四結(jié)太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種四結(jié)太陽能電池，具體為首先在一InP襯底上依次形成晶格匹配的第一子電池和第二子電池；在第二子電池上形成一材料過渡層，其中材料過渡層由一Ge低溫成核層、一Ge緩沖層和第二緩沖層組成；在材料過渡層上依次形成與材料過渡層晶格匹配的第三子電池和第四子電池。本發(fā)明所涉及的四結(jié)太陽能電池具有良好的晶體質(zhì)量，匹配的帶隙組合，較高的轉(zhuǎn)化效率等優(yōu)點。
【專利說明】四結(jié)太陽能電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，具體涉及一種四結(jié)太陽能電池及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著CPV技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進展，高倍聚光太陽能電池以其突出的成本優(yōu)勢成為了CPV產(chǎn)業(yè)的主要產(chǎn)品。此類電池可以將上千倍的太陽能通過聚光透鏡濃縮聚焦到一個很小的電池芯片上發(fā)電，從而大規(guī)模節(jié)約了太陽能電池晶片，降低了電池的發(fā)電成本。
[0003]為了獲得更高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池片，人們對多結(jié)太陽能電池做了廣泛的理論和實驗研究，先后提出了多種電池結(jié)構(gòu)，如晶格匹配三結(jié)電池、晶格失配三結(jié)電池、四結(jié)電池等，電池轉(zhuǎn)換效率得到不斷提高。1.9eV/l.4eV/l.0eV/0.75eV的帶隙組合被認為是多結(jié)電池中較為理想的帶隙組合，其所對應(yīng)的四結(jié)太陽能電池也將具有較高的轉(zhuǎn)換效率。但是在AlInGaAsP材料體系中具有上述帶隙寬度且晶格常數(shù)彼此匹配的材料組合是很難獲得的，而通常情況下帶隙為1.4eV和1.0eV的材料具有較大的晶格失配，這給高效四結(jié)電池制備帶來了很大困難。
[0004]為解決上述問題，業(yè)界中提出了漸變緩沖層技術(shù)，其通過在失配界面處插入晶格漸變的InGaP或AlInGaAs等應(yīng)力緩沖層來獲得Ina3Gaa7As和Ina53Gaa47As雙結(jié)子電池，子電池內(nèi)通常具有較高的位錯密度OlO6Cm2)，與匹配界面上獲得的子電池位錯密度(僅為14Cm2)相比，前者高了兩個數(shù)量級，因此通過晶格漸變的InGaP或AlInGaAs等應(yīng)力緩沖層來獲得的電池性能將無法與匹配界面上獲得的電池性能相比。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種四結(jié)太陽能電池，具體包括InP襯底；第一子電池和第二子電池，依次形成于所述InP襯底之上，其晶格常數(shù)與InP襯底匹配；材料過渡層，形成于第二子電池之上，由一 Ge低溫成核層、一 Ge緩沖層和第二緩沖層組成；第三子電池和第四子電池，依次形成于所述材料過渡層之上，其晶格常數(shù)與所述材料過渡層匹配。
[0006]上述四結(jié)太陽能電池可通過下面方法制備:首先在一 InP襯底上依次形成晶格匹配的第一子電池和第二子電池；在第二子電池上形成一材料過渡層，其中材料過渡層由一Ge低溫成核層、一 Ge緩沖層和第二緩沖層組成；在材料過渡層上依次形成與材料過渡層晶格匹配的第三子電池和第四子電池。
[0007]優(yōu)選地,所述第一子電池由InGaAs材料組成。
[0008]優(yōu)選地,所述第二子電池由AlInGaAs或InGaAsP材料組成。
[0009]優(yōu)選地，所述Ge低溫成核層厚度h范圍為2nm〈 h〈 20nm。
[0010]優(yōu)選地，所述Ge緩沖層厚度H范圍為5nm〈 H〈 50nm。
[0011]優(yōu)選地，所述第二緩沖層與Ge緩沖層晶格匹配。
[0012]優(yōu)選地，所述第二緩沖層由應(yīng)力平衡超晶格組成或由單一材料組成或由多層材料組成。
[0013]優(yōu)選地，所述第二緩沖層為AlGaAs/GaAs超晶格或InGaAs或InGaP或AlGaAs或InGaAs/InGaP 雙層材料。
[0014]優(yōu)選地,所述第三子電池由InGaAs材料組成。
[0015]優(yōu)選地，所述第四子電池由InGaP或AlInGaP材料組成。
[0016]在本發(fā)明中，第一子電池和第二子電池晶格常數(shù)與InP襯底匹配，為0.5869nm，而第三子電池和第四子電池晶格常數(shù)與Ge匹配，為0.566nm，在第二子電池上直接形成晶格失配度3.7%的第三、四子電池是很困難的，電池晶體質(zhì)量將無法達到要求。在第二子電池上采用首先形成Ge低溫成核層，再形成Ge緩沖層的方法，可以容易獲得晶體質(zhì)量較好的、與第三、四子電池晶格匹配的Ge緩沖層，這為高晶體質(zhì)量第三、四子電池的形成奠定了基礎(chǔ)。其次，在Ge緩沖層上形成與Ge緩沖層晶格常數(shù)匹配的第二緩沖層，可以進一步降低Ge緩沖層的位錯密度，有利于進一步提高第三、四子電池的晶體質(zhì)量。另一方面，Ge的禁帶寬度為0.65eV，其吸收系數(shù)與GaAs材料相似，在第二子電池和第三子電池之間插入材料過渡層將會對第一子電池和第二子電池的光譜吸收造成一定損失。根據(jù)Ge材料的吸收系數(shù)，理論計算結(jié)果顯示每十納米的Ge將會造成第一子電池和第二子電池大約1.5%的電流損失，因此控制Ge層的厚度在數(shù)十納米以內(nèi)，對四結(jié)太陽能電池的整體性能不會帶來較大影響。
[0017]綜上所述，本發(fā)明的創(chuàng)新點在于:在晶格失配的第二子電池和第三子電池之間插入材料過渡層，其晶格常數(shù)與第三、四子電池彼此匹配，容易獲得高晶體質(zhì)量的第三、四子電池，最終獲得高效的四結(jié)太陽能電池。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是在InP襯底上制作出InGaP/InGaAs/ InGaAsP/InGaAs四結(jié)太陽能電池的側(cè)視圖。
[0019]圖中標號表示如下:
100:1nP 襯底
200:In0 S3Ga0 47As 第一子電池
300:n++/p++-AlInGaAs 隧穿結(jié)
400:In0 75Ga0 25As0.5P0.5 第二子電池
500:材料過渡層，包括:
501:Ge低溫成核層
502=Ge緩沖層
503:Al0.3Ga0.7As/In0.01Ga0.99As 超晶格第二緩沖層 600:n++-GaAs/p++_AlGaAs 隧穿結(jié)
700:1n0.01Ga0.99As 第三子電池
800:n++-GaInP/p++_AlGaAs 隧穿結(jié)
900:1na5Gaa5P第四子電池。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步描述。圖1顯示了一種四結(jié)太陽能電池，其包括InP襯底100及依次堆疊在該InP襯底100上的第一子電池200、第二子電池400、第三子電池700和第四子電池900。
[0021]第一、第二子電池的材料與InP襯底100晶格匹配，第一子電池200的材料可以為InGaAs,第二子電池的材料為AlInGaAs或InGaAsP。
[0022]在第二、第三子電池之間設(shè)置一由Ge低溫成核層501、Ge緩沖層502和第二緩沖層503組成的材料過渡層500。其中，Ge低溫成核層501厚度h的范圍為2nm < h < 20nm,Ge緩沖層502厚度H的范圍為5nm〈 H〈 50nm，第二緩沖層503與Ge緩沖層502的晶格匹配，可以采用單層結(jié)構(gòu)，如InGaAs材料層、InGaP材料層、AlGaAs材料層等，或者為多層結(jié)構(gòu)，如InGaAs/InGaP，或者為超晶格結(jié)構(gòu)，如AlGaAs/GaAs超晶格。
[0023]第三、第四子電池的晶格常數(shù)與材料過渡層500匹配，第三子電池700由InGaAs材料組成，第四子電池900由InGaP或AlInGaP材料組成。
[0024]下面以InGaP/InGaAs/ InGaAsP/InGaAs四結(jié)太陽能電池為例，結(jié)合制作方法對該四結(jié)太陽能電池做詳細說明。
[0025]第一步，將一 InP襯底100裝入MOCVD反應(yīng)室內(nèi)，在750°C下烘烤10分鐘，降溫至650°C,外延生長形成Ina53Gaa47As第一子電池200。首先外延生長p型Ala4Ina53Gaatl7As背場層，厚度為60nm,摻雜濃度為3 X 11Vcm3,接著生長p型Ina53Gaa47As基區(qū),厚度2 μ m,生長η型Ina53Gaa47As發(fā)射層，厚度lOOnm，然后生長η型InP窗口層，厚度為50nm，摻雜濃度為 3 X 11Vcm3。
[0026]第二步，在Ina53Gaa47As 第一子電池 200 上，外延生長 n++/p++_Al InGaAs 隧穿結(jié)300。保持三五族反應(yīng)源流量比為80，生長速率lA/s，依次生長η++型AlInGaAs層和p++-AlInGaAs層，其中η++型AlInGaAs層厚度為20nm,摻雜濃度2 X 11Vcm3,P++-AIInGaAs 層厚度為 20nm,慘雜濃度 2 X 102°/cm3。
[0027]第三步,在n++/p++_AlInGaAs 隧穿結(jié) 300 上,外延生長 Ina75Gaa25Asa5Pa5 第二子電池400。首先外延生長P型Ala4Ina53Gaatl7As背場層，厚度為60nm，摻雜濃度為3 X 118/cm3，接著生長 P 型 In0 75Ga0 25As0.5P0.5 基區(qū)，厚度 2 μ m,生長 η 型 In0 75Ga0 25As0.5P0.5 發(fā)射層，厚度lOOnm，然后生長η型InP窗口層，厚度為50nm，摻雜濃度為3X1018/cm3。
[0028]第四步，在In。.75Ga0.25As0.5P0.5第二子電池400上，外延生長材料過渡層500。首先降低生長溫度至400°C，生長5nm的Ge低溫成核層501，接著生長溫度升至700°C，生長15nm的Ge緩沖層502，然后生長Ala3Gaa7AsAnacilGaa99As超晶格第二緩沖層503，其中Ala3Gaa7As厚度為60nm, In0 01Ga0 99As厚度為40nm,超晶格周期為15個。
[0029]第五步,在材料過渡層500上,外延生長n++-GaAs/p++_AlGaAs隧穿結(jié)600。保持三五族反應(yīng)源流量比為50，生長速率2A/s，依次生長η++型GaAs層和p++_AlGaAs層，其中η++型GaAs層厚度為20nm，摻雜濃度2 X 1019/cm3, p++-AlGaAs層厚度為20nm，摻雜濃度
2X 12Vcm3。
[0030]第六步,在n++-GaAs/p++_AlGaAs隧穿結(jié)600上,外延生長InatllGaa99As第三子電池700。首先外延生長P型Ala2Gaa8As背場層，厚度為60nm,摻雜濃度為3 X 1018/cm3,接著生長P型1% 01Ga0.99As基區(qū),厚度為3 μ m,生長η型In。.01Ga0.99As發(fā)射層,厚度為10nm,然后生長η型InGaP窗口層，厚度為30nm，摻雜濃度為3X1018/cm3。
[0031]第七步，在InatllGaa99As第三子電池700上,夕卜延生長n++-GaInP/p++_AlGaAs隧穿結(jié)800。保持三五族反應(yīng)源流量比為100，生長速率lA/s，依次生長η++型GaInP層和p++-AlGaAs 層，其中 η++ 型 GaInP 層厚度為 20nm，摻雜濃度 I X 1019/cm3, p++_AlGaAs 層厚度為20nm，摻雜濃度2X 102°/cm3。
[0032]第八步,在n++_GaInP/p++-AIGaAs隧穿結(jié)800上,外延生長1% 5Ga0 5P第四子電池900。首先外延生長P型Ala 2Ga0.3In0.5P背場層，厚度為60nm，摻雜濃度為8 X 11Vcm3,接著生長P型Ina5Gaa5P基區(qū)，厚度I μ m，生長η型Ina5Gaa5P發(fā)射層，厚度150nm，然后生長η型AlInP窗口層，厚度為30nm，摻雜濃度為3X 11Vcm3。
[0033]在本實施例中，第二子電池上首先形成Ge低溫成核層，再形成Ge緩沖層的方法，可以容易獲得晶體質(zhì)量較好的、與第三、四子電池晶格匹配的Ge緩沖層，這為高晶體質(zhì)量第三、四子電池的形成奠定了基礎(chǔ)。其次，在Ge緩沖層上形成與Ge緩沖層晶格常數(shù)匹配的第二緩沖層，可以進一步降低Ge緩沖層的位錯密度，有利于進一步提高第三、四子電池的晶體質(zhì)量。同時控制Ge層的厚度在數(shù)十納米以內(nèi)，使其不會對第一、第二電池造成過多的電流損失，同時兼顧了晶格匹配和材料吸光的問題。
[0034]應(yīng)當(dāng)理解的是，上述具體實施方案為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明的范圍不限于該實施例，凡依本發(fā)明所做的任何變更，皆屬本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.四結(jié)太陽能電池，其包括: InP襯底； 第一子電池和第二子電池，依次形成于所述InP襯底之上，其晶格常數(shù)與InP襯底匹配； 材料過渡層，形成于第二子電池之上，由一 Ge低溫成核層、一 Ge緩沖層和第二緩沖層組成； 第三子電池和第四子電池，依次形成于所述材料過渡層之上，其晶格常數(shù)與所述材料過渡層匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述第一子電池由InGaAs材料組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述第二子電池由AlInGaAs或InGaAsP材料組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述Ge低溫成核層厚度h范圍為 2nm〈 h〈 20nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述Ge緩沖層厚度H范圍為5nm < H < 50nmo
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述第二緩沖層與Ge緩沖層晶格匹配。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述第二緩沖層由應(yīng)力平衡超晶格組成或由單一材料組成或由多層材料組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述第二緩沖層為AlGaAs/GaAs 超晶格或 InGaAs 或 InGaP 或 AlGaAs 或 InGaAs/InGaP 雙層材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述第三子電池由InGaAs材料組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述第四子電池由InGaP或AlInGaP材料組成。
【文檔編號】H01L31/18GK104134716SQ201410396263
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】宋明輝, 林桂江, 陳文浚, 畢京鋒, 李森林 申請人:天津三安光電有限公司