CN1431721A - 一种太阳能转换多结极联光电池 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能转换多结极联光电池，属半导体材料技术领域。用于解决现有极联光电池光谱响应范围和光电转换效率方面存在的问题。其方案中包括顶电池、中间电池和底电池，改进后的底电池是Ge的一个或多个PN结电池，中间电池是GaAs的一个或多个PN结电池，顶电池是ZnSe的肖特基结MIS。本发明采用ZnSe、GaAs、Ge三种功能材料搭配，制成单晶薄膜多结极联电池以转换光能。其合成光谱响应曲线可覆盖阳光总光谱能的95％，理论效率达56％，实际效率达30％以上。另外，本发明通过电流匹配、提高开路电压以提高输出功率，采用Au/n－ZnSe肖特基结，避开了P型掺杂的困难，上电极的引出工艺也更为简单。

Description

一种太阳能转换多结极联光电池
技术领域
本发明涉及一种改进的太阳能转换光电池，属半导体材料技术领域。
背景技术
光电池是一种将太阳能转化成电能的器件。自从1954年贝尔实验室制成世界上第一个具有使用价值的光电池以来，吸引了各国科学家相继研究开发出各种类型和用途的光电池。光电池是利用半导体材料的光生伏打效应制成的，当太阳发射的光子进入半导体PN结的结面附近时，即可激发出电子空穴对，在PN结内电场的作用下，电子空穴对产生定向运动，P区和N区形成电位差，若光照连续，PN结两侧就有一个稳定的电动势输出。利用半导体的掺杂特性，掺入铟、铝、硼、镓、砷等就能大大提高其光敏特性。研究发现，不同的半导体材料及其掺杂状况，可以使光电池具有不同的光谱响应范围和不同的峰值频响数值。一般说来，可利用的太阳光的光线波长为300～1000nm，不同的材料对不同的波长光线敏感，单一的PN结能覆盖某一范围波长的阳光。为此，在组成光电池时，为了提高光电的转换效率，最大限度地利用光的辐射照射，一般都设法将多种半导体功能材料搭配，组成多结联级的光电池。例如美国科学家提出的InGaP/GaAs/Ge三结级联电池、德国夫琅禾费太阳能研究所在文献中给出的InGaP/GaAs二结极联电池等都是这类光电池中较好的范例。前者其样品的最高效率达25.67％(AM0，25℃)，产品已用于商业卫星。这种光电池是在美国能源部支持下、一些美国国家实验室和大学参加的新一代非硅基薄膜光伏太阳电池研究计划的一部分。理想的多结极联光电池应能充分吸收阳光中的各种能量的光子，给出最大的能量转换，然而这仅是人们的愿望，实际情况并非如此。例如前述德国学者的极联电池，其给出的InGaP/GaAs极联电池的外量子效率曲线与相应的InGaP、GaAs单结电池的外量子效率曲线相比较，InGaP顶电池的半高宽响应范围是370-650nm，几乎完全落入了单结GaAs电池的半高宽响应范围400-880nm之内。换句话说，InGaP顶电池在这里成了几近重复的配置，它吸收了一部分本该被GaAs吸收的光子，使GaAs的吸收曲线变窄。虽然由于InGaP的Eg较GaAs的大，加上InGaP可以把开路电压提高，但必然要降低短路电流，形成的结果是：工艺更加复杂了、得益却不如期望的多。至于前述美国可再生能源国家实验室给出的InGaP2/GaAs/Ge三结极联电池的外量子效率曲线，也可以从中得出基本上相同的结论。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有极联光电池存在的缺陷，而提出一种光谱响应范围更宽、光电转换效率更高的太阳能转换多结极联光电池。
本发明所述问题是通过以下技术方案实现的：
一种太阳能转换多结极联光电池，它包括顶电池、中间电池和底电池，其改进在于，所述底电池是Ge的一个或多个PN结电池，所述中间电池是GaAs的一个或多个PN结电池，所述顶电池是一个ZnSe的肖特基结MIS(Metal/Insulator/Semiconductor，金属/绝缘体/半导体)电池。
上述太阳能转换多结极联光电池，为改善电子通过PN结势垒的导电过程，在所述顶电池和中间电池、以及中间电池和底电池之间延生有一层GaAs的隧道结层。
上述太阳能转换多结极联光电池，在所述底电池和隧道结之间延生有一层P型GaAs的缓冲层。
上述太阳能转换多结极联光电池，在所述顶电池的肖特基结MIS结构中，半导体采用N型ZnSe层，金属采用Au，Au层和本征ZnSe绝缘层采用格栅式结构。
上述太阳能转换多结极联光电池，在所述顶电池中设有减反射膜AR(AntiReflection)。
上述太阳能转换多结极联光电池，所述隧道结的厚度在100A°-500A°之间，所述各PN结功能层的厚度在1μm-5μm之间。
上述太阳能转换多结极联光电池，所述各层的搀杂浓度在1×1017--5×1019cm-3之间。
本发明首次采用ZnSe、GaAs、Ge三种半导体功能材料搭配，制成单晶薄膜多结极联电池，把光能转换为电能，根据阳光辐射谱数据，其合成光谱响应曲线可覆盖阳光总光谱能的95％，理论效率可达56％，实际效率可达30％以上。另外，为了提高输出功率，本发明提出通过电流匹配、提高开路电压以提高光电池的实际输出功率，本发明中光电池总的开路电压是底电池、中间电池、顶电池各子电池开路电压之和；
本发明采用Au/n-ZnSe肖特基结作为ZnSe顶电池结构，既能得到与ZnSe的PN结结构相同的效果，而又避开了P型掺杂的困难。同时，上电极引出工艺也被简化，因为从金属Au上引出金属电极很简单，而从p-ZnSe上引出金属电极要麻烦得多，需要制作专门的欧姆接触，以防止形成附加的、有害的接触势垒。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是测得的ZnSe顶电池的外量子效率曲线(峰值位于400nm处)；
图3是德国夫琅禾费研究所报道的GaInP/GaAs极联光电池及相应的单结光电池的外量子效率曲线；
(图中：A为GaAs底电池的外量子效率曲线；
       B为InGaP顶电池的外量子效率曲线；
       C为GaAs单结电池的外量子效率曲线，从图中可以看到，在400nm
        处的外量子效率曲线已下降了一半，图2中ZnSe的曲线恰在峰值
        处，两者交叠衔接贴切，可有效补偿GaAs量子效率的下降；
       D为InGaP单结电池的外量子效率曲线；
       E为InGaP单结电池的外量子效率曲线；)
图4是美国国家可再生能源实验室报道的GaInP/GaAs/Ge级联电池的外量子效率曲线。
具体实施方式
本发明的思路是采用ZnSe、GaAs、Ge三种半导体功能材料进行合理搭配，形成多个同质结和一个肖特基结经隧道结串联的单晶薄膜多结极联电池，把光能转换为电能。ZnSe、GaAs、Ge的晶体结构都属于面心立方晶系，晶格常数分别是5.669，5.653，5.657A°，失配小于0.05A°，因而能够形成良好的异质单晶外延。它们的禁带宽度Eg(Energy gap)分别是2.61、1.43、0.67eV，均匀地分布在太阳光谱的高、中、低端，故其合成光谱响应曲线可覆盖阳光总光谱能的95％。
图2是测得的ZnSe PN结的外量子效率曲线。它表明ZnSe吸收峰在400nm、半高宽响应范围是450-360nm；图3是InGaP/GaAs极联电池和相应的InGaP、GaAs单结电池的外量子效率曲线；图4是InGaP2/GaAs/Ge三结极联电池的外量子效率曲线。当把图2的曲线移到图3上时可以看出，ZnSe与单结GaAs的半高宽响应范围交叠衔接贴切，在GaAs已力所不及的高频段正好由ZnSe发挥了作用。由于ZnSe的Eg＝2.6eV，可以吸收太阳总光谱能的19％(AM1.0)，因此可以把效率在原25.67％的基础上再提高4.5个百分点(假设效率是25％)，达30％以上。同时，由于ZnSe的禁带宽度比InGaP的大很多，因此可得到更高的开路电压。
底电池3、中间电池2分别是Ge、GaAs的一个或多个pn结电池，顶电池1是一个ZnSe的肖特基结MIS(Metal/Insulator/Semiconductor，金属/绝缘体/半导体)电池，分别对阳光中的低、中、高能光子进行光电转换。各子电池之间用高掺杂的GaAs隧道结4或5和一个GaAs的缓冲层6串联起来。在N型Ge衬底上外延的各层厚度是：隧道结4或5在100A°-500A°之间，各PN结功能层在1μm-5μm之间。各层搀杂浓度在1×1017--5×1019cm-3之间。
实现上述技术方案中的多层外延时，可采用MOCVD(金属有机化学气相沉积)或MBE(分子束外延)技术，此处不再赘述。
本发明中总的开路电压是底电池、中间电池、顶电池各子电池开路电压之和；总的电流与底电池、中间电池、顶电池各自的电流应相等，因此要求各层电流必须匹配。由于GaAs中间电池的光电流密度最大，因此可以把GaAs中间电池拆成两个串联的GaAs PN结次级电池，使其电压提高为原来的两倍、电流降低为原来的二分之一，去与顶电池、底电池匹配。这样既可实现电流匹配，又不损失光生功率。在相同功率下，用高电压、小电流比用低电压、大电流更有利。
也可以把GaAs中间电池拆成三个串联的GaAs PN结次级电池，把Ge底电池拆成两个串联的Ge的PN结次级电池。
本发明的顶电池采用MIS结构，目的是要得到与ZnSe的PN结结构相同的效果，而又避开了P型掺杂的困难。Ge、GaAs等材料的P型、N型掺杂都较容易实现，ZnSe的N型掺杂也较容易实现，但ZnSe的P型掺杂却很难达到1×1018cm-3以上。这一难题困扰了人们一、二十年。科学家们虽然也找到了一些方法，可把搀杂浓度提高到5×1018cm-3，但十分复杂，在实际使用中难以推广。由于ZnSe与Au(金)的肖特基(接触)势垒高达1.5eV，因而可以形成足够强的结电场，形成良好的肖特基结。由于肖特基结的MIS结构具有与PN结几乎相同的功能，因此在本发明中被用作顶电池的基本结构。同时，这样作的结果也使上电极的引出工艺被简化了，因为从金属Au上引出金属电极很简单，而从P-ZnSe上引出金属电极要麻烦得多，需要制作专门的欧姆接触，以免形成附加的、有害的接触势垒。
为了使尽量多的光子进入n-ZnSe有源层产生电子、空穴对，Au层和ZnSe本征层均为格栅式结构，而不是全覆盖式结构。如果Au层是全覆盖式结构，将会反射掉很大一部分入射光，使电池效率下降。当Au层采用格栅式结构后，ZnSe本征层也要相应地采用格栅式结构，形成MIS结构。另外，为了防止光子被反射，在顶电池的表面设有一层减反射膜AR(Anti Reflection)。

Claims (5)

1.一种太阳能转换多结极联光电池，它包括顶电池、中间电池和底电池，其特征在于，所述底电池[3]是Ge的一个或多个PN结电池，所述中间电池[2]是GaAs的一个或多个PN结电池，所述顶电池[1]是一个ZnSe的肖特基结MIS。
2.根据权利要求1所述的太阳能转换多结极联光电池，其特征在于，在所述顶电池[1]和中间电池[2]、以及中间电池[2]和底电池[3]之间各延生有一层GaAs的隧道结层[4]或[5]。
3.根据权利要求2所述的太阳能转换多结极联光电池，其特征在于，在所述底电池和隧道结之间延生有一层P型GaAs的缓冲层[6]。
4.根据权利要求3所述的太阳能转换多结极联光电池，其特征在于，在所述顶电池[1]的肖特基结MIS结构中，半导体采用N型ZnSe层，金属采用Au，Au层和本征ZnSe绝缘层采用格栅式结构。
5.根据权利要求4所述的太阳能转换多结极联光电池，其特征在于，在所述顶电池[1]中设有减反射膜AR。
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