一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池及其制備方法，以Ge單晶為襯底，在該襯底表面自下而上依次生長(zhǎng)有GaInP成核層、GaInAs緩沖層、晶格漸變緩沖層、第一新型隧穿結(jié)、GaInAs子電池、第二新型隧穿結(jié)和GaInP子電池。其中，第一新型隧穿結(jié)和第二新型隧穿結(jié)均包括一層簡(jiǎn)并的p型鎵銦氮砷(Ga1?yInyNxAs1?x)和一層簡(jiǎn)并的n型鎵銦砷(Ga1?zInzAs)，兩層材料的晶格常數(shù)分別與其相鄰半導(dǎo)體層材料一致或失配度小于3％，每層的厚度均在5到100nm范圍內(nèi)。本發(fā)明采用的新型隧穿結(jié)不僅具有比普通隧穿結(jié)更優(yōu)的高電導(dǎo)、強(qiáng)透光性，更重要的作為一種剛性材料可以過(guò)濾大量穿透位錯(cuò)和失配位錯(cuò)，降低非輻射復(fù)合，提高少子壽命，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說(shuō)明】
一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光伏技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能 電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來(lái)，由于能源危機(jī)與環(huán)境惡化日益嚴(yán)重，新能源的開(kāi)發(fā)利用迫在眉睫。太陽(yáng) 能作為一種可再生和清潔能源，越來(lái)越受到研究者的矚目。因?yàn)?，太?yáng)光能量巨大，從太陽(yáng) 發(fā)出來(lái)的光經(jīng)過(guò)1.5億公里的距離穿過(guò)大氣層到達(dá)地球表面的能量換算成電力，高達(dá)~ 10 14KW，約為全球平均電力的10萬(wàn)倍。如果這些能源能夠被有效利用，達(dá)到取代傳統(tǒng)能源的 程度，則能源和環(huán)境問(wèn)題得以解決。所以，世界范圍內(nèi)開(kāi)展了大量太陽(yáng)能光伏科技領(lǐng)域的研 究項(xiàng)目。
[0003] 太陽(yáng)能電池種類繁多，按照材料種類劃分大致可分為:娃太陽(yáng)能電池、無(wú)機(jī)化合物 (m - v、π -VI族)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池、有機(jī)高分子染料電池等幾類。目前，砷化鎵多結(jié)太陽(yáng) 電池作為m - v族材料太陽(yáng)能電池的一種，由于其光電轉(zhuǎn)換效率明顯高于晶硅電池，因而被 廣泛地應(yīng)用于聚光光伏發(fā)電（CPV)系統(tǒng)和空間供電系統(tǒng)。砷化鎵多結(jié)電池的主流結(jié)構(gòu)是晶 格匹配的GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池，相應(yīng)的帶隙結(jié)構(gòu)為1.85/1.40/0.67eV，其在500 倍聚光條件下，光電轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)40%，遠(yuǎn)高于其它類太陽(yáng)能電池。然而，由于其發(fā)電成 本過(guò)高，成為m-v族多結(jié)太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要制約因素。而降低成本的關(guān)鍵在于進(jìn) 一步提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。提高光電轉(zhuǎn)換效率的因素包括晶格匹配、電流匹配和帶隙 分布，多結(jié)電池的各子電池電流越接近，光電轉(zhuǎn)換效率越高?？梢?jiàn)，上述傳統(tǒng)三結(jié)電池的帶 隙組合對(duì)于太陽(yáng)光光譜不是最佳的，因?yàn)镚alnAs和Ge子電池帶隙間隔很大，Ge底電池可吸 收的太陽(yáng)光譜能量比中、頂電池多很多，因此Ge電池的短路電流最大可接近中電池和頂電 池的兩倍，這會(huì)導(dǎo)致很多不良后果，比如，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的限流機(jī)制，會(huì)導(dǎo)致一大部分光譜 能量損失，最終削弱電池的光電轉(zhuǎn)換效率，此外，大量高于底電池帶隙的光子能量會(huì)轉(zhuǎn)換成 熱能，對(duì)后期模組系統(tǒng)導(dǎo)熱散熱能力要求很高，給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)隱患。
[0004] 研究表明，生長(zhǎng)具有組分變化緩沖層的晶格失配結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池，以三結(jié)為例，即 將GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池帶隙調(diào)整為（1.7~1.95)/( 1.1~1.35)/0.67eV，可較好 的與太陽(yáng)光譜匹配，其實(shí)際效率可達(dá)42%以上，遠(yuǎn)高于晶格匹配結(jié)構(gòu)的理論效率。但是，這 種帶隙的調(diào)整對(duì)外延層的質(zhì)量帶來(lái)了威脅和挑戰(zhàn)。一方面，帶隙的調(diào)整會(huì)帶來(lái)晶格常數(shù)的 不匹配，失配結(jié)構(gòu)存在的內(nèi)應(yīng)力不可避免地會(huì)導(dǎo)致大量的位錯(cuò)產(chǎn)生，雖然使用晶格漸變緩 沖層和過(guò)濾位錯(cuò)的過(guò)生長(zhǎng)層可以釋放應(yīng)力和過(guò)濾大量缺陷，但仍有部分穿透位錯(cuò)會(huì)延伸至 中、頂子電池，成為電子空穴對(duì)的復(fù)合中心，使得少子擴(kuò)散長(zhǎng)度減小和光子收集效率降低， 從而大大降低了電池性能；另一方面，帶隙的調(diào)整必然導(dǎo)致連接各子電池的重要結(jié)構(gòu)單 元一一隧穿結(jié)材料的調(diào)整。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，隧穿結(jié)不但要和毗鄰的子電池材料晶格匹 配，還要具備高隧穿電流密度、透光性，而高隧穿電流密度需要窄帶隙材料高摻雜實(shí)現(xiàn)、透 光性則要求材料寬帶隙、間接帶隙而且厚度薄，可見(jiàn)三者相互制約甚至沖突矛盾，目前的解 決方法大多是采取折中的辦法，大多數(shù)人接受使用失配的外延層，這無(wú)疑會(huì)降低電池的效 率。
[0005] 實(shí)驗(yàn)表明，低組分的N化物薄層，由于替位N原子之間有較高鍵能和較小的共價(jià)半 徑，具有很好的可塑性和使薄膜硬化的效果，對(duì)于過(guò)濾位錯(cuò)有極好的作用。將此層應(yīng)用于MM (Metamorphi c)結(jié)構(gòu)電池中，起到位錯(cuò)阻擋層的作用，使得穿透位錯(cuò)等缺陷改縱向?yàn)闄M向傳 播同時(shí)應(yīng)力得以釋放。這樣，中、頂子電池的缺陷大大減少，可顯著降低復(fù)合，提高少子壽 命。另外，經(jīng)理論研究與實(shí)驗(yàn)證明，在GaAs材料中同時(shí)摻入少量的In和N形成Ga^InxNyAsPy 四元合金材料，當(dāng)1:7 = 3、0〈7〈0.06時(shí)，631-\111^^81-丫材料晶格常數(shù)與63六8(或66)基本匹 配，且?guī)对讴?8eV至1.4eV之間變化，其中當(dāng)0.02〈y〈0.03時(shí)，其帶隙為1.OeV至1. leV之間。 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)整In組分X可制備出晶格常數(shù)與GalnAs子電池一致且?guī)兜陀贕alnAs材 料的Gai-xInxNyAsi-y，此材料可吸收部分Ge底電池過(guò)多的光子，使底、中、頂子電池的短路電 流更好地匹配，同時(shí)減少熱量的產(chǎn)生。
[0006] 另外，有研究表明，構(gòu)成隧穿結(jié)的厚度在10~100nm范圍內(nèi)的p型層和η型層之間、p 型層和毗鄰的半導(dǎo)體材料之間或者η型層和毗鄰的半導(dǎo)體材料之間的晶格常數(shù)最好存在 0.5%~5%的差異，此差異產(chǎn)生的張應(yīng)力和壓應(yīng)力得以相互補(bǔ)償而不會(huì)對(duì)外延層晶體質(zhì)量 產(chǎn)生明顯影響，最重要的是受張應(yīng)變和壓應(yīng)力作用的材料之間形成的界面態(tài)可以成倍提高 隧穿電流。因此，可將其與相鄰半導(dǎo)體材料做成微小失配結(jié)構(gòu)，以更好的發(fā)揮隧穿結(jié)的作 用。
[0007] 綜上，如果將Ν化物薄層作為隧穿結(jié)引入失配結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，可很好地解決上 述失配結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池中存在的問(wèn)題，更大程度地發(fā)揮失配結(jié)構(gòu)多結(jié)疊層太陽(yáng)能電池的優(yōu) 勢(shì)，提升轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提供一種含新型隧穿結(jié)的晶格失 配太陽(yáng)能電池及其制備方法，采用的新型隧穿結(jié)具有低電阻、可過(guò)濾位錯(cuò)、吸收長(zhǎng)波光子的 功能，可以降低電池的串聯(lián)電阻，提尚隧穿電流、整體開(kāi)路電壓和填充因子，并最終提尚電 池的光電轉(zhuǎn)換效率，從而更大程度地發(fā)揮太陽(yáng)能電池的優(yōu)勢(shì)。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，如下：
[0010] -種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池，采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積，以Ge 單晶為襯底，在該襯底上表面自下而上依次生長(zhǎng)有GalnP成核層、GalnAs緩沖層、晶格漸變 緩沖層、第一新型隧穿結(jié)、GalnAs子電池、第二新型隧穿結(jié)和GalnP子電池;所述第一新型隧 穿結(jié)和第二新型隧穿結(jié)均包括一層簡(jiǎn)并的P型鎵銦氮砷G ai-yInyNxAS1- x和一層簡(jiǎn)并的η型鎵 銦砷Gai-zInzAs;該第一新型隧穿結(jié)和第二新型隧穿結(jié)所含的ρ型Gai-yIn yNxAsi-x，其光學(xué)帶 隙為0.85~1.4eV,摻雜元素為C或Zn，摻雜濃度大于lel9,晶格分別與其相鄰半導(dǎo)體層材料 匹配或失配度小于3%，厚度均在5到100nm范圍內(nèi)；該第一新型隧穿結(jié)和第二新型隧穿結(jié)所 含的η型G ai-zInzAs，其光學(xué)帶隙為小于或等于1.42eV，摻雜元素為Si、Te或/和Ge，摻雜濃度 大于lel9,晶格分別與其相鄰半導(dǎo)體層材料匹配或失配度小于3%，厚度均在5到100nm范圍 內(nèi)。
[0011] 所述GalnP成核層晶格與襯底匹配，為η型摻雜，摻雜Te、Si或/和Ge，摻雜濃度為 5el7~5el8，厚度為5~50nm。
[0012] 所述GalnAs緩沖層晶格與襯底匹配，為η型摻雜，摻雜Te、Si或/和Ge，摻雜濃度為 8el7 ~2el9,厚度為 300 ~2000nm。
[0013] 所述晶格漸變緩沖層是由若干晶格逐漸增大的GalnAs層組成的，其底層與襯底晶 格匹配或大于襯底晶格，其頂層晶格與第二新型隧穿結(jié)的η型層匹配或失配度小于3%，其 自底層到頂層的漸變方式有線性連續(xù)漸變、非線性連續(xù)漸變、線性階梯漸變、非線性階梯漸 變，其η型摻雜濃度為lel8~lel9,厚度為500~3000nm〇
[0014] 所述GalnAs子電池光學(xué)帶隙為1.2~1.35eV，電池總厚度為1000~3000nm。
[0015] 所述GalnP子電池光學(xué)帶隙為1.7~1.9eV，電池總厚度為600~1500nm。
[0016] 本發(fā)明所述的含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池的制備方法，包括以下步驟：
[0017] 1)將所選Ge襯底載入M0CVD反應(yīng)室；
[0018] 2)設(shè)定生長(zhǎng)溫度520~620°C，在襯底表面沉積GalnP成核層，生長(zhǎng)速率為 1~丨0A/S,其目的在于形成島層狀生長(zhǎng)，有利于提高異質(zhì)外延材料的晶體質(zhì)量；
[0019] 3)在540~660°C溫度范圍內(nèi)，在GalnP成核層上外延GalnAs緩沖層，生長(zhǎng)速率為 10~60 A/s，該層作用在于降低外延層中的缺陷密度；
[0020] 4)在GalnAs緩沖層上生長(zhǎng)晶格漸變緩沖層，該層生長(zhǎng)溫度為580~680°C，生長(zhǎng)速 率為5~30 A/s，該層作用在于控制晶格失配造成的子電池中的穿透位錯(cuò)密度；
[0021] 5)在晶格漸變緩沖層上生長(zhǎng)第一新型隧穿結(jié)，其生長(zhǎng)溫度在400~600°C范圍內(nèi)， 生長(zhǎng)速率為1~10/Vs;
[0022] 6)在第一新型隧穿結(jié)上繼續(xù)生長(zhǎng)GalnAs子電池，其生長(zhǎng)溫度為580~680°C，生長(zhǎng) 速率為20~60 Av's，該子電池主要吸收中長(zhǎng)波段光子；
[0023] 7)在GalnAs子電池上生長(zhǎng)第二新型隧穿結(jié)，其生長(zhǎng)溫度在400~600°C范圍內(nèi)，生 長(zhǎng)速率為卜丨0 A/s;
[0024] 8)在第二隧穿結(jié)上生長(zhǎng)GalnP子電池，其生長(zhǎng)溫度為580~780°C，生長(zhǎng)速率為 2~15 A/s，該子電池主要吸收中短波段光子。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：
[0026] l、GaInNAs是一種剛性材料，可以對(duì)晶格失配結(jié)構(gòu)中的穿透位錯(cuò)等缺陷進(jìn)行再過(guò) 濾，提高子電池尤其是有源層的晶體質(zhì)量，起到位錯(cuò)阻擋層的作用。
[0027] 2、通過(guò)控制N原子并入量，可制備出0.8~1.4eV低帶隙GalnNAs材料，而隧穿曲線 表明低帶隙材料有利于實(shí)現(xiàn)高摻雜，即可以使隧穿效應(yīng)更好，從而滿足隧穿結(jié)的高電導(dǎo)率 特性要求。
[0028] 3、由于多結(jié)電池的總電壓等于各結(jié)子電池電壓之和減去隧穿結(jié)電壓，因此，低帶 隙材料的隧穿結(jié)有利于降低對(duì)多結(jié)電池電壓的影響。
[0029] 4、通過(guò)調(diào)節(jié)上述GalnNAs材料中的In、N組分比，使其具有與毗鄰半導(dǎo)體材料基本 一致的晶格常數(shù)，降低大晶格失配導(dǎo)致的缺陷密度，而且要達(dá)到這一目的只需較低的N含量 (小于10%)，易制備出較高質(zhì)量的外延層。
[0030] 5、實(shí)驗(yàn)表明GalnNAs材料背景摻雜為p型且濃度很高，可達(dá)17量級(jí)，應(yīng)用于隧穿結(jié)p 型層，更谷易實(shí)現(xiàn)重慘雜。
[0031] 6、高外延質(zhì)量的GalnNAs材料的生長(zhǎng)溫度比其他As、P系材料較低，低溫生長(zhǎng)不但 可以提高少數(shù)載流子壽命和摻雜水平，而且與一般隧穿結(jié)生長(zhǎng)的溫度基本一致，不會(huì)額外 引入因設(shè)定溫度變化而增設(shè)的工藝調(diào)整。
[0032] 7、應(yīng)用于隧穿結(jié)的GalnNAs材料，可吸收部分長(zhǎng)波光子，降低Ge底電池因吸收過(guò)多 長(zhǎng)波光子而產(chǎn)生的熱量，有利于延長(zhǎng)芯片使用壽命，并且降低對(duì)后續(xù)模組散熱系統(tǒng)等工藝 的要求，從而提尚系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為本發(fā)明所述含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合【具體實(shí)施方式】及附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的 描述。
[0035] 如圖1所示，本實(shí)施例所述的含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池，以4英寸p型Ge 單晶為襯底，在該襯底表面自下而上依次生長(zhǎng)有GalnP成核層、GalnAs緩沖層、晶格漸變緩 沖層、第一新型隧穿結(jié)、GalnAs子電池、第二新型隧穿結(jié)和GalnP子電池。其中，第一新型隧 穿結(jié)和第二新型隧穿結(jié)均包括一層簡(jiǎn)并的P型鎵銦氮砷(G ai-yInyNxAS1- x)和一層簡(jiǎn)并的η型 鎵銦砷(Gai-zInzAs)，兩層材料的組分根據(jù)相鄰半導(dǎo)體材料的晶格或帶隙來(lái)確定。
[0036] 所述GalnP成核層晶格與襯底匹配，為η型摻雜，摻雜Te、Si或/和Ge(在本實(shí)施例， 優(yōu)選Si)，摻雜濃度為5el7~5el8(在本實(shí)施例，優(yōu)選2el8)，厚度為5~50nm(在本實(shí)施例，優(yōu) 選8nm) 〇
[0037] 所述GalnAs緩沖層晶格與襯底匹配，為η型摻雜，摻雜Te、Si或/和Ge (在本實(shí)施例， 優(yōu)選Si)，摻雜濃度為8el7~2el9(在本實(shí)施例，優(yōu)選5el8)，厚度為300~2000nm(在本實(shí)施 例，優(yōu)選500nm)〇
[0038] 所述晶格漸變緩沖層設(shè)計(jì)為由In組分分別為0 · 01、0 · 025、0 · 04、0 · 06、0 · 08、0 · 1、 0.08的GalnAs層組成的，其中底層與襯底晶格匹配或略大(而在本實(shí)施例，底層比襯底晶格 略大），其頂層晶格與第一新型隧穿結(jié)的η型層匹配或失配度小于3% (而在本實(shí)施例，頂層 晶格比第一隧穿結(jié)η型層略小，失配度0.5 % )，其自底層到頂層的漸變方式有線性連續(xù)漸 變、非線性連續(xù)漸變、線性階梯漸變、非線性階梯漸變等，其η型摻雜濃度為lel8~lel9(在 本實(shí)施例，優(yōu)選4el8)，厚度為500~3000nm(在本實(shí)施例，優(yōu)選2000nm) 〇
[0039] 所述第一新型隧穿結(jié)和第二新型隧穿結(jié)所含的p型Gai-yInyN xAS1-x，其光學(xué)帶隙為 0.85~1.4eV(在本實(shí)施例，優(yōu)選0.95~1.05eV)，摻雜元素為C或Zn(在本實(shí)施例，優(yōu)選C)，摻 雜濃度大于lel9(在本實(shí)施例，優(yōu)選1~3e20)，晶格分別與其相鄰半導(dǎo)體層材料匹配或失配 度小于3 % (而在本實(shí)施例，晶格分別比相鄰的GalnAs子電池、GalnP子電池材料略小，失配 度〇· 5% )，厚度均在5到lOOnm范圍內(nèi)（在本實(shí)施例，優(yōu)選厚度24nm) 〇
[0040] 所述第一新型隧穿結(jié)和第二新型隧穿結(jié)所含的η型Gai-zInzAs，其光學(xué)帶隙為小于 或等于1.42eV(在本實(shí)施例，優(yōu)選1.31eV)，摻雜元素為Si、Te或/和Ge(而在本實(shí)施例，摻雜 元素為Si和Te共摻），摻雜濃度大于lel9(在本實(shí)施例，優(yōu)選2~3el9)，晶格分別與其相鄰半 導(dǎo)體層材料匹配或失配度小于3% (而在本實(shí)施例，晶格比其相鄰的晶格漸變緩沖層頂層、 GalnAs子電池材料略大，失配度0.5% )，厚度均在5到lOOnm范圍內(nèi)（在本實(shí)施例，優(yōu)選厚度 12nm)〇
[0041 ] 所述GalnAs子電池光學(xué)帶隙為1.2~1.35eV(在本實(shí)施例，優(yōu)選1.31eV)，電池總厚 度為1000~3000nm(在本實(shí)施例，優(yōu)選1600nm)〇
[0042] 所述GalnP子電池光學(xué)帶隙為1.7~1.9eV(在本實(shí)施例，優(yōu)選1.78eV)，電池總厚度 為600~1500nm(在本實(shí)施例，優(yōu)選900nm)〇
[0043] 下面為本實(shí)施例上述晶格失配太陽(yáng)能電池的制備方法，其是采用Vecco公司生產(chǎn) 的K475型M0CVD外延設(shè)備制作，具體工藝流程如下：
[0044] 步驟1:將所選襯底載入M0CVD反應(yīng)室，該襯底為p型4英寸Ge襯底，001取向。
[0045] 步驟2:將生長(zhǎng)溫度設(shè)定為530~560°C，在襯底表面沉積GalnP成核層，生長(zhǎng)速率為 2~5 A/S，其目的在于形成島層狀生長(zhǎng)，有利于提高異質(zhì)外延材料的晶體質(zhì)量。
[0046] 步驟3:升溫并穩(wěn)定在600~630°C溫度范圍內(nèi)，在GalnP成核層上外延GalnAs緩沖 層，生長(zhǎng)速率為20~30 A./S，該層作用在于降低外延層中的缺陷密度。
[0047]步驟4:生長(zhǎng)溫度設(shè)為620~650°C，在GalnAs緩沖層上生長(zhǎng)晶格漸變緩沖層，該層 生長(zhǎng)速率為2〇~30人/s，該層作用在于控制晶格失配造成的子電池中的穿透位錯(cuò)密度。 [0048]步驟5:降溫并穩(wěn)定在500~550°C范圍內(nèi)，在晶格漸變緩沖層上生長(zhǎng)第一新型隧穿 結(jié)，其生長(zhǎng)速率為1~5人/s，該隧穿結(jié)用于連接疊層電池的各子電池，不僅具有比普通隧穿 結(jié)更優(yōu)的高電導(dǎo)、強(qiáng)透光性，更重要的作為一種剛性材料可以過(guò)濾大量穿透位錯(cuò)和失配位 錯(cuò)，降低非輻射復(fù)合，提高少子壽命，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0049] 步驟6:生長(zhǎng)溫度為620~650 °C，繼續(xù)生長(zhǎng)GalnAs子電池，其生長(zhǎng)速率為 30~40 A/S,該子電池主要吸收中長(zhǎng)波段光子。
[0050] 步驟7:生長(zhǎng)溫度在500~550°C范圍內(nèi)，在GalnAs子電池上生長(zhǎng)第二新型隧穿結(jié)， 其生長(zhǎng)速率為1~5 A/s，該隧穿結(jié)用于連接疊層電池的各子電池，不僅具有比普通隧穿結(jié)更 優(yōu)的高電導(dǎo)、強(qiáng)透光性，更重要的作為一種剛性材料可以過(guò)濾大量穿透位錯(cuò)和失配位錯(cuò)，降 低非輻射復(fù)合，提高少子壽命，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0051 ] 步驟8:生長(zhǎng)溫度設(shè)為650~700°C，在第二新型隧穿結(jié)上生長(zhǎng)GalnP子電池，其生長(zhǎng) 速率為3~5人/s:，該子電池主要吸收中短波段光子。
[0052]利用本方案制作的三結(jié)晶格失配太陽(yáng)能電池，可以合理調(diào)整中頂子電池的帶隙分 配，使三結(jié)電池最大程度上達(dá)到電流匹配，并結(jié)合GalnNAs材料的自身特點(diǎn)，將其應(yīng)用在隧 穿結(jié)結(jié)構(gòu)，提高電池整體電流，從而顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)分析，采用相同芯片制程，相 比傳統(tǒng)隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)，本方案制作的晶格失配太陽(yáng)能電池，ΑΜ0光譜條件下，I-V測(cè)得串聯(lián)電阻 降低63%，效率提高至31.8%。在2000倍聚光條件下，電池整體的電流密度可提高10%，具 體請(qǐng)參見(jiàn)下表1和表2。
[0053]表1AM0條件下，采用新型、傳統(tǒng)隧穿結(jié)電池的I-V測(cè)試結(jié)果比較
[0055] 表2不同聚光倍數(shù)，采用新型、傳統(tǒng)隧穿結(jié)電池的電流密度測(cè)試結(jié)果比較
[0056]
[0057]綜上所述，本發(fā)明的關(guān)鍵在于將具有剛性、低帶隙的GalnNAs材料與GalnAs材料組 合成新型隧穿結(jié)引入到三結(jié)晶格失配太陽(yáng)能電池中，并且將其位置安排在晶格漸變緩沖層 之上，此方案既可以使隧穿結(jié)的性能在現(xiàn)有技術(shù)水平上大幅提升，又可過(guò)濾晶格不匹配導(dǎo) 致的穿透位錯(cuò)，還可吸收底電池過(guò)多的光子。該電池結(jié)構(gòu)可最大程度地發(fā)揮晶格失配三結(jié) 電池的優(yōu)勢(shì)，提高電池效率，值得推廣。
[0058]以上所述之實(shí)施例子只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范 圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池，其特征在于:采用金屬有機(jī)化合物氣相 沉積，以Ge單晶為襯底，在該襯底上表面自下而上依次生長(zhǎng)有GaInP成核層、GaInAs緩沖層、 晶格漸變緩沖層、第一新型隧穿結(jié)、GaInAs子電池、第二新型隧穿結(jié)和GaInP子電池;所述第 一新型隧穿結(jié)和第二新型隧穿結(jié)均包括一層簡(jiǎn)并的P型鎵銦氮砷G ai-yInyNxAS1- x和一層簡(jiǎn)并 的η型鎵銦砷Gai-zInzAs;該第一新型隧穿結(jié)和第二新型隧穿結(jié)所含的p型Gai-yIn yNxAsi-x，其 光學(xué)帶隙為0.85~1.4eV,摻雜元素為C或Zn，摻雜濃度大于lel9,晶格分別與其相鄰半導(dǎo)體 層材料匹配或失配度小于3%，厚度均在5到IOOnm范圍內(nèi)；該第一新型隧穿結(jié)和第二新型隧 穿結(jié)所含的η型Ga 1-ZlnzAs，其光學(xué)帶隙為小于或等于1.42eV，摻雜元素為Si、Te或/和Ge，摻 雜濃度大于lel9,晶格分別與其相鄰半導(dǎo)體層材料匹配或失配度小于3%，厚度均在5到 IOOnm范圍內(nèi)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述 GaInP成核層晶格與襯底匹配，為η型摻雜，摻雜Te、Si或/和Ge，摻雜濃度為5el7~5el8,厚 度為5~50nm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述 GaInAs緩沖層晶格與襯底匹配，為η型摻雜，摻雜Te、Si或/和Ge，摻雜濃度為8el7~2el9,厚 度為 300 ~2000nm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述 晶格漸變緩沖層是由若干晶格逐漸增大的GaInAs層組成的，其底層與襯底晶格匹配或大于 襯底晶格，其頂層晶格與第一新型隧穿結(jié)的η型層匹配或失配度小于3%，其自底層到頂層 的漸變方式有線性連續(xù)漸變、非線性連續(xù)漸變、線性階梯漸變、非線性階梯漸變，其η型摻雜 濃度為lel8~lel9,厚度為500~3000nm〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述 GaInAs子電池光學(xué)帶隙為1.2~1.35eV，電池總厚度為1000~3000nm。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含新型隧穿結(jié)的晶格失配太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述 GaInP子電池光學(xué)帶隙為1.7~1.9eV，電池總厚度為600~1500nm。7. -種權(quán)利要求1所述晶格失配太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 將所選Ge襯底載入MOCVD反應(yīng)室； 2) 設(shè)定生長(zhǎng)溫度520~620°C，在襯底表面沉積GaInP成核層，生長(zhǎng)速率為卜丨0 A/S，其 目的在于形成島層狀生長(zhǎng)，有利于提高異質(zhì)外延材料的晶體質(zhì)量； 3) 在540~660°C溫度范圍內(nèi)，在GaInP成核層上外延GaInAs緩沖層，生長(zhǎng)速率為 10~60 .Λ/s，該層作用在于降低外延層中的缺陷密度； 4) 在GaInAs緩沖層上生長(zhǎng)晶格漸變緩沖層，該層生長(zhǎng)溫度為580~680°C，生長(zhǎng)速率為 5~30A/S，該層作用在于控制晶格失配造成的子電池中的穿透位錯(cuò)密度； 5) 在晶格漸變緩沖層上生長(zhǎng)第一新型隧穿結(jié)，其生長(zhǎng)溫度在400~600°C范圍內(nèi)，生長(zhǎng) 速率為1~1〇 A/S; 6) 在第一新型隧穿結(jié)上繼續(xù)生長(zhǎng)GaInAs子電池，其生長(zhǎng)溫度為580~680°C，生長(zhǎng)速率 為20~60 Α/s,該子電池主要吸收中長(zhǎng)波段光子； 7) 在GaInAs子電池上生長(zhǎng)第二新型隧穿結(jié)，其生長(zhǎng)溫度在400~600°C范圍內(nèi)，生長(zhǎng)速 率為1~10 A/s; 8)在第二新型隧穿結(jié)上生長(zhǎng)GaInP子電池，其生長(zhǎng)溫度為580~780°C，生長(zhǎng)速率為 2~15 Α/s，該子電池主要吸收中短波段光子。
【文檔編號(hào)】H01L31/0735GK106024924SQ201610562253
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月14日
【發(fā)明人】劉雪珍, 周文遠(yuǎn), 吳波, 劉建慶, 張小賓, 楊翠柏
【申請(qǐng)人】中山德華芯片技術(shù)有限公司