多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)、多結(jié)太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化合物半導(dǎo)體太陽能電池領(lǐng)域，具體涉及一種多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)、多結(jié)太陽能電池以及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，光伏太陽能電池作為一種重要的可再生能源技術(shù)，獲得了廣泛和深入的發(fā)展，正在逐步進入各種商業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域。光電轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池的核心技術(shù)參數(shù)，由II1-V族半導(dǎo)體化合物組成的多結(jié)太陽能電池是目前光電轉(zhuǎn)換效率最高的光伏電池。尤其是在高倍聚光的情況下，GalnP/GaAs/InGaAs倒裝三結(jié)太陽能電池的最高效率已經(jīng)超過了44% 0
[0003]GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池由禁帶寬度依次減小的GalnP頂電池、GaAs中電池和InGaAs底電池組成。其材料制備技術(shù)主要為分子束外延(MBE)和金屬有機物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)，它們都需要使用GaAs作為襯底來進行材料外延生長。由于GalnP頂電池與GaAs晶格匹配，而InGaAs底電池與GaAs的晶格失配度較大，所以在材料生長時，一般采用倒裝結(jié)構(gòu)來獲得更好的材料質(zhì)量，也就是先生長晶格匹配的頂電池(GalnP第一子電池)和中電池(GaAs第二子電池)，然后生長晶格遞變緩沖層(GalnP或AlGalnAs)和底電池(InGaAs第三子電池)。
[0004]在這種三結(jié)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了獲得最高的光電轉(zhuǎn)換效率，要求GalnP頂電池的禁帶寬度達到1.9eV。GalnP材料的禁帶寬度，在固定晶格常數(shù)的條件下，受到Ga、In原子排列有序度的影響，有序度越弱，禁帶寬度越大。通常情況下，GalnP材料的禁帶寬度小于1.9eV。只有完全無序的GalnP材料的禁帶寬度才能達到結(jié)構(gòu)設(shè)計所要求的1.9eV。GalnP材料的有序度與材料生長條件密切相關(guān)，包括生長溫度、生長速度、V/III比、摻雜源和襯底晶向等等。其中，襯底晶向?qū)Λ@得聞質(zhì)量的低有序度GalnP材料最為關(guān)鍵。研究表明，當(dāng)GalnP外延表面為(001)面偏向(111)A時,有序度最弱,在合適的生長條件下能獲得完全無序的材料；當(dāng)外延表面為(001)面偏向(lll)B時,有序度最強,無法獲得完全無序的材料。當(dāng)外延表面為(001)面偏向< 100 >時，偏角方向介于以上兩者之間，也可以通過調(diào)節(jié)生長條件，獲得接近無序的GalnP材料，只是調(diào)節(jié)窗口比較窄。因此采用(001)面偏(111)A或(001)面偏< 100 >的襯底更有利于提高GalnP頂電池的禁帶寬度。
[0005]另一方面，在InGaAs底電池的外延生長中，如何調(diào)節(jié)應(yīng)變緩沖層以減少InGaAs材料中的缺陷密度，是提高底電池效率的關(guān)鍵。以(001)表面的GaAs襯底為例，在應(yīng)變緩沖層中，由于[110]和[1-10]方向上的失配位錯的滑移速率不同，晶格失配應(yīng)力的釋放是各向異性的，這將弓丨起材料缺陷密度的增加，從而導(dǎo)致底電池效率的降低。剩余應(yīng)力的各向異性程度，與緩沖層材料的種類、摻雜源、結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及襯底晶向和材料生長參數(shù)有關(guān)。對于(001)表面的襯底，(lll)A或(lll)B偏向都會不同程度地加劇剩余應(yīng)力的各向異性程度，而< 100 >偏向則有利于減小剩余應(yīng)力的各向異性程度。
[0006]綜上，由于GalnP頂電池與InGaAs底電池對襯底晶向的要求不同，因此怎樣選取合適的襯底晶向來獲得理想的電池效率是一個需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于上述技術(shù)背景，本發(fā)明的目的旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題或缺陷的一個方面。
[0008]相應(yīng)地，本發(fā)明提供一種多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)，包括:
[0009]GaAs 襯底；
[0010]在GaAs襯底上的GalnP第一子電池；
[0011]在GalnP第一子電池上的GaAs第二子電池，和
[0012]在GaAs第二子電池上的InGaAs第三子電池，
[0013]其特征在于，GaAs襯底采用(001)面偏向< 100 >方向5?20度的偏角。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的多結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)，由于所使用的GaAs襯底在特定的晶向范圍內(nèi)，即，所述GaAs襯底采用(001)面偏向< 100 >方向5-20度的偏角，在具有該偏角的GaAs襯底上制備GalnP第一子電池、GaAs第二子電池和InGaAs第三子電池，可以在獲得大禁帶寬度(Al)GalnP材料的同時，減小InGaAs電池應(yīng)變緩沖層的缺陷密度，因此，能同時克服多結(jié)電池材料生長中的GalnP子電池的有序度問題和InGaAs子電池的剩余應(yīng)力的各向異性問題，從而提高多結(jié)太陽能電池的效率和整體性能。
[0015]優(yōu)選地，GaAs襯底的偏角采用(001)面偏向< 100 >方向15度。在這種情況下，可以獲得最佳的電池綜合性能。
[0016]根據(jù)一個實施例，所述多結(jié)太陽能電池還包括:
[0017]在GaAs襯底上的腐蝕截止層或剝離犧牲層；
[0018]所述GalnP第一子電池設(shè)置在所述腐蝕截止層或剝離犧牲層上；
[0019]在GalnP第一子電池上的第一隧穿結(jié)；
[0020]所述GaAs第二子電池設(shè)置在所述第一隧穿結(jié)上；
[0021]在GaAs第二子電池上的第二隧穿結(jié)；
[0022]在第二隧穿結(jié)上的GalnP或AlGalnAs第一緩沖層；
[0023]所述InGaAs第三子電池設(shè)置在所述第一緩沖層上；和
[0024]在InGaAs第三子電池上的接觸層。
[0025]根據(jù)一個實施例，所述多結(jié)太陽能電池還包括:所述多結(jié)太陽能電池還包括:
[0026]在InGaAs第三子電池和接觸層之間的InGaAs第四子電池。
[0027]根據(jù)一個實施例，所述多結(jié)太陽能電池還包括:所述多結(jié)太陽能電池還包括:
[0028]在InGaAs第三子電池上的第三隧穿結(jié)，
[0029]在第三隧穿結(jié)上的GalnP或AlGalnAs第二緩沖層；和
[0030]所述第四子電池設(shè)置在GalnP或AlGalnAs第二緩沖層上。
[0031]根據(jù)一個實施例，所述多結(jié)太陽能電池還包括除第一至第四子電池之外的至少一個另外的子電池。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種多結(jié)太陽能電池，包括:
[0033]GalnP 第一子電池；
[0034]在GalnP第一子電池上的GaAs第二子電池；和
[0035]在GaAs第二子電池上的InGaAs第三子電池，
[0036]其特征在于，各個子電池的表面晶向為(001)面偏向< 100 >方向5?20度。
[0037]優(yōu)選地，GaAs襯底的偏角采用(001)面偏向< 100 >方向15度。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種多結(jié)太陽能電池的制備方法，包括步驟:
[0039]制備GaAs襯底；
[0040]在GaAs襯底上制備GalnP第一子電池；
[0041]在GalnP第一子電池上制備GaAs第二子電池；和
[0042]在GaAs第二子電池上制備InGaAs第三子電池，
[0043]其特征在于，所制備的GaAs襯底的偏角采用(001)面偏向< 100 >方向5?20度，在具有該偏角的GaAs襯底的(001)面上制備GalnP第一子電池。
[0044]優(yōu)選地，GaAs襯底的偏角采用(001)面偏向< 100 >方向15度。
【附圖說明】
[0045]圖1示出了 GaAs半導(dǎo)體晶面的的多面體示意圖，圖中的虛線示出了襯底表面所采用的偏角。
[0046]圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的倒裝三結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0047]圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的倒裝四結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048]附圖標(biāo)記列表:
[0049]001 襯底
[0050]002腐蝕截至層或剝離犧牲層
[0051]003第一歐姆接觸層
[0052]004第二歐姆接觸層
[0053]101第一子電池窗口層
[0054]102第一子電池發(fā)射區(qū)
[0055]103第一子電池基區(qū)
[0056]104第一子電池背場層
[0057]201第二子電池窗口層
[0058]202第二子電池發(fā)射區(qū)
[0059]203第二子電池基區(qū)
[0060]204第二子電池背場層
[0061]301第三子電池窗口層
[0062]302第三子電池發(fā)射區(qū)
[0063]303第三子電池基區(qū)
[0064]304第三子電池背場層
[0065]401第四子電池窗口層
[0066]402第四子電池發(fā)射區(qū)
[0067]403第四子電池基區(qū)
[0068]404第四子電池背場層
[0069]601第一隧穿結(jié)
[0070]602第二隧穿結(jié)
[0071]603第三隧穿結(jié)
[0072]701第一晶格漸變緩沖層
[0073]702第二晶格漸變緩沖層
【具體實施方式】
[0074]下面將詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下，對這些實施例進行變化仍可獲得本發(fā)明的有利效果。
[0075]以下以倒裝多結(jié)太陽能電池為例來說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的多結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)。倒裝多結(jié)太陽能電池是指在襯底上各個子電池的生長順序與普通正裝電池相反，也就是說在襯底上先生長禁帶寬度較寬的子電池(例如禁帶寬度為1.8?2.2eV的頂電池)，然后在這個寬禁帶子電池上生長一個或多個禁帶寬度遞減的各子電池(例如禁帶寬度為1.2?1.6eV的中電池和禁帶寬度為0.8?1.2eV的底電池)。這樣，先生長與襯底(如GaAs)晶格匹配的材料(如GalnP),然后生長與襯底晶格失配的材料(如晶格遞變緩沖層和InGaAs)。這些半導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)、及電學(xué)和光學(xué)性能等由材料的生長技術(shù)決定，例如分子束外延(MBE)和金屬有機物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)等等。
[0076]下面結(jié)合附圖通過示例性實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明，但是，應(yīng)當(dāng)理解的是，下面參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0077]實施例1
[0078]圖1示出了 GaAs半導(dǎo)體晶面的多面體示意圖。圖中標(biāo)出了各晶面的密勒指數(shù)，其中我們把(001)面定義為襯底主表面，而實際生長電池的襯底表面與(001)晶面偏離一定的角度，稱為襯底的偏角。圖中的虛線示出了襯底表面所采用的偏角。
[0079]附圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的倒裝三結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，提供一種GalnP/GaAs/InGaAs三結(jié)太陽能電池外延結(jié)構(gòu):包括:
[0080]GaAs襯底001，采用(001)面偏向< 100 >方向15度的偏角；
[0081]形成在GaAs襯底001上的腐蝕截至層或剝離犧牲層002 ；
[0082]形成在腐蝕截至層或剝離犧牲層002上的第一歐姆接觸層003 ；
[0083]形成在第一歐姆接觸層003上的GalnP第一子電池100 ；
[0084]形成在第一子電池100上的第一隧穿結(jié)601 ；
[0085]形成在第一隧穿結(jié)601上的GaAs第二子電池200 ；
[0086]形成在第二子電池200上的第二隧穿結(jié)602 ;和
[0087]形成在第二隧穿結(jié)602上的第一緩沖層701，
[0088]形成在第一緩沖層701上的InGaAs第三子電池300 ;和
[0089]形成在第三子電池300上的第二歐姆接觸層004。
[0090]其中，所述第一子電池包括:
[0091]η+_Α1ΙηΡ 窗口層 101，
[0092]n+_GaInP 發(fā)射區(qū) 102，
[0093]p-GalnP 基區(qū) 103，
[0094]p+-AlGaInP 背場層 104。<