靠近所述InAlGaAs缓冲层16的一侧，所述粗糙面21由若干个金字塔形凸起22均匀分布形成。
本发明中，AlInP缓冲层15上的具有金字塔凸起22的粗糙面21的作用在于为后续生长的InAlGaAs材料提供侧向生长的外延条件，并与InAlGaAs材料形成折射率差，反射部分入射太阳光，提高中电池子电池对吸收波段的吸收能力。本发明Ge衬底11的选择没有特别的限制，根据本领域中三结砷化镓太阳电池要求进行Ge衬底的选择即可，在一些具体实施例中，所述衬底为P型Ge衬底。
本发明提供的上述三结砷化镓太阳电池的制备方法并无特殊限制，可采用本领域技术人员熟知的三结砷化镓太阳电池外延片的制作方法进行制备，在一些具体实施例中，其制备方法包括依次进行的以下步骤：
步骤1：在Ge衬底11上生长底电池12，高温下通过PH3扩散的形式，形成底电池12发射区，然后生长GaInP或AlGaInP成核层，该成核层同时作为底电池12的窗口层；
步骤2：生长GaAs缓冲层13，所述GaAs缓冲层13厚度为0.1～0.8μm；
步骤3：生长中底隧穿结14，所述中底隧穿结14厚度为0.01～0.03μm，所述中底隧穿结14采用N++GaAs—P++GaAs结构；
步骤4：生长AlInP缓冲层15，所述AlInP缓冲层15的厚度为0.5～0.8μm，生长完成的AlInP缓冲层15表面采用粗化液粗化出若干个金字塔形凸起22；
步骤5：生长InAlGaAs缓冲层16，所述InAlGaAs缓冲层16厚度为0.2～0.4μm，所述InAlGaAs缓冲层16的材料为InxAlyGaAs，其中，0.03＜x≤0.10，0.05≤y≤0.10；
步骤6：生长DBR23，所述DBR23为多周期的InxGaAs/InxAlyGaAs材料，周期数大于5对，其中，0.03＜x≤0.10，0.03＜y≤0.10，一个周期是指生长一组InGaAs和InAlGaAs材料。
步骤7：生长中电池17，所述中电池17材料包括InxGaAs基区和发射区，以及窗口层，其中0.03＜x≤0.10，基区与发射区的总厚度为1.4～2.2μm，窗口层材料为AlInP或GaInP，窗口层厚度为0.05～0.2μm；
步骤8：生长中顶隧穿结18，所述中顶隧穿结18厚度为0.01～0.03μm，所述中顶隧穿结18为N++GaInP—P++InxAlGaAs结构；
步骤9：生长顶电池19，顶电池19晶格常数与中电池17匹配，由AlzGaInP背电场、GaInP基区、GaInP发射区及AlInP窗口层组成，其中0.15≤z≤0.4；
步骤10：生长InxGaAs盖帽层20，厚度为0.4～0.6μm。
在一些具体实施例中，步骤3中，所述N++GaAs的掺杂浓度大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se和Si中至少一种；所述P++GaAs的掺杂浓度大于2×1019/cm3，掺杂剂为Mg、Zn和C中至少一种。
在一些具体实施例中，步骤8中，N++GaInP掺杂浓度为大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se和Si中至少一种；P++InxAlGaAs掺杂浓度大于2×1019/cm3，掺杂剂为Mg、Zn和C中至少一种。
在一些具体实施例中，步骤4所述粗化液为碘酸，粗化深度为0.2～0.4μm。
在一些具体实施例中，步骤9中，所述AlGaInP厚度为0.02～0.15μm，GaInP基区及发射区的总厚度为0.5～1μm，AlInP窗口层厚度为0.05～0.1μm。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种砷化镓太阳电池的制备方法进行详细描述。
实施例1
本发明实施例提供一种砷化镓太阳电池，其制备方法包括依次进行的以下步骤：
1）在P型Ge衬底11上，高温下通过PH3扩散的形式，形成底电池12发射区，然后生长GaInP成核层，该成核层同时作为底电池12的窗口层；
2）生长GaAs缓冲层13，GaAs缓冲层13厚度为0.4μm；
3）生长中底隧穿结14，中底隧穿结14为N++GaAs—P++GaAs结构，其中N++GaAs的厚度为0.02μm，掺杂浓度为5×1019/cm3，掺杂剂为Te和Si组合；P++GaAs的厚度为0.02μm之间，掺杂浓度为8×1019/cm3，掺杂剂为C；
4）生长AlInP缓冲层15，厚度为0.6μm，然后用粗化液在外延层表面粗化出金字塔型图形，粗化深度0.4微米；
5）生长InAlGaAs缓冲层16，InAlGaAs缓冲层16的材料为In0.06Al0.05GaAs，厚度为0.3μm；
6）生长10对的In0.06GaAs/In0.06AlGaAs DBR23。
7）生长中电池17，中电池17包括In0.06GaAs基区和发射区，基区和发射区总厚度1.8μm，GaInP窗口层，厚度0.1μm；
8）生长中顶隧穿结18，中顶隧穿结18为N++GaInP—P++In0.06AlGaAs结构，其中，N++GaInP厚度为0.02μm，掺杂浓度为5×1019/cm3，掺杂剂为Si；P++In0.06AlGaAs的厚度为0.02μm，掺杂浓度为8×1019/cm3，掺杂剂为C；
9）生长顶电池19，顶电池19晶格常数与中电池17匹配，由Al0.3GaInP背电场、GaInP基区、GaInP发射区及AlInP窗口层组成。其中，AlGaInP厚度0.1μm，GaInP基区及发射区的总厚度为0.6μm，AlInP窗口层厚度为0.05μm；
10）最后生长In0.06GaAs盖帽层20，厚度为0.5μm。
对上述制备的太阳电池进行芯片工艺，并将获得的太阳电池芯片，在标准条件下进行光电性能测试（AM0，25±1℃），结果见下表1：
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE002
实施例2
本发明实施例提供一种砷化镓太阳电池，其制备方法包括依次进行的以下步骤：
1）在P型Ge衬底11上生长底电池，高温下通过PH3扩散的形式，形成底电池12发射区，然后生长AlGaInP成核层，该成核层同时作为底电池12的窗口层；
2）生长GaAs缓冲层13，所述GaAs缓冲层13厚度为0.2μm；
3）生长中底隧穿结14，中底隧穿结14为N++GaAs—P++GaAs结构，其中N++GaAs的厚度为0.01μm，掺杂浓度为7×1019/cm3，掺杂剂为Te和Si组合；P++GaAs的厚度为0.01μm，掺杂浓度为1×1020/cm3，掺杂剂为C；
4）生长AlInP缓冲层15，厚度为0.8μm，然后用粗化液在外延层表面粗化出金字塔型图形，粗化深度0.2μm；
5）生长InAlGaAs缓冲层16，InAlGaAs缓冲层16材料为In0.1Al0.1GaAs；厚度为0.4μm；
6）生长7对的In0.1GaAs/In0.1AlGaAs DBR23。
7）生长中电池17，中电池17包括In0.1GaAs基区和发射区，基区和发射区总厚度为1.6μm，AlInP窗口层，厚度为0.07μm；
8）生长中顶隧穿结18，中顶隧穿结18为N++GaInP—P++In0.1AlGaAs结构，其中，N++GaInP厚度为0.02μm，掺杂浓度为8×1019/cm3，掺杂剂为Si；P++In0.1AlGaAs的厚度为0.02μm，掺杂浓度为1×1020/cm3，掺杂剂为C；
9）生长顶电池19，顶电池19晶格常数与中电池17匹配，由Al0.4GaInP背电场、GaInP基区、GaInP发射区及AlInP窗口层组成。其中，AlGaInP厚度为0.1μm，GaInP基区及发射区的总厚度为1μm，AlInP窗口层厚度为0.05μm；
10）最后生长In0.1GaAs盖帽层20，厚度为0.5μm。
对上述制备的太阳电池进行芯片工艺，并将获得的太阳电池芯片，在标准条件下进行光电性能测试（AM0，25±1℃），结果见下表2：
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE004
本实施例中未描述的内容可以参考本申请其余部分的相关描述。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种三结砷化镓太阳电池，其特征在于，该电池包括：
Ge衬底；
于所述Ge衬底上由下至上依次外延生长的底电池、GaAs缓冲层、中底隧穿结、AlInP缓冲层、InAlGaAs缓冲层、DBR、中电池、中顶隧穿结、顶电池以及盖帽层；
其中，所述AlInP缓冲层具有一粗糙面，所述粗糙面设置于靠近所述InAlGaAs缓冲层的一侧，所述粗糙面由若干个金字塔形凸起均匀分布形成，所述AlInP缓冲层的厚度为0.5～0.8μm，生长完成的AlInP缓冲层表面采用粗化液粗化出若干个金字塔形凸起，粗化深度为0.2～0.4μm。
2.根据权利要求1所述一种三结砷化镓太阳电池，其特征在于，所述Ge衬底为P型Ge衬底。
3.根据权利要求1所述一种三结砷化镓太阳电池，其特征在于，其中三结砷化镓太阳电池为禁带匹配、晶格失配的三结砷化镓太阳电池。
4.一种三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，所述三结砷化镓太阳电池如权利要求1～3任一项所述，其制备方法包括依次进行的以下步骤：
步骤1：在Ge衬底上生长底电池，高温下通过PH3扩散的形式，形成底电池发射区，然后生长GaInP或AlGaInP成核层，该成核层同时作为底电池的窗口层；
步骤2：生长GaAs缓冲层，所述GaAs缓冲层厚度为0.1～0.8μm；
步骤3：生长中底隧穿结，所述中底隧穿结厚度为0.01～0.03μm，所述中底隧穿结采用N++GaAs—P++GaAs结构；
步骤4：生长AlInP缓冲层，所述AlInP缓冲层的厚度为0.5～0.8μm，生长完成的AlInP缓冲层表面采用粗化液粗化出若干个金字塔形凸起；
步骤5：生长InAlGaAs缓冲层，所述InAlGaAs缓冲层厚度为0.2～0.4μm，所述InAlGaAs缓冲层材料为InxAlyGaAs，其中，0.03＜x≤0.10，0.05≤y≤0.10；
步骤6：生长DBR，所述DBR为多周期的InxGaAs/InyAlGaAs材料，周期数大于5对，其中0.03＜x≤0.10，0.03＜y≤0.10；
步骤7：生长中电池，所述中电池材料包括InxGaAs基区和发射区，以及窗口层，其中，0.03＜x≤0.10，基区与发射区的总厚度为1.4～2.2μm，窗口层材料为AlInP或GaInP，窗口层厚度为0.05～0.2μm；
步骤8：生长中顶隧穿结，所述中顶隧穿结厚度为0.01～0.03μm，所述中顶隧穿结为N++GaInP—P++InxAlGaAs结构，其中，0.03＜x≤0.10；
步骤9：生长顶电池，顶电池晶格常数与中电池匹配，由AlzGaInP背电场、GaInP基区、GaInP发射区及AlInP窗口层组成，其中0.15≤z≤0.4；
步骤10：生长InxGaAs盖帽层，厚度为0.4～0.6μm，其中，0.03＜x≤0.10。
5.根据权利要求4所述一种三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述N++GaAs的掺杂浓度大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se和Si中至少一种；所述P++GaAs的掺杂浓度大于2×1019/cm3，掺杂剂为Mg、Zn和C中至少一种。
6.根据权利要求4所述一种三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤8中，N++GaInP掺杂浓度为大于1×1019/cm3，掺杂剂为Te、Se和Si中至少一种；P++InxAlGaAs掺杂浓度大于2×1019/cm3，掺杂剂为Mg、Zn和C中至少一种。
7.根据权利要求4所述一种三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤4所述粗化液为碘酸。
8.根据权利要求4或7所述一种三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，粗化深度为0.2～0.4μm。
9.根据权利要求4所述一种三结砷化镓太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤9中，所述AlGaInP厚度为0.02～0.15μm，GaInP基区及发射区的总厚度为0.5～1μm，AlInP窗口层厚度为0.05～0.1μm。
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