專利名稱：雙結串行式InGaAs/InGaAsP雙端太陽電池及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏技術領域，尤其涉及一種雙結串行式太陽電池的制作方法。
背景技術：
石油、煤炭等常規(guī)能源的日益短缺及對其過度開發(fā)所導致的地球生態(tài)問題是人類 21世紀所面臨的最大的挑戰(zhàn)。太陽能高效發(fā)電技術作為一種清潔的、可再生能源利用技術不斷取得突破。晶體硅太陽電池、非晶硅太陽電池、非晶硅薄膜太陽電池、III- V族化合物半導體太陽電池、II - VI族化合物半導體多晶薄膜太陽電池等，越來越多的太陽電池技術日趨成熟。光電轉換效率的不斷提高及制造成本的持續(xù)降低，使得光伏技術在空間和地面都得到了廣泛的應用。由于太陽光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導體材料都只能吸收能量大于禁帶寬度的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電極金屬吸收，轉變成熱能；高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過光生載流子傳給負載，變成有效的電能。因此單結太陽電池的理論轉換效率一般較低?；仡櫣夥夹g在最近10年的發(fā)展，在效率提高方面，多結級聯(lián)式的太陽電池結構是最引人矚目的。2007年hGaP/ (In) GaAs/Ge三結級聯(lián)太陽能電池大規(guī)模生產的平均效率已經接近30%。在240倍聚光下，這種多結太陽能電池的實驗室AMI. 5D效率已經超過了 40%。理論上來說，結數(shù)越多，效率越高。但在實踐上，很難找到在帶隙寬度上如此理想搭配，晶格常數(shù)又非常匹配的兩種材料來實現(xiàn)整體級聯(lián)電池。因此，目前的多結電池結構主要有兩種思路一是優(yōu)先考慮晶格匹配而將光電流匹配放在次要的位置。采用晶格匹配的設計，兩結fe^nP/GaAs電池的效率達到了 30%以上。但晶格匹配的電池結構由于其確定的帶隙能量，限制了太陽光的光電流的匹配，使得它不能實現(xiàn)對太陽電池的全光譜吸收利用。 例如，對于晶格匹配的fe^nP/GaAs/Ge三結太陽電池，底電池Ge上的光電流密度為上兩層電池光電流密度的兩倍，從而限制了效率的提升。二是優(yōu)先考慮多結結構的光電流匹配而采用晶格失配的生長方式，從2005年開始，國際上幾個著名的研究組，比如NREL，Emc0re以及日本的豐田、夏普等越來越多地關注晶格失配的太陽電池結構的研究。通過帶隙能量的調整，利用倒置方法生長的InGaAs/ (In)GaAs/InGaP電池的效率從2007年的38. 9% (81 倍聚光，AMI. 5D)提高到2008年的40. 8% (3 倍聚光，AMI. 5G)。最近德國夫瑯和費研究所的Eicke Weber教授領導的研究小組將三結feJnP/feilnAs/Ge太陽電池效率提高到了 41. 1%。盡管如此，晶格失配的結構設計依賴于高質量的材料生長，而大的晶格失配必然帶來失配位錯，從而大大增加非輻射復合、降低電池效率。這導致了直接生長的四結串聯(lián)式電池的效率反而比三結的效率要低。而根據(jù)Siockley-Quisser模型，四結太陽電池可以獲得超過45%的轉換效率。
3
基于晶格失配的太陽電池在材料生長上的限制以及四結以上電池研制的需要，光學集成的太陽電池系統(tǒng)目前獲得了最高的效率。2010年澳大利亞新南威爾士大學通過光學集成的方法，實現(xiàn)了 43%的光電轉化效率。在他們的系統(tǒng)結構設計中，他們采用了五結電池組合。其中，長波長采用了分立的InGaAs/lnGaAsP太陽電池實現(xiàn)太陽光譜的全光譜利用。 然而分立器件的使用，同時也增加了系統(tǒng)集成的困難以及成本。

發(fā)明內容
鑒于上述以InGaP/ (In) GaAs/Ge三結級聯(lián)太陽能電池為代表的光伏技術仍無法達到與太陽光譜的最佳匹配，以及制作單片級聯(lián)三結以上的太陽能電池存在的半導體材料間晶格失配的客觀困難，本發(fā)明的目的是提出一種雙結串行式MGaAsAnGaAsP太陽電池及其制作方法。如果將之和GaAs/felnP電池結合使用，將在繼承以往三結級聯(lián)太陽電池光電轉換效率相對較高、穩(wěn)定、壽命長的基礎上，制備四結單片高效太陽電池，以獲得高電壓、 低電流輸出，從而有效降低超高倍聚光太陽電池中的電阻損失，實現(xiàn)較高的光電轉換效率。本發(fā)明的目的將通過以下技術方案得以實現(xiàn)
一、雙結串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽電池，其特征在于所述雙端太陽電池以 p+InGaAs/n+InGaAs隧道結為基，且于所述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結兩側分別設有能在波長能量0. 74eV吸收的InGaAs的底電池和1. 05eV吸收的InGaAsP的頂電池，所述頂電池與底電池通過p+hGaAs/n+hGaAs隧道結相串聯(lián)，且所述兩電池各自基于InP襯底生長而成。進一步地，雙端太陽電池還采用InP襯底作為頂、底電池的窗口層及背場，以降低不同材料之間的界面復合。二、雙結串行式InGaAsAnGaAsP雙端太陽電池的制作方法，包括如下步驟 步驟1 利用金屬有機物化學氣相沉積法在InP襯底上生長晶格匹配的InGaAs外延
片，獲得帶隙能量為0. 74eV的底電池；
步驟2 在制得的InGaAs外延片上生長重摻雜的p+hGaAs/n+hGaAs隧道結； 步驟3 再利用金屬有機物化學氣相沉積法在上述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結上生長晶格匹配的InGaAsP外延片，獲得帶隙能量為1. 05eV的頂電池。進一步的，上述步驟3之后，還包括基于外延片的尺寸外形切割及適于安裝的封裝工藝、能效測試的步驟，以完成電池的制作。本發(fā)明太陽電池及其制備方法的提出及應用實施，較之于現(xiàn)有技術其突出效果為
首先，本發(fā)明利用隧道結作為連接上下電池的結構，獲得了雙結直接串行式太陽電池， 實現(xiàn)了太陽光譜的長波長吸收；
其次，本發(fā)明減少了在長波長太陽光譜中常用的機械式級聯(lián)太陽電池系統(tǒng)中使用多個不同襯底所導致的高成本；
再者，本發(fā)明的串行式兩端器件結構還有效解決了機械級聯(lián)或者三端器件中上下不同電池的電極設計及準直問題。


4
圖1是本發(fā)明實施例雙結串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽電池的結構示意圖。圖2是本發(fā)明實施例雙結串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽電池的I_V特性曲線圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易理解，下面結合本發(fā)明具體實施例，詳細說明如下。1) InP襯底上外延材料的生長
如圖1所示，是本發(fā)明兩結串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽電池的結構示意圖。由圖 1可以清楚地看到該雙端太陽電池為基于單一 InP襯底，并利用p+hGaAs/n+hGaAs作為隧道結串聯(lián)生長而成的InGaAs和InGaAsP雙端太陽電池結構。其中hP 襯底上層為 InGaAs 底電池，包括 P InGaAsiBC Base 禾口 n+ InGaAsiBC Emitter雙層結構；InGaAs底電池的上層為隧道結，包括頂側和底側的緩沖層以及兩者之間ρ++ InGaAsiTJ, n++ InGaAsiTJ的四層結構；而隧道結的上層為InGaAsP頂電池，其為包含 ρ InGaAsPiTC Base,n+ InGaAsPiTC Emitter 和 η+ InPTC Window 的三層結構。此外，該雙端太陽電池還采用InP襯底作為頂、底電池的窗口層及背場，以降低不同材料之間的界面復合。從制備方法來看包括如下步驟
步驟1 利用金屬有機物化學氣相沉積法在InP襯底上生長晶格匹配的InGaAs外延片，獲得帶隙能量為0. 74eV的底電池；
步驟2 在制得的InGaAs外延片上生長重摻雜的p+hGaAs/n+hGaAs隧道結，此處要求隧道結實現(xiàn)低阻、高光學透過率以及高電流密度；
步驟3 再利用金屬有機物化學氣相沉積法在上述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結上生長晶格匹配的InGaAsP外延片，獲得帶隙能量為1. 05eV的頂電池。2)電池工藝及測試
外延片生長完之后，按照標準的電池工藝完成電池制備，包括一系列輸出功率、尺寸外形及適于安裝的封裝工藝步驟，完成太陽電池的制作。同時測試其I-V特性以及外量子效率，其I-V特性曲線如圖2所示。IV特性采用標準太陽模擬器AMI. 5G (0. lW/cm2)測試， 采用光學濾光片將能量高于1. 42eV的太陽光濾掉。開路電壓達到0. 97V，短路電流密度為 12. 65mA/cm2，填充因子為75. 6%。將功率除以單位面積上太陽光能量(全光譜能量)得到效率為9. 3%ο綜上所述，是對本發(fā)明具體實施例的詳細描述，對本案保護范圍不構成任何限制， 凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術方法，均落在本發(fā)明權利保護范圍之內。
權利要求
1.雙結串行式InGaAsAnGaAsP雙端太陽電池，其特征在于所述雙端太陽電池以 p+InGaAs/n+InGaAs隧道結為基，且于所述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結兩側分別設有能在波長能量0. 74eV吸收的InGaAs的底電池和1. 05eV吸收的InGaAsP的頂電池，所述頂電池與底電池通過p+hGaAs/n+hGaAs隧道結相串聯(lián)，且所述兩電池各自基于InP襯底生長而成。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙結串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽電池，其特征在于所述頂電池的窗口層及背場和底電池的窗口層及背場均為InP襯底。
3.雙結串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽電池的制作方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1 利用金屬有機物化學氣相沉積法在InP襯底上生長晶格匹配的InGaAs外延片，獲得帶隙能量為0. 74eV的底電池；步驟2 在制得的InGaAs外延片上生長重摻雜的p+hGaAs/n+hGaAs隧道結； 步驟3 再利用金屬有機物化學氣相沉積法在上述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結上生長晶格匹配的InGaAsP外延片，獲得帶隙能量為1.05eV的頂電池。
4.根據(jù)權利要求2所述的雙結串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽電池的制作方法，其特征在于步驟3之后，還包括基于外延片的尺寸外形切割及適于安裝的封裝工藝、能效測試的步驟，以完成電池的制作。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種應用于太陽光譜長波段的雙結串聯(lián)式InGaAs/InGaAsP高效雙端太陽電池的制作方法。本發(fā)明利用p+InGaAs/n+InGaAs作為隧道結，將基于InP襯底上的InGaAs和InGaAsP太陽電池結果串聯(lián)生長，使之波長滿足能量在0.74eV和1.05eV的吸收，更大限度地實現(xiàn)太陽光全光譜的吸收和能量轉換。在長波長太陽光譜中常用的機械式級聯(lián)太陽電池系統(tǒng)因為使用多個不同襯底而導致成本較高，本發(fā)明只用一個襯底，從而大大降低了成本；同時，串行式兩端器件結構還有效解決了機械級聯(lián)或者三端器件中上下不同電池的電極設計及準直問題。
文檔編號H01L31/0352GK102339889SQ20111027124
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月14日 優(yōu)先權日2011年9月14日
發(fā)明者任雪勇, 何巍, 楊輝, 熊康林, 董建榮, 趙勇明, 陸書龍, 黃伍橋 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所