一種三子結(jié)化合物光伏電池的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種三子結(jié)化合物光伏電池，具體為InAlAsP/InGaAs/Ge三子結(jié)化合物光伏電池，具有優(yōu)化的1.90ev/1.40ev/0.66ev能帶結(jié)構(gòu)；本三子結(jié)化合物光伏電池具有二階凸起結(jié)構(gòu)，以及為配置上述光伏電池結(jié)構(gòu)而設(shè)計的n++ InGaP/p++ InGaAsP異質(zhì)結(jié)隧穿二極管和基區(qū)厚度關(guān)系，本三子結(jié)Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏電池具有高光電轉(zhuǎn)換效率和收集效率，特別的對自然光線具有有效的限域作用。
【專利說明】一種三子結(jié)化合物光伏電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種化合物光伏電池，優(yōu)其涉及一種多子結(jié)化合物光伏電池。

【背景技術(shù)】
[0002]II1- V族化合物光伏電池最先使用于太空領(lǐng)域，但隨著技朮的進步，II1- V族化合物光伏電池也越來越多的運用到非太空領(lǐng)域。與硅光伏電池相比，II1-V族化合物光伏電池具有更大的能量轉(zhuǎn)換效率，通過先進工藝制造出的II1- V族化合物光伏電池其光電轉(zhuǎn)換成效率可超過25%，而硅光伏電池不會超過20%。相比于硅光伏電池，II1- V族化合物光伏電池可通過使用多個具有不同帶隙能的子電池來實現(xiàn)多太陽輻射的最大化轉(zhuǎn)換。
[0003]對于II1- V族化合物光伏電池而言，GalnP/GaAs/Ge是一種最典型最成熟的II1- V族化合物光伏電池，其光電流密度已經(jīng)能夠達到25mA/cm2，然而現(xiàn)有的II1- V族化合物光伏電池對自然太陽光的光譜吸收還不充分，并且多是以垂直、多結(jié)的形成逐層外延到半導體襯底上的，往往不能像硅光伏電池那樣形成對光線具有限域作用的植絨表面，現(xiàn)有的II1- V族化合物光伏電池有待得到進一步的提升。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了彌補現(xiàn)有II1- V族化合物光伏電池的不足，進一步提高對光線的利用率，本發(fā)明提供一種InAlAsP/IGaAs/Ge三結(jié)化合物光伏電池，該InAlAsP/InGaAs/Ge三結(jié)結(jié)構(gòu)能夠有效地提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，同時該InAlAsP/IGaAs/Ge三子結(jié)化合物光伏電池還具有對光線具有限域作用的二階凸起結(jié)構(gòu)，該二階的凸起結(jié)構(gòu)能夠有效地提高光接觸面積，并且能夠?qū)饩€產(chǎn)生高效地限域作用。
[0005]本發(fā)明提供的三子結(jié)II1- V族化合物光伏電池，包括Ge襯底；Ge子電池，位于Ge襯底上；InGaAs子電池，位于Ge子電池上；InAlAsP子電池，位于InGaAs子電池上；在所述Ge襯底與Ge子電池之間包括n++Ge接觸層以及n++Ge接觸層之上的背場層；在InAlAsP子電池上為窗口層，窗口層上為P++接觸層；Ge子電池與InGaAs子電池，InGaAs子電池與InAlAsP子電池之前具有晶格匹配的n++/p++遂穿二極管。
[0006]進一步地，Ge子電池在遠離襯底的方向上依次包括η Ge基區(qū)，p+Ge發(fā)射區(qū)，并具有0.66ev左右的帶隙；所述InGaAs子電池在遠離襯底方向上依次包括n InGaAs基區(qū)，ρ+InGaAs發(fā)射區(qū)，并具有1.40ev左右的帶隙；所訴InAlAsP子電池在遠離襯底方向上依次包括n InAlAsP基區(qū)，p+InAlAsP發(fā)射區(qū)，并具有1.90ev左右的帶隙。
[0007]進一步地，在該光伏電池上部光照面形狀為連續(xù)的二階凸起結(jié)構(gòu)，每一個二階凸起結(jié)構(gòu)具有第一階凸起和第二階凸起，其中第二階凸起從第一階凸起的上表面向上凸起。
[0008]進一步地，從第二階凸起的頂面到Ge襯底的底面厚度為300?400 μ m，第一階凸起的頂部到第一階凸起底面的厚度為50?80 μ m ;并且第二階凸起的頂部到第一階凸起的頂部的厚度至少大于第一階凸起的頂部到第一階凸起底面的厚度的兩倍；每兩個二階凸起結(jié)構(gòu)之間的間隔小于第一階凸起的頂部到第一階凸起底面的厚度。
[0009]進一步地，所述η Ge基區(qū)的厚度大于n InGaAs基區(qū)的厚度，n InGaAs基區(qū)的厚度大于n InAlAsP基區(qū)的厚度，η Ge基區(qū)的厚度為約2.5微米、n InGaAs基區(qū)的厚度為約2.2微米、n InAlAsP基區(qū)的厚度為約1.8-2.0微米；p+Ge發(fā)射區(qū)、p+InGaAs發(fā)射區(qū)、p+InAlAsP發(fā)射區(qū)的厚度均為80-100納米。
[0010]進一步地，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二極管為異質(zhì)結(jié)隧穿二極管。
[0011]進一步地，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二極管為n++InGaP/p++InGaAsP異質(zhì)結(jié)隧穿二極管；其總厚度為30-45納米。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為根據(jù)本發(fā)明的三子結(jié)化合物光伏電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為圖1中A區(qū)域的放大圖，即本發(fā)明光伏電池各子結(jié)材料層示意圖。

【具體實施方式】
[0014]以下將結(jié)合最佳實施方式對本發(fā)明做進一步的說明，本發(fā)明的有益效果將在詳細地描述中變得清晰。
[0015]參見圖1-2，圖1為本發(fā)明三子結(jié)光伏電池的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1中A區(qū)域的放大圖，其顯示了本發(fā)明光伏電池的細節(jié)；本發(fā)明的一個方面，參見圖2本發(fā)明的化合物光伏電池具有多子結(jié)的InAlAsP/InGaAs/Ge結(jié)構(gòu)，其中InAlAsP子電池(300)的帶隙在1.9ev左右，InGaAs子電池(200)的帶隙在1.40ev左右，Ge子電池(100)的帶隙為0.66ev左右，本發(fā)明的三結(jié)光伏電池具有的帶隙的優(yōu)化結(jié)構(gòu)能夠匹配自然太陽光譜的波長結(jié)構(gòu)，充分利用光伏的各波長段的光子能量，從整體上優(yōu)化對太陽光譜的吸收，提高電池效率。并且，參見圖1，本發(fā)明的化合物光伏電池上部光照面形狀為連續(xù)的二階凸起結(jié)構(gòu)(a，b)，每一個二階凸起結(jié)構(gòu)(a，b)具有第一階凸起(b)和第二階凸起(a)，其中第二階凸起(a)從第一階凸起(b)的上表面向上凸起。
[0016]具體來說，本發(fā)明的化合物光伏電池包括具有連續(xù)的二階凸起結(jié)構(gòu)(a，b)的Ge襯底(001)，其中每一個二階凸起結(jié)構(gòu)(a，b)包括第一階凸起(b)和第二階凸起(a)，其中第二階凸起(a)從第一階凸起(b)的上表面向上凸起。位于Ge襯底(001)上依次為Ge子電池(100)、InGaAs 子電池(200)、InAlAsP 子電池(300)以形成 1.90ev/l.40ev/0.66ev 能帶結(jié)構(gòu)的三結(jié)電池。其中各子電池的帶隙在遠離襯底的方向上逐步增大，這十分有利于光電流密度的提高，其中Ge子電池(100)具有0.66ev左右的帶隙并在遠離襯底的方向上依次為η Ge基區(qū)(101)、p+Ge發(fā)射區(qū)(102)，η Ge基區(qū)(101)厚度優(yōu)選為2.5微米，p+Ge發(fā)射區(qū)(102)厚度優(yōu)選為80-100納米；InGaAs子電池(200)具有1.40ev左右的帶隙，并在遠離襯底的方向上依次為n InGaAs基區(qū)(201)、p+InGaAs發(fā)射區(qū)(202)，n InGaAs基區(qū)(201)的厚度優(yōu)選為2.2微米，p+InGaAs發(fā)射區(qū)(202)的厚度優(yōu)選為80-100納米；InAlAsP子電池(300)具有1.90ev左右的帶隙，并在遠離襯底的方向上依次為n InAlAsP基區(qū)(301)、p+InAlAsp 發(fā)射區(qū)(302)，n InAlAsP 基區(qū)(301)的厚度優(yōu)選為 1.8-2.0 微米，p+InAlAsp 發(fā)射區(qū)(302)的厚度優(yōu)選為80-100納米。在Ge襯底(001)與η Ge基區(qū)(101)之間還包括n++Ge接觸層(002)和背場層(003);在InAlAsP子電池(300)上為窗口層(006)，窗口層
(006)上為p++接觸層(007)，本發(fā)明中對于各子電池基區(qū)厚度的優(yōu)化為能隙大的靠近光照面的子電池小于能隙小的遠離光照面的子電池；具體而言，就是n InAlAsP基區(qū)(301)的厚度小于n InGaAs基區(qū)(201)的厚度、n InGaAs基區(qū)(201)的厚度小于nGe基區(qū)(101)的厚度，這樣有利于對自然光伏光譜的最大化利用。
[0017]在各子電池層之間具有晶格匹配的n++/p++隧穿二極管(004，005);在本InAlAsP/InGaAs/Ge能帶體系的多結(jié)光伏電池中，晶格匹配的n++/p++隧穿二極管需要選用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，這有利于提供高的結(jié)間勢皇，特別是InAlAsP與InGaAs子電池之間的隧穿二極管(005)，在我們的實驗中觀察到這對光線通過上層的InAlAsP子電池(300)以及減少結(jié)間少子擴散起到有利的作用，在實驗中我們使用了 n++InGaP/p++InGaAsP異質(zhì)結(jié)隧穿二極管，這在最大程度上提高了電池的光電流效率，當然至于外延生長的多結(jié)II1-V族光伏電池，隧穿二極管的厚度是十分重要和敏感的，當選擇n++InGaP/p++InGaAsP異質(zhì)結(jié)隧穿二極管作為本體系多結(jié)光伏電池InAlAsP與InGaAs子電池之間的隧穿二極管(005)時，實驗優(yōu)化的n++InGaP/p++InGaAsP異質(zhì)結(jié)隧穿二極管(005)的總厚度為30-45納米。
[0018]接下來將重點介紹本發(fā)明InAlAsP/InGaAs/Ge三結(jié)光伏電池的二階凸起結(jié)構(gòu)。首先本發(fā)明InAlAsP/InGaAs/Ge三結(jié)光伏電池的二階凸起結(jié)構(gòu)(a，b)是建立在二階凸起結(jié)構(gòu)的Ge襯底上的，各子電池及其他功能層依次覆蓋于該Ge襯底上。從第二階凸起(b)的頂面到Ge襯底的底面厚度dl約為300-400 μ m，第一階凸起(b)的頂部到第一階凸起(b)的底面d2優(yōu)選為50?80 μ m，即第一階凸起(b)的高度d2為50?80 μ m ;第二階凸起(a)的頂部到第一階凸起(a)的頂部之間的厚度d3至少大于第一階凸起(b)的高度d2的兩倍，優(yōu)選為150?200 μ m，即第二階凸起(a)的高度d3優(yōu)選為150?200 μ m ;每兩個二階凸起結(jié)構(gòu)之間的間隔小于第一階凸起(b)的高度；每個二階凸起結(jié)構(gòu)的寬度優(yōu)選為150?200 μ mo通過上述參數(shù)的優(yōu)化，入射光線以一定角度照射到光伏電池表面時，首先在第二階凸起結(jié)構(gòu)的表面被電池吸收一部分，未被吸收的照射到第二凸起結(jié)構(gòu)側(cè)面的一部分反射到第一階凸塊的表面并被第一階凸塊吸收，而未被第一階凸塊結(jié)構(gòu)表面吸收的光線一部分又會反射到二階凸塊結(jié)構(gòu)之間的電池表面上。如此這般，使得原本只能對照射到電池上表面的光線進行利用，通過二階凸起結(jié)構(gòu)不緊能能利用照射到上表面的光線，還能夠通過側(cè)面的反射多利用照射到側(cè)邊的光線，這部分光線就是增加的額外光線，某種程度上，該結(jié)構(gòu)把光線進行了體系化的利用，因此對太陽入射光線能夠達到最大化的利用。更值得注意的是，從二階凸塊結(jié)構(gòu)之間的電池表面反射出來的光線又會射向第一階凸塊結(jié)構(gòu)的表面和/或第二階凸塊結(jié)構(gòu)的表面，如此光伏光線被最大化地限域在具有二階凸塊結(jié)構(gòu)的光伏電池的表面，電池對太陽光線的利用得到極大提高；能夠?qū)崿F(xiàn)上述的限領(lǐng)作用與上述的參數(shù)選取是密不可分的，如果第二階凸起的高度小于第一階凸起的高度或是二階凸起結(jié)構(gòu)之間的間隔太大都不會對太陽光線起到限域作用或是會極大消弱限域作用。
[0019]通過上述具體實施例的描述，已經(jīng)很全面地揭示了本發(fā)明的構(gòu)思，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當能夠了解本發(fā)明的優(yōu)點之處；對于本申請的理解不應(yīng)當限制在上述實施例中，與本發(fā)明精神一致的明顯變形的實施方式也應(yīng)當屬于本發(fā)明的構(gòu)思。
【權(quán)利要求】
1.一種三子結(jié)化合物光伏電池，包括Ge襯底；Ge子電池，位于Ge襯底上；InGaAs子電池，位于Ge子電池上；InAlAsP子電池，位于InGaAs子電池上；在所述Ge襯底與Ge子電池之間包括n++Ge接觸層以及n++Ge接觸層之上的背場層；在InAlAsP子電池上為窗口層，窗口層上為P++接觸層；Ge子電池與InGaAs子電池，InGaAs子電池與InAlAsP子電池之前具有晶格匹配的n++/p++遂穿二極管。
2.如權(quán)利要求1所述的光伏電池，所述Ge子電池在遠離襯底的方向上依次包括ηGe基區(qū)，p+Ge發(fā)射區(qū)，并具有0.66ev左右的帶隙；所述InGaAs子電池在遠離襯底方向上依次包括n InGaAs基區(qū)，p+InGaAs發(fā)射區(qū)，并具有1.40ev左右的帶隙；所述InAlAsP子電池在遠離襯底方向上依次包括n InAlAsP基區(qū)，p+InAlAsP發(fā)射區(qū)，并具有1.90ev左右的帶隙。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光伏電池，在該光伏電池上部光照面形狀為連續(xù)的二階凸起結(jié)構(gòu)，每一個二階凸起結(jié)構(gòu)具有第一階凸起和第二階凸起，其中第二階凸起從第一階凸起的上表面向上凸起。
4.如權(quán)利要求3所述的光伏電池，從第二階凸起的頂面到Ge襯底的底面厚度為300?400 μ m，第一階凸起的頂部到第一階凸起底面的厚度為50?80 μ m ;并且第二階凸起的頂部到第一階凸起的頂部的厚度至少大于第一階凸起的頂部到第一階凸起底面的厚度的兩倍；每兩個二階凸起結(jié)構(gòu)之間的間隔小于第一階凸起的頂部到第一階凸起底面的厚度。
5.如權(quán)利要求4所述的光伏電池，所述ηGe基區(qū)的厚度大于n InGaAs基區(qū)的厚度，ηInGaAs基區(qū)的厚度大于n InAlAsP基區(qū)的厚度，η Ge基區(qū)的厚度為約2.5微米、n InGaAs基區(qū)的厚度為2.2微米、n InAlAsP基區(qū)的厚度為1.8-2.0微米；p+Ge發(fā)射區(qū)、p+InGaAs發(fā)射區(qū)、P+InAlAsP發(fā)射區(qū)的厚度均為80-100納米。
6.如權(quán)利要求5所述的光伏電池，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二極管為異質(zhì)結(jié)隧穿二極管。
7.如權(quán)利要求6所述的光伏電池，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二極管為n++InGaP/p++InGaAsP異質(zhì)結(jié)隧穿二極管；其總厚度為30-45納米。
【文檔編號】H01L31/0304GK204243068SQ201420516503
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】司紅康, 馬梅, 謝發(fā)忠 申請人:六安市大宇高分子材料有限公司