CN205790002U - 一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,包括依次从下到上设置的Si衬底、GaAs低温缓冲层、GaAs高温缓冲层、AlGaAs背场层、GaAs基层、GaAs发射层、AlGaAs窗口层、GaAs电极接触层。本实用新型通过对Si衬底500‑850℃高温热处理,并且在500‑750℃生长GaAs低温缓冲层,在600‑750℃生长GaAs高温缓冲层,解决了Si衬底与GaAs材料的晶格匹配问题,通过高低温切换实现了GaAs材料在Si衬底上进行生长的可能性,为继续生长新材料提供新鲜界面,为Si衬底生长GaAs太阳能电池提供了更为广泛和高效的方法和途径。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,属于光电子技术领域。
背景技术
太阳能电池(Solar Cell)可大致分为三代,第一代为硅晶电池,又可大致分为单晶硅与多晶硅两种,商业应用之历史最悠久,已被广泛应用于家庭与消费性商品;第二代产品为薄膜太阳能电池,主要构成材料为非晶硅(Amorphous)与二六族化合物半导体,常被运用于建筑涂料;第三代即为砷化镓三五族太阳能电池,砷化镓(GaAs)被运用于太空作为发电用途已有很长的历史,主要因为砷化镓具有良好的耐热、耐辐射等特性,因此被广泛利用在太空发电用途,唯价格过于高昂,故过去未被使用于地面及家庭消费性用途。然而随着人类对半导体材料的认识益深,搭配上聚光光学组件,如今砷化镓电池之转换效率已可高达40%,制造成本亦大幅降低。在全球热切寻找永续替代能源的今日,高效率砷化镓太阳能电池将是光能发电的另一项重要选择。
太阳电池是一种能量转换的光电元件,它是经由太阳光照射后,把光的能量转换成电能,此种光电元件称为太阳电池(Solar Cell)。从物理学的角℃来看,有人称之为光伏电池(Photovoltaic,简称PV),其中的photo就是光(light),而voltaic就是电力(electricity)。太阳电池的种类繁多,若依材料的种类来区分,可分为单晶硅(singlecrystal silicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon,简称a-Si)、III-Ⅴ族[包括:砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓铟(InGaP)]、II-Ⅵ族[包括:碲化镉(CdTe)、硒化铟铜(CuInSe 2)]等。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。太阳能光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域,是其中最受瞩目的项目之一。
其原理是当P型和N型半导体结合在一起时,在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层,界面的P型一侧带负电,N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴,N型半导体多自由电子,出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区,P区的空穴会扩散到N区,一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”,从而阻止扩散进行。达到平衡后,就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差,这就是PN结。
当晶片受光后,PN结中,N型半导体的空穴往P区移动,而P区中的电子往N区移动,从而形成从N区到P区的电流。然后在PN结中形成电势差,这就形成了电源。如图1所示。由于半导体不是电的良导体,电子在通过PN结后如果在半导体中流动,电阻非常大,损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属,阳光就不能通过,电流就不能产生,因此一般用金属网格覆盖PN结,以增加入射光的面积。
GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右),产品耐高温和辐射,但生产成本高,产量受限,目前主要作空间电源用。使用Si衬底,用MOCVD技术制造GaAs电池是降低成本很有希望的方法。在Si衬底上进行生长GaAs太阳能电池具有极大的市场前景和技术潜力,Si衬底价格便宜面积大,并且对比其他太阳能常用衬底如Ge衬底资源丰富,对于GaAs衬底处理时不会产生毒类物质,实用意义更大。但是由于Si衬底与GaAs材料禁带系数、热膨胀系数等技术因素有关,目前的技术一直在进行研发探索。
中国专利文献CN101859814A公开了一种在硅衬底上生长InGaP/GaAs/Ge三结太阳能电池的方法,首先在硅衬底上外延生长组分渐变的GexSi1-x应力过渡层,然后在应力过渡层上形成应力完全弛豫的Ge薄膜层,接着在上述Ge/GexSi1-x/Si模板上,外延生长形成包括底部Ge子电池、中部GaAs子电池和顶部InGaP子电池的InGaP/GaAs/Ge三结高效太阳能电池。本专利主要是提供直接在Si衬底上通过变温生长GaAs过渡层然后进行生长单结太阳能电池的方法,两者目的一样,但是实现的手段与方法不尽相同。
中国专利文献CN103346190A公开了一种Si衬底的四结级联太阳能电池,包括从下至上依次设置在Si衬底上的第一键合层、InGaAsP/InGaAs双结电池、第二键合层、第三键合层、GaInP/GaAs双结电池,使所述InGaAsP/InGaAs双结电池、GaInP/GaAs双结电池在Si衬底上形成串联。本实用新型还提供这种太阳能电池的制备方法。本实用新型采用Si衬底作为支撑衬底具有良好的机械强度。同时,采用了键合后再正装生长薄层的双结电池的方式,且GaAs与InP薄层键合方法实现了四结电池的晶格匹配生长。但是,该专利存在以下缺陷:没有根本解决材料结构之间的禁带和热膨胀系数问题,多次键合后对材料质量和光电转换效率有一定影响。
中国专利文献CN103311354A公开了一种Si衬底三结级联太阳电池,包括按照远离Si衬底的方向依次在Si衬底上生长的第一过渡层、GeSi底电池、第二过渡层、第一隧道结、GaAs中间电池、第二隧道结、GaInP顶电池、GaAs接触层。本实用新型采用Si衬底制作的三结级联太阳能电池,实现带隙能量分别为1.89eV/1.42eV/1.0eV,获得高电压、低电流输出,从而有效降低超高倍聚光太阳电池中的电阻损失,实现较高的光电转换效率。但是,该专利存在以下缺陷:该结构增加了生产制造成本,并且无法实现从Si衬底直接向GaAs材料过渡形成单结电池的优势,增加了产品的不稳定性。
综上所述,现有的单晶、多晶硅、有机物太阳能电池转化效率不高,而使用Ge衬底生长GaAs单结太阳能电池,由于Ge衬底自身价格较高且来源不丰富、成本较高。
发明内容
针对现有技术的不足,本实用新型提供了一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构;
本实用新型利用MOCVD技术通过温度等手段直接在Si衬底上生长GaAs材料,通过热处理以及GaAs低温缓冲层、GaAs高温缓冲层解决Si衬底与GaAs单结太阳能电池的禁带和热膨胀系数问题,通过调整结构中Al组分实现最大光电转换效率,为实现大规模量产民用铺平了道路。
术语解释
1、MOCVD:金属有机化学气相沉积技术,MOCVD设备是半导体化合物生长的常用设备,广泛用于半导体电子器件制造行业。
2、掺杂浓度:单位1E19个原子/cm3就是指每单位立方厘米中有1*1019个原子。
3、AMO:AM为大气质量,AMO即大气质量为0,代表空间应用环境。
4、AM1:表示阳光垂直穿透大气,即0°入射。
5、AM1.5:表示阳光以45°入射。
本实用新型的技术方案为:
一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,包括依次从下到上设置的Si衬底、GaAs低温缓冲层、GaAs高温缓冲层、AlGaAs背场层、GaAs基层、GaAs发射层、AlGaAs窗口层、GaAs电极接触层,所述GaAs低温缓冲层的厚度为20-100nm,掺杂浓度为1E17-6E18个原子/cm3;所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.3-3um,掺杂浓度为1E17-6E18个原子/cm3。
通过对Si衬底500-850℃高温热处理,并且在500-750℃生长GaAs低温缓冲层,在600-750℃生长GaAs高温缓冲层,解决了Si衬底与GaAs材料的晶格匹配问题,通过高低温切换实现了GaAs材料在Si衬底上进行生长的可能性,为继续生长新材料提供新鲜界面,为Si衬底生长GaAs太阳能电池提供了更为广泛和高效的方法和途径。AlGaAs背场层因为其禁带宽度比较高,降低背面的电子复合,起到阻止电子流失的作用;GaAs基层为电子聚集提供了场所;GaAs发射层为空穴聚集提供了场所;AlGaAs窗口层,因为其禁带宽度最高,所以能起到钝化表面,降低非辐射复合,为空穴能在发射层聚集起到阻止作用;位于最上层的GaAs电极接触层,则是起到接通电极的作用。
采用Si衬底代替了传统的Ge衬底和GaAs衬底,其作用就是降低太阳能电池生产成本,提高生产的单片面积。
AlGaAs背场层采用AlXGa1-XAs材料,X的取值范围为0-0.5;进一步优选的,X的取值范围为0.1-0.45;特别优选的,X=0.35。
AlGaAs窗口层采用AlYGa1-YAs材料,Y的取值范围为0.5-1;进一步优选的,Y的取值范围为0.45-0.95;特别优选的,Y=0.65。
通过调整AlXGa1-XAs材料和AlYGa1-YAs材料中各自Al的组分,实现对太阳光高低能态光子的吸收,极大地提高了太阳能光电转换效率,比普通的太阳能电池效率提高20%以上。
根据本实用新型优选的,所述GaAs低温缓冲层的厚度为50-100nm,掺杂浓度为5E17-6E18个原子/cm3;所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.3-2um,掺杂浓度为5E17-6E18个原子/cm3;
特别优选的,所述GaAs低温缓冲层的厚度为80nm,掺杂浓度为7E17个原子/cm3;所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.6um,掺杂浓度为7E17个原子/cm3。
根据本实用新型优选的,所述AlGaAs背场层厚度为0.1-0.5μm,掺杂浓度为1E17-6E18个原子/cm3;所述GaAs基层的厚度为2-5um,掺杂浓度为1E17-6E18个原子/cm3;
所述GaAs发射层的厚度为0.05-1.0um,掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm3;
所述AlGaAs窗口层的厚度为0.03-0.5um,掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm3;
所述GaAs电极接触层的厚度为0.1-1.5um,掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm3;
进一步优选的,所述AlGaAs背场层厚度为0.25-0.35μm,掺杂浓度为5E17-1E18个原子/cm3;所述GaAs基层的厚度为3-5um,掺杂浓度为5E17-1E18个原子/cm3;所述GaAs发射层的厚度为0.06-0.9um,掺杂浓度为3E18-1E20个原子/cm3;所述AlGaAs窗口层的厚度为0.05-0.5um,掺杂浓度为3E18-1E20个原子/cm3;
所述GaAs电极接触层的厚度为0.2-1um,掺杂浓度为1E19-1E20个原子/cm3;
特别优选的,所述AlGaAs背场层厚度为0.27um,掺杂浓度为7E17个原子/cm3;所述GaAs基层的厚度为3.2um,掺杂浓度为7E17个原子/cm3;所述GaAs发射层的厚度为0.2um,掺杂浓度为3E19个原子/cm3;所述AlGaAs窗口层的厚度为0.15um,掺杂浓度为3E19个原子/cm3;所述GaAs电极接触层的厚度为0.5um,掺杂浓度为8E19个原子/cm3。
一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构的制备方法,包括采用MOCVD方法在Si衬底上生长外延层,具体步骤包括:
(1)在500-850℃温度下,通入H2,对所述Si衬底高温清洗;去除所述Si衬底表面水氧并为步骤(2)做准备;
(2)降温至500-750℃,通入TMGa和AsH3,在所述Si衬底上生长所述GaAs低温缓冲层;
(3)升温至600-750℃,在所述GaAs低温缓冲层上生长所述GaAs高温缓冲层;
(4)保持步骤(3)的温度,通入TMAl,在所述GaAs高温缓冲层上生长所述AlGaAs背场层;
(5)降温至550-700℃,在所述AlGaAs背场层上生长所述GaAs基层;
(6)在550-750℃温度下,在所述GaAs基层上依次生长所述GaAs发射层、所述AlGaAs窗口层;
(7)降温至500-600℃,在所述AlGaAs窗口层上生长所述GaAs电极接触层。
所述Si衬底GaAs单结太阳能电池结构的制备过程中,MOCVD设备的压力为50-200mbar。
所述GaAs低温缓冲层、所述GaAs高温缓冲层、所述AlGaAs背场层的N型掺杂源为Si2H6;所述GaAs基层、所述GaAs发射层、所述AlGaAs窗口层、所述GaAs电极接触层的P型掺杂源为CBr4或DEZn。
所述H2的流量为25000-40000sccm;所述TMGa的纯度大于等于99.99%,所述TMGa的恒温槽的温度为(-5)-15℃;所述TMAl的纯度大于等于99.99%,所述TMAl的恒温槽的温度为10-28℃;所述AsH3的纯度大于等于99.99%;所述Si2H6的纯度大于等于99.99%;所述CBr4的纯度大于等于99.99%,所述CBr4的恒温槽的温度为0-25℃;所述DEZn的纯度大于等于99.99%,所述DEZn的恒温槽的温度为0-25℃。
所述TMGa的纯度为99.9999%,所述TMAl的纯度为99.9999%,所述AsH3的纯度为99.9999%,所述Si2H6的纯度为99.9999%,所述CBr4的纯度为99.9999%,所述DEZn的纯度为99.9999%。
本实用新型的有益效果为:
1、本实用新型通过对Si衬底500-850℃高温热处理,并且在500-750℃生长GaAs低温缓冲层,在600-750℃生长GaAs高温缓冲层,解决了Si衬底与GaAs材料的晶格匹配问题,通过高低温切换实现了GaAs材料在Si衬底上进行生长的可能性,为继续生长新材料提供新鲜界面,为Si衬底生长GaAs太阳能电池提供了更为广泛和高效的方法和途径。Si衬底的热导率(145.7W/m.K)是GaAs衬底热导率的3倍,极大地提高了电流工作能力。
2、本实用新型采用Si衬底代替了传统的Ge衬底和GaAs衬底,降低了太阳能电池生产成本,提高生产的单片面积。
3、通过调整AlXGa1-XAs材料和AlYGa1-YAs材料中各自Al的组分,实现对太阳光高低能态光子的吸收,极大地提高了太阳能光电转换效率,比普通的太阳能电池效率提高20%以上,达到了17%的转换效率,为使用Si衬底大规模量产提供了技术基础。
附图说明
图1为PN结的原理图。
图2为本实用新型Si衬底GaAs单结太阳能电池结构的示意图。
1、太阳光,2、P区,3、N区,4、电流方向,5、Si衬底,6、GaAs低温缓冲层,7、GaAs高温缓冲层,8、AlGaAs背场层,9、GaAs基层,10、GaAs发射层,11、AlGaAs窗口层,12、GaAs电极接触层。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本实用新型作进一步限定,但不限于此。
实施例1
一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,包括依次从下到上设置的Si衬底5、GaAs低温缓冲层6、GaAs高温缓冲层7、AlGaAs背场层8、GaAs基层9、GaAs发射层10、AlGaAs窗口层11、GaAs电极接触层12。如图2所示。
所述GaAs低温缓冲层6的厚度为80nm,掺杂浓度为7E17个原子/cm3;所述GaAs高温缓冲层7的厚度为0.6um,掺杂浓度为7E17个原子/cm3。
AlGaAs背场层8采用GaAs材料;AlGaAs窗口层11采用AlYGa1-YAs材料,Y=0.5。
通过调整AlXGa1-XAs材料和AlYGa1-YAs材料中各自Al的组分,实现对太阳光高低能态光子的吸收,极大地提高了太阳能光电转换效率,比普通的太阳能电池效率提高20%。
所述AlGaAs背场层8厚度为0.27um,掺杂浓度为7E17个原子/cm3;所述GaAs基层9的厚度为3.2um,掺杂浓度为7E17个原子/cm3;所述GaAs发射层10的厚度为0.2um,掺杂浓度为3E19个原子/cm3;所述AlGaAs窗口层11的厚度为0.15um,掺杂浓度为3E19个原子/cm3;所述GaAs电极接触层12的厚度为0.5um,掺杂浓度为8E19个原子/cm3。
实施例2
根据实施例1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其区别在于,
AlGaAs背场层8采用AlXGa1-XAs材料,X=0.5。AlGaAs窗口层11采用AlYGa1-YAs材料,Y=1。GaAs低温缓冲层6的厚度为100nm,掺杂浓度为6E18个原子/cm3;GaAs高温缓冲层7的厚度为3um,掺杂浓度为6E18个原子/cm3。
实施例3
根据实施例1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其区别在于,
AlGaAs背场层8采用AlXGa1-XAs材料,X=0.1。AlGaAs窗口层11采用AlYGa1-YAs材料,Y=0.45。GaAs低温缓冲层6的厚度为20nm,掺杂浓度为1E17个原子/cm3;GaAs高温缓冲层7的厚度为0.3um,掺杂浓度为1E17个原子/cm3。
实施例4
根据实施例1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其区别在于,
AlGaAs背场层8采用AlXGa1-XAs材料,X=0.45。AlGaAs窗口层11采用AlYGa1-YAs材料,Y=0.95。GaAs低温缓冲层6的厚度为100nm,掺杂浓度为6E18个原子/cm3;GaAs高温缓冲层7的厚度为2um,掺杂浓度为6E18个原子/cm3;
实施例5
根据实施例1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其区别在于,
AlGaAs背场层8采用AlXGa1-XAs材料,X=0.35。AlGaAs窗口层11采用AlYGa1-YAs材料,Y=0.65。GaAs低温缓冲层6的厚度为50nm,掺杂浓度为5E17个原子/cm3;GaAs高温缓冲层7的厚度为0.3um,掺杂浓度为5E17个原子/cm3;
在制备的Si衬底GaAs单结太阳能电池结构上经过金属蒸镀、光刻电极,并蒸镀TiO2/SiO2双层减反膜,在AMO、1sun、25℃条件下实现太阳能光电转换效率为17%。
Claims (6)
1.一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其特征在于,包括依次从下到上设置的Si衬底、GaAs低温缓冲层、GaAs高温缓冲层、AlGaAs背场层、GaAs基层、GaAs发射层、AlGaAs窗口层、GaAs电极接触层,所述GaAs低温缓冲层的厚度为20-100nm,所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.3-3um。
2.根据权利要求1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其特征在于,所述GaAs低温缓冲层的厚度为50-100nm,所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.3-2um。
3.根据权利要求1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其特征在于,所述GaAs低温缓冲层的厚度为80nm,所述GaAs高温缓冲层的厚度为0.6um。
4.根据权利要求1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其特征在于,所述AlGaAs背场层厚度为0.1-0.5μm,所述GaAs基层的厚度为2-5um,所述GaAs发射层的厚度为0.05-1.0um,所述AlGaAs窗口层的厚度为0.03-0.5um,所述GaAs电极接触层的厚度为0.1-1.5um。
5.根据权利要求1所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其特征在于,所述AlGaAs背场层厚度为0.25-0.35μm,所述GaAs基层的厚度为3-5um,所述GaAs发射层的厚度为0.06-0.9um,所述AlGaAs窗口层的厚度为0.05-0.5um,所述GaAs电极接触层的厚度为0.2-1um。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种Si衬底GaAs单结太阳能电池结构,其特征在于,所述AlGaAs背场层厚度为0.27um,所述GaAs基层的厚度为3.2um,所述GaAs发射层的厚度为0.2um,所述AlGaAs窗口层的厚度为0.15um,所述GaAs电极接触层的厚度为0.5um。
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