CN202503000U - 高效三结太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高效三结太阳能电池，其包括：生长衬底，其具有两个抛光表面；底电池，由应变补偿超晶格构成，倒装生长于生长衬底的背面，具有一第一带隙，其等效晶格常数与生长衬底的晶格常数匹配；中电池，形成于生长衬底正面上，其具有大于第一带隙的第二带隙，其晶格常数与生底衬底匹配；顶电池，形成于中电池之上，其具有一大于第二带隙的第三带隙，且晶格常数与中电池晶格常数匹配。该三结太阳能电池的能带隙分布满足了捕获太阳能光谱的最佳选择，且电流匹配和晶格匹配，有效提高了三结太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高效应变补偿三结太阳能电池，属半导体材料技术领域。
背景技术
近年来，太阳能电池作为实用的新能源，吸引了越来越多的关注。它是一种利用光生伏打效应将太阳能转化成电能的半导体器件，这在很大程度上减少了人们生产生活对煤炭、石油及天然气的依赖，成为利用绿色能源的最有效方式之一。随着聚光光伏技术的发展，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池因其高光电转换效率而越来越受到关注。
目前，制约Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池产业发展的主要障碍之一是其组件成本高，最终导致太阳能发电的成本较高。降低太阳能电池发光成本的最关键在于进一步提高太阳电池的光电转换效率。影响多三结III-V族太阳能电池的光电转换效率的主要因素包括：晶格匹配、电流匹配和能带隙分布。多结Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池各子电池短路电流越接近（匹配程度越高），对光谱的利用程度也就越高，对于三结或三结以上的太阳能电池，最高效率材料组合均需要带隙在1.0eV附近的材料来满足电流匹配条件。
对于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体领域来言，在Ge衬底上外延生长晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge 三结太阳能电池是一项比较成熟的技术，其在无聚光条件下光电转换效率最大达41%。在晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池中，Ge底电池带隙为0.66eV，AM1.5D条件下，其光电流密度Jph≈27.0mA/cm2，为GaInP/GaAs/Ge三结叠层太阳电池光电流的两倍，而多结电池的工作电流由各子电池中短路电流最小的电池决定，因此电流不匹配使得Ge底电池效率降低。解决这一问题的方法就是寻找带隙为1 eV的子电池来取代Ge子电池，实现三结电池电流匹配。普遍采用的候选材料是In0.3Ga0.7As（1eV），但其晶格常数与GaAs衬底或者Ge衬底不匹配，为了克服这一晶格失配要引入渐变缓冲层，但是渐变缓冲层的晶体质量极大地影响着电池效率。中国专利申请公开案“一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池”（申请号CN200910019869.X）提出了应用应变补偿超晶格作为子电池实现了电流匹配和晶格匹配，但其各子池的能带隙分布为1.65~1.75eV/1.0eV/0.67eV，仅为捕获太阳光谱的次佳选择，太阳能电池转换率有限，且用昂贵的Ge衬底，成本较高。
理论上，三结太阳能电池的能带隙分布为 1.8~1.9eV/1.2~1.5eV/0.9~1.0eV为捕获太阳能光谱的最佳选择，其转化效率会更高。安科太阳能公司（Emcore Solar Power, Inc）提出了倒装变形多结太阳能电池InGaP/GaAs/InGaAs，其满足了上述能带隙分布，但倒装生长过程复杂，后续的工艺更加复杂，大大限制了这项技术在工业上的应用。
实用新型内容
针对现在技术中的上述问题，本实用新型提出了一种高效三结太阳能电池。该三结太阳能电池的能带隙分布满足了捕获太阳能光谱的最佳选择，且电流匹配和晶格匹配，有效提高了三结太阳能电池的光电转换效率。
本实用新型解决上述问题的方案为：高效三结太阳能电池，其包括：生长衬底，其具有两个抛光表面；底电池，由应变补偿超晶格构成，倒装生长于生长衬底的背面，具有一第一带隙，其等效晶格常数与生长衬底的晶格常数匹配；中电池，形成于生长衬底正面上，其具有大于第一带隙的第二带隙，其晶格常数与生底衬底匹配；顶电池，形成于中电池之上，其具有一大于第二带隙的第三带隙，且晶格常数与中电池晶格常数匹配。
在本实用新型中，生长衬底为经双面抛光处理的超薄衬底，可选用p型厚度为200~250微米的GaAs衬底。所述中电池以生长衬底为基区，其带隙为1.4~1.5eV。顶电池的材料为InGaP，其带隙为1.8~1.9eV。底电池的带隙为0.9eV～1.1 eV, 等效晶格常数为5.65 ?～5.66 ?；发射区的材料为GaAs，基区由应变补偿GaAsP/GaAs/GaInAs超晶格构成，等效晶格常数与GaAs匹配。应变补偿GaAsP/GaAs/GaInAs超晶格中，势垒层GaAsP的厚度为5～10nm；中间的GaAs隔离层很薄，其厚度小于5nm，起到缓冲应力、调整晶格常数的作用；GaInAs电池的In组份为0.3～0.4，优选值为0.3。进一步地，可在底电池的下方设置分布式布拉格反射层。前述高效三结太阳能电池的下方（即底电池的下方）可键合一支撑衬底，用以增加电池的机械强度。
本实用新型的有益效果为：在特制超薄双面抛光衬底上，将带隙不同的子电池按照由高到低的顺序沉积于衬底两面，中、顶电池与衬底晶格匹配；底电池采用应变补偿结构生长，其有效带隙约为1.0eV，有效晶格常数与衬底和中、底电池晶格匹配。底电池下方的DBR层能够有效地反射透过的光子产生重新吸收，降低暗电流，提高转化效率。支撑衬底能够提高电池的机械强度，降低破片率。通过本实用新型能够有效配置各子电池的带隙，光谱吸收充分且合理，形成了各子电池晶格匹配、电流匹配、高晶格质量的高效应变补偿三结太阳能电池。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本实用新型，但本领 域技术人员应当理解，并不旨在将本实用新型限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本实用新型的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1 是根据本实用新型实施的一种高效三结太阳能电池的结构示意图。
图中各标号表示：
010：生长衬底；020：支撑衬底；100：底电池； 110：底电池背场层；120：底电池基区；130：底电池发射区；140：底电池窗口层；200：中电池；210：中电池背场层；220：中电池基区；230：中电池发射区；240：中电池窗口层；310：顶电池背场层；320：顶电池基区；330：顶电池发射区；340：顶电池窗口层；400：底、中子电池隧穿结；410：中、顶子电池隧穿结；500：高掺杂盖帽层；600：DBR反射层。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。在此应特别注意地是，在本实用新型中多次提及“超薄衬底”，其是相对现有技术中的普通衬底而言，普通生长衬底的厚度一般为450微米以上，而本实用新型涉用到的生长衬底的厚度为200~250微米。
实施例一
图1为根据本实用新型实施的一种高效三结太阳能电池的结构示意图。
如图1所示，一种高效三结太阳能电池，包括支撑衬底020，DBR反射层600，底电池100，中电池200，顶电池300，高掺杂盖帽层500，各结子电池之间通过隧穿结410、420连接。其中，底电池100倒生长在生长衬底010的背面上，中电池以生长衬底010本身作为基区220，发射区230外延生长于生长衬底的正面上，顶电池形成于中电池之上。以下对其具体结构进行详细描述。
生长衬底010为经双面抛光处理的超薄衬底。在本实施中，选用p型厚度约为200微米的GaAs衬底，其掺杂浓度为在2×1017cm-3 ~5×1017cm-3。
中电池200形成于生长衬底上，其到下而上包括：背场层210、基区220、发射区230、窗口层240，带隙为1.4~1.5eV。本结子电池200以生长衬底010作为基区220，背场层210形成于基区010的下方（即生长衬底的背面）；发射区230形成于生长衬底010的正面上，其厚度为优选值为100 nm；窗口层240形成于发射区230上，其材料为n型InAlP，厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
顶电池300形成于中电池200的上方，其至下而上包括：背场层310、基区320、发射区330、窗口层340，带隙为1.4~1.5eV。在本实施例中，背场层310的材料为 p-AlGaInP，厚度为50nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3；基区320的材料p-In0.485Ga0.515P，其带隙为1.89 eV，厚度为2微米，采用渐变掺杂方式，浓度1~5×1017cm-3；发射区330的材料为 n+- In0.485Ga0.515P，其厚度为100nm，掺杂浓度大约2×1018cm-3；窗口层340的材料为 n型InAlP，其厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
中、顶电池通过中、顶子电池隧穿结420连结。在本实施例中，隧穿结420的材料为重掺杂的p++/n++-InGaP，总厚度约50 nm，掺杂浓度为2×1019cm-3。
底电池100通过外延生长于中电池200的下方（即生长衬底的背面），其到下而上包括：背场层110、基区120、发射区130、窗口层140，带隙为0.9eV～1.0eV。基区120由p型GaAsP/GaAs/GaInAs超晶格组成，可以通过组分和量子阱GaInAs厚度的改变来获得需要的晶格常数和禁带宽度，从而获得1eV子电池。应变补偿GaAsP/GaAs/GaInAs超晶格的有效带隙根据GaInAs中In的组分调整在1.01eV附近，确定了GaInAs的组分和厚度之后，通过选择GaAsP势垒的组分和厚度可以使得整个超晶格等效晶格常数<a>与GaAs匹配。室温下GaInAs的带隙与In的组分的关系、以及上述等效晶格常数的计算公式如下：
E GaInAs =1.42-1.49x In + 0.43x In 2 (eV) （1）
其中，E GaInAs 为GaInAs带隙，x In 为In的组分，t w 和a GaInAs 分别为GaInAs量子阱的厚度和晶格常数，t b 和a GaAsP 分别为GaAsP势垒厚度和晶格常数。GaInAs的晶格常数a GaInAs 随In组分的变化关系，以及GaAsP的晶格常数a GaAsP 随As组分的变化关系计算公式如下（单位?）：
a GaInAs =5.6533+0.405x In （3）
a GaAsP =5.4505+0.20275x As （4）
在本实施例中，窗口层140由 n型InP构成，其厚度为40 nm，掺杂浓度大约1×1018cm-3。发射区130由n型GaAs组成，厚度为100 nm，掺杂浓度为2×1018cm-3。基区120基区总厚度为3.2 微米，掺杂浓度为1×1016cm-3 ～ 1×1017cm-3，其由200个周期的应变补偿超晶格GaAs 1-y P y / GaAs/Ga 1-x In x As构成。势垒层GaAs 1-y P y 中P组分为y= 0.3，其晶格常数可为5.65 ?～5.66 ?，优选值为5.5113?，势垒层厚度为8 nm；隔离层GaAs的厚度很薄（小于5nm），起到缓冲应力、调整晶格常数的作用；量子阱Ga 1-x In x As中In组份为0.3～0.4，优选值为0.3，其晶格常数是5.9368 ?，量子阱宽度为8 nm。应变超晶格的有效晶格常数为5.666 ?，有效带隙为1.01eV。背场层110由p型GaAs构成，其厚度为50 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3。
中、底电池通过中、顶子电池隧穿结410连结。在本实施例中，隧穿结410的材料为P++/n++-InP构成，其厚度为50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3。
分布式布拉格反射层（Distributed Bragg Reflector，DBR）600 位于底电池100的下方，由变组分Al X Ga 1-X As超晶格构成，其晶格常数与生长衬底010匹配。在本实施例中，选用20个周期的AlAs/Al Z Ga 1-Z As超晶格作为DBR层，AlGaAs中Al组分选择为0.15。DBR层能够有效地反射透过的光子产生重新吸收，降低暗电流，提高转化效率。
支撑衬底020位于分布式布拉格反射层的下方，为太阳能电池的最底端，用于支撑太阳能电池的结构，提高电池的机械强度，降低破片率。在本实施例中，选用硅作为支撑衬底020的材料。
在本实施中的高效三结太阳能电池，以GaAs生长衬底以基区，形成GaAs子电池（中电池），其带隙为1.4~1.5eV；在GaAs子电池上形成与生长衬底晶格匹配的InGaP子电池（顶电池），其生GaAs生长衬底背面上，其带隙为1.8~1.9eV；在GaAs生长衬底的背面外延倒生长应变补偿GaAsP/GaAs/GaInAs超晶格作为底电池的基区。应变补偿GaAsP/GaAs/GaInAs超晶格，可以通过组分改变和量子阱GaInAs厚度的改变来获得需要的晶格常数和禁带宽度，从而获得1eV子电池。
实施例二
本实施例为实例一中所述的一种高效三结太阳能电池的制备工艺，其包括子电池100、200、300、及各子电池之间各层的形成工艺。
具体制备工艺包括如下步骤：
第一步，提供一生长衬底010。生长衬底010为经双面抛光处理的超薄衬底。在本实施中，选用p型厚度约为200微米的GaAs衬底，其掺杂浓度为在2×1017cm-3 ~5×1017cm-3。
下一步，在生长衬底010的正表面形成中子池020，带隙为1.4~1.5eV。其具体工艺如下：在MOCVD系统中，以上述双面抛光的GaAs衬底010作为中电池基区220，在衬底表面外延生长n型发射区230，其带隙为1.42 eV，厚度优选值为100 nm；在发射区230上面生长n型InAlP材料层作为窗口层240，其厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在中电池200的上方外延生长重掺杂的p++-InGaP /n++-InGaP作为隧穿结420，其总厚度是50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3。
下一步，在隧穿结420上方形成顶电池300，其至下而上包括：背场层310、基区320、发射区330、窗口层340，带隙为1.4~1.5eV。其具体工艺如下：在隧穿结420上方生长p型AlGaInP材料层作为背场层310，其厚度为50 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3；在背场层310上方生长p型In0.485Ga0.515P材料层作为其带隙为1.89 eV，厚度为2微米，采用渐变掺杂方式，浓度1~5×1017cm-3；在基区320上方生长n型In0.485Ga0.515P材料层作为发射区330，其厚度为100 nm，掺杂浓度大约2×1018cm-3；在发射区330上面生长n型InAlP材料层作为窗口层340，其厚度为25 nm，掺杂浓度在1×1018cm-3左右。
下一步，在顶电池300的上方生长重掺杂n++-InAlAsP材料层作为盖帽层500，厚度为1000 nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
下一步，对生长衬底010背面进行退火处理。先将衬底进行原位翻转，进行阴离子源保护下的原位退火，退火温度控制在600~700℃，其作用是驱除翻转后生长面（原衬底背面）的氧化层和杂质吸附层。
下一步，在所述生长衬底背面上进行与衬底同质材料的生长，在生长一定厚度后（一般是200~500 nm）获得平滑的表面，这是反面结构高晶体质量外延的保障。
下一步，在平滑的生长衬底010背面外延生长p型InAlP材料层作为中电池200的背场层210，其厚度为100 nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3。
下一步，在中电池背场层210的下方外延生长重掺杂的P++/n++-InP材料层作为隧穿结410，其厚度为50 nm，掺杂浓度高达2×1019cm-3。
下一步，在隧穿结410下方倒生长底电池100，其到下而上包括：背场层110、基区120、发射区130、窗口层140，带隙为0.9eV～1.0eV。其具体工艺如下：在隧穿结500下方外延生长n型InP材料层作为窗口层140，其厚度为40 nm，掺杂浓度大约1×1018cm-3；在窗口层140下方外延生长n型GaAs材料层作为发射区130，其厚度为100nm，掺杂浓度为2×1018cm-3；在发射区130下方外延生长应变补偿GaAs 1-y P y /Ga 1-x In x As超晶格结构作为基区120。在基区的下方外延生长p型GaAs材料层作为背场层，其厚度为50nm，掺杂浓度为1~2×1018cm-3。在本实例中，基区120由200个周期的应变补偿超晶格GaAs 1-y P y /Ga 1-x In x As构成，应变超晶格的有效晶格常数为5.666 ?，有效带隙为1.01eV。应变超晶格基区总厚度为3.2 微米，掺杂浓度为1×1016cm-3 ～ 1×1017cm-3。其中，势垒层GaAs 1-y P y 中P组分为y= 0.3，其晶格常数为5.5113?，势垒层厚度为8 nm，量子阱Ga 1-x In x As中In组分为x=0.3，其晶格常数是5.9368 ?，量子阱宽度为8 nm。
下一步，在底电池背场层110的下方外延生长20个周期的AlAs/AlGaAs超晶格作为DBR反射层，AlGaAs中Al组分选择为0.15。
下一步，在DBR反射层背面，采用金属键合的方法粘接支撑衬底，用以增加整体样品的机械强度。支撑衬底可选用Si。在样品表面进行减反膜蒸镀，金属电极的制备等后期工艺，完成所需要的太阳能电池。
本实用新型通过材料地有效选取，采用双面生长技术，使得该太阳能电池在获得最佳能带隙的同时，解决了其各子电池间的晶格匹配和电流匹配的问题。本实用新型的制作方法中，特殊的双面生长工艺，有效地克服倒装生长后期带来的繁琐工艺，提高了产品良率，降低生产成本，大力推进高效太阳能电池的实际应用。
Claims (9)
1.高效三结太阳能电池，其包括：
生长衬底，其具有两个抛光的表面；
底电池，由应变补偿超晶格构成，倒装生长于生长衬底的背面，具有一第一带隙，其等效晶格常数与生长衬底的晶格常数匹配；
中电池，形成于生长衬底正面上，其具有大于第一带隙的第二带隙，其晶格常数与生底衬底匹配；
顶电池，形成于中电池之上，其具有一大于第二带隙的第三带隙，且晶格常数与中电池晶格常数匹配。
2.根据权利要求1所述的高效三结太阳能电池，其特征在于：还包括一分布式布拉格发射层，形成于底电池的下方。
3.根据权利要求1所述的高效三结太阳能电池，其特征在于：还包括一支撑衬底，其位于底电池的下方，用于支撑太阳能电池。
4.根据权利要求1所述的高效三结太阳能电池，其特征在于：所述底电池的带隙为0.9eV～1.1 eV，中电池的带隙为1.4~1.5eV，顶电池的带隙为1.8~1.9eV。
5.根据权利要求1所述的高效三结太阳能电池，其特征在于：所述生长衬底的厚度为200~250微米。
6.根据权利要求5所述的高效三结太阳能电池，其特征在于：所述生长衬底的厚度为200微米。
7.根据权利要求1所述的高效三结太阳能电池，其特征在于：所述生长衬底为GaAs衬底。
8.根据权利要求7所述的高效三结太阳能电池，其特征在于：所述第所述顶电池为InGaP子电池；底电池的基区由应变补偿GaAsP/GaAs/GaInAs超晶格构成，其等效晶格常数与GaAs匹配。
9.根据权利要求7所述的高效三结太阳能电池，其特征在于：所述底电池的等效晶格常数为5.65 ?～5.66 ?。
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