多結(jié)太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多結(jié)太陽能電池及其制備方法，其結(jié)構(gòu)至少包括晶格失配的第一子電池和第二子電池，一漸變緩沖層形成于所述第一、第二子電池之間，一隧穿結(jié)插入所述漸變緩沖層內(nèi)，所述隧穿結(jié)與兩側(cè)漸變緩沖層失配，同時(shí)具有應(yīng)力平衡和隧穿效應(yīng)。本發(fā)明將隧穿結(jié)嵌入存在晶格失配的多結(jié)電池的漸變緩沖層中間，隧穿結(jié)與兩側(cè)漸變緩沖層失配，兩側(cè)界面位錯(cuò)集中，穿透位錯(cuò)可以在此層扭曲、轉(zhuǎn)向或者湮沒，避免了穿透位錯(cuò)向P-N結(jié)有源區(qū)滑移，有效降低了結(jié)區(qū)位錯(cuò)密度，并在一定程度上平衡了兩側(cè)應(yīng)力。
【專利說明】多結(jié)太陽能電池及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多結(jié)太陽能電池及其制備方法，屬半導(dǎo)體材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，隨著聚光光伏技術(shù)的發(fā)展，II1- V族合物半導(dǎo)體太陽能電池因其高光電轉(zhuǎn)換效率而越來越受到關(guān)注。
[0003]對(duì)于II1- V族化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域來言，為了能夠更多吸收太陽光能量，多結(jié)太陽能電池被提出來，其將具有不同能隙的半導(dǎo)體元件堆疊在一起，如此可利用多種不同能隙的半導(dǎo)體材料層分別吸收不同能量的太陽光以增進(jìn)光電轉(zhuǎn)換效率。在多結(jié)II1-V族半導(dǎo)體串接太陽電池中，由于各分電池由p-n結(jié)組成，如果直接串聯(lián)在一起，則由于p-n結(jié)反偏而不導(dǎo)電，采用隧道結(jié)結(jié)構(gòu)可以解決這一問題。
[0004]因此，如果能夠提供高隧穿電流的隧道結(jié)，可以有效提高多結(jié)太陽能電池的光轉(zhuǎn)換效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種具有高隧穿電流的隧道結(jié)的多結(jié)太陽能電池及其制備方法。傳統(tǒng)隧穿結(jié)與連接的兩側(cè)子電池晶格匹配，摻雜較高，帶隙高，利用隧穿效應(yīng)將子電池串聯(lián)形成電學(xué)回路。本發(fā)明提出一種嵌入式隧穿結(jié)，將隧穿結(jié)嵌入存在晶格失配子電池的多結(jié)電池的漸變緩沖層中間，隧穿結(jié)與兩側(cè)漸變緩沖層失配，同時(shí)具有應(yīng)力平衡和隧穿效應(yīng)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，一種多結(jié)太陽能電池，至少包括晶格失配的第一子電池和第二子電池，一漸變緩沖層形成于所述第一、第二子電池之間，一隧穿結(jié)插入所述漸變緩沖層內(nèi)，所述隧穿結(jié)與兩側(cè)漸變緩沖層失配，同時(shí)具有應(yīng)力平衡和隧穿效應(yīng)。
[0007]優(yōu)選地，所述漸變緩沖層的材料可以為InxAlhP, InxGa1I InxGa1^xAs或者InAlGaAs 等。
[0008]優(yōu)選地，所述隧穿結(jié)的晶格常數(shù)與兩側(cè)漸變緩沖層的晶格常數(shù)失配，較佳為略大于兩側(cè)漸變緩沖層的晶格常數(shù)。優(yōu)選地，所述多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)還包括一第三子電池，其與所述第二子電池連接，所述三結(jié)子電池構(gòu)成倒裝電池，其中第二、第三子電池的晶格常數(shù)匹配。
[0009]優(yōu)選地，所述隧穿結(jié)為n++/p++_InGaP 或 n++/p++_AlInGaAs。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，多結(jié)太陽能電池的制備方法，包括至少形成晶格失配的第一、第二子電池及一漸變緩沖層，所述形成的漸變緩沖層形成于第一、第二子電池之間，并在所述形成的漸變緩沖層內(nèi)插入一隧穿結(jié)，所述形成的隧穿結(jié)與兩側(cè)漸變緩沖層失配，同時(shí)具有應(yīng)力平衡和隧穿效應(yīng)。
[0011 ] 優(yōu)選地，包括形成一第三子電池，其晶格常數(shù)與第二子電池匹配。
[0012]優(yōu)選地，多結(jié)太陽能電池的制備方法，包括下面步驟:1)提供一生長(zhǎng)襯底，在其上依次倒裝生長(zhǎng)第三子電池、第二子電池，其晶格常數(shù)與所述生長(zhǎng)襯底匹配；2)在所述形成的第二子電池上外延生長(zhǎng)一漸變緩沖層的底層；3)在所述形成的漸變緩層底層之上形成一隧穿結(jié)；4)在所述形成的隧穿結(jié)上繼續(xù)外延生長(zhǎng)漸變緩沖層，使得所述形成的隧穿結(jié)插入在漸變緩沖層，并與兩側(cè)漸變緩沖層失配，同時(shí)具有應(yīng)力平衡和隧穿效應(yīng)；5)在所述漸變緩沖層上倒裝生長(zhǎng)第一子電池，其晶格常數(shù)與所述第二、第三子電池失配。
[0013]優(yōu)選地，所述形成的隧穿結(jié)的晶格常數(shù)與兩側(cè)漸變緩沖層的晶格常數(shù)失配。
[0014]在本發(fā)明中，連接第一、第二子電池之間的隧穿結(jié)插入到漸變緩沖層中，與兩側(cè)漸變緩沖層失配，兩側(cè)界面位錯(cuò)集中，穿透位錯(cuò)可以在此層扭曲、轉(zhuǎn)向或者湮沒，避免了穿透位錯(cuò)向P-N結(jié)有源區(qū)滑移，有效降低了結(jié)區(qū)位錯(cuò)密度；同時(shí)還能在一定程度上平衡了兩側(cè)應(yīng)力，本身承擔(dān)傳統(tǒng)隧穿結(jié)隧穿效應(yīng)的同時(shí)，還能通過高密度位錯(cuò)的漏電作用提供額外的短路電流，其作用相當(dāng)于金屬短路層和隧穿結(jié)的結(jié)合，能夠有效減小串聯(lián)電阻，提高填充因子和光電轉(zhuǎn)化效率。
[0015]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。
[0017]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的一種太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例之三結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中各標(biāo)號(hào)表不:
110:上子電池結(jié)構(gòu)；
120:漸變緩沖層I ;
130:嵌入的隧穿結(jié)；
140:漸變緩沖層II ；
150:下子電池結(jié)構(gòu)；
200:襯底；
210:第一子電池；
220:第二子電池；
230:第三子電池；
240:漸變緩沖層；
250:嵌入漸變緩沖層的隧穿結(jié)；
260:第二、第三子電池的隧穿結(jié)。

【具體實(shí)施方式】
[0020]現(xiàn)在將描述本發(fā)明的細(xì)節(jié)，包含本發(fā)明的示范性方面和實(shí)施例。參看圖示和以下描述，相同的參考編號(hào)用于識(shí)別相同或功能類似的元件，且意在以高度簡(jiǎn)化的圖解方式說明示范性實(shí)施列的主要特征。
[0021]本發(fā)明之多結(jié)太陽能電池在將隧穿結(jié)嵌入漸變緩沖層中間，隧穿結(jié)與兩側(cè)漸變緩沖層失配，兩側(cè)界面位錯(cuò)集中，穿透位錯(cuò)可以在此層扭曲、轉(zhuǎn)向或者湮沒，避免了穿透位錯(cuò)向P-N結(jié)有源區(qū)滑移，有效降低了結(jié)區(qū)位錯(cuò)密度，并在一定程度上平衡了兩側(cè)應(yīng)力。
[0022]圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，其從上至下依次包括:上子電池結(jié)構(gòu)110、漸變緩沖層I 120、嵌入的隧穿結(jié)130、漸變緩沖層II 140及下子電池結(jié)構(gòu)150。
[0023]具體的，上子電池結(jié)構(gòu)110可以為單結(jié)電池也可以為串聯(lián)多結(jié)子電池結(jié)構(gòu)，可以為倒裝生長(zhǎng)也可以為正裝生長(zhǎng)之結(jié)構(gòu)；同樣的下子電池結(jié)構(gòu)150亦可以為單結(jié)電池也可以為串聯(lián)多結(jié)子電池結(jié)構(gòu)，可以為倒裝生長(zhǎng)也可以為正裝生長(zhǎng)之結(jié)構(gòu)。上子電池結(jié)構(gòu)110與下子電池結(jié)構(gòu)150之間的晶格常失配，通過漸變緩沖層1、II調(diào)整。
[0024]漸變緩沖層I和漸變緩沖層II采用同型同質(zhì)材料，組分不同，晶格遞變，被嵌入的隧穿結(jié)130分為兩部分，其作用平衡上、下子電池晶格失配造成的應(yīng)力，降低穿透位錯(cuò)密度，帶隙應(yīng)該根據(jù)正裝或者倒裝生長(zhǎng)順序而大于后續(xù)生長(zhǎng)之子電池或者之前生長(zhǎng)之子電池。
[0025]嵌入漸變緩沖層內(nèi)的隧穿結(jié)130為雙層P-N結(jié)結(jié)構(gòu)，重?fù)诫s(大于E19cm_3)帶隙不低于兩側(cè)漸變緩沖層120、140，晶格與兩側(cè)漸變緩沖層失配。隧穿結(jié)130與兩側(cè)漸變緩沖層120,140失配，兩側(cè)界面位錯(cuò)集中，穿透位錯(cuò)可以在此層扭曲、轉(zhuǎn)向或者抵消，避免了穿透位錯(cuò)向P-N結(jié)有源區(qū)滑移，有效降低了結(jié)區(qū)位錯(cuò)密度，并在一定程度上平衡了兩側(cè)應(yīng)力。
[0026]在本發(fā)明中，嵌入漸變緩沖層內(nèi)的隧穿結(jié)130承擔(dān)傳統(tǒng)隧穿結(jié)隧穿效應(yīng)的同時(shí)，還能通過高密度位錯(cuò)的漏電作用提供額外的電流，能夠有效減小串聯(lián)電阻，提高填充因子和光電轉(zhuǎn)化效率。
[0027]圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的三結(jié)倒裝太陽能電池，其結(jié)構(gòu)包括:第一子電池210、第二子電池220、第三子電池230，在第一、第二子電池之間具有漸變緩沖層240，在第二、第三子電池之間具有隧穿結(jié)250，在漸變緩沖層260的中間嵌入一隧穿結(jié)250，下面結(jié)合制備方法對(duì)該多結(jié)太陽能電池的更多細(xì)節(jié)進(jìn)行描述。
[0028]首先，在MOCVD系統(tǒng)中，選用η型摻雜的向(111)晶面偏角為9°的GaAs襯底200，厚度在350微米左右，摻雜濃度在I X 118CnT3 — 4X 11W之間。
[0029]下一步，依次在此襯底上生長(zhǎng)InGaP刻蝕截止層、η+_Α1ΙηΡ窗口、n+_InGaP發(fā)射區(qū)、p+-1nGaP基區(qū)及p+_AlInGaP背場(chǎng)層，從而形成InGaP第三子電池230。
[0030]下一步,在第三子電池上生長(zhǎng)p++-AlGaAs/n++_InGaP隧穿結(jié)260。
[0031]下一步,在隧穿結(jié)150上依次生長(zhǎng)η+_Α1ΙηΡ窗口層、n+_GaAs發(fā)射區(qū)和p+_GaAs基區(qū)、p+-AlGaAs背場(chǎng)層,從而形成GaAs第二子電池220。
[0032]下一步，在GaAs第二子電池120上方倒裝生長(zhǎng)InAlGaAs漸變緩沖層240，Al組分保持為0.4，In組分漸變?cè)龃?，Ga組分相應(yīng)的漸變減小，晶格常數(shù)逐步增大由原來GaAs的
0.56533nm逐步增大至Ina3Gaci 7As 0.5775 nm。在本實(shí)施例中，InAlGaAs漸變緩沖層240包含10層，每層In組分增加0.03，生長(zhǎng)過程中隨著In組分的增大，每2層生長(zhǎng)溫度降低5度；各個(gè)單層厚度大約是250nm，摻雜IX 118CnT3左右。在InAlGaAs漸變緩沖層的第五層和第六層中間插入n++/p++-1nQ.773GaQ.227P隧穿結(jié)250，其晶格常數(shù)為0.578nm,略大于目標(biāo)晶格常數(shù)(Ina3Gaa7As)和兩側(cè)InAlGaAs漸變緩沖層，本身同時(shí)具有應(yīng)力平衡和隧穿效應(yīng)。
[0033]下一步，在InAlGaAs漸變緩沖層240上依次形成InAlGaAs窗口層、n+_ InGaAs發(fā)射區(qū)、P+-1nGaAs基區(qū)、InAlGaAs背場(chǎng)層，從而形成InGaAs第一子電池210。
[0034]按照如上所述方法獲得倒裝三結(jié)太陽能電池的外延片，電池的外延生長(zhǎng)結(jié)束后，進(jìn)入刻蝕、第一襯底的剝離，第二襯底的粘結(jié)，鍵合，減反膜蒸鍍，電極制備等工藝過程，完成整個(gè)電池的制備。
【權(quán)利要求】
1.多結(jié)太陽能電池，至少包括晶格失配的第一子電池和第二子電池，一漸變緩沖層形成于所述第一、第二子電池之間，一隧穿結(jié)插入所述漸變緩沖層內(nèi)，所述隧穿結(jié)與兩側(cè)漸變緩沖層失配，同時(shí)具有應(yīng)力平衡和隧穿效應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述隧穿結(jié)的帶隙不低于兩側(cè)漸變緩沖層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述隧穿結(jié)的晶格常數(shù)大于兩側(cè)漸變緩沖層的晶格常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述隧穿結(jié)將漸變緩沖層分為上、下兩部分，其采用同型同質(zhì)材料、組分不同、晶格遞變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽能電池，其特征在于:還包括一第三子電池，其與所述第二子電池連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述三結(jié)子電池構(gòu)成倒裝電池，其中第二、第三子電池的晶格常數(shù)匹配。
7.多結(jié)太陽能電池的制備方法，包括至少形成晶格失配的第一、第二子電池及一漸變緩沖層，所述形成的漸變緩沖層形成于第一、第二子電池之間，并在所述形成的漸變緩沖層內(nèi)插入一隧穿結(jié)，所述形成的隧穿結(jié)與兩側(cè)漸變緩沖層失配，同時(shí)具有應(yīng)力平衡和隧穿效應(yīng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所示的多結(jié)太陽能電池的制備方法，還包括形成一第三子電池，其晶格常數(shù)與第二子電池匹配。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所示的多結(jié)太陽能電池的制備方法，包括下面步驟: 1)提供一生長(zhǎng)襯底，在其上依次倒裝生長(zhǎng)第三子電池、第二子電池，其晶格常數(shù)與所述生長(zhǎng)襯底匹配； 2)在所述形成的第二子電池上外延生長(zhǎng)一漸變緩沖層的底層； 3)在所述形成的漸變緩層底層之上形成一隧穿結(jié)； 4)在所述形成的隧穿結(jié)上繼續(xù)外延生長(zhǎng)漸變緩沖層，使得所述形成的隧穿結(jié)插入在漸變緩沖層，并與兩側(cè)漸變緩沖層失配，同時(shí)具有應(yīng)力平衡和隧穿效應(yīng)； 5)在所述漸變緩沖層上倒裝生長(zhǎng)第一子電池，其晶格常數(shù)與所述第二、第三子電池失配。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多結(jié)太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述形成的隧穿結(jié)的晶格常數(shù)大于兩側(cè)漸變緩沖層的晶格常數(shù)。
【文檔編號(hào)】H01L31/0725GK104201229SQ201410476796
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】吳超瑜, 畢京鋒, 陳文浚, 林桂江, 宋明輝, 劉冠洲, 王篤祥 申請(qǐng)人:廈門市三安光電科技有限公司