本發(fā)明屬于太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種太陽電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

一直以來，制約太陽電池技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸是較低的光電轉(zhuǎn)換效率和過高的成本，高效率的太陽電池一直是該領(lǐng)域研究的熱點。相比傳統(tǒng)太陽電池，中間帶電池可以實現(xiàn)對太陽光的寬光譜吸收，具有高達(dá)63.1％的理論極限效率，應(yīng)用前景廣泛。中間帶電池的工作原理為：在半導(dǎo)體的禁帶中引入中間能帶，除正常吸收高于帶隙能量的光子，還可通過雙光子激發(fā)過程捕獲低于帶隙能量的光子，拓寬了太陽能光譜的利用范圍，提高光電轉(zhuǎn)換效率。目前，制備中間帶太陽電池主要是采用砷化銦/砷化鎵(InAs/GaAs)量子點，InAs為量子點點層材料，GaAs為量子點壘層材料。InAs/GaAs量子點是I類能帶結(jié)構(gòu)，InAs的禁帶完全落在GaAs的禁帶內(nèi)，在InAs量子點中形成了電子和空穴的束縛能級。其中，電子能級位于GaAs禁帶中，作為電池的中間帶；空穴能級與GaAs價帶接近，共同作為價帶。通過雙光子激發(fā)過程，價帶上的電子會先躍遷到中間帶然后到導(dǎo)帶，形成光生電子空穴對，在內(nèi)建電場的作用下輸出電池形成光生電流。然而，由于電子和空穴都束縛在InAs量子點層，它們之間的相互作用使激發(fā)到導(dǎo)帶的電子會通過帶內(nèi)俄歇復(fù)合很快弛豫回中間帶(時間常數(shù)為皮秒量級)，使得導(dǎo)帶和中間帶的準(zhǔn)費米能級很難分開，開路電壓降低，與傳統(tǒng)太陽電池相比效率未見提高。理論研究表明，如果電子和空穴的波函數(shù)分離，他們之間的相互作用會減弱，則可以抑制帶內(nèi)俄歇復(fù)合，提高電池效率。在II類能帶結(jié)構(gòu)的量子點中，一種材料的導(dǎo)帶位于另外一種材料的禁帶中，而價帶頂?shù)陀诹硗庖环N材料的價帶頂，能帶的交錯使電子和空穴分別束縛于兩種材料中，波函數(shù)分離，可實現(xiàn)對帶內(nèi)俄歇復(fù)合的抑制。但是電子和空穴波函數(shù)分離又會降低電子從價帶到中間帶的躍遷幾率，減少電池對低能量光子的吸收，同樣無法獲得期望的高轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種具有高轉(zhuǎn)換率的太陽電池。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種太陽電池，包括下電極、由下至上依次設(shè)置于下電極層上表面的下接觸層、背場層，有源區(qū)層，窗口層，上接觸層，和上電極，其中，所述有源區(qū)層包括多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層，所述I類量子點層設(shè)置在II類量子阱層上。

進(jìn)一步，所述II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層包括II類量子阱下壘層、II類量子阱阱層、I類量子點下壘層和I類量子點點層，其中，II類量子阱阱層設(shè)置在II類量子阱下壘層的上表面，I類量子點下壘層設(shè)置在II類量子阱阱層的上表面，I類量子點點層設(shè)置在I類量子下壘層的上表面。

進(jìn)一步，所述II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層的層數(shù)在30～200之間。這樣能夠吸收足夠的太陽光，同時能夠保證器件的質(zhì)量。

進(jìn)一步，所述II類量子阱為GaAsSb/GaAs(鎵砷銻/砷化鎵)量子阱。

進(jìn)一步，所述I類量子點為InAs/GaAs(砷化銦/砷化鎵)量子點。

進(jìn)一步，所述有源區(qū)為PN結(jié)結(jié)構(gòu)，有源區(qū)包括第一體材料有源區(qū)層、第二體材料有源區(qū)層和多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層,所述多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層設(shè)置在第一體材料有源區(qū)層和第二體材料有源區(qū)層之間。

進(jìn)一步，所述有源區(qū)為PN結(jié)結(jié)構(gòu)，有源區(qū)包括兩層第一體材料有源區(qū)層、第二體材料有源區(qū)層和多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層,從下至上依次為第一體材料有源區(qū)層、多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層、第一體材料有源區(qū)層和第二體材料有源區(qū)層。

進(jìn)一步，所述有源區(qū)為PN結(jié)結(jié)構(gòu)，有源區(qū)包括第一體材料有源區(qū)層、兩層第二體材料有源區(qū)層和多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層,從下至上依次為第一體材料有源區(qū)層、第二體材料有源區(qū)層、多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層和第二體材料有源區(qū)層。

本發(fā)明還提供了一種制備上述太陽電池的方法，包括以下步驟：

步驟1：提供下接觸層；

步驟2：在下接觸層表面采用分子束外延或金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積的方法生長背場層；

步驟3：在背場層上表面生長有源區(qū)層，包括第一體材料有源區(qū)層、第二體材料有源區(qū)層和多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層；

步驟4：在有源區(qū)層上依次生長窗口層和上接觸層；

步驟5：在上接觸層和下接觸層上分別制備上電極和下電極。

進(jìn)一步，所述多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層的生長方法為：先生長II類量子阱下壘層，II類量子阱阱層生長在II類量子阱下壘層上表面，I類量子下壘層生長在II類量子阱阱層上表面，I類量子點點層生長在I類量子下壘層上表面，按照周期性依次生長成多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層。

工作原理：本發(fā)明將I類量子點-II類量子阱雜化結(jié)構(gòu)用到太陽電池中，采用I類量子點吸收低于壘層材料帶隙能量高于量子點基態(tài)能量的光子，產(chǎn)生光生載流子，電子在束縛態(tài)能級即中間帶，空穴在價帶。由于鎵砷銻(GaAsSb)量子阱價帶能量低于砷化銦(InAs)量子點價帶能量，空穴進(jìn)入到II類量子阱中，中間帶上的電子則再次吸收低能量光子躍遷到導(dǎo)帶。通過雙光子激發(fā)過程產(chǎn)生的電子-空穴對在內(nèi)建電場的作用下輸出電池形成光生電流。本發(fā)明提供的太陽電池中光生空穴不局域在I類量子點中而是進(jìn)入到II類量子阱，電子和空穴相互作用減弱，抑制帶內(nèi)俄歇復(fù)合，提高開路電壓，有效提高了轉(zhuǎn)換效率。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有效提高了太陽電池的轉(zhuǎn)換效率；同時制備方法簡單方便，制備出的太陽電池的轉(zhuǎn)換率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的太陽電池的簡略結(jié)構(gòu)圖；

圖2為實施例1中有源區(qū)層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實施例2中有源區(qū)層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為實施例3中有源區(qū)層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明中采用的單層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為采用本發(fā)明提供的制備方法制備出的太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

實施例1：

如圖1所示，本發(fā)明提供的太陽電池，包括下電極1、由下至上依次設(shè)置于下電極層1上表面的下接觸層2、背場層3，有源區(qū)層4，窗口層5，上接觸層6，上電極層7。如圖2所示，其中，有源區(qū)層4包括第一體材料有源層41，從下至上依次設(shè)置于第一體材料有源層41上表面的多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層42和第二體材料有源層43。多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層42設(shè)置在第一體材料有源層41和第二體材料有源層43之間。其中，下接觸層2為P型砷化鎵(下文簡稱P-GaAs)接觸層，背場層3為P型鋁銦磷(下文簡稱P-AlInP)或P型鋁鎵砷(下文簡稱P-AlGaAs)或P型鎵銦磷(下文簡稱P-GaInP)背場層，窗口層5為N型鋁銦磷(下文簡稱N-AlInP)或N型鋁鎵砷(下文簡稱N-AlGaAs)或N型鎵銦磷(下文簡稱N-GaInP)窗口層，上接觸層6為N型砷化鎵(下文簡稱N-GaAs)上接觸層；第一體材料有源層41為P-GaAs層；第二體材料有源層43為N-GaAs層；I類量子點為InAs/GaAs量子點，非故意摻雜；II類量子阱為GaAsSb/GaAs量子阱，非故意摻雜。

實施例2：

如圖1所示，本發(fā)明提供的太陽電池，包括下電極1、由下至上依次設(shè)置于下電極層1上表面的下接觸層2、背場層3，有源區(qū)層4，窗口層5，上接觸層6，上電極層7。如圖3所示，其中，有源區(qū)層4包括第一體材料有源層41，從下至上依次設(shè)置于第一體材料有源層41上表面的多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層42、第一體材料有源層41和第二體材料有源層43。這樣多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層42設(shè)置在兩層第一體材料有源層41之間。其中，下接觸層2為N-GaAs接觸層，背場層3為N-AlInP或N-AlGaAs或N-GaInP背場層，窗口層5為P-AlInP或P-AlGaAs或P-GaInP窗口層，上接觸層6為P-GaAs上接觸層；第一體材料有源層41為N-GaAs層；第二體材料有源層43為P-GaAs層；I類量子點為InAs/GaAs量子點，N型摻雜；II類量子阱為GaAsSb/GaAs量子阱，N型摻雜。

實施例3：

如圖1所示，本發(fā)明提供的太陽電池，包括下電極1、由下至上依次設(shè)置于下電極層1上表面的下接觸層2、背場層3，有源區(qū)層4，窗口層5，上接觸層6，上電極層7。如圖4所示，其中，有源區(qū)層4包括第一體材料有源層41，從下至上依次設(shè)置于第一體材料有源層41上表面的第二體材料有源層43、多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層42和第二體材料有源層43。這樣多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層42設(shè)置在兩層第二體材料有源層43之間。其中，下接觸層2為P-GaAs下接觸層，背場層3為P-AlInP或P-AlGaAs或P-GaInP背場層，窗口層5為N-AlInP或N-AlGaAs或N-GaInP窗口層，上接觸層6為N-GaAs上接觸層；第一體材料有源層41為P-GaAs層；第二體材料有源層43為N-GaAs層；I類量子點為N型摻雜InAs/GaAs量子點；II類量子阱為N型摻雜GaAsSb/GaAs量子阱。

其中，如圖5所示，在實施例1～3中的單層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層中包括II類量子阱下壘層421、II類量子阱阱層422、I類量子點下壘層423和I類量子點點層424，其中，II類量子阱阱層422設(shè)置在類量子阱下壘層421的上表面，I類量子點下壘層423設(shè)置在II類量子阱阱層422的上表面，I類量子點點層424設(shè)置在I類量子點下壘層423的上表面，然后按照周期性依次生成多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層42。II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層采用的層數(shù)越多，對低能量光子的吸收作用越明顯，但過多的量子阱/量子點疊層會引入大的應(yīng)力，影響器件質(zhì)量，所以II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層的層數(shù)在30層～200層之間。其中，I類量子點為InAs/GaAs量子點，I類量子點下壘層423材料為GaAs，I類量子點下壘層423的厚度為5-15nm，I類量子點點層424材料為InAs，I類量子點點層424中量子點面密度大于1×10¹⁰cm^-2。II類量子阱點GaAsSb/GaAs量子阱，II類量子阱下壘層421的材料為GaAs，II類量子阱下壘層421的厚度為30-100nm，II類量子阱阱層422的材料為GaAsSb，II類量子阱阱層422的厚度1-10nm,Sb組份大于14％小于30％。

本發(fā)明提供的太陽電池的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：提供一GaAs下接觸層2；其中GaAs下接觸層2可為P型或N型。

步驟2：在GaA下接觸層2表面采用分子束外延或金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積的方法依次生長背場層3、第一體材料有源區(qū)層41。其中，如果下接觸層2為P型，則背場層材料為P-AlInP、P-AlGaAs、P-GaInP任一種，第一體材料有源區(qū)層41材料為P-GaAs；如果下接觸層2為N型，步驟2中背場層材料為N-AlInP、N-AlGaAs、N-GaInP任一種，第一體材料有源區(qū)層41材料為N-GaAs。

步驟3：在第一體材料有源區(qū)層41表面生長多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)42。

先生長II類量子阱下壘層421，II類量子阱阱層422生長在II類量子阱下壘層421上表面，I類量子下壘層423生長在II類量子阱阱層422上表面，I類量子點點層424生長在I類量子下壘層423上表面，按照周期性依次生長成多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)層。I類量子點為InAs/GaAs量子點，采用層狀加島狀生長模式，自組織成點。生長采用分子束外延或金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積的方法。InAs沉積量1.5-3ML，每個量子點橫向尺寸30-80nm，縱向尺寸6-15nm。II類量子阱為GaAsSb/GaAs量子阱。生長采用分子束外延或金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積的方法。量子阱下壘層厚度為30-100nm，阱層厚度為1-10nm,Sb組份大于14％小于30％。

步驟4：在多層II類量子阱/I類量子點疊層結(jié)構(gòu)42上依次生長第二體材料有源區(qū)層43,窗口層5，上接觸層6。如果下接觸層2為P型，第二體材料有源區(qū)層43材料為N-GaAs，窗口層材料為N-GaAs。如果下接觸層2為N型，步驟4中第二體材料有源區(qū)層43材料為P-GaAs，窗口層材料為P-GaAs。

步驟5：制備上電極和下電極：

在上接觸層6的上表面用沉積上電極7，在下接觸層2下表面沉積下電極1。N型電極采用合金AuGe/Ni/Au，P型電極采用合金Ti/Pt/Au或Pb/Zn/Pb/Au，然后退火使AuGe/Ni/Au合金與N型GaAs接觸層、Ti/Pt/Au或Pb/Zn/Pb/Au與P-GaAs接觸層形成歐姆接觸，退火溫度范圍為400℃至550℃，退火時間范圍為1分鐘至5分鐘。上電極7、下電極1制作完成之后，以上電極7作為掩膜腐蝕上電極7區(qū)域以外的上接觸層6，腐蝕液為氨水、雙氧水和水的混合溶液，腐蝕時間范圍為1分鐘至3分鐘。制成的太陽電池如圖6所示。

本發(fā)明通過加人II類量子阱，使電子空穴波函數(shù)分開，采用II類能帶結(jié)構(gòu)，帶內(nèi)俄歇復(fù)合的時間可提高三個數(shù)量級，增加到納秒(ns)量級，有益于導(dǎo)帶中間帶分離，維持開路電壓不下降，有效提高了電池效率。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。