一種基于GaInNAs材料的四結(jié)太陽能電池的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多結(jié)層疊高效太陽電池領(lǐng)域，特別是涉及一種基于GalnNAs材料的四結(jié)太陽電池的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和市場的迅速發(fā)展，以及在空間飛行器能源系統(tǒng)需求的牽引下，光伏技術(shù)不斷取得重要突破?；贗I1-V族半導(dǎo)體化合物的高效太陽電池生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，使其在空間工程和地面光伏均有廣闊的應(yīng)用前景。太陽光譜頻率范圍很寬，太陽電池吸收層會(huì)吸收能量大于吸收層材料帶寬的光子，轉(zhuǎn)換成為光生載流子，產(chǎn)生電壓。對于帶寬較高的材料，由于其吸收的光譜比例較少，因此產(chǎn)生的電流較小，而光生電壓較高；對于帶寬較低的材料，由于其吸收光譜的比例較大，因此產(chǎn)生的電流較大，而光生電壓較低。所以在實(shí)際中，太陽電池的材料通常會(huì)根據(jù)應(yīng)用中的需求來選擇。但即使是優(yōu)化的帶寬，單結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率也是十分有限的。
[0003]為了更好的利用太陽光譜，兩個(gè)或多個(gè)pn結(jié)子電池通過隧穿結(jié)串聯(lián)在一起，形成層疊電池。每一層子電池分別吸收不同波段的太陽光，產(chǎn)生相應(yīng)的光生電流和光生電壓，電池的總電壓是各子電池光生電壓之和，總電流為各子電池光生電流的最小值。當(dāng)今技術(shù)發(fā)展較為成熟的InGaP/GaAs/Ge三結(jié)太陽電池，其最高效率已經(jīng)超過40%。該結(jié)構(gòu)中Ge結(jié)子電池可以吸收的光譜范圍大于另兩個(gè)子電池，產(chǎn)生的光生電流也大于其他兩個(gè)子電池。但由于各子電池之間的串聯(lián)關(guān)系，輸出電流受到子電池最小電流的限制，Ge結(jié)子電池產(chǎn)生的電流不能全部以電能形式輸出，造成了浪費(fèi)。
[0004]為了減少這種類型的浪費(fèi)，需要增加一層子電池來進(jìn)一步分割光譜。經(jīng)過計(jì)算可知，GalnNAs是一種適合作為該層子電池的材料，其禁帶寬度約為l.0eV，可以吸收873-1240nm波段的光譜。由此形成的四結(jié)電池能夠減少因Ge結(jié)子電池光生電流過剩而導(dǎo)致的浪費(fèi)。此外，GalnNAs的晶格常數(shù)與GaAs體系匹配，可以在理論上形成晶體質(zhì)量高缺陷少的晶體層。
[0005]雖然基于GalnNAs的四結(jié)太陽電池具有良好的前景，但是合成高質(zhì)量的GalnNAs晶體層是制作該體系電池的難點(diǎn)。通常情況下合成的GalnNAs缺陷較多，從而導(dǎo)致少子擴(kuò)散長度短，子電池輸出電壓低于理論值，整體電池效率并沒有明顯提升。為了提高晶體質(zhì)量，降低缺陷密度，前人已作出許多努力一一例如高溫退火、增厚耗盡層等一一來改善GalnNAs的性能。然而，要想達(dá)到1.0eV左右的禁帶寬度，需要在GaAs中并入2.5% -3.0%的N原子，會(huì)造成晶體質(zhì)量的急劇下降，不能得到缺陷較少的GalnNAs晶體層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種基于GalnNAs材料的四結(jié)太陽電池的制備方法，其中GalnNAs子電池材料晶體質(zhì)量好，耗盡層區(qū)域大，與GaAs體系晶格匹配，帶隙在1.0eV-1.leV之間，且與其他三個(gè)子電池一起合理地利用全光譜，使電池的整體效率得到提升。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種基于GalnNAs材料的四結(jié)太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:
[0008](1)提供一 p型Ge襯底，晶向?yàn)閇001]，厚度160 μπι；
[0009](2)在M0CVD中使用砷烷作為砷源，在Ge襯底表面摻雜As，形成ρη結(jié)作為第一子電池，其帶隙為0.6-0.7eV ；
[0010](3)在第一結(jié)子電池上生長高摻雜AlGaAs作為第一隧穿結(jié)，其厚度是30_80nm ;
[0011](4)在第一隧穿結(jié)上生長GalnNAs/GalnAs超晶格層，每周期中GalnNAs厚度為3_5nm，GalnAs厚度為5_7nm，共10個(gè)周期；
[0012](5)在超晶格層上制備GalnNAs ρη結(jié)作為第二子電池，其帶隙為1.0_1.leV，TMGa、砷烷、TMIn, TBHy分別作為II1-V組分源，DEZn、硅烷作為摻雜源；
[0013](6)在第二結(jié)子電池上生長高摻雜AlGaAs作為第二隧穿結(jié)，其厚度是30_80nm ;
[0014](7)在第二隧穿結(jié)上生長第三子電池，其帶隙為1.4-1.5eV，TMGa、砷烷分別作為II1-V組分源，TMIn, DEZn、硅烷作為摻雜源；
[0015](8)在第三結(jié)子電池上生長高摻雜AlGaAs作為第二隧穿結(jié)，其厚度是30_80nm ;
[0016](9)在第三隧穿結(jié)上生長第四子電池，其帶隙為1.8-2.0eV，TMGa、磷烷、TMIn分別作為II1-V組分源，DEZn、硅烷作為摻雜源；
[0017](10)在第四子電池上生長蓋帽層，TMGa、砷烷分別作為II1-V組分源，硅烷作為摻雜源。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019](1)本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于GalnNAs材料的四結(jié)太陽電池，在現(xiàn)有三結(jié)太陽電池的基礎(chǔ)上加入了 GalnNAs子電池，優(yōu)化了對太陽光譜的利用，使原本因Ge結(jié)光生電流過剩導(dǎo)致的浪費(fèi)變成可輸出的電流；同時(shí)確定了 M0CVD方法在制備該種電池時(shí)選用的參數(shù)，可以在生長室內(nèi)原位完成電池的全部生長過程。相比于M0CVD和MBE相結(jié)合的方法，本方法減少了襯底轉(zhuǎn)移的過程，簡化了工藝流程，降低了電池受到污染的可能性。
[0020](2)本發(fā)明涉及在Ge襯底上生長基于GalnNAs材料四結(jié)太陽電池的方法，先在Ge襯底上摻雜As，再依次生長各子電池和隧穿結(jié)。其中，在制備GalnNAs子電池之前先生長GalnNAs/GalnAs超晶格層，然后生長GalnNAs外延層薄膜。加入超晶格的結(jié)構(gòu)可引導(dǎo)N原子的并入，促進(jìn)形成四元化合物，工藝穩(wěn)定，可重復(fù)性好。此外，GalnNAs/GalnAs超晶格漸變過渡層，增強(qiáng)了 GalnNAs在整體體系的晶格穩(wěn)定性。
[0021](3)利用本發(fā)明制備方法可以通過M0CVD法得到基于GalnNAs材料的四結(jié)太陽電池，其中GalnNAs子電池與其他三結(jié)子電池晶格常數(shù)匹配，帶隙約為1.0eV，并具有較高的晶體質(zhì)量。此方法相比于以往報(bào)道的MBE制備方法，具有大批量生產(chǎn)的潛力，可為四結(jié)或更多結(jié)太陽電池的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0022]圖1是現(xiàn)有GalnP/GaAs/Ge三結(jié)電池對太陽光譜的吸收情況圖；
[0023]圖2是是加入帶隙為1.0eV的子電池后各子電池對太陽光譜的吸收情況圖；
[0024]圖3是使用本發(fā)明中的制備方法所制備的四結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中:
[0026]101為蓋帽層；
[0027]102第四子電池，帶隙為1.8-2.0eV;
[0028]103第三隧穿結(jié)；
[0029]104第三子電池，帶隙為1.4-1.5eV ；
[0030]105第二隧穿結(jié)；
[0031]106第二子電池，帶隙為LO-L leV;
[0032]107超晶格漸變緩沖層；
[0033]108第一隧穿結(jié)；
[0034]109n-Ge 發(fā)射區(qū)；
[0035]110p-Ge 基區(qū)；
[0036]lllGe 襯底。
【具體實(shí)施方式】
[0037]為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，詳細(xì)說明如下:
[0038]本實(shí)施例為基于GalnNAs材料的四結(jié)太陽電池的制備方法，包括以下步驟:
[0039](1)提供一 p型Ge襯底；
[0040]采用[001]晶向的？-66襯底，其摻雜濃度約為2\1017-5\10170113;超聲去除6&八8襯底表面粘污顆粒；經(jīng)丙酮、乙醇洗滌，去除表面有機(jī)物；將Ge襯底放在40-70°C的體積比為HF:H202:H20(1:8: 1)的混合溶液中腐蝕1-2分鐘，去除表面氧化物和有機(jī)物；去離子水漂洗；清洗后的Ge襯底用經(jīng)過過濾的干燥氮?dú)獯蹈伞⑶逑赐戤吅蟮腉aAs襯底送入高溫真空室，在280-350°C下烘烤1-2小時(shí)，除去吸附的氣體和液體分子，完成除氣后送入M0CVD生長室;
[0041](2)在Ge襯底表面摻雜As，形成第一子電池；
[0042]Ge襯底溫度為520-650 °C，通入砷烷流量為700-850sccm作為As源，反應(yīng)室壓力60-80Torr,將As原子擴(kuò)散進(jìn)入Ge襯底，制備擴(kuò)散厚度約為100_250nm的η型Ge層，形成pn結(jié)作為第一子電池。
[0043](3)在第一結(jié)子電池上生長第一隧穿結(jié):
[0044]在M0CVD生長室中，在第一子電池上方生長重?fù)诫s的p++/n++-AlGaAs隧穿結(jié)。襯底溫度 530-620Γ，TMGa 流量為 15_35sccm，TMA1 流量為 5_15sccm，量為450-600sccm，其厚度是30_80nm，摻雜濃度高達(dá)1019cm 3量級。
[0045](4)在第一隧穿結(jié)上生長GalnNAs/GalnAs超晶格層:
[0046]襯底溫度為570-650 °C，TMGa 流量為 15_40sccm，砷烷流量為 450_600sccm，TMIn源流量為5-10sccm，GalnAs生長厚度為5_7nm ；TBHy流量為5_15sccm，TMIn源流量為5-15sccm，TMGa 流量為 20_35sccm，砷烷流量為 450_600sccm，GalnNAs 生長厚度為 3_5nm。反復(fù)進(jìn)行周期性生長，共生長10個(gè)周期，每周期的工藝條件均一致。
[0047](5)在超晶格層上制備GalnNAs pn結(jié)作為第二子電池:
[0048]襯底溫度為530-620 °C，TMGa 流量為 20_35sccm，砷烷流量為 450_600sccm，TMIn源流量為5_15sccm，TBHy流量為5_15sccm，DEZn流量為5_8sccm，反應(yīng)室壓力70-80Torr，生長厚度為200-250nm，形成p型基區(qū)。接下來，TMGa流量為20_35s