專利名稱：三結太陽電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能電池領域，具體涉及一種基于GaAs襯底采用晶格異變緩沖層的晶格匹配的InAlAs/InGaAsP/InGaAs三結太陽電池及其制備方法，該三結太陽電池可實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，在聚光下具有高于51%的理論轉換效率。
背景技術：
在II1-V族太陽電池領域，通常采用多結體系實現(xiàn)對太陽光譜的分段吸收利用，以獲得較高的轉換效率。目前研究較多而且技術較為成熟的體系是GalnP/GaAs/Ge和GalnP/GaAs/InGaAsfl.0 eV)三結電池。前者在一個太陽下目前達到的最高轉換效率為32_33%。但是該體系仍然存在一個主要問題是Ge電池覆蓋較寬的光譜，其短路電流最大可達到另外兩結電池的2倍，由于受三結電池串聯(lián)的制約，Ge電池對應的太陽光譜的能量沒有被充分轉換利用。而GalnP/GaAs/InGaAsCl.0 eV)三結電池由于GaAs和InGaAs電池之間存在約2.1%的晶格失配，往往采用倒置生長的方法，然后采用襯底剝離等技術，增大了生長和工藝的難度及成本。如何實現(xiàn)多結太陽電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時而又不提高電池制作成本和難度成為當前II1- V族太陽電池亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種三結太陽電池及其制備方法，該三結太陽電池具有合理帶隙組合，以實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，減小電流失配同時而又不提高電池制作成本和難度，最終提高電池效率。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種三結太陽電池，包括依次設置的AlGaInAs過渡層、InGaAs底電 池、第一隧道結、InGaAsP中間電池、第二隧道結、InAlAs頂電池以及歐姆接觸層。進一步，所述InAlAs頂電池、InGaAsP中間電池以及InGaAs底電池之間晶格常數(shù)匹配，所述的三結太陽電池帶隙組合為1.93 eV、1.39 eV、0.94 eV。進一步，所述AlGaInAs過渡層選擇In組分步進以及Al和/或Ga組分步進的AlyGa1^yInxAs材料作為漸變過渡層，x的取值由O變化至0.38，y的取值由I變化至0.64。進一步，所述漸變過渡層通過多個界面抑制穿透位錯向上穿透到達所述InGaAs底電池。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種本發(fā)明所述的三結太陽電池的制備方法，包括步驟:1)提供一 GaAs襯底；2)在GaAs襯底上依次生長AlGaInAs過渡層、InGaAs底電池、第一隧道結、InGaAsP中間電池、第二隧道結、InAlAs頂電池以及歐姆接觸層；3)分別在所述歐姆接觸層和GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。進一步，所述AlGaInAs過渡層選擇In組分步進以及Al和/或Ga組分步進的AlyGa1^yInxAs材料作為漸變過渡層，x的取值由O變化至0.38，y的取值由I變化至0.64。
本發(fā)明提供的三結太陽電池及其制備方法，優(yōu)點在于:
1.該三結太陽電池帶隙組合為1.93 eV、1.39 e、0.94 eV，有效實現(xiàn)了對太陽光譜的分段吸收，各個子電池的電流失配小，減小了光電轉換過程中的熱能損失，在100倍聚光下其效率可達51%以上。2.該三結太陽電池各個子電池之間晶格匹配，且采用正裝方法生長，生長過程簡單，降低了電池的制作難度。3.漸變過渡層可以通過多個界面抑制穿透位錯向上穿透到達InGaAs底電池，可以使晶格失配應力充分釋放。


圖1所示為本發(fā)明一具體實施方式
提供的三結太陽電池的結構示意 圖2為圖1所示的三結太陽電池制成品的結構示意 圖3所示為本發(fā)明一具體實施方式
提供的三結太陽電池的制備方法步驟流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明提供的三結太陽電池及其制備方法做詳細說明。首先結合附圖給出本發(fā)明所述三結太陽電池的具體實施方式
。參考附圖1、2所示，其中，圖1是本具體實施方式
提供的三結太陽電池的結構示意圖，圖2為圖1所示的三結太陽電池制成品的結構示意圖，接下來對附圖1、2所示的結構做詳細說明。

本具體實施方式
提供一種三結太陽電池，包括:GaAs襯底01、InGaAs底電池21、第一隧道結22、InGaAsP中間電池23、第二隧道結24、InAlAs頂電池25以及歐姆接觸層20。所述InAlAs頂電池25和所述GaAs襯底01上分別設有電極(如圖2所示電極26、27)。三結子電池InGaAs底電池21、InGaAsP中間電池23以及InAlAs頂電池25的帶隙組合為1.93 eV、1.39 eV、0.94 eV，且各子電池之間晶格常數(shù)匹配，均為0.5807 nm。但各子電池與GaAs襯底01之間存在晶格失配，二者之間通過晶格異變生長AlGaInAs過渡層03實現(xiàn)連接。由于各子電池的電流匹配，減小了光電轉換過程中的熱能損失，提高了電池效率。所述的三結太陽電池可以采用P型GaAs襯底或N型GaAs襯底。具體為:若采用P型GaAs襯底，則在P型GaAs襯底01上首先生長P型GaAs緩沖層02，其次生長AlGaInAs過渡層03，然后依次生長各子電池，各子電池之間通過隧道結串聯(lián)在一起，最后生長一層N型InGaAs層作為歐姆接觸層20 ;若采用N型GaAs襯底01，則在N型GaAs襯底01上首先生長N型GaAs緩沖層02，再生長一隧道結實現(xiàn)由N型到P型的轉化，其次生長AlGaInAs過渡層03，然后依次生長各子電池，各子電池之間通過隧道結串聯(lián)在一起，最后生長一層N型InGaAs層作為歐姆接觸層20。所述的三結太陽電池的各子電池與GaAs襯底01之間存在2.72%的晶格失配?？梢圆捎迷贕aAs襯底01和InGaAs底電池21之間采用晶格異變生長AlGaInAs過渡層03實現(xiàn)晶格常數(shù)的過渡。所述AlGaInAs過渡層選擇In組分步進以及Al和/或Ga組分步進的AlyGa1^yInxAs材料作為漸變過渡層，x的取值由O變化至0.38，y的取值由I變化至0.64。所述漸變過渡層通過多個界面抑制穿透位錯向上穿透到達所述InGaAs底電池21，可以使晶格失配應力充分釋放。所述InGaAs底電池21包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底01方向設置的P型GaInP背場層04，P型InGaAs基區(qū)05、N型InGaAs發(fā)射區(qū)06以及N型GaInP窗口層07。優(yōu)選的，所述的InGaAs底電池21中In的組分約為38%，其禁帶寬度約為0.94 eV。所述第一隧道結22包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底01方向設置的N型GaInP重摻層08，P型InGaAs重摻層09。所述InGaAsP中間電池23包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底01方向設置的P型 Al(Ga)InP 或 InAlAs 背場層 10，P 型 InGaAsP 基區(qū) 11、N 型 InGaAsP 發(fā)射區(qū) 12，N 型In0.S7Al0.63As窗口層13。優(yōu)選的，所述的InGaAsP中間電池23中In和As的組分分別約為38%、57%，其禁帶寬度約為1.39 eV。所述第二隧道結24包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底01方向設置的N型GaInP重摻層14，P型InGaAs重摻層15。所述InAlAs頂電池25包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底01方向設置的P型Ina3tlAla7tlAs 背場層 16, P 型 Ina37Ala63As 基區(qū) 17, N 型 Ina37Ala63As 發(fā)射區(qū) 18, N 型Ina3Ala7As窗口層19。優(yōu)選地，所述InAlAs頂電池25中In組分為37%，其禁帶寬度約為
1.93 eVo在本具體實施方式
中，在InAlAs頂電池25上還設有InGaAs層作為歐姆接觸層20，其摻雜類型為N型。所述三結太陽電池在InAlAs頂電池25上的歐姆接觸層20和GaAs襯底01上分別設有電極。在本具體實施方式
中，歐姆接觸層20上設有電極26，電極26位于歐姆接觸層20上表面；GaAs襯底01上設有電極27，從而獲得所需的太陽電池。本發(fā)明提供的三結太陽電池各個子電池之間晶格匹配，且采用正裝方法生長，生長過程以及制作工藝簡單。且所述三結太陽電池的帶隙組合為 1.93 eV、 1.39 eV、 0.94eV，有效實現(xiàn)了對太陽光譜的分段吸收，各個子電池的電流失配小，減小了光電轉換過程中的熱能損失，在100倍聚光下其效率可達51%以上。接下來結合附圖給出本發(fā)明所述三結太陽電池制備方法的具體實施方式
。參考附圖3，本具體實施方式
提供的三結太陽電池制備方法的流程圖，接下來對圖3所示的步驟做詳細說明。步驟S301，提供一 GaAs襯底。所述的三結太陽電池可以采用P型GaAs襯底，在P型GaAs襯底上首先生長P型GaAs緩沖層，其次生長AlGaInAs過渡層。作為另一種優(yōu)選實施方式，所述的三結太陽電池還可以采用N型GaAs襯底，在N型GaAs襯底上首先生長N型GaAs緩沖層，再生長一隧道結實現(xiàn)由N型到P型的轉化，其次生長AlGaInAs過渡層。步驟S302，在GaAs襯底上依次生長AlGaInAs過渡層、InGaAs底電池、第一隧道結、InGaAsP中間電池、第二隧道結、InAlAs頂電池以及歐姆接觸層；
在GaAs襯底上生長AlGaInAs過渡層。由于所述的三結太陽電池的各子電池與GaAs襯底之間存在晶格失配，可以采用在GaAs襯底和InGaAs底電池之間采用晶格異變生長AlGaInAs過渡層實現(xiàn)晶格常 數(shù)的過渡。所述AlGaInAs過渡層選擇In組分步進以及Al和/或Ga組分步進的AlyGanyInxAs材料作為漸變過渡層，x的取值由O變化至0.38，y的取值由I變化至0.64。所述漸變過渡層通過多個界面抑制穿透位錯向上穿透到達所述InGaAs底電池，可以使晶格失配應力充分釋放。在AlGaInAs過渡層上生長InGaAs底電池，所述InGaAs底電池包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的P型GaInP背場層，P型InGaAs基區(qū)、N型InGaAs發(fā)射區(qū)以及N型GaInP窗口層。優(yōu)選的，所述的InGaAs底電池中In的組分約為38%，其禁帶寬度約為
0.94 eVo在InGaAs底電池上生長第一隧道結，所述第一隧道結包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的N型GaInP重摻層，P型InGaAs重摻層。在第一隧道結上生長InGaAsP中間電池，所述InGaAsP中間電池包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的P型Al (Ga) InP或InAlAs背場層，P型InGaAsP基區(qū)、N型InGaAsP發(fā)射區(qū)，N型Ina37Ala63As窗口層。優(yōu)選的，所述的InGaAsP中間電池中In和As的組分分別約為38%、57%，其禁帶寬度約為1.39 eV。在InGaAsP中間電池上生長第二隧道結，所述第二隧道結包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設置的N型GaInP重摻層，P型InGaAs重摻層。在第二隧道結上生長InAlAs頂電池，所述InAlAs頂電池包括依次按照逐漸遠離GaAs 襯底方向設置 的 P 型 Ina3tlAla7tlAs 背場層，P 型 Ina37Ala63As 基區(qū)，N 型 Ina37Ala63As發(fā)射區(qū)，N型Ina3Ala7As窗口層層。優(yōu)選地，所述InAlAs頂電池中In組分為37%，其禁帶寬度約為1.93 eV。在InAlAs頂電池上生長GaAs層作為歐姆接觸層，其摻雜類型為N型。步驟S303，分別在所述歐姆接觸層和GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。將生長的InAlAs/InGaAsP/InGaAs三結太陽電池在InAlAs頂電池上的歐姆接觸層的表面制備上電極(例如N電極)，在GaAs襯底上制備下電極(例如P電極)，從而獲得所需的太陽電池。上述生長過程可米用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition,金屬有機化合物化學氣相沉淀)或MBE (Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)方式生長。若采用MOCVD法生長形成，所述三結太陽電池中的N型摻雜原子為S1、Se、S或Te，P型摻雜原子為Zn、Mg或C。若采用MBE法生長形成，所述三結太陽電池中的N型摻雜原子為S1、Se、S、Sn或Te，P型摻雜原子為Be、Mg或C。本發(fā)明提供的三結太陽電池制備方法采用正裝生長，避免了倒置生長電池結構需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的復雜工藝，降低了電池的制作難度；In組分步進以及Al和/或Ga組分步進的AlyGa1^InxAs材料作為漸變過渡層可以通過多個界面抑制穿透位錯向上穿透到達InGaAs底電池，可以使晶格失配應力充分釋放。接下來結合附圖1、2給出本發(fā)明一優(yōu)選實施例，對本發(fā)明提供的技術方案作進一步說明，本優(yōu)選實施例采用MOCVD方法生長本發(fā)明所述三結太陽電池。(I)在P型GaAs襯底01上生長P型厚度0.1微米的GaAs緩沖層02，然后生長P型厚度3.0微米的AlGaInAs過渡層03。
(2)依次生長P型摻雜約I X IO18 cm_3、厚度0.02微米的Gaai5Ina85P層作為背場層04，P型摻雜約3X IO17 cm_3、厚度2.0微米的Ina38Gaa62As層作為基區(qū)05，N型摻雜約2 X IO18 cm—3、厚度0.2微米的Ina38Gaa62As層作為發(fā)射區(qū)06，N型高摻雜、厚度約0.02微米Gaai5Ina85P層作為窗口層07，形成InGaAs底電池21。(3)依次生長N型摻雜濃度IX IO19 cm_3以上、厚度0.015微米的Gaai5Ina85P層作為重摻層08，P型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的Ina38Gaa62As層作為重摻層09形成第一隧道結22。(4)依次生長 P 型 IXlO18 cm—3、厚度 0.02 微米的 Ina37Ala63As 或 Ina85Alai5P 層作為背場層10，p型摻雜約3X1017cm_3、厚度2.0微米的InGaAsP層作為基區(qū)11，N型摻雜約2X1018 cm_3、厚度0.2微米的InGaAsP層作為發(fā)射區(qū)12，N型高摻雜、厚度約0.02微米Ina37Ala63As層作為窗口層13，形成InGaAsP中間電池23。(5)依次生長N型摻雜濃度I X IO19 cm_3以上、厚度0.015微米的Ga。.15In0.85P層作為重慘層14，P型慘雜濃度大于I X IO19 cm 3、厚度0.015微米的Ina38Gaa62As層作為重慘層15形成第二隧道結24。(6)依次生長P型I X IO18 cm_3、厚度0.02微米的Ina3ciAla7tlAs層作為背場層16，P型摻雜約3 X IO17 cm_3、厚度2.0微 米的In。.37A10.63As層作為基區(qū)17，N型摻雜約2 X IO18 cm_3、厚度0.2微米的Ina37Ala63As層作為發(fā)射區(qū)18，N型高摻雜、厚度約0.02微米Ina3ciAla7tlAs層作為窗口層19,形成InAlAs頂電池25。(7)然后生長N型摻雜濃度約為6X IO18 cm_3、厚度0.5微米的Ina38Gaa62As層作為太陽電池的歐姆接觸層20。用MOCVD方法生長獲得的InAlAs/InGaAsP/InGaAs三結太陽電池的結構如圖1所
/Jn ο太陽電池的電極制備工藝:在P型GaAs襯底01上制備P電極27，在N型歐姆接觸層20的表面制備N電極26，獲得所需的太陽電池，其結構如附圖2所示。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種三結太陽電池，其特征在于，包括依次設置的AlGaInAs過渡層、InGaAs底電池、第一隧道結、InGaAsP中間電池、第二隧道結、InAlAs頂電池以及歐姆接觸層。
2.根據(jù)權利要求1所述的三結太陽電池，其特征在于，所述InAlAs頂電池、InGaAsP中間電池以及InGaAs底電池之間晶格常數(shù)匹配，所述的三結太陽電池帶隙組合為1.93 eV、1.39 eV、0.94 eV。
3.根據(jù)權利要求1所述的三結太陽電池，其特征在于，所述AlGaInAs過渡層選擇In組分步進以及Al和/或Ga組分步進的AlyGanyInxAs材料作為漸變過渡層，x的取值由O變化至0.38，y的取值由I變化至0.64。
4.根據(jù)權利要求3所述的三結太陽電池，其特征在于，所述漸變過渡層通過多個界面抑制穿透位錯向上穿透到達所述InGaAs底電池。
5.一種權利要求1所述的三結太陽電池的制備方法，其特征在于，包括步驟: 1)提供一GaAs襯底； 2)在GaAs襯底上依次生長AlGaInAs過渡層、InGaAs底電池、第一隧道結、InGaAsP中間電池、第二隧道結、InAlAs頂電池以及歐姆接觸層； 3)分別在所述歐姆接觸層和GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。
6.根據(jù)權利要求5所述的三結太陽電池制備方法，其特征在于，所述AlGaInAs過渡層選擇In組分步進以及Al和/或Ga組分步進的AlyGa1HlnxAs材料作為漸變過渡層，x的取值由O變化至0.38，y的取值由I變化至0.64。
全文摘要
本發(fā)明提供一種三結太陽電池及其制備方法，實現(xiàn)多結太陽電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時而又不提高電池制作成本和難度。所述電池包括GaAs襯底、在GaAs襯底上依次設置的AlGaInAs過渡層、InGaAs底電池、第一隧道結、InGaAsP中間電池、第二隧道結、InAlAs頂電池以及歐姆接觸層，各子電池之間晶格常數(shù)匹配，帶隙組合為1.93eV、1.39eV、0.94eV。所述電池的制備方法，包括步驟1)提供一GaAs襯底；2)在GaAs襯底上依次生長AlGaInAs過渡層、InGaAs底電池、第一隧道結、InGaAsP中間電池、第二隧道結、InAlAs頂電池以及歐姆接觸層；3)分別在所述歐姆接觸層和GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。
文檔編號H01L31/0687GK103219404SQ20131014961
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月26日 優(yōu)先權日2013年4月26日
發(fā)明者于淑珍, 董建榮, 李奎龍, 孫玉潤, 曾徐路, 趙勇明, 趙春雨, 楊輝 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所