CN113921642B - 一种Si基双面三结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Si基双面三结太阳能电池及其制备方法，包括：N型Si衬底；N型Si衬底的上下表面分别掺杂形成p+‑Si层和n+‑Si层；p+‑Si层上依次形成有GaAs缓冲层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结和GaInP子电池，GaInP子电池上形成有减反射膜、欧姆接触层和正面电极；n+‑Si层上形成有减反射膜、欧姆接触层和背面电极。本发明的电池结构集成双面吸收光能和GaAs多结太阳能结构的优势，可最大程度地发挥三结电池的能力，提高太阳能电池的光电转化效率。

Description

一种Si基双面三结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏的技术领域，具体涉及一种Si基双面三结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
进入二十一世纪以来，人类面临的全球能源紧缺、环境恶化的情况日益严重；传统化石能源虽然可以在短期内满足人类日益增长的能源需求，但是长期来看，化石能源是不可再生资源，终有一天会耗尽。此外，气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生命系统形成威胁。在这一背景下，世界各国以全球协约的方式减排温室气体，我国由此提出碳达峰和碳中和的目标。我国作为“世界工厂”，产业链日渐完善，国产制造能力与日俱增，同时碳排放量加速攀升。但我国油气资源相对匮乏，发展低碳经济，重塑能源体系具有重要安全意义。首先我们要在经济增长和能源需求增加的同时，持续削减煤炭发电、大力发展和运用风电、太阳能发电、水电、核电等非化石能源，实现清洁能源代替火力发电。
为了能够最大化提高太阳能的利用率，人们采用了许多方法来提升太阳能电池的转化效率。而传统太阳能电池均采用单面结构，这种结构对背面的光线不能很好地吸收利用。因此，人们提出了双面电池的概念，通过改变电池的背面结构，增加背面光线的吸收，来提升太阳能电池的综合转化效率。目前可产业化的双面电池主要采用n型Si衬底，在950nm～1200nm波段，n型双面电池优于常规的太阳能电池，但在长波长响应方面还需要进一步的改进和提升。因此，单一的n型Si双面电池还需要进行优化。
目前，基于GaAs多结太阳能电池凭借其转换效率明显高与Si太阳能电池而被广泛地应用于光伏发电和空间站发电；GaAs多结电池的主流结构为GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池，其带隙依次为1.85/1.40/0.67eV。由于Ge与GaInAs之间存在较大的带隙差距，Ge子电池吸收的太阳能光谱能量比其它两结电池多出很多。由Ge电池产生的短路电流会造成很大一部分光谱能量不能被充分利用，限制了电池性能的提升。而Si的带隙为1.12eV，其带隙结构与GaAs或GaInAs更接近，因此理论上，Si基GaAs多结太阳能电池要优于传统的GaAs电池结构。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种Si基双面三结太阳能电池及其制备方法，一方面，n型Si双面电池要优于常规的电池结构，另一方面，凭借GaAs多结太阳能结构在光电转化效率方面优于Si太阳能电池，同时，克服GaAs多结太阳能电池中存在带隙失匹的问题；该电池结构集成双面吸收光能和GaAs多结太阳能结构的优势，可最大程度地发挥三结电池的能力，提高太阳能电池的光电转化效率。
本发明公开了一种Si基双面三结太阳能电池，包括：N型Si衬底；
所述N型Si衬底的上下表面分别掺杂形成p+-Si层和n+-Si层；
所述p+-Si层上依次形成有GaAs缓冲层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结和GaInP子电池，所述GaInP子电池上形成有减反射膜、欧姆接触层和正面电极；
所述n+-Si层上形成有减反射膜、欧姆接触层和背面电极。
作为本发明的进一步改进，还包括：GaInAs子电池和第三隧道结；
所述GaInAs子电池形成在所述第二隧道结上，所述第三隧道结形成在所述GaInAs子电池上，所述GaInP子电池形成在所述第三隧道结上。
作为本发明的进一步改进，所述N型Si衬底的晶向为(100)或(111)或(211)。
作为本发明的进一步改进，GaAs子电池中GaAs材料在室温下的带隙为1.42eV，所述GaInP子电池中GaInP材料在室温下的带隙为1.8eV～1.9eV。
作为本发明的进一步改进，所述减反射膜为氧化物薄膜、氮化物薄膜或者氟化物薄膜。
本发明还公开了一种Si基双面三结太阳能电池的制备方法，包括：
对N型Si衬底上下表面进行制绒；
采用扩散方式在N型Si衬底上表面进行掺杂，形成p+-Si层；
采用外延生长技术在p+-Si层上表面依次生长GaAs缓冲层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结和GaInP子电池；
在GaInP子电池上制备减反射膜、欧姆接触层和正面电极；
采用离子注入方式在N型Si衬底下表面进行掺杂，形成n+-Si层；
在n+-Si层上制备减反射膜、欧姆接触层和背面电极。
作为本发明的进一步改进，还包括：
在第二隧道结和GaInP子电池之间，采用外延生长技术依次生长GaInAs子电池和第三隧道结。
作为本发明的进一步改进，对所述N型Si衬底进行P+型掺杂时，炉内温度控制在800℃～1200℃，持续时间至少1h；对所述N型Si衬底进行离子注入，注入能量为40keV～110keV，注入剂量为1×1018/cm3～1×1019/cm3。
作为本发明的进一步改进，所述第一隧道结由p-GaAs和n-GaAs构成，厚度均为10～100nm，掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1020/cm3；所述第二隧道结由p-AlGaAs和n-GaAs构成，厚度均为10～200nm，掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1020/cm3。
作为本发明的进一步改进，所述GaAs子电池厚度为0.1μm～4μm，掺杂浓度为2×1018/cm3～1×1021/cm3。所述GaInP子电池厚度为0.5μm～2μm，掺杂浓度为2×1018/cm3～1×1021/cm3。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明主要结合了双面电池和GaAs多结电池的优点，形成了双面Si基三结太阳能电池，这种结构可以大大地提升电池的吸收光谱的效率，改善GaAs多结太阳能电池结构中带隙失配的问题，扩大了电池吸收光谱的波段；此外，本发明通过采用二次外延技术，可以很好地解决了GaAs和Si之间4.1％的晶格失配和60％热膨胀系数失配的问题，改善了晶体的结晶质量，有利于GaAs与Si界面之间载流子的输运。
附图说明
图1为本发明实施例1公开的Si基双面三结太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例2公开的Si基双面三结太阳能电池的结构示意图.
图中：
1、N型Si衬底；2、p+-Si层；3、n+-Si层；4、GaAs缓冲层；5、第一隧道结；6、GaAs子电池；7、第二隧道结；8、GaInP子电池；9、GaInAs子电池；10、第三隧道结；11、减反射膜；12、欧姆接触层；13、正面电极；14、背面电极。
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的一部分实施例，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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供一种Si基双面三结太阳能电池，包括：N型Si衬底1，N型Si衬底1为单晶Si衬底且晶向为(100)或(111)或(211)；
N型Si衬底1的上下表面分别掺杂形成p+-Si层2和n+-Si层3，p+-Si层2上依次形成有GaAs缓冲层4、第一隧道结5、GaAs子电池6、第二隧道结7和GaInP子电池8，GaInP子电池8上形成有减反射膜11、欧姆接触层12和正面电极13，n+-Si层3上形成有减反射膜11、欧姆接触层12和背面电极14。
如图2所示，本发明提供一种Si基双面三结太阳能电池，包括：N型Si衬底1，N型Si衬底1为单晶Si衬底且晶向为(100)或(111)或(211)；
N型Si衬底1的上下表面分别掺杂形成p+-Si层2和n+-Si层3，p+-Si层2上依次形成有GaAs缓冲层4、第一隧道结5、GaAs子电池6、第二隧道结7、GaInAs子电池9、第三隧道结10和GaInP子电池8，GaInP子电池8上形成有减反射膜11、欧姆接触层12和正面电极13，n+-Si层3上形成有减反射膜11、欧姆接触层12和背面电极14。
进一步，GaAs子电池6中GaAs材料在室温下的带隙为1.42eV，GaInP子电池8中GaInP材料在室温下的带隙为1.8eV～1.9eV。
进一步，GaInP子电池8和Si子电池上均生长高掺杂浓度的N型GaAs盖帽层作为欧姆接触层12。
进一步，GaInP子电池8上沉积减反射膜，减反射膜的成分可以为氧化物、氮化物或者氟化物薄膜中的一种或几种。
本发明提供一种Si基双面三结太阳能电池的制备方法，包括：
S1：Si衬底电池的制备：取一片双面抛光的N型单晶Si衬底，在Si衬底的一侧进行P+型掺杂，在高温条件下，在携带有BBr3的氮气与氧气氛围中，掺杂剂逐渐向Si衬底中扩散，从而使Si衬底的一侧形成P+型。然后对Si衬底的另一侧进行离子注入，注入的杂质源为PH3或AsH3，从而形成N+型掺杂；
S2：GaAs缓冲层的制备：在Si衬底上外延生长一层GaAs缓冲层。主要采用两步生长法在Si衬底上外延GaAs层。首先将Si衬底放入V(NH3·H2O):V(H2O2):V(H2O)＝1:2:5溶液中腐蚀3min，取出后用去离子水冲洗；然后放入V(HCl):V(H2O2):V(H2O)＝1:2:5溶液中腐蚀3min，取出后用去离子水冲洗；最后将片子放入质量分数为25％的氢氟酸溶液中腐蚀3min，取出后用去离子水冲洗。将清洗后的Si衬底放入外延炉中，将外延炉抽至真空状态，将炉内温度升至900℃～1000℃，对Si衬底进行高温处理10min，以去除其表面氧化物层；然后将炉内温度降低至400℃～500℃，并保证Si衬底的温度也在此区间内，开始进行低温生长，此为第一步生长，第一步生长的厚度控制在2～20nm。在第一步生长完毕后，将衬底温度升高至600℃～700℃，生长速率为1～2μm/h，生长时间至少1h，此为第二步生长，GaAs缓冲层的掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1020/cm3；
S3：第一隧道结的制备：在GaAs缓冲层上生长第一隧道结，其生长速率为1～3μm/h；
S4：GaAs子电池的制备：第一隧道结生长完毕后，将温度控制在500℃～700℃，继续生长GaAs子电池，生长速率为1～2μm/h；
S5：第二隧道结的制备：GaAs子电池生长完毕后，保持炉内温度，在GaAs子电池上生长第二隧道结，生长速率为1～3μm/h；
S6：GaInP子电池的制备：第二隧道结生长完毕后，在第二隧道结上生长GaInP子电池，生长温度为600℃～800℃，生长速率为0.1～2μm/h；
S7：P型GaAs盖帽层的制备：GaInP子电池生长完毕后，在GaInP子电池上外延GaAs盖帽层，炉内温度升高至600℃～700℃，生长速率为1～2μm/h；
S8:N型GaAs盖帽层的制备：在N+型Si衬底上通过利用二次外延法在N+型Si衬底一侧外延GaAs盖帽层；
S9:外延生长部分结束后，对上下面利用光刻、沉积减反射膜、制备电极以及后续电池芯片的制备。
优选地，对Si衬底进行P+型掺杂时，炉内温度控制在800℃～1200℃，持续时间至少1h；
优选地，对Si衬底进行离子注入，注入能量为40keV～110keV，注入剂量为1×1018/cm3～1×1019/cm3；
优选地，第一隧道结由p-GaAs和n-GaAs构成，厚度均为10～100nm，掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1020/cm3；第二隧道结由p-AlGaAs和n-GaAs构成，厚度均为10～200nm，掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1020/cm3；
优选地，GaAs子电池厚度为0.1μm～4μm，掺杂浓度为2×1018/cm3～1×1021/cm3。GaInP子电池厚度为0.5μm～2μm，掺杂浓度为2×1018/cm3～1×1021/cm3。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种Si基双面三结太阳能电池及其制备方法，包括：
(1)Si衬底电池的制备：取一片双面抛光的N型单晶Si衬底，在Si衬底的一侧进行P+型掺杂，在1000℃条件下，在携带有BBr3的氮气与氧气氛围中，掺杂剂逐渐向Si衬底中扩散，扩散时间为3h，从而使Si衬底的一侧形成P+型。然后对Si衬底的另一侧进行离子注入，注入的杂质源为PH3，注入能量为80keV，注入剂量为1×1018/cm3，从而形成N+型掺杂。；
(2)GaAs缓冲层的制备：在Si衬底上外延生长一层GaAs缓冲层。主要采用两步生长法在Si衬底上外延GaAs层。首先将Si衬底放入V(NH3·H2O):V(H2O2):V(H2O)＝1:2:5溶液中腐蚀3min，取出后用去离子水冲洗；然后放入V(HCl):V(H2O2):V(H2O)＝1:2:5溶液中腐蚀3min，取出后用去离子水冲洗；最后将片子放入质量分数为25％的氢氟酸溶液中腐蚀3min，取出后用去离子水冲洗。将清洗后的Si衬底放入外延炉中，将外延炉抽至真空状态，真空度为1×10-5Pa，将炉内温度升至900℃，对Si衬底进行高温处理10min，以去除其表面氧化物层；然后将炉内温度降低至450℃，并保证Si衬底的温度也在此区间内，开始进行低温生长，此为第一步生长，第一步生长的厚度控制在10nm。在第一步生长完毕后，将衬底温度升高至650℃，生长速率为2μm/h，生长时间为2h，此为第二步生长，GaAs缓冲层的掺杂浓度为1×1020/cm3。；
(3)第一隧道结的制备：在GaAs缓冲层上生长第一隧道结，其生长速率为2μm/h，生长厚度为50nm；
(4)GaAs子电池的制备：第一隧道结生长完毕后，将温度控制在550℃，继续生长GaAs子电池，生长速率为2μm/h，生长厚度为2μm；
(5)第二隧道结的制备：GaAs子电池生长完毕后，保持炉内温度，在GaAs子电池上生长第二隧道结，生长速率为1μm/h，生长厚度为50nm；
(6)GaInP子电池的制备：第二隧道结生长完毕后，在第二隧道结上生长GaInP子电池，生长温度为700℃，生长速率为2μm/h，生长厚度为3μm；
(7)P型GaAs盖帽层的制备：GaInP子电池生长完毕后，在GaInP子电池上外延GaAs盖帽层，炉内温度升高至650℃，生长速率为1μm/h，生长厚度为2μm；
(8)N型GaAs盖帽层的制备：在N+型Si衬底上通过利用二次外延法在N+型Si衬底一侧外延GaAs盖帽层，生长速率为1μm/h，生长厚度为2μm；
(9)外延生长部分结束后，对上下面利用光刻、沉积减反射膜、制备电极以及后续电池芯片的制备。
实施例2
如图2所示，本发明提供一种Si基双面三结太阳能电池及其制备方法，包括：
(1)Si衬底电池的制备：取一片双面抛光的N型单晶Si衬底，在Si衬底的一侧进行P+型掺杂，在1000℃条件下，在携带有BBr3的氮气与氧气氛围中，掺杂剂逐渐向Si衬底中扩散，扩散时间为3h，从而使Si衬底的一侧形成P+型。然后对Si衬底的另一侧进行离子注入，注入的杂质源为PH3，注入能量为80keV，注入剂量为1×1018/cm3，从而形成N+型掺杂。；
(2)GaAs缓冲层的制备：在Si衬底上外延生长一层GaAs缓冲层。主要采用两步生长法在Si衬底上外延GaAs层。首先将Si衬底放入V(NH3·H2O):V(H2O2):V(H2O)＝1:2:5溶液中腐蚀3min，取出后用去离子水冲洗；然后放入V(HCl):V(H2O2):V(H2O)＝1:2:5溶液中腐蚀3min，取出后用去离子水冲洗；最后将片子放入质量分数为25％的氢氟酸溶液中腐蚀3min，取出后用去离子水冲洗。将清洗后的Si衬底放入外延炉中，将外延炉抽至真空状态，真空度为1×10-5Pa，将炉内温度升至900℃，对Si衬底进行高温处理10min，以去除其表面氧化物层；然后将炉内温度降低至450℃，并保证Si衬底的温度也在此区间内，开始进行低温生长，此为第一步生长，第一步生长的厚度控制在10nm。在第一步生长完毕后，将衬底温度升高至650℃，生长速率为2μm/h，生长时间为2h，此为第二步生长，GaAs缓冲层的掺杂浓度为1×1020/cm3。；
(3)第一隧道结的制备：在GaAs缓冲层上生长第一隧道结，其生长速率为2μm/h，生长厚度为50nm；
(4)GaAs子电池的制备：第一隧道结生长完毕后，将温度控制在550℃，继续生长GaAs子电池，生长速率为2μm/h，生长厚度为2μm；
(5)第二隧道结的制备：GaAs子电池生长完毕后，保持炉内温度，在GaAs子电池上生长第二隧道结，生长速率为1μm/h，生长厚度为50nm；
(6)GaInAs子电池的制备:第二隧道结生长完毕后，在第二隧道结上生长GaInAs子电池，生长温度为600℃，生长速率为1μm/h，生长厚度为3μm；
(7)第三隧道结的制备:GaInAs子电池生长完毕后，在GaInAs子电池上生长第三隧道结，生长温度为600℃，生长速率为1μm/h，生长厚度为50nm；
(8)GaInP子电池的制备：第三隧道结生长完毕后，在第三隧道结上生长GaInP子电池，生长温度为700℃，生长速率为2μm/h，生长厚度为3μm；
(9)P型GaAs盖帽层的制备：GaInP子电池生长完毕后，在GaInP子电池上外延GaAs盖帽层，炉内温度升高至650℃，生长速率为1μm/h，生长厚度为2μm；
(10)N型GaAs盖帽层的制备：在N+型Si衬底上通过利用二次外延法在N+型Si衬底一侧外延GaAs盖帽层，生长速率为1μm/h，生长厚度为2μm；
(11)外延生长部分结束后，对上下面利用光刻、沉积减反射膜、制备电极以及后续电池芯片的制备。
本发明的优点为：
本发明主要结合了双面电池和GaAs多结电池的优点，形成了双面Si基三结太阳能电池，这种结构可以大大地提升电池的吸收光谱的效率，改善GaAs多结太阳能电池结构中带隙失配的问题，扩大了电池吸收光谱的波段；此外，本发明通过采用二次外延技术，可以很好地解决了GaAs和Si之间4.1％的晶格失配和60％热膨胀系数失配的问题，改善了晶体的结晶质量，有利于GaAs与Si界面之间载流子的输运。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Si基双面三结太阳能电池，其特征在于，包括：N型Si衬底；
所述N型Si衬底的上下表面分别掺杂形成p+-Si层和n+-Si层；其中，p+-Si层的形成方法为：取一片双面抛光的N型单晶Si衬底，在Si衬底的一侧进行P+型掺杂，在高温条件下，在携带有BBr3的氮气与氧气氛围中，掺杂剂逐渐向Si衬底中扩散，从而使Si衬底的一侧形成P+型；其中，对所述N型Si衬底进行P+型掺杂时，炉内温度控制在800℃～1200℃，持续时间至少1h；
所述p+-Si层上依次形成有GaAs缓冲层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结和GaInP子电池，所述GaInP子电池上形成有减反射膜、欧姆接触层和正面电极；
所述n+-Si层上形成有减反射膜、欧姆接触层和背面电极；其中，在N+型Si衬底上通过利用二次外延法在N+型Si衬底一侧外延N型GaAs盖帽层，作为该侧的欧姆接触层。
2.如权利要求1所述的Si基双面三结太阳能电池，其特征在于，还包括：GaInAs子电池和第三隧道结；
所述GaInAs子电池形成在所述第二隧道结上，所述第三隧道结形成在所述GaInAs子电池上，所述GaInP子电池形成在所述第三隧道结上。
3.如权利要求1或2所述的Si基双面三结太阳能电池，其特征在于，所述N型Si衬底的晶向为（100）或（111）或（211）。
4.如权利要求1或2所述的Si基双面三结太阳能电池，其特征在于，GaAs子电池中GaAs材料在室温下的带隙为1.42eV，所述GaInP子电池中GaInP材料在室温下的带隙为1.8eV~1.9eV。
5.如权利要求1或2所述的Si基双面三结太阳能电池，其特征在于，所述减反射膜为氧化物薄膜、氮化物薄膜或者氟化物薄膜。
6.一种如权利要求1~5中任一项所述的Si基双面三结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：
对N型Si衬底上下表面进行制绒；
采用扩散方式在N型Si衬底上表面进行掺杂，形成p+-Si层；
采用外延生长技术在p+-Si层上表面依次生长GaAs缓冲层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结和GaInP子电池；
在GaInP子电池上制备减反射膜、欧姆接触层和正面电极；
采用离子注入方式在N型Si衬底下表面进行掺杂，形成n+-Si层；
在n+-Si层上制备减反射膜、欧姆接触层和背面电极。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括：
在第二隧道结和GaInP子电池之间，采用外延生长技术依次生长GaInAs子电池和第三隧道结。
8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，对所述N型Si衬底进行离子注入，注入能量为40keV～110keV，注入剂量为1×1018/cm3～1×1019/cm3。
9.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述第一隧道结由p-GaAs和n-GaAs构成，厚度均为10～100nm，掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1020/cm3；所述第二隧道结由p-AlGaAs和n-GaAs构成，厚度均为10～200nm，掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1020/cm3。
10.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述GaAs子电池厚度为0.1μm～4μm，掺杂浓度为2×1018/cm3～1×1021/cm3；所述GaInP子电池厚度为0.5μm～2μm，掺杂浓度为2×1018/cm3～1×1021/cm3。
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