專利名稱：一種高效單片式四結(jié)太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電領(lǐng)域的太陽能電池,特別是一種高效單片式四結(jié)太 陽電池。
背景技術(shù)：
對太陽電池來說，可利用的太陽光譜波長為300 1000nm，單結(jié)的太陽電池 只能覆蓋及利用某一波長范圍的陽光，為了充分利用太陽光不同波段的光子能 量，提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率， 一般設(shè)法將多種不同帶隙的半導(dǎo)體材料搭 配，組成多結(jié)太陽電池。理論計算表明，疊層電池的各子電池短路電流越接近(匹 配程度越高)，對光譜的利用程度也就越高，對于疊層電池的數(shù)量等于或高于三 結(jié)時，最高效率材料組合均需要帶隙在1. OeV附近的材料來滿足電流匹配條件， 遺憾的是迄今為止未找到同時滿足晶格匹配和電流匹配的多結(jié)太陽電池組合。
目前，美國波音公司子公司Spectrolab研制的晶格匹配GalnP/GaAs/Ge三 結(jié)太陽電池在無聚光條件下光電轉(zhuǎn)換效率最大達32% (AM1.5D， 25°C)，已接近 實驗所能達到的最高效率。在晶格匹配的GalnP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池中，Ge 底電池帶隙為0.661， AM1.5D條件下，由細致平衡理論計算表明，若考慮實際 工作狀態(tài)(即Ge電池厚度 170nm，僅能吸收能量小于1. 42eV的光子)，則 其光電流密度Jph^27. 0mA/cm2，為GalnP/GaAs/Ge三結(jié)疊層太陽電池光電流的 兩倍，而多結(jié)電池的工作電流由各子電池中短路電流最小的電池決定，因此電 流不匹配使得Ge底電池效率降低。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有三結(jié)太陽電池對太陽光譜利用效率不高的缺點，本發(fā)明旨在提
出一種高效單片式四結(jié)太陽電池，通過在Ge電池和GaAs電池中插入應(yīng)變補償 GaAsP/GalnAs超晶格電池，在不改變多結(jié)電池光電流密度的情況下增加一結(jié)電 池，使得電池的光電轉(zhuǎn)換效率大大提高，且多結(jié)電池的各子電池電流更加匹配。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的方案是 一種高效單片式四結(jié)太陽電池， 第一結(jié)電池是Ge電池，第三結(jié)電池是GalnAs電池，第四結(jié)電池是GalnP電池， 其特征是:Ge電池和GalnAs電池之間設(shè)有第二結(jié)電池是應(yīng)變補償GaAsP/GalnAs 超晶格電池；上述四個子電池由三個AlGaAs/GalnP隧穿結(jié)連接構(gòu)成單片式串聯(lián) 結(jié)構(gòu)，各乎電池及其之間的隧穿結(jié)均與襯底實現(xiàn)晶格匹配，第一、第二和第三 結(jié)子電池短路電流相等，第四結(jié)電池短路電流大于前三結(jié)電池的短路電流。
本發(fā)明的應(yīng)變補償GaAsP/GalnAs超晶格中電池的等效晶格常數(shù)為5. 65 A 5.66 A，優(yōu)選值為5.658 A;等效帶隙為0. 9eV 1. leV，優(yōu)選值為1.02eV。應(yīng) 變補償GaAsP/GalnAs超晶格勢壘層GaAsP的厚度為3 6nm。 GalnAs電池的In 組份為0 0.013，優(yōu)選值為O.Ol。 GalnP電池的帶隙大于L 86eV。
本發(fā)明提供的高效率單片式四結(jié)太陽電池，具體它包括四結(jié)子電池以及連接 各子電池的隧穿結(jié),所述第一結(jié)電池是Ge p-n結(jié)電池，所述第二結(jié)電池是p-i-n 應(yīng)變補償GaAsP/GalnAs超晶格電池，所述第三結(jié)電池是GaInAs p-n電池，所 述第四結(jié)電池是GalnP p-n電池，所述隧穿結(jié)為AlGaAs/GalnP隧穿結(jié)，各子電 池及其間的隧穿結(jié)直接在Ge襯底上在MOVPE系統(tǒng)中生長而成。
上述第一結(jié)Ge電池構(gòu)建在p型Ge襯底上，p-Ge基區(qū)摻雜濃度為1X 1017cm—3 IX 1018cnT3, n型發(fā)射區(qū)通過MOPVE系統(tǒng)PHa中的P擴散獲得，發(fā)射區(qū)厚度約0. 3線摻雜濃度為5X 1018cm—3 2X 1019cm3。
上述四結(jié)子電池之間都有一層p型高摻雜的AlGaAs和n型高摻雜的GalnP 組成的隧穿結(jié)，隧穿結(jié)各層厚度為10 15mn，摻雜濃度lX1019cnT3 2X102°cm3。
上述第一結(jié)電池和隧穿結(jié)之間有一層n型GaAs緩沖層。
上述中間電池生長在n型GaAs緩沖層之上，中間電池的基區(qū)由與GaAs緩沖 層應(yīng)變補償?shù)腉aAsP/GalnAs超晶格組成，GaAsP/GalnAs超晶格的有效帶隙根據(jù) GalnAs中In的組分調(diào)整在1. 02eV附近，確定了 GalnAs的組分和厚度之后，通 過選擇GaAsP勢壘的組分和厚度可以使得整個超晶格等效晶格常數(shù)<">與GaAs 遠衝。室溫下GalnAs的帶微與In的組分的關(guān)系、以及上逑等效晶格常數(shù)的計 算公式如下
五g一1.42-1.4 +0.43V (司 (1)
其中，^^為GalnAs帶隙，^為In的組分，^和"^^分別為GalnAs量子阱 的厚度和晶格常數(shù)，^和a^分別為GaAsP勢壘厚度和晶格常數(shù)。GalnAs的晶 格常數(shù)"^^隨In組分的變化關(guān)系，以及GaAsP的晶格常數(shù)^^隨As組分的變 化關(guān)系計算公式如下(單位A)-
"cw油=5細+ 0.405& (3) "Ga > =5.4505+0.20275^ (4) 中電池基區(qū)由p型GaAsP/GalnAs超晶格組成，摻雜濃度為lX1016cm—3 lX1017cm—3;中電池發(fā)射區(qū)由n型GaAs組成，摻雜濃度1X 1018cm—3 5X 1018cm—3。 上述第三結(jié)電池是GalnAs電池，GalnAs中的In組分在0. 08 0. 013之間， 優(yōu)選值為0. 01， p型GalnAs基區(qū)摻雜濃度為1X 1017cm—3 6X 1017cm—3， n型GalnAs發(fā)射區(qū)摻雜濃度IX 1018cm—3 3X 10lsCnT3。
上述第四結(jié)電池是GalnP電池，GalnP電池的帶隙為1. 86eV l. 9eV， p型 GalnP基區(qū)摻雜濃度為lX1016cm3 lX1017cm—3， n型GalnP發(fā)射區(qū)摻雜濃度 5X1017cnr3 lX10lscnT3。
上述第二結(jié)電池、第三結(jié)電池和第四結(jié)電池的材料結(jié)構(gòu)和帶隙可根據(jù)電池 工作條件調(diào)整以便滿足晶格匹配和電流匹配條件。例如在AM1.5D， 25'C條件下， 由細致平衡理論計算可得，當(dāng)?shù)诙Y(jié)電池基區(qū)由5.2咖厚的GaAs。jP。25和5n辺 厚的Ga。.7In。.3AS超晶格組成時，有效帶隙約為1.02eV;第三結(jié)電池選用Ga。.99 In。。:As帶隙為1.405eV;頂電池GalnP帶隙選用1. 86eV，這時四結(jié)電池的短路 光電流密度L為13. 55mA/cm2，在AMI. 5D光譜下的理想效率達45%。
本發(fā)明使用應(yīng)變補償或超晶格結(jié)構(gòu)構(gòu)造晶格匹配、電流匹配程度較高的四 結(jié)太陽電池；本發(fā)明的四結(jié)太陽電池具有更高光電轉(zhuǎn)換效率，在AM1.5D， 25'C 條件下，由細致平衡理論計算可得晶格匹配、電流匹配三結(jié)太陽電池理想效率 為45%，而目前廣泛研究的晶格匹配GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)疊層太陽電池，相 同條件下計算得到的理想效率僅為40%。


圖l是本發(fā)明單片式四結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中-
100:鍺襯底； 110:第一結(jié)鍺電池；
200:緩沖層； 210:第一和第二結(jié)電池的隧穿結(jié)；
300:第二結(jié)超晶格電池； 400:第二和第三結(jié)電池的隧穿結(jié);
500:第三結(jié)GalnAs電池； 600:第三和第四結(jié)電池的隧穿結(jié)；700: GaAs蓋帽層； 800:減反射膜。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖l所示的一種高效單片式四結(jié)太陽電池，第一結(jié)電池是Ge電池，第三結(jié) 電池是GalnAs電池，第四結(jié)電池是GalnP電池，Ge電池和GalnAs電池之間設(shè) 有第二結(jié)電池是應(yīng)變補償GaAsP/GalnAs超晶格電池；上述四個子電池由三個 AlGaAs/GalnP隧穿結(jié)連接構(gòu)成單片式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各子電池及其之間的隧穿結(jié)均 與襯底實現(xiàn)晶格匹配，第一、第二和第三結(jié)子電池短路電流相等，第四結(jié)電池 短路電流大于前三結(jié)電池的短路電流
本發(fā)明的一種高效單片式四結(jié)太陽電池，其制備主要包括下列步驟-來用p型摻雜的單晶鍺襯底100，厚度為150 m、摻雜濃度為6X 1017cnf3，
作為第一結(jié)電池的基區(qū)。
進入MOCVD生長，在鍺襯底IOO上構(gòu)造第一結(jié)鍺電池IIO，鍺電池110具有 n型鍺發(fā)射層和GalnP2窗口層，n型鍺發(fā)射層通過磷擴散得到，其厚度為0. 25 "m、摻雜濃度為1X 1019cm—3; n型GaInP2窗口層厚度0. 3 u m，其晶格常數(shù)與 GaAs fl紀(jì)，摻雜濃度為1X 1018cnf3。
生長0.5ym厚的n型GaAs緩沖層200，為后續(xù)電池生長做準(zhǔn)備，緩沖層摻 雜濃度為lX10"cm3。
生長第一結(jié)電池和第二結(jié)電池的隧穿結(jié)210,隧穿結(jié)210包括簡并n型摻雜 濃度為5X1019cm—3、厚度為0.015um的GalnP2層和p型摻雜為5X1019cm—3、厚 度為0. 015 ix m的Al。.3Gao.3As層。
生長0. 05 u m厚、p型摻雜濃度為1X 10lscm—3的Al。.3Gao.7As層300，作為中間電池的背場，阻止中電池基區(qū)的光生電子擴散到底電池。
生長100周期p型摻雜濃度為1X 10ieCm 3的應(yīng)變補償GaAsP/GalnAs超晶格 310，構(gòu)成中間電池的基區(qū)；緊接著生長0.2ix瓜厚、n型摻雜濃度為2X10"cnf3 的GaAs層作為第二結(jié)電池發(fā)射區(qū)320，從而獲得第二結(jié)電池。
生長0. 06微米厚的n型AlInP2層330，作為第二結(jié)電池的窗口層，AlInP2窗 口層晶格常數(shù)與Ge匹配，摻雜濃度為5Xl(Tcnf3。
生長第二結(jié)電池和第三結(jié)電池的隧穿結(jié)400,隧穿結(jié)400包括簡并n型摻雜 濃度為5X1019cm—3、厚度為0.015um的GalnP2層和p型摻雜為5Xl(A:m—3、厚 度為0. 015 u m的Al。.3Ga0.3As層。
生長第三結(jié)電池500，第三結(jié)電池500具有背場層，電池基區(qū)層、發(fā)射層和 窗口層。背場層是Al。.3Gao.7As層，厚度0.05um、 p型摻雜濃度為1X 1018cnT3; 第三結(jié)電池基區(qū)是Ga。.99In。.MAs層，厚度3uni、 p型摻雜濃度為2X 10l7cra—3的, 第三結(jié)電池發(fā)射區(qū)是 GaAs 層， 厚度0.1wm、 n型摻雜濃度為2X10^m—3;第三 結(jié)電池的窗口層是AlInP2層，厚度0.06um， n型摻雜濃度為5X 10iscnf3，晶格 常數(shù)與Ge匹配。
生長第三結(jié)電池和第四結(jié)電池的隧穿結(jié)600，隧穿結(jié)600包括簡并n型摻雜 濃度為5X1019cm—3、厚度為0.015uffl的GalnP2層和p型摻雜為5Xl(TcnT3、厚 度為0.015um的Al。.3Ga。.3As層。
生長第西結(jié)電池600，第四結(jié)電池600具有背場層，電池基區(qū)層、發(fā)射層和 窗口層。第四結(jié)電池背場層是AlGalnP層，厚度為0.07lim、 p型摻雜濃度為 5X 1017cnT3;第四結(jié)電池基區(qū)是Gal必層，厚度0. 7 n m、p型摻雜濃度為1X 10"cnT3 的；第四結(jié)電池發(fā)射區(qū)是GalnP2層，厚度0. 1 y m、 n型摻雜濃度為1X 1018cnT3; 第四結(jié)電池的窗口層是AlInP2層，厚度0.06ym， n型摻雜濃度為5X 1018cnT3,晶格常數(shù)與Ge匹配。
生長0.5ixm厚、n型為5 X10"cm^的GaAs蓋帽層700，作為歐姆接觸層。
蒸鍍減反射膜800并進行后續(xù)電池芯片制作。
權(quán)利要求
1. 一種高效單片式四結(jié)太陽電池，第一結(jié)電池是Ge電池，第三結(jié)電池是GaInAs電池，第四結(jié)電池是GaInP電池，其特征是Ge電池和GaInAs電池之間設(shè)有第二結(jié)電池是應(yīng)變補償GaAsP/GaInAs超晶格電池；上述四個子電池由三個AlGaAs/GaInP隧穿結(jié)連接構(gòu)成單片式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各子電池及其之間的隧穿結(jié)均與襯底實現(xiàn)晶格匹配，第一、第二和第三結(jié)子電池短路電流相等，第四結(jié)電池短路電流大于前三結(jié)電池的短路電流。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種高效單片式四結(jié)太陽電池，其特征在于應(yīng)變補償 GaAsP/GalnAs超晶格中電池的等效晶格常數(shù)為5. 65 A 5. 66 A;等效帶隙為 0.9eV 1. leV。
3. 如權(quán)利要求l所述的一種高效單片式四結(jié)太陽電池，其特征在于應(yīng)變補償 GaAsP/GalnAs超晶格勢壘層GaAsP的厚度為3 6nm。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的一種高效單片式四結(jié)太陽電池，其特征在于應(yīng)變 補償GaAsP/GalnAs超晶格中電池的等效晶格常數(shù)為5.658 A，等效帶隙為 1.02eV。
5. 如權(quán)利要求l所述的一種高效單片式四結(jié)太陽電池，其特征在于GalnAs電 池的In組份為0 0.013。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種高效單片式四結(jié)太陽電池，其特征在于GalnAs電 池的In組份優(yōu)選值為0.01。
7. 如權(quán)利要求l所述的一種高效單片式四結(jié)太陽電池，其特征在于GalnP電 池的帶隙大于1. 86eV。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種高效單片式四結(jié)太陽電池，第一結(jié)電池是Ge電池，第三結(jié)電池是GaInAs電池，第四結(jié)電池是GaInP電池，Ge電池和GaInAs電池之間設(shè)有第二結(jié)電池是應(yīng)變補償GaAsP/GaInAs超晶格電池；上述四個子電池由三個AlGaAs/GaInP隧穿結(jié)連接構(gòu)成單片式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各子電池及其之間的隧穿結(jié)均與襯底實現(xiàn)晶格匹配，第一、第二和第三結(jié)子電池短路電流相等，第四結(jié)電池短路電流夫于前三結(jié)電池的短路電流。通過在Ge電池和GaAs電池中插入應(yīng)變補償GaAsP/GaInAs超晶格電池，在不改變多結(jié)電池光電流密度的情況下增加一結(jié)電池，且多結(jié)電池的各子電池電流更加匹配，使得電池的光電轉(zhuǎn)換效率大大提高。
文檔編號H01L31/0328GK101533863SQ20091001987
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者吳志強, 林桂江, 黃生榮 申請人:廈門市三安光電科技有限公司