多結(jié)太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種多結(jié)太陽能電池，其包括第一子電池、第二子電池、GaInNAsSb子電池和基底。GaInNAsSb子電池與基底相鄰，并且依次包括：前表面場層、發(fā)射體層、GaInNAsSb基座層以及背表面場層。通過本實用新型的多結(jié)太陽能電池，可以不需要相對厚的緩沖層來適應(yīng)各種材料的晶格常數(shù)的差異。
【專利說明】多結(jié)太陽能電池
[0001]本申請是于2010年3月29日提交的第12/749，076號美國申請的延續(xù)，該申請以其整體并入本文作為參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本實用新型涉及多結(jié)太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0003]已知主要由II1-V半導(dǎo)體合金制成的多結(jié)太陽能電池所產(chǎn)生的太陽能電池效率優(yōu)于其他類型的光伏材料的效率。這類合金是來自標(biāo)準(zhǔn)周期表中第III和V欄的元素的組合，在下文中通過它們的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)符號、名稱以及簡寫來確定。(本領(lǐng)域技術(shù)人員能通過類別來確定它們的半導(dǎo)體性質(zhì)的類別，而無需具體參照它們的欄)。這些太陽能電池的高效率使得它們對于陸地聚光光伏系統(tǒng)和設(shè)定為在太空中運行的系統(tǒng)變得有吸引力。已經(jīng)報道了在等同于數(shù)百個太陽能的聚光條件下效率大于40%的多結(jié)太陽能電池。已知的最高效裝置具有3個子電池，每個子電池由功能性p-n結(jié)和其他層組成，如前和背表面場層。這些子電池通過隧道結(jié)而連接，并且主要的層是與下面的基底晶格匹配的或在變質(zhì)層中生長。晶格匹配的裝置和設(shè)計是期望的，因為它們具有經(jīng)過證明的可靠性，且因為它們使用比變質(zhì)太陽能電池更少的半導(dǎo)體材料，所述變質(zhì)太陽能電池需要相對厚的緩沖層來適應(yīng)各種材料的晶格常數(shù)的差異。如題目為〃GaInNAsSb Solar Cell Grown by Molecular Beam Epitaxy"的第12/217818號美國專利申請所述，GaInNAsSb層10包括緩沖層22，以與基底12進(jìn)行晶格匹配。
[0004]由此可見，現(xiàn)有技術(shù)的太陽能電池需要緩沖層來適應(yīng)各種材料的晶格常數(shù)的差異，因此，需對太陽能電池的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型旨在克服上述缺陷。
[0006]為此，本實用新型提供了一種多結(jié)太陽能電池，其包括:第一子電池、第二子電池、GaInNAsSb子電池和基底，所述GaInNAsSb子電池與所述基底相鄰，并且依次包括:前表面場層、發(fā)射體層、GaInNAsSb基座層以及背表面場層。
[0007]在本實用新型的多結(jié)太陽能電池的某些實施方式中，所述GaInNAsSb基座層的厚度為 IOOOnm 至 2000nm。
[0008]在本實用新型的多結(jié)太陽能電池的某些實施方式中，所述基底為GaAS基底或Ge基底。
[0009]在本實用新型的多結(jié)太陽能電池的某些實施方式中，所述第一子電池和所述第二子電池之間存在隧道結(jié)，并且在所述第二子電池和所述GaInNAsSb子電池之間存在隧道結(jié)。
[0010]通過采用本實用新型的多結(jié)太陽能電池，可以具有以下有益技術(shù)效果:可以省略 相對較厚的緩沖層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]通過參考下面詳述的描述，結(jié)合附圖，將更好地理解本實用新型。
[0012]圖1A是體現(xiàn)本實用新型的三結(jié)太陽能電池的橫截面示意圖。
[0013]圖1B是體現(xiàn)本實用新型的四結(jié)太陽能電池的橫截面示意圖。
[0014]圖2A是本實用新型的GaInNAsSb子電池的橫截面示意圖。
[0015]圖2B是說明實例GaInNAsSb子電池的橫截面詳細(xì)示意圖。
[0016]圖3是表示用于比較的由不同合金材料形成的子電池的效率對帶隙能量的圖表。
[0017]圖4是表示用于比較的由不同合金材料形成的子電池的短路電流CL。)和開路電壓(V。。)的圖表。
[0018]圖5是表示在I倍太陽光AM1.照度下，對于體現(xiàn)本實用新型子電池的三結(jié)太陽能電池，光電流對電壓變化的圖表。
[0019]圖6是表示在等同于523倍太陽光的AM1.5D照度下，對于體現(xiàn)本實用新型子電池的三結(jié)太陽能電池，光電流隨電壓變化的圖表。
[0020]圖7是通過由基底賦予膜的應(yīng)變而區(qū)分的Sb低、In和N增加的GaInNAsSb子電池的短路電流(Jsc)和開路電壓(V。。)的圖表。
【具體實施方式】
[0021]圖1A是表示本實用新型三結(jié)太陽能電池10的實例的橫截面示意圖，太陽能電池10基本上由Sb低、In和N增加的GaInNAsSb子電池12和(Al) InGaP的頂部子電池16以及利用(In)GaAs的中部子電池18構(gòu)成，子電池12鄰近Ge、GaAs或其他相容性基底14。隧道結(jié)20位于子電池16與18之間，而隧道結(jié)22位于子電池18和12之間。子電池12、16、18中的每一個都包括幾個關(guān)聯(lián)層，包括前和背表面場(surface field)、發(fā)射體以及基座(base)。指定的子電池材料(如(In)GaAs)形成基座層，并且可以或可以不形成其他層。
[0022]也可以將Sb低、In和N增加的GaInNAsSb子電池并入具有4個或更多個結(jié)的多結(jié)太陽能電池中，而不偏離本實用新型的精神和范圍。圖1B示出一個這樣的四結(jié)太陽能電池100，其具有作為第三結(jié)的特定的Sb低、In和N增加的GaInNAsSb子電池12，并且具有(Al) InGaP的頂部子電池16、(In)GaAs的第二子電池18以及Ge的底部子電池140，底部子電池140也可以并入鍺(Ge)基底中。子電池16、18、12、140中的每一個都被各自的隧道結(jié)20、22、24隔開，且子電池16、18、12、140中的每一個都可以包括幾個關(guān)聯(lián)層，包括任選的前和背表面場、發(fā)射體和基座。指定的子電池材料(如(In)GaAs)形成基座層，并且可以或可以不形成其他層。
[0023]通過進(jìn)一步闡述，圖2A是本實用新型的GaInNAsSb子電池12更多詳情的橫截面示意圖。Sb低、In和N增加的GaInNAsSb子電池12因此特征是，其使用Sb低、In和N增加的GaInNAsSb作為子電池12中的基座層220。GaInNAsSb子電池12的其他組件，包括發(fā)射體26、任選的前表面場28和背表面場30在內(nèi)，優(yōu)選是II1-V合金，包括實例GaInNAs (Sb)、(In) (Al)GaAs, (Al) InGaP 或 Ge。Sb 低、In 和 N 增加的 GaInNAsSb 基座 220 可以是 ρ 型或η型，并且發(fā)射體26為相反類型。[0024]為了確定Sb對In和N增加的GaInNAsSb子電池性能的影響，研究了圖2B所示的各種結(jié)構(gòu)類型(12)的子電池。圖2B是圖2A中更常見結(jié)構(gòu)的代表性實例。無Sb、Sb低(0.001 ^ z ^ 0.03)和Sb高(0.03〈ζ〈0.06)的基座層220通過分子束外延而生長，并且與GaAs基底(未顯示)基本為晶格匹配的。這些合金組合物通過二次離子質(zhì)譜而證實。使子電池12經(jīng)歷熱退火，用通常已知的太陽能電池加工進(jìn)行處理，然后在阻斷所有高于GaAs帶隙的光的濾光器下，在AML?光譜(I倍太陽光)下進(jìn)行測量。該濾光器是合適的，因為GaInNAsSb子電池12通常在多結(jié)堆積中位于(In)GaAs子電池之下(如圖1A和1Β)，因此更高能量的光不會到達(dá)子電池12。
[0025]圖3表示隨其帶隙的變化通過不同Sb分?jǐn)?shù)而生長的子電池12所產(chǎn)生的效率。銦和氮的濃度各自分別為0.07-0.18以及0.025-0.04。可以看出，Sb低、In和N增加的GaInNAsSb子電池(由三角形表示)始終具有比其他兩個候選者(由菱形和方形表示)更高的子電池效率。這是由于Sb低、In和N增強(qiáng)的GaInNAsSb裝置中高電壓和高電流能力的組合所致(參見圖4)。如圖4所示，低濃度和高濃度Sb裝置都具有充足的短路電流來匹配高效(Al) InGaP子電池和(In)GaAs子電池(在過濾的AML 5D光譜下，>13mA/cm2)，并且因此它們可以用于典型的三結(jié)或四結(jié)太陽能電池10、100中，而不需要減少通過整個電池的總電流。這種電流匹配對于高效率是必須的。無Sb的裝置具有相對高的子電池效率，這是由于它們的高開路電壓所致，但是它們的短路電流對于高效多結(jié)太陽能電池而言過低，如圖4所示。
[0026]圖4還證實，如以前針對其他合金組合物所報道的，Sb對電壓具有不利影響。然而，與以前針對其他合金組合物所報道的相反，添加銻不降低短路電流。低Sb型子電池具有比高Sb型子電池高 約IOOmV的開路電壓。為了說明這種改善的影響，發(fā)現(xiàn)與開路電壓為
3.0V的其他相同電池相比，開路電壓為3.1V的三結(jié)太陽能電池10具有高3.3%的相對效率。因此，對于高效太陽能電池而言，在GaInNAs(Sb)太陽能電池中包括Sb是產(chǎn)生充足的電流所必須的，但是僅通過利用低Sb (0.1-3%)就能實現(xiàn)高電壓和高電流。
[0027]壓縮應(yīng)變改善了 Sb低、In和N增加的GaInNAsSb子電池10、100的開路電壓。更具體而言，Sb低、In和N增加的GaInNAsSb層220具有當(dāng)完全釋放((0.5%或更大的)時比GaAs或Ge基底更大的晶格常數(shù)，并且因此當(dāng)在這些基底上假型生長時，處于壓縮應(yīng)變下。與具有較小的完全釋放的晶格常數(shù)相比，它們還產(chǎn)生更好的裝置性能(在拉伸應(yīng)變下)。
[0028]圖7表示在壓縮應(yīng)變(三角形)和拉伸應(yīng)變(菱形)下生長于GaAs基底上的Sb低、In和N增加的GaInNAsSb子電池的短路電流和開路電壓。可以看出，壓縮應(yīng)變下的子電池始終具有比處于拉伸應(yīng)變下的子電池更高的開路電壓。
[0029]已經(jīng)將Sb低、In和N增加的壓縮應(yīng)變的GaInNAsSb子電池成功地集成到高效多結(jié)太陽能電池中。圖5表示在等同于I倍太陽光的AM1.5D照度下，圖1A結(jié)構(gòu)的三結(jié)太陽能電池的電流-電壓曲線。該裝置的效率為30.5%。圖6表示在等同于523倍太陽光的聚光下運行的三結(jié)太陽能電池的電流-電壓曲線,效率為39.2%。
[0030]與已知的GaInNAsSb合金相比，本實用新型的帶隙為至少0.9eV的合金組合物是銻(Sb)含量低、銦(In)含量增加且氮(N)含量增加的Gai_xInxNyASl_y_zSbz，實現(xiàn)與GaAs和Ge基底基本晶格匹配，并且在適合用于多結(jié)太陽能電池的GaInNAsSb子電池中提供高短路電流和高開路電壓。Ga1-JnxNyAs1HSbz的組成范圍為0.07≤x≤0.18,0.025 ≤ y ≤ 0.04且0.001≤z≤0.03。這些組成范圍在GaInNAsSb中使用比以前所教導(dǎo)的更大分?jǐn)?shù)的In和N，并允許產(chǎn)生具有在0.9-1.1eV范圍內(nèi)為設(shè)計-可調(diào)式帶隙的子電池，所述范圍對于GaInNAsSb子電池而言為目的范圍。該組成范圍的合金在上文表示為“銻低、銦和氮增加的GalnNAsSb”合金。這類合金的子電池可以通過分子束外延(MBE)而生長，且應(yīng)當(dāng)能通過利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知技術(shù)的有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)而生長。
[0031] 參考【具體實施方式】 ，已經(jīng)對本實用新型進(jìn)行了解釋。其他實施方式對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，除了所附權(quán)利要求書所示，并非意圖限制本實用新型。
【權(quán)利要求】
1.一種多結(jié)太陽能電池，其特征在于，包括: 第一子電池； 第二子電池； GaInNAsSb 子電池； 基底； 所述GaInNAsSb子電池與所述基底相鄰，并且依次包括:前表面場層、發(fā)射體層、GaInNAsSb基座層以及背表面場層。
2.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，其特征在于，所述GaInNAsSb基座層的厚度為1000nm 至 2000nm。
3.如權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，其特征在于，所述基底為GaAS基底或Ge基底。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的多結(jié)太陽能電池，其特征在于，所述第一子電池和所述第二子電池之間存在隧道結(jié)，并且在所述第二子電池和所述GaInNAsSb子電池之間存在隧道結(jié)。
【文檔編號】H01L31/00GK203707143SQ201090001501
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2010年3月29日
【發(fā)明者】麗貝卡·伊麗莎白·瓊斯, 侯曼·伯納德·禺恩, 劉楟, 普拉諾·米薩 申請人:太陽結(jié)公司