專利名稱：一種半導(dǎo)體太陽能電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池光伏技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制作方法
背景技術(shù)：
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(dǎo)致的地球生態(tài)問題是人類21世紀(jì)所面臨的最大的挑戰(zhàn)。太陽能高效發(fā)電技術(shù)作為一種清潔的、可再生能源利用技術(shù)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、IIIa-Va族化合物半導(dǎo)體太陽電池、IIa-VIa族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽電池等越來越多的太陽電池技術(shù)日趨成熟。光電轉(zhuǎn)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(shù)在空間和地面都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著在太陽電池技術(shù)領(lǐng)域水平的不斷提高，人們提出了由多個子電池組成的高效多結(jié)太陽能電池。在相同的光照條件下，每個子電池產(chǎn)生的電流要相等才能達(dá)到最高的轉(zhuǎn)換效率。然而要滿足以上要求，必須折中考慮每個子電池的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)生的電流量。一般來講，通過調(diào)整子電池基區(qū)材料的組分來増加子電池的電流會降低其開路電壓。比如，子電池中采用較低帶隙的半導(dǎo)體材料可以產(chǎn)生較大的電流，但是開路電壓會明顯降低。因?yàn)殡姵氐霓D(zhuǎn)換效率同時(shí)與開路電壓和短路電流有關(guān)，所以通過改變子電池中基區(qū)材料組分的方法來使各個子電池間電流匹配會降低單個子電池的轉(zhuǎn)換效率，所以還需要更深入地研究，以便找出更好的解決辦法。傳統(tǒng)IIIa-Va族半導(dǎo)體太陽能電池利用N區(qū)和P區(qū)接觸產(chǎn)生的耗盡區(qū)內(nèi)建電場來驅(qū)動光生載流子運(yùn)動，但是由于光生載流子在耗盡區(qū)的復(fù)合比在體材料中嚴(yán)重，如何減少耗盡區(qū)對光子的吸收，同時(shí)增強(qiáng)內(nèi)建電場來加速光生載流子的運(yùn)動成為學(xué)者研究的課題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決以上問題，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體太陽能電池，包括由至少ー個子電池層組成的有源層，所述子電池層從上至下依次包括窗ロ層、發(fā)射區(qū)、基區(qū)及背場層，所述發(fā)射區(qū)及基區(qū)之間引入一耗盡區(qū)；所述耗盡區(qū)組分的帶隙寬度大于發(fā)射區(qū)、基區(qū)組分的帶隙寬度。其中，所述耗盡區(qū)組分的帶隙寬度比發(fā)射區(qū)、基區(qū)組分的帶隙寬度大。所述發(fā)射區(qū)組分的帶隙寬度不小于所述基區(qū)組分的帶隙寬度。耗盡區(qū)的寬度由基區(qū)和發(fā)射區(qū)的性質(zhì)而定，可通過公式計(jì)算獲得，所述耗盡區(qū)的厚度一般不超過其寬度，因此耗盡區(qū)的厚度為0. I I微米。更進(jìn)一歩地，所述基區(qū)與發(fā)射區(qū)的摻雜類型相反。其中，所述基區(qū)的厚度為0. I 10微米；所述發(fā)射區(qū)的厚度為0. 01 0. I微米。所述耗盡區(qū)包括P型摻雜區(qū)和n型摻雜區(qū)，P型摻雜區(qū)和n型摻雜區(qū)分別與摻雜類型相同的基區(qū)或發(fā)射區(qū)相鄰，成為基區(qū)或發(fā)射區(qū)的一部分。
所述基區(qū)、發(fā)射區(qū)和耗盡區(qū)的制作材料為AllnP、AlGaInP, GaInP, GaAs, GaInAs,InGaAsP或者InP中ー種或多種。本發(fā)明還提供這種半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，包括以下步驟；步驟ー在襯底上外延生長背場層，然后在所述背場層上生長摻雜的基區(qū)；步驟ニ 在所述基區(qū)上生長耗盡區(qū)；所述耗盡區(qū)組分的帶隙寬度大于所述基區(qū)的帶隙寬度；步驟三在所述耗盡區(qū)上生長與所述基區(qū)摻雜類型相反的發(fā)射區(qū)；所述發(fā)射區(qū)組分的帶隙寬度小于耗盡區(qū)組分的帶隙寬度，所述發(fā)射區(qū)組分的帶隙寬度不小于所述基區(qū)組分的帶隙寬度；步驟四在所述發(fā)射區(qū)上生長窗ロ層；在此完成所述太陽能電池一子電池層的制作；由至少ー個所述子電池層組成所述太陽能電池的有源層，在所述有源層的窗ロ層上制作抗反膜和正面歐姆接觸電極；在所述有源層背面制作背面歐姆接觸電極。其中，所述耗盡區(qū)組分的帶隙寬度比發(fā)射區(qū)、基區(qū)組分的帶隙寬度大。耗盡區(qū)的寬度由基區(qū)和發(fā)射區(qū)的性質(zhì)而定，可通過公式計(jì)算獲得，所述耗盡區(qū)的厚度一般不超過其寬度，因此耗盡區(qū)的厚度為0. I I微米。更進(jìn)一歩，所述基區(qū)與發(fā)射區(qū)的摻雜類型相反。其中，所述基區(qū)的厚度為0. I 10微米；所述發(fā)射區(qū)的厚度為0. 01 0. I微米。所述耗盡區(qū)包括p型摻雜區(qū)和n型摻雜區(qū)，p型摻雜區(qū)和n型摻雜區(qū)分別與摻雜類型相同的基區(qū)或發(fā)射區(qū)相鄰，成為基區(qū)或發(fā)射區(qū)的一部分。所述基區(qū)、發(fā)射區(qū)和耗盡區(qū)的制作材料為AllnP、AlGaInP, GaInP, GaAs, GaInAs,InGaAsP或者InP中ー種或多種。在本發(fā)明中，通過在子電池層的發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間插入寬帶隙半導(dǎo)體組成耗盡區(qū)來增強(qiáng)內(nèi)建電場，不僅提高了對光生載流子收集能力，而且減少了這一區(qū)域?qū)τ行Ч庾拥奈?，?shí)現(xiàn)了在保持開路電壓不變的情況下增加短路電流，從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。


圖Ia為本發(fā)明實(shí)施例半導(dǎo)體太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ib為本發(fā)明實(shí)施例半導(dǎo)體太陽能電池一子電池層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ic為本發(fā)明實(shí)施例半導(dǎo)體太陽能電池另一子電池層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2a為本發(fā)明實(shí)施例5的半導(dǎo)體太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2b為本發(fā)明實(shí)施例5的半導(dǎo)體太陽能電池的頂電池層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易理解，下面特結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例，詳細(xì)說明如下實(shí)施例I如圖Ia所示，本實(shí)施例的半導(dǎo)體太陽能電池，從上至下依次為正面歐姆接觸電極150以及抗反膜140、有源層120、背面歐姆接觸電極130。當(dāng)放置于太陽光照下，電池有源層120能產(chǎn)生一定的光電壓。其中，有源層120由ー個子電池層110組成，每個子電池層110從上至下為窗ロ層115、發(fā)射區(qū)114、耗盡區(qū)113、基區(qū)111和背場層112，如圖Ib所示。所述窗ロ層115及背場層112用于減少光生載流子的表面復(fù)合。下面介紹這種半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，包括以下步驟步驟ー采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀法(MOCVD)或分子束外延(MBE)在襯底上外延生長背場層112，然后在所述背場層112上生長摻雜的基區(qū)111?；鶇^(qū)111由具有一定帶隙寬度的半導(dǎo)體材料組成。在本實(shí)施例中，采用IIIa-Va族化合物半導(dǎo)體材料GaInP制作成P型摻雜的基區(qū)111，摻雜濃度為5X1017cm_3，厚度為I微米，帶隙寬度為1.89eV。步驟ニ 在所述基區(qū)111上生長耗盡區(qū)113。所述耗盡區(qū)113組分不同于基區(qū)111，且耗盡區(qū)113寬度取決于基區(qū)111和發(fā)射區(qū)114半導(dǎo)體的性質(zhì)。本實(shí)施例中耗盡區(qū)113帶隙寬度比基區(qū)111組分的帶隙寬度要大，其摻雜類型與基區(qū)111相同，均為P型摻雜，這樣耗盡區(qū)113可成為基區(qū)111的一部分。在本實(shí)施例中，耗盡區(qū)113的組分為寬帶隙半導(dǎo)體AlGaInP,帶隙寬度為I. 95eV，厚度是0. 5微米，p型摻雜濃度為I X 1016cm_3。步驟三在耗盡區(qū)113上生長與基區(qū)111摻雜類型相反的發(fā)射區(qū)114 ;所述發(fā)射區(qū)114組分的帶隙寬度小于耗盡區(qū)113組分的帶隙寬度，所述發(fā)射區(qū)114組分的帶隙寬度等于所述基區(qū)111組分的帶隙寬度。在本實(shí)例中，發(fā)射區(qū)114的為半導(dǎo)體GalnP，帶隙寬度是I. 89eV，厚度是0. 05微米，n型摻雜濃度為5 X 1018cm_3。發(fā)射區(qū)114的組分與基區(qū)111的組分相同，具有相同的帶隙寬度，但兩者的摻雜類型不同。在其他實(shí)施例中，發(fā)射區(qū)114與基區(qū)111的組分可以是不同的，發(fā)射區(qū)114組分的帶隙寬度大于基區(qū)111組分的帶隙寬度。步驟四在所述發(fā)射區(qū)114上生長窗ロ層115 ;在此完成所述太陽能電池一子電池層110的制作。由至少ー個所述子電池層110組成所述太陽能電池的有源層120。在所述有源層120的窗ロ層115上制作抗反膜140和正面歐姆接觸電極150 ;在所述有源層120的背場層112背面制作背面歐姆接觸電極130。此時(shí)完成本實(shí)施例半導(dǎo)體太陽能電池的制作。傳統(tǒng)IIIa-Va族半導(dǎo)體子電池層110由摻雜類型相反的發(fā)射區(qū)114和基區(qū)111接觸形成p-n結(jié),產(chǎn)生具有一定寬度的內(nèi)建電場來驅(qū)動光生載流子運(yùn)動，內(nèi)建電場主要存在于耗盡區(qū)113。但該耗盡區(qū)并非這種太陽能電池的實(shí)際組成結(jié)構(gòu)。而本實(shí)施例中用寬帶隙半導(dǎo)體制作一層耗盡區(qū)113，使得子電池層110中引入ー實(shí)際存在的耗盡區(qū)113，從而增強(qiáng)內(nèi)建電場的強(qiáng)度，不僅提高了對光生載流子收集能力，更加有效地抑制光生載流子的復(fù)合，而且減少了這一區(qū)域?qū)τ行Ч庾拥奈眨瑢?shí)現(xiàn)了在保持開路電壓不變的情況下增加短路電流，從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例I的太陽能電池結(jié)構(gòu)不同之處在于，所述子電池層110的耗盡區(qū)113是發(fā)射區(qū)114的一部分，組分為AlGaInP,帶隙寬度在為1.95eV，厚度是0. 02微米，n型摻雜濃度為7 X IO18CnT3。發(fā)射區(qū)114帶隙寬度為I. 89eV，基區(qū)112的帶隙寬度為I. 89eV,發(fā)射區(qū)114帶隙寬度等于基區(qū)112的帶隙寬度。其余制作步驟參照實(shí)施例I所示。實(shí)施例3本實(shí)施例與實(shí)施例I的太陽能電池結(jié)構(gòu)不同之處在于，所述子電池層110的發(fā)射區(qū)114帶隙寬度為1.89eV，基區(qū)112的帶隙寬度為1.80eV，發(fā)射區(qū)114帶隙寬度大于基區(qū)112的帶隙寬度。耗盡區(qū)113組分為AlGaInP,帶隙寬度在為I. 95eV，厚度是0. 02微米，n型摻雜濃度為7X IO18Cm'其余制作步驟參照實(shí)施例I所示。實(shí)施例4
本實(shí)施例與實(shí)施例I的太陽能電池結(jié)構(gòu)不同之處在于，所述子電池層110的耗盡區(qū)113—分為ニ，分為n型摻雜區(qū)113b及p型摻雜區(qū)113a，如圖Ic所示。本實(shí)施例耗盡區(qū)113的p型摻雜區(qū)113a與基區(qū)111相鄰，兩摻雜類型相同，因此P型摻雜區(qū)113a成為基區(qū)111的一部分。所述p型摻雜區(qū)113a組分為AlGaInP,帶隙寬度在I. 95eV，厚度是0. 5微米，p型摻雜濃度為I X 1016cm_3。。耗盡區(qū)113的n型摻雜區(qū)113b與發(fā)射區(qū)114相鄰，兩摻雜類型相同，因此n型摻雜區(qū)113b成為發(fā)射區(qū)114的一部分。所述n型摻雜區(qū)113b組分為AlGaInP,帶隙寬度在I. 95eV，厚度是0. 02微米，n型摻雜濃度為7 X IO18CnT3Cm'實(shí)施例5如圖2a所示，本實(shí)施與實(shí)施例I的不同之處在于，半導(dǎo)體太陽能電池的有源層220由三個子電池層組成，從上至下分別為頂電池層260、中間電池層270及底電池層280，每個子電池之間利用隧穿結(jié)連接。每個子電池層結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I的子電池層110結(jié)構(gòu)一致。以其中的頂電池層260為例，如圖2b所示，頂電池層260從上至下依次為窗ロ層215、發(fā)射區(qū)214，、基區(qū)211和背場層212，在發(fā)射區(qū)214和基區(qū)211之間引入一耗盡區(qū)213，成為頂電池層260的重要組成部分之一。該半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法為從下至上、依次生長每個子電池層的每ー組成區(qū)，直到完成頂電池層260的制作后才制作抗反膜240、正面歐姆接觸電極250和背面歐姆接觸電極230。在其他實(shí)施例中，保證子電池層110耗盡區(qū)113組分的帶隙寬度比發(fā)射區(qū)114、基區(qū)111組分的帶隙寬度大；所述發(fā)射區(qū)114組分的帶隙寬度不小于所述基區(qū)111組分的帶隙寬度；所述耗盡區(qū)113的厚度為0. I I微米；基區(qū)111的厚度為0. I 10微米，發(fā)射區(qū)114的厚度為0. 01 0. I微米之間。IIIa-Va族化合物半導(dǎo)體材料還可以采用GaAs，GaInAs，InGaAsP 或者 InP 等。以上實(shí)施例均可以達(dá)到本發(fā)明的目的。綜上所述，是對本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，對本案保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制，凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方法，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體太陽能電池，包括由至少ー個子電池層(Iio)組成的有源層(120)，所述子電池層(110)從上至下依次包括窗ロ層(115)、發(fā)射區(qū)(114)、基區(qū)(111)及背場層(112)，其特征在于，所述發(fā)射區(qū)(114)及基區(qū)(111)之間引入一耗盡區(qū)(113);所述耗盡區(qū)(113)組分的帶隙寬度大于發(fā)射區(qū)(114)、基區(qū)(111)組分的帶隙寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體太陽能電池，其特征在于，所述耗盡區(qū)(113)組分的帶隙寬度比發(fā)射區(qū)(114)、基區(qū)(111)組 分的帶隙寬度大。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體太陽能電池，其特征在于，所述發(fā)射區(qū)(114)組分的帶隙寬度不小于所述基區(qū)(111)組分的帶隙寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體太陽能電池，其特征在于，所述耗盡區(qū)(113)的厚度為0.I I微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體太陽能電池，其特征在于，所述基區(qū)(111)與發(fā)射區(qū)(114)的摻雜類型相反。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 5任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體太陽能電池，其特征在于，所述耗盡區(qū)(113)包括p型摻雜區(qū)(113a)和/或n型摻雜區(qū)(113b);所述p型摻雜區(qū)(113a)或n型摻雜區(qū)(113b)與摻雜類型相同的基區(qū)(111)或發(fā)射區(qū)(114)相鄰。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體太陽能電池，其特征在于，所述基區(qū)(111)的厚度為0.I 10微米；所述發(fā)射區(qū)(114)的厚度為0. 01 0. I微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述基區(qū)(111)、發(fā)射區(qū)(114)和耗盡區(qū)(113)的制作材料為 AlInP、AlGaInP、GaInP、GaAs、GaInAs、InGaAsP或者InP中ー種或多種。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，其特征在于，包括以下步驟； 步驟ー在襯底上外延生長背場層(112)，然后在所述背場層(112)上生長摻雜的基區(qū)(111); 步驟ニ 在所述基區(qū)(111)上生長耗盡區(qū)(113);所述耗盡區(qū)(113)組分的帶隙寬度大于所述基區(qū)(111)的帶隙寬度； 步驟三在所述耗盡區(qū)(113)上生長與所述基區(qū)(111)摻雜類型相反的發(fā)射區(qū)(114)；所述發(fā)射區(qū)(114)組分的帶隙寬度小于耗盡區(qū)(113)組分的帶隙寬度，所述發(fā)射區(qū)(114)組分的帶隙寬度不小于所述基區(qū)(111)組分的帶隙寬度； 步驟四在所述發(fā)射區(qū)(114)上生長窗ロ層(115);在此完成所述太陽能電池一子電池層(110)的制作；由至少ー個所述子電池層(110)組成所述太陽能電池的有源層(120)，在所述有源層(120)的窗ロ層(115)上制作抗反膜(140)和正面歐姆接觸電極(150);在所述有源層(120)背面制作背面歐姆接觸電極(130)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述耗盡區(qū)(113)組分的帶隙寬度比發(fā)射區(qū)(114)、基區(qū)(111)組分的帶隙寬度大。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述耗盡區(qū)(113)的厚度為0. I I微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述基區(qū)(111)與發(fā)射區(qū)(114)的摻雜類型相反。
13.根據(jù)權(quán)利要求9 12任一項(xiàng)所述半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述耗盡區(qū)(113)包括p型摻雜區(qū)(113a)和/或n型摻雜區(qū)(113b);所述p型摻雜區(qū)(113a)或n型摻雜區(qū)(113b)與摻雜類型相同的基區(qū)(111)或發(fā)射區(qū)(114)相鄰。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述基區(qū)(111)的厚度為0. I 10微米；所述發(fā)射區(qū)(114)的厚度為0. 01 0. I微米。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法，其特征在于，所述基區(qū)(111)、發(fā)射區(qū)(114)和耗盡區(qū)(113)的制作材料為 AlInP、AlGaInP、GaInP、GaAs、GaInAs、InGaAsP或者InP中ー種或多種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體太陽能電池，包括由至少一個子電池層組成的有源層，所述子電池層從上至下依次包括窗口層、發(fā)射區(qū)、基區(qū)及背場層；所述發(fā)射區(qū)及基區(qū)之間引入一半導(dǎo)體耗盡區(qū)；所述耗盡區(qū)組分的帶隙寬度大于發(fā)射區(qū)、基區(qū)組分的帶隙寬度。本發(fā)明還提供這種半導(dǎo)體太陽能電池的制作方法。通過在子電池層的發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間插入寬帶隙半導(dǎo)體組成的耗盡區(qū)來增強(qiáng)內(nèi)建電場，不僅提高了對光生載流子的收集能力，而且減少了這一區(qū)域?qū)τ行Ч庾拥奈?，?shí)現(xiàn)了在保持開路電壓不變的情況下增加短路電流，從而實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/18GK102623524SQ20121009867
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者何巍, 楊輝, 董建榮, 陸書龍 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所