專利名稱：三結太陽電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽電池領域，尤其涉及一種采用四元材料BInGaAs和InGaAsN,并且具有優(yōu)化帯隙組合的GaAs基正裝三結太陽電池及其制備方法，該三結太陽電池可實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，并且滿足各個子電池電流匹配，具有較高的電池效率。
背景技術：
為了對太陽能量進行充分利用，在II1- V族化合物半導體太陽電池的研制過程中，需要對太陽光譜進行劃分，采用與之相匹配的不同禁帶寬度子電池進行串聯(lián)。為了得到較高的光電轉化效率，各個串聯(lián)的子電池需要滿足電流匹配條件以避免子電池電流失配對能量的浪費。而實際應用中，滿足帯隙條件的材料往往受到晶格常數(shù)的限制，很難獲得理想的材料。在晶格匹配的三結太陽電池中，目前研究較為成熟的體系是GalnP/GaAs/Ge (1.9/1.42/0.7eV)三結電池，其最高轉換效率為32-33%(—個太陽)，該電池中Ge子電池的電流約是其他兩結電池的2倍，受串聯(lián)電路的影響，該結電池中轉化的太陽能量一部分被浪費掉，影響電池整體效率的提升。最近的研究表明具有1.93eV/l.39eV/0.94eV帯隙組合的三結太陽電池的效率大于51%(100倍聚光)，然而由于晶格常數(shù)對材料的限制，具有該理想帯隙組合且與襯底晶格匹配的材料選擇較少，為了得到滿足該帯隙組合的太陽電池，一種常用方法是利用晶格異變技術在GaAs襯底上生長與其晶格失配的晶格異變緩沖層，然而該技術增加了生產成本，并對生長技術提出了更高的要求，同時緩沖層的引入也帶來了較多的缺陷，影響了電池的性能。另一種方法是將具有優(yōu)化帯隙的材料進行鍵合，然而該技術難度較大。如何實現(xiàn)多結太陽電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時而又不提高電池制作成本和技術難度成為當前太陽電池亟需解決的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種三結太陽電池及其制備方法，解決現(xiàn)有技術中為了獲得高效三結電池會增加電池的制作成本以及制作工藝復雜度的問題。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種三結太陽電池，包括分別采用AlGaInP材料、BInGaAs材料以及InGaAsN材料制成的三結子電池，所有子電池的晶格常數(shù)均與GaAs襯底匹配。進一步，所述三結子電池分別為InGaAsN底電池、BInGaAs中間電池以及AlGaInP頂電池,所述太陽電池包括依次連接的InGaAsN底電池、第一隧道結、BInGaAs中間電池、第二隧道結以及AlGaInP頂電池，所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上分別設有電極。進一步，所述InGaAsN底電池中In的組分范圍為10.45%_10.55%，N的組分范圍為
3.55%-3.65%，所述InGaAsN底電池的帶隙寬度為 0.94 eV。進一步，所述BInGaAs中間電池中B的組分范圍為1.45%-1.55%，In的組分范圍為
2.95%-3.05%，所述BInGaAs中間電池的帶隙寬度為 1.39 eV。
進一步，所述AlGaInP頂電池中Al的組分范圍為3.65%_3.75%，In的組分范圍為48.95%-49.05%，所述AlGaInP頂電池的帶隙寬度為 1.93 eV。為了解決上述問題，本發(fā)明還提了一種本發(fā)明所述的三結太陽電池的制備方法，包括步驟:1)在GaAs襯底上依次生長InGaAsN底電池、第一隧道結、BInGaAs中間電池、第二隧道結、AlGaInP頂電池以及歐姆接觸層；2)分別在所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。進一步，所述三結太陽電池采用MOCVD法或MBE法生長形成。本發(fā)明提供的三結太陽電池及其制備方法，優(yōu)點在于:
1.具有理想的帶隙組合廣1.93 eV^l.39 eV、、.94eV，具有較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，具有較高的電池效率；
2.所有子電池晶格常數(shù)與GaAs襯底匹配，避免了晶格異變技術中要求生長較厚的緩沖層對材料的浪費，降低了生產成本；
3.采用正裝生長方法生長，制備工藝簡單，避免了倒置生長電池結構需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的復雜工藝，降低了電池的制作難度。


圖1所示為本發(fā)明一具體實施方式
提供的三結太陽電池采用正裝方式生長的結構示意 圖2為圖1所示的三結太陽電池制成品的結構示意 圖3所示為本發(fā)明一具體實施方式
提供的三結太陽電池的制備方法步驟流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明提供的三結太陽電池及其制備方法做詳細說明。首先結合附圖給出本發(fā)明所述三結太陽電池的具體實施方式
。參考附圖1、2所示，其中，圖1是本具體實施方式
提供的三結太陽電池采用正裝方式生長的結構示意圖，圖2為圖1所示的三結太陽電池制成品的結構示意圖，接下來對附圖
1、2所示的結構做詳細說明。研究表明，通過調節(jié)四元材料BInGaAs和InGaAsN組分可以使四元材料具有理想的帶寬和合適的晶格常數(shù)，將該種材料應用于太陽電池將打破現(xiàn)有制備條件對太陽電池的限制，進一步提聞的太陽電池的轉化效率。本具體實施方式
提供一種三結太陽電池,包括分別采用AlGaInP材料、BInGaAs材料以及InGaAsN材料制成的三結子電池，所有子電池的晶格常數(shù)均與GaAs襯底匹配，可實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，得到較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，減小了光電轉換過程中的熱能損失，提高了電池效率。本具體實施方式
中所述三結子電池分別為InGaAsN底電池17、BInGaAs中間電池15以及AlGaInP頂電池13， 所述太陽電池包括在GaAs襯底18上依次連接的InGaAsN底電池17、第一隧道結16、BInGaAs中間電池15、第二隧道結14以及AlGaInP頂電池13，所述AlGaInP頂電池13和所述GaAs襯底18上分別設有電極(如圖2所示上電極12、下電極19)。所述太陽電池具有理想的帯隙組合，其帶隙組合為 1.93 eV、 1.39 eV、^0.94eV。
所述InGaAsN底電池17的帶隙寬度為94 eV,其包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的材料為InGaAsN的基區(qū)01，以及在基區(qū)01上設置的發(fā)射區(qū)02。其中，所述InGaAsN底電池17中In的組分范圍為10.45%-10.55%，優(yōu)選為10.5% ；N的組分范圍為 3.55%-3.65%，優(yōu)選為 3.6%。所述第一隧道結16包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的GaInP或(In)GaAs 重慘層 03 以及(Al) GaAs 重慘層 04。其中，(In) GaAs 表不 InGaAs 或 GaAs, (Al) GaAs表不 AlGaAs 或 GaAs。所述BInGaAs中間電池15的帶隙寬度為 1.39 eV，其包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的材料為BInGaAs的基區(qū)05，以及在基區(qū)05上設置的發(fā)射區(qū)06。其中，所述BInGaAs中間電池15中B的組分范圍為1.45%-1.55%，優(yōu)選為1.5% ；In的組分范圍為
2.95%-3.05%，優(yōu)選為 3%ο所述第二隧道結14包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的GaInP重摻層07以及AlGaAs重摻層08。所述AlGaInP頂電池13帶隙寬度為 1.93 eV,其包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設置的材料為AlGaInP的基區(qū)09以及發(fā)射區(qū)10。其中，所述AlGaInP頂電池13中Al的組分范圍為3.65%-3.75%，優(yōu)選為3.7% ；In的組分范圍為48.95%_49.05%,優(yōu)選為
49%。在本具體實施方式
中，在AlGaInP頂電池13上還設有GaAs層作為歐姆接觸層11。所述三結太陽電池在所述AlGaInP頂電池13和GaAs襯底18上分別設有電極。在本具體實施方式
中，AlGaInP頂電池13上設有上電極12，上電極12位于歐姆接觸層11的上表面；GaAs襯底18上 設有下電極19,下電極19位于GaAs襯底18的背面,從而獲得所需的太陽電池。本發(fā)明提供的三結太陽電池所有子電池晶格與GaAs襯底匹配，避免了晶格異變技術中要求生長較厚的緩沖層對材料的浪費，降低了生產成本，制備工藝簡單。且所述三結太陽電池的帶隙組合為 1.93 eV^l.39 eV、、.94eV，具有較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，減小了光電轉換過程中的熱能損失，可實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，提高了電池效率。接下來結合附圖給出本發(fā)明所述三結太陽電池制備方法的具體實施方式
。參考附圖3，本具體實施方式
提供的三結太陽電池制備方法的流程圖，接下來對附圖3所示的步驟做詳細說明。步驟S301，在GaAs襯底上依次生長InGaAsN底電池、第一隧道結、BInGaAs中間電池、第二隧道結、AlGaInP頂電池以及歐姆接觸層。在GaAs襯底上生長InGaAsN底電池，所述InGaAsN底電池的帶隙寬度為94eV，包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向生長的材料為InGaAsN的底電池基區(qū)，以及在基區(qū)上生長的底電池發(fā)射區(qū)。其中，所述InGaAsN底電池中In的組分范圍為10.45%-10.55%，優(yōu)選為10.5% ；N的組分范圍為3.55%-3.65%，優(yōu)選為3.6%。在InGaAsN底電池上生長第一隧道結，所述第一隧道結包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的GaInP或(In)GaAs重摻層以及(Al)GaAs重摻層。在第一隧道結上生長BInGaAs中間電池，所述BInGaAs中間電池的帶隙寬度為 1.39 eV,包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的材料為BInGaAs的中間電池基區(qū)，以及在基區(qū)上設置的中間電池發(fā)射區(qū)。其中，所述BInGaAs中間電池中B的組分范圍為
1.45%-1.55%，優(yōu)選為1.5% ；In的組分范圍為2.95%-3.05%，優(yōu)選為3%。在BInGaAs中間電池上生長第二隧道結，所述第二隧道結包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的GaInP重摻層以及AlGaAs重摻層。在第二隧道結上生長AlGaInP頂電池，所述AlGaInP頂電池帶隙寬度為 1.93eV，包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的AlGaInP的頂電池基區(qū)以及發(fā)射區(qū)。其中，所述AlGaInP頂電池中Al的組分范圍為3.65%_3.75%，優(yōu)選為3.7% ；In的組分范圍為48.95%-49.05%，優(yōu)選為 49%。在本具體實施方式
中，在AlGaInP頂電池上還生長GaAs層作為歐姆接觸層。步驟S302，分別在所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。將生長的AlGalnP/BInGaAs/InGaAsN三結太陽電池在AlGaInP頂電池上的歐姆接觸層的表面制備上電極(例如N電極)，在GaAs襯底背面制備下電極(例如P電極)，從而獲得所需的太陽電池。上述三結太陽電池外延生長制備過程可采用MOCVD (Metal Organic ChemicalVapor Deposition，金屬有機化合物化學氣相沉淀)或MBE (Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)方式生長。本發(fā)明提供的三結太陽電池制備方法采用正裝生長，避免了倒置生長電池結構需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的復雜工藝，降低了電池的制作難度。接下來結合附圖1、2給出本發(fā)明一優(yōu)選實施例，對本發(fā)明提供的技術方案作進一步說明，本優(yōu)選實施例采用MOCVD方法生長本發(fā)明所述三結太陽電池。(I)在P型GaAs襯底18上生長P型摻雜約3 X1017cm_3、厚度3.0微米的InGaAsN重摻層作為InGaAsN底電池的基區(qū)01，再生長N型摻雜約2X1018 cm_3、厚度0.2微米的InGaAsN重摻層作為InGaAsN底電池的發(fā)射區(qū)02。(2)生長N型摻雜濃度大于I X1019cm_3、厚度0.015微米的GaInP或(In) GaAs重摻層03，然后生長P型摻雜濃度大于IX IO19 cm_3、厚度0.015微米的(Al)GaAs重摻層04，形成第一隧道結16。(3)生長P型摻雜濃度約3XlO17 cm_3、厚度3.0微米的BInGaAs重摻層作為BInGaAs中間電池15的基區(qū)05，再生長N型摻雜濃度約2X1018 cm_3、厚度0.2微米的BInGaAs重摻層作為BInGaAs中間電池15的發(fā)射區(qū)06。(4)生長N型摻雜濃度大于I X1019cm_3、厚度0.015微米的GaInP重摻層07，然后生長P型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3以上、厚度0.015微米的AlGaAs重摻層08，形成第二隧道結14。(5)生長P型摻雜濃度約為IXlO17 cm_3、厚度0.5微米的AlGaInP重摻層作為AlGaInP頂電池13的基區(qū)09，再生長N型摻雜濃度約為2X1018 cm_3、厚度0.2微米的AlGaInP重摻層作為AlGaInP頂電池13的發(fā)射區(qū)10。(6)然后生長N型摻雜濃度約為6 X IO18 cm_3、厚度0.5微米的GaAs層作為AlGaInP頂電池13的歐姆接觸層11。
用MOCVD方法正裝生長獲得的AlGalnP/BInGaAs/InGaAsN三結太陽電池的結構如圖1所示。太陽電池的電極制備工藝:在P型GaAs襯底18的背面制備P型下電極19，在N型歐姆接觸層11的表面制備N型上電極12，獲得所需的太陽電池，其結構如附圖2所示。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種三結太陽電池，其特征在于，包括分別采用AlGaInP材料、BInGaAs材料以及InGaAsN材料制成的三結子電池，所有子電池的晶格常數(shù)均與GaAs襯底匹配。
2.根據(jù)權利要求1所述的三結太陽電池，其特征在于，所述三結子電池分別為InGaAsN底電池、BInGaAs中間電池以及AlGaInP頂電池，所述太陽電池包括依次連接的InGaAsN底電池、第一隧道結、BInGaAs中間電池、第二隧道結以及AlGaInP頂電池，所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上分別設有電極。
3.根據(jù)權利要求2所述的三結太陽電池，其特征在于，所述InGaAsN底電池中In的組分范圍為10.45%-10.55%，N的組分范圍為3.55%_3.65%，所述InGaAsN底電池的帶隙寬度為 0.94 eVo
4.根據(jù)權利要求2所述的三結太陽電池，其特征在于，所述BInGaAs中間電池中B的組分范圍為1.45%-1.55%，In的組分范圍為2.95%_3.05%，所述BInGaAs中間電池的帶隙寬度為 1.39 eVo
5.根據(jù)權利要求2所述的三結太陽電池，其特征在于，所述AlGaInP頂電池中Al的組分范圍為3.65%-3.75%，In的組分范圍為48.95%_49.05%，所述AlGaInP頂電池的帶隙寬度為 1.93 eVo
6.一種權利要求1所述的三結太陽電池的制備方法，其特征在于，包括步驟: I)在GaAs襯底上依次生長InGaAsN底電池、第一隧道結、BInGaAs中間電池、第二隧道結、AlGaInP頂電池以及歐姆接觸層； 2 )分別在所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。
7.根據(jù)權利要求6所述的三結太陽電池的制備方法，其特征在于，所述三結太陽電池采用MOCVD法或MBE法生長形成。
8.根據(jù)權利要求6所述的三結太陽電池的制備方法，其特征在于，所述InGaAsN底電池中In的組分范圍為10.45%-10.55%, N的組分范圍為3.55%-3.65%。
9.根據(jù)權利要求6所述的三結太陽電池的制備方法，其特征在于，所述BInGaAs中間電池中B的組分范圍為1.45%-1.55%, In的組分范圍為2.95%-3.05%。
10.根據(jù)權利要求6所述的三結太陽電池的制備方法，其特征在于，所述AlGaInP頂電池中Al的組分范圍為3.65%-3.75%, In的組分范圍為48.95%-49.05%。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三結太陽電池，包括在GaAs襯底上依次連接的InGaAsN底電池、第一隧道結、BInGaAs中間電池、第二隧道結以及AlGaInP頂電池，AlGaInP頂電池和GaAs襯底上分別設有電極。本發(fā)明還提了一種三結太陽電池的制備方法，包括步驟1)在GaAs襯底上依次生長InGaAsN底電池、第一隧道結、BInGaAs中間電池、第二隧道結、AlGaInP頂電池以及歐姆接觸層；2)分別在所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。本發(fā)明所有子電池晶格常數(shù)與GaAs襯底匹配，降低了生產成本，采用正裝生長方法生長、制備工藝簡單，提高了電池效率。
文檔編號H01L31/0687GK103151415SQ20131011471
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權日2013年4月3日
發(fā)明者孫玉潤, 董建榮, 李奎龍, 曾徐路, 于淑珍, 趙勇明, 趙春雨, 楊輝 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所