一種含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，包含由底層向頂層按生長方向依次設(shè)置的襯底、緩沖層、底電池、超寬帶隙隧穿結(jié)、中電池、寬帶隙隧穿結(jié)、頂電池以及接觸層；底電池為AlGaInP電池，中電池為AlGaAs和GaInP異質(zhì)結(jié)電池，頂電池為GaAs電池；中電池采用Zn摻雜的AlxGaAs作為基區(qū)，Si摻雜的GayInP作為發(fā)射區(qū)；其中0.05≤x≤0.45，0.48≤y≤0.54；底電池其背場采用梯度Zn摻雜的AlzGaInP，其中0.13≤z≤0.5。本發(fā)明提供的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，能夠降低界面復(fù)合速率，得到高質(zhì)量的電池材料，同時提高電池短路電流密度和開路電壓。
【專利說明】一種含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽電池，具體地，涉及一種含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池。

【背景技術(shù)】
[0002]由于煤炭，石油，天然氣等常規(guī)能源存在不可再生和污染環(huán)境等局限，太陽電池能將源源不斷的太陽光能有效利用，是可再生綠色能源的重要發(fā)展方向。II1-V族化合物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的太陽電池較傳統(tǒng)Si太陽電池有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，更強的抗輻射能力和更好的耐高溫性能，已成為空間飛行器主電源。將反向生長的寬帶隙三結(jié)GaAs(砷化鎵)電池與正向生長的窄帶隙雙結(jié)InP電池通過半導(dǎo)體直接鍵合技術(shù)連接起來，構(gòu)成的鍵合五結(jié)太陽電池是當前太陽電池的最高紀錄保持者。該鍵合五結(jié)太陽電池采用2.21/1.7/1.4eV+l.05/0.73eV的帶隙組合，由于InP基窄帶隙雙結(jié)電池的研究比較成熟，限制太陽電池效率的關(guān)鍵為GaAs基寬帶隙反向三結(jié)電池。GaAs基寬帶隙反向三結(jié)電池選用2.05/1.7/1.4eV的帶隙組合，能滿足對太陽光譜的有效利用，然而由于底電池帶隙很寬，難以對其表面進行有效鈍化，同時中電池采用AlGaAs (鋁鎵砷)材料，一般選用Si作為其η型摻雜劑，由此帶來的問題是Si摻雜的AlGaAs中DX中心(DX中心是在η型II1-V族半導(dǎo)體由雜質(zhì)弓I入的高度局域化的缺陷態(tài))會成為載流子的復(fù)合中心，大大降低電池的性倉泛。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種底電池采用梯度摻雜的背場、中電池內(nèi)嵌異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，能夠增強背場對少數(shù)載流子的反射作用，降低界面復(fù)合速率，得到高質(zhì)量的電池材料，同時可以有效避免AlGaAs材料中Si摻雜引入DX中心。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，該電池包含由底層向頂層按生長方向依次設(shè)置的襯底、緩沖層、底電池、超寬帶隙隧穿結(jié)、中電池、寬帶隙隧穿結(jié)、頂電池以及接觸層；底電池、中電池和頂電池分別包含按生長方向依次設(shè)置的窗口層、發(fā)射區(qū)、基區(qū)以及背場；所述的底電池為AlGaInP (磷化鋁銦鎵)電池，所述的中電池為AlGaAs和GaInP (磷化銦鎵)異質(zhì)結(jié)電池，所述的頂電池為GaAs電池；所述的中電池，采用Zn摻雜的AlxGaAs作為基區(qū)，Si摻雜的GayInP作為發(fā)射區(qū)，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽電池；其中X為AlGaAs中Al的絕對含量，0.05彡χ彡0.45 ;y為GaInP中Ga的絕對含量，0.48 ^ y ^ 0.54 ;代替?zhèn)鹘y(tǒng)的AlGaAs發(fā)射區(qū)，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)子電池，可以有效避免AlGaAs材料中Si摻雜引入DX中心。所述的底電池，其背場采用梯度Zn摻雜的AlzGaInP,其中0.13 < z < 0.5，增強背場的鈍化作用和少子的反射作用，降低界面復(fù)合速率。
[0005]上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的中電池，其基區(qū)中Zn的摻雜濃度為5E16至5E17cnT3 ;其發(fā)射區(qū)中Si的摻雜濃度為8E17至4E18cnT3。中電池采用這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能夠有效減少因Si摻雜在AlGaAs材料中引入的DX中心，提升中電池的性能。
[0006]上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的中電池，其窗口層采用AlInP (磷化鋁銦)，背場采用AlGaInP ;所述的窗口層采用Si摻雜AllnP，Si的摻雜濃度為5E17?lE19cnT3 ;所述的背場采用Zn摻雜AlzGaInP, Zn的摻雜濃度為5E17cm 3?lE19cm 3,其中 0.13 < z < 0.5。
[0007]上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的底電池，其背場中Zn的摻雜濃度從lE17cm_3至3E18cm_3按e指數(shù)非線性變化。采用這種結(jié)構(gòu)可以在電池結(jié)構(gòu)中形成一個漂移電場，阻止載流子向界面處擴散，同時加速光生載流子的分離，從而減小界面復(fù)合速率，增加有效載流子數(shù)量，進而提升電池性能。
[0008]上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的底電池，其窗口層采用Si摻雜的AllnP，Si的摻雜濃度為5E17?lE19cm_3 ;所述的發(fā)射區(qū)采用Si摻雜的AlaGaInP, Si的摻雜濃度為4E17?lE19cnT3 ;所述的基區(qū)采用Zn摻雜的AlbGaInP, Zn的摻雜濃度為 1E16?5E17 CnT3 ;其中 0.03 彡 a 彡 0.25，0.03 彡 b 彡 0.15。
[0009]上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的頂電池，其窗口層采用Si摻雜AlInP，Si的摻雜濃度為5E17?lE19cm_3 ;所述的發(fā)射區(qū)采用Si摻雜的GaAs，Si的摻雜濃度為1E18?1E19 ;所述的基區(qū)采用Zn摻雜的GaAs，Zn的摻雜濃度為3E17?1E18 ；所述的背場采用Zn摻雜的AlcGaAs, Zn的摻雜濃度為1E18?1E19，0.13彡c彡0.5。
[0010]上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的襯底采用P型GaAs，摻雜濃度為1E18?1E19 ;所述的緩沖層采用P型GaAs，摻雜濃度為1E18?1E19 ;所述的接觸層采用Zn摻雜GaAs，摻雜濃度為3E18?1E19。
[0011]上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的寬帶隙隧穿結(jié)，采用Si摻雜GalnP，摻雜濃度為1E18?5E19 cnT3，和C摻雜AldGaAs,摻雜濃度為5E18?4E20cm_3，其中 0.4 彡 d 彡 0.9 ;
上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的超寬帶隙隧穿結(jié)采用采用Te摻雜AleGaInP,摻雜濃度為1E18飛E19 cm_3，和C摻雜AlfGaAs,摻雜濃度為5E18?4E20 cnT3 ;其中 0.13 彡 e 彡 0.6，0.4 彡 f 彡 0.9。
[0012]上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的反向三結(jié)太陽電池能夠用來制備包含該反向三結(jié)太陽電池的多結(jié)太陽電池。
[0013]上述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其中，所述的多結(jié)太陽電池由所述的反向三結(jié)太陽電池通過外延生長或鍵合制備。
[0014]本發(fā)明提供的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明選用梯度Zn摻雜的AlGaInP作為底電池的背場，增強背場的鈍化作用和少子的反射作用，降低界面復(fù)合速率。中電池采用Zn摻雜的AlGaAs作為基區(qū)，Si摻雜的GaInP作為發(fā)射區(qū)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的AlGaAs發(fā)射區(qū),構(gòu)成異質(zhì)結(jié)子電池,可以有效避免AlGaAs材料中Si摻雜引入DX中心。
[0015]也就是說本發(fā)明能夠增強底電池背場對少數(shù)載流子的反射作用，降低界面復(fù)合速率，得到高質(zhì)量的電池材料，同時異質(zhì)結(jié)中電池能夠避免Si摻雜的AlGaAs材料中的DX缺陷對載流子的復(fù)合作用，增加有效載流子數(shù)量，進而提高電池短路電流密度和開路電壓。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池的示意圖。

【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步地說明。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，包含由底層向頂層按生長方向依次設(shè)置的襯底1、緩沖層2、底電池3、超寬帶隙隧穿結(jié)4、中電池5、寬帶隙隧穿結(jié)6、頂電池7以及接觸層8 ;底電池3、中電池5和頂電池7分別包含按生長方向依次設(shè)置的窗口層、發(fā)射區(qū)、基區(qū)以及背場。
[0019]底電池3為AlGaInP電池。其背場3_1采用梯度Zn摻雜的AlzGaInP,其中
0.13 ^ z ^ 0.5。底電池3的背場3-1中Zn的摻雜濃度從lE17cm_3至3E18cm_3按e指數(shù)非線性變化。采用這種結(jié)構(gòu)可以增強背場的鈍化作用和少子的反射作用，在電池結(jié)構(gòu)中形成一個漂移電場，阻止載流子向界面處擴散，同時加速光生載流子的分離，從而減小界面復(fù)合速率，增加有效載流子數(shù)量，進而提升電池性能。
[0020]底電池3其窗口層采用Si摻雜的AllnP，Si的摻雜濃度為5E17?lE19cm_3 ;發(fā)射區(qū)采用Si摻雜的AlaGaInP, Si的摻雜濃度為4E17?lE19cnT3 ;基區(qū)采用Zn摻雜的AlbGaInP,Zn 的摻雜濃度為 1E16?5E17 cnT3 ;其中 0.03 彡 a 彡 0.25，0.03 ^ b ^ 0.15。
[0021]中電池5為AlGaAs和GaInP異質(zhì)結(jié)電池。該中電池5采用Zn摻雜的AlxGaAs作為基區(qū)5-2，Si摻雜的GayInP作為發(fā)射區(qū)5_1，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽電池；其中x為AlGaAs中Al的絕對含量，0.05 ^ X ^ 0.45 ；y為GaInP中Ga的絕對含量，0.48彡y彡0.54 ;中電池5的基區(qū)5-2中Zn的摻雜濃度為5E16至5E17cnT3 ;其發(fā)射區(qū)5_1中Si的摻雜濃度為8E17至4E18cnT3。中電池5采用這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的AlGaAs發(fā)射區(qū)，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)子電池，能夠有效減少因Si摻雜在AlGaAs材料中引入DX中心，提升中電池5的性能。
[0022]中電池5其窗口層采用AlInP(磷化鋁銦)，背場采用AlGaInP ;窗口層采用Si摻雜AlInP7Si的摻雜濃度為5E17?lE19cnT3 ;背場采用Zn摻雜AlzGaInP, Zn的摻雜濃度為5E17cm 3?lE19cm 3,其中 0.13 < z < 0.5。
[0023]頂電池7為GaAs電池。頂電池7其窗口層采用Si摻雜AllnP，Si的摻雜濃度為5E17?lE19cm_3 ;發(fā)射區(qū)采用Si摻雜的GaAs, Si的摻雜濃度為1E18?1E19 ;基區(qū)采用Zn摻雜的GaAs，Zn的摻雜濃度為3E17?1E18 ;背場采用Zn摻雜的AleGaAs, Zn的摻雜濃度為1E18"1E19,0.13 彡 c 彡 0.5。
[0024]襯底I采用P型GaAs，摻雜濃度為1E18?1E19。
[0025]緩沖層2采用P型GaAs，摻雜濃度為1E18?1E19。
[0026]接觸層8采用Zn摻雜GaAs，摻雜濃度為3E18?1E19。
[0027]寬帶隙隧穿結(jié)4，采用Si摻雜GalnP，摻雜濃度為1E18飛E19 cm_3，和C摻雜AldGaAs,摻雜濃度為 5E18?4E20 cnT3，其中 0.4 ^ d ^ 0.9 ；
超寬帶隙隧穿結(jié)6采用采用Te摻雜AleGaInP，摻雜濃度為1E18飛E19 cm—3，和C摻雜AlfGaAs,摻雜濃度為 5E18?4E20 cnT3 ;其中 0.13 彡 e 彡 0.6，0.4 彡 f 彡 0.9。
[0028]該反向三結(jié)太陽電池能夠用來制備包含該反向三結(jié)太陽電池的多結(jié)太陽電池。該多結(jié)太陽電池由反向三結(jié)太陽電池通過外延生長或鍵合技術(shù)制備。
[0029]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做更進一步描述。
[0030]實施例1。
[0031]采用梯度摻Zn的Ala2GaInP作為底電池3的背場3_1，摻雜濃度從5E17cnT3到3E18cm_3按e指數(shù)非線性變化。中電池5采用摻Zn的AlGaAs為基區(qū)5_2，摻Si的GaInP為發(fā)射區(qū)5-1，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽電池，Zn的摻雜濃度為lE17cm_3，Si的摻雜濃度為1E18 cm_3。
[0032]實施例2。
[0033]采用梯度摻Zn的Ala3GaInP作為底電池3的背場3_1，摻雜濃度從1E17 cm_3到lE18cm_3按e指數(shù)非線性變化。中電池5采用摻Zn的AlGaAs為基區(qū)5_2，摻Si的GaInP為發(fā)射區(qū)5-1，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽電池，Zn的摻雜濃度為3E17 cnT3，Si的摻雜濃度為2E18 cnT3。
[0034]本發(fā)明提供的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，在底電池3中采用梯度摻雜的新型背場結(jié)構(gòu)，增強少子的反射作用，降低界面復(fù)合速率，并且提高電池的開路電壓。中電池5采用摻Zn的AlGaAs為基區(qū)，摻Si的GaInP代替摻Si的AlGaAs成為發(fā)射區(qū)，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，可以有效避免AlGaAs材料中摻入Si引入DX中心的問題，從而獲得高質(zhì)量的電池材料。且GaInP材料的禁帶寬度較AlGaAs材料更大，可以提高電池的開路電壓。
[0035]盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，該電池包含由底層向頂層按生長方向依次設(shè)置的襯底(I)、緩沖層(2)、底電池(3)、超寬帶隙隧穿結(jié)(4)、中電池(5)、寬帶隙隧穿結(jié)(6)、頂電池(7)以及接觸層(8);底電池(3)、中電池(5)和頂電池(7)分別包含按生長方向依次設(shè)置的窗口層、發(fā)射區(qū)、基區(qū)以及背場； 所述的底電池(3)為AlGaInP電池，所述的中電池(5)為AlGaAs和GaInP異質(zhì)結(jié)電池，所述的頂電池(7)為GaAs電池； 所述的中電池(5)，采用Zn摻雜的AlxGaAs作為基區(qū)(5_2)，Si摻雜的GayInP作為發(fā)射區(qū)(5-1)，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽電池；其中0.05彡X彡0.45，0.48 ^ y ^ 0.54 ； 所述的底電池(3)，其背場(3-1)采用梯度Zn摻雜的AlzGaInP,其中0.13彡z彡0.5。
2.如權(quán)利要求1所述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，所述的中電池(5)，其基區(qū)(5-2)中Zn的摻雜濃度為5E16至5E17cm_3 ;其發(fā)射區(qū)(5_1)中Si的摻雜濃度為8E17至4E18cnT3。
3.如權(quán)利要求2所述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，所述的中電池(5)，其窗口層采用AllnP，背場采用AlGaInP ;所述的窗口層采用Si摻雜AlInP, Si的摻雜濃度為5E17?lE19cnT3 ;所述的背場采用Zn摻雜AlzGaInP, Zn的摻雜濃度為 5E17 CnT3?lE19cnT3，其中 0.13 彡 z 彡 0.5。
4.如權(quán)利要求1所述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，所述的底電池(3)，其背場(3-1)中Zn的摻雜濃度從1E17 cm_3至3E18cm_3按e指數(shù)非線性變化。
5.如權(quán)利要求4所述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，所述的底電池(3)，其窗口層采用Si摻雜的AllnP，Si的摻雜濃度為5E17?lE19cm_3 ;所述的發(fā)射區(qū)采用Si摻雜的AlaGaInP, Si的摻雜濃度為4E17?lE19cnT3 ;所述的基區(qū)采用Zn摻雜的AlbGaInP, Zn 的摻雜濃度為 1E16?5E17 cnT3 ;其中 0.03 彡 a 彡 0.25，0.03 彡 b 彡 0.15。
6.如權(quán)利要求1所述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，所述的頂電池(7)，其窗口層采用Si摻雜AlInP，Si的摻雜濃度為5E17?lE19cm_3 ;所述的發(fā)射區(qū)采用Si摻雜的GaAs，Si的摻雜濃度為1E18?1E19 ;所述的基區(qū)采用Zn摻雜的GaAs，Zn的摻雜濃度為3E17?1E18 ;所述的背場采用Zn摻雜的AleGaAs, Zn的摻雜濃度為1E18?1E19，0.13 ^ c ^ 0.5。
7.如權(quán)利要求1所述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，所述的襯底(I)采用P型GaAs，摻雜濃度為1E18?1E19 ;所述的緩沖層(2)采用p型GaAs，摻雜濃度為1E18?1E19 ;所述的接觸層(8)采用Zn摻雜GaAs，摻雜濃度為3E18?1E19。
8.如權(quán)利要求1所述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，所述的寬帶隙隧穿結(jié)(4)，采用Si摻雜GalnP，摻雜濃度為1E18飛E19 cm_3，和C摻雜AldGaAs,摻雜濃度為5E18?4E20 cnT3，其中0.4彡d彡0.9。
9.如權(quán)利要求1所述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，所述的超寬帶隙隧穿結(jié)(6)采用采用Te摻雜AleGaInP，摻雜濃度為1E18飛E19 cm_3，和C摻雜AlfGaAs,摻雜濃度為 5E18?4E20 cnT3 ;其中 0.13 彡 e 彡 0.6，0.4 彡 f 彡 0.9。
10.如權(quán)利要求廣9中任意一項所述的含有異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的寬帶隙反向三結(jié)太陽電池，其特征在于，所述的反向三結(jié)太陽電池能夠用來制備包含該反向三結(jié)太陽電池的多結(jié)太陽 電池。
【文檔編號】H01L31/078GK104393090SQ201410556315
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】沈靜曼, 陸宏波, 李欣益, 張瑋, 孫利杰, 周大勇, 陳開建, 石夢奇 申請人:上?？臻g電源研究所