一種基于稀鉍磷化物的中間帶太陽能電池結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于中間帶的太陽能電池，特別涉及一種采用稀鉍磷化物作為中間帶的新型高效太陽能電池結(jié)構(gòu)。屬于半導(dǎo)體光電材料制備領(lǐng)域
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今世界能源問題是世界各國面臨的重要問題。目前人類的能源獲得方式主要依靠石油和煤炭，滿足人類各種不同需要，但其在使用過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響；更為重要的是，以石油和煤炭目前查明的勘探總量來說，地球再過大約200年，地球上的石油和煤炭都將耗盡，人類將面臨無能源可用的局面。一種可再生的、環(huán)境友好型的能量產(chǎn)生方式是目前世界各國急切解決的問題。太陽能電池是可以將太陽光的能量儲(chǔ)存起來的裝置。其在電量儲(chǔ)存過程不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染，因此是一種十分環(huán)保的獲得能源的方式。而太陽能本身對(duì)人類來說可謂用之不竭，因此太陽能電池是極其好的下一代能源解決方法。對(duì)于太陽能電池來說，最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換效率。為了克服肖克利-奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit)的限制，即單節(jié)型太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率最高僅能達(dá)到33% ( 一個(gè)太陽)或者40.7% (聚光條件下)，各國科研人員開發(fā)了多種新穎的太陽能電池結(jié)構(gòu)。其中，通過在半導(dǎo)體的帶隙內(nèi)加入一個(gè)或多個(gè)中間帶，從而形成中間帶結(jié)構(gòu)的太陽能電池，以其理論上63.1%的轉(zhuǎn)換效率以及較簡單的結(jié)構(gòu)獲得了廣泛關(guān)注(A.Luque&A.Marti, Phys.Rev.Lett.78，5014(1997))。
[0003]在中間帶太陽能電池中，存在兩種光生電流機(jī)制:能量大于或等于半導(dǎo)體帶隙的光子被吸收，激發(fā)電子從價(jià)帶躍迀至導(dǎo)帶；能量較低的光子則激發(fā)價(jià)帶上的電子躍迀至中間帶，然后再從中間帶躍迀至導(dǎo)帶。中間帶的存在使得太陽光中更多低能量的光子被吸收，從而提高了電池的轉(zhuǎn)換效率。圖1是理論計(jì)算得到的中間帶太陽能電池效率隨低能級(jí)躍迀能量的變化，上面一條帶有數(shù)字曲線為高能級(jí)躍迀能量，從圖中可以清晰的看出，中間帶太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單帶隙太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，并且在較寬的能帶范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率超過 60 %。[單位:eV ;取自 A.Luqueet al.Nat.Photonics 6, 146 (2012)]
[0004]常規(guī)的中間帶太陽能電池采用量子點(diǎn)能級(jí)作為中間帶。比如在GaAs基上生長晶格匹配的InGaP或者AlGaAs太陽能電池上實(shí)現(xiàn)中間帶能級(jí)通常在材料生長中插入多層InAs量子點(diǎn)，為能夠成功實(shí)現(xiàn)中間帶能級(jí)，要求每一層InAs量子點(diǎn)的密度很高，另外，InAs量子點(diǎn)層數(shù)越多，太陽能電池對(duì)太陽光的吸收率也會(huì)提高，因此需要多層的InAs量子點(diǎn)。但由于GaAs和InAs之間存在7.2%的晶格失配度，當(dāng)量子點(diǎn)層數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，由失配導(dǎo)致的應(yīng)變能會(huì)得到極大釋放，在材料中產(chǎn)生大量位錯(cuò)，使得材料性質(zhì)急劇惡化。目前雖然在太陽能電池中采用應(yīng)變補(bǔ)償勢(shì)皇技術(shù)，比如采用AlGaNAs或InGaP材料可以增加InAs量子點(diǎn)層數(shù)，但為避免相鄰兩層量子點(diǎn)之間的失配對(duì)材料質(zhì)量的影響，要求相鄰兩層量子點(diǎn)間厚度至少20納米，如此大的層間厚度導(dǎo)致層間電子隧穿無法實(shí)現(xiàn)，因此目前基于量子點(diǎn)的中間帶太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率還遠(yuǎn)未達(dá)到理論的預(yù)期。開發(fā)無應(yīng)變或低應(yīng)變中間帶材料，是實(shí)現(xiàn)高效率中間帶太陽能電池的關(guān)鍵，也從而形成為本發(fā)明的構(gòu)思。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于稀鉍磷化物的中間帶太陽能電池結(jié)構(gòu)
[0006]目前常規(guī)中間帶太陽能電池多采用量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，而量子點(diǎn)中間帶由于受到材料失配的限制導(dǎo)致基于量子點(diǎn)中間帶的太陽能電池效率遠(yuǎn)未達(dá)到理論預(yù)期?；诖耍景l(fā)明提供一種基于稀鉍磷化物材料的中間帶太陽能電池，所述的中間帶材料具有0.5-1.0eV寬范圍連續(xù)可調(diào)的雜質(zhì)能帶，可以滿足理論預(yù)期的60%以上的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)材料引入的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前普遍采用的以量子點(diǎn)作為中間帶材料的方法，容易通過應(yīng)變補(bǔ)償或調(diào)控實(shí)現(xiàn)零應(yīng)變，從而增加吸收區(qū)厚度，提高電池效率。
[0007]本發(fā)明公開一種基于稀鉍磷化物材料的中間帶太陽能電池結(jié)構(gòu)，所述太陽能電池結(jié)構(gòu)包括襯底；形成于所述襯底上的下?lián)诫s層；形成于所述下?lián)诫s質(zhì)層上的吸收層；形成于所述吸收層上的上摻雜層；以及用于電能輸出的上下電極。
[0008]優(yōu)選地，所述的襯底可以是II1-V族、I1-VI族或IV族襯底。
[0009]優(yōu)選地，所述上下?lián)诫s層可以是II1-V族、I1-VI族或IV族材料以及它們組成的異質(zhì)結(jié)。
[0010]優(yōu)選地，所述上下?lián)诫s層可以是上摻雜層為η型下?lián)诫s層為P型，或者上摻雜層為P型下?lián)诫s層為η型，下?lián)诫s層生長在襯底上，每層厚度在0.2-2微米。
[0011 ] 優(yōu)選地，上電極做在上摻雜層上面，下電極做在襯底背面，或者通過腐蝕后做在下?lián)诫s層上面。
[0012]優(yōu)選的，所述吸收層材料為含有由鉍原子產(chǎn)生的中間帶。
[0013]優(yōu)選的，所述吸收層材料包含摻鉍原子的磷化物單晶，包括Α1Ρ、GaP, InP以及它們的三元和四元組合，秘的原子百分比為0.5%?10%。
[0014]優(yōu)選地，所述的吸收層材料可以是摻鉍磷化物和非磷化物組成的異質(zhì)結(jié)，包括量子阱、量子點(diǎn)和超晶格。
[0015]由此可見，本發(fā)明公開了一種基于稀鉍磷化物材料的中間帶太陽能電池結(jié)構(gòu)通過在磷化物中摻入少量鉍原子，在磷化物禁帶內(nèi)產(chǎn)生新的雜質(zhì)能帶，雜質(zhì)能帶與磷化物導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊距離可通過改變磷化物中Al、Ga、In元素組分來調(diào)控，并在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)理論預(yù)期的60%以上的光電轉(zhuǎn)換效率。鉍原子引起的雜質(zhì)能帶在室溫下有很強(qiáng)的光致發(fā)光，證明材料內(nèi)非福射復(fù)合較少，有利于制作太陽能器件。這種新型中間帶太陽能電池結(jié)構(gòu)可采用常規(guī)分子束外延、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積等多種方法進(jìn)行生長。與常規(guī)的采用量子點(diǎn)作為中間帶的技術(shù)方案相比，在本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)中應(yīng)變較小，容易補(bǔ)償或調(diào)控，從而增加吸收區(qū)厚度以達(dá)到對(duì)相應(yīng)波段太陽光的充分吸收，提高轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說明】
[0016]圖1理論計(jì)算得到的中間帶太陽能電池效率隨低能級(jí)躍迀能量的變化。
[0017]圖2為一種基于稀鉍磷化物的中間帶太陽能電池結(jié)構(gòu)圖；圖中，
[0018]10:上電極20:上摻雜層30吸收層40:下?lián)诫s層
[0019]50:襯底 60:下電極。
[0020]圖3為一種基于稀鉍磷化物的中間帶太陽能電池結(jié)構(gòu)能帶示意圖；其中Eg為吸收層材料的禁帶寬度；從價(jià)帶到中間帶為低能隙^，從中間帶到導(dǎo)帶為高能隙Eh，兩者之和為禁帶寬度Eg;EFjPEFV分別為導(dǎo)帶和價(jià)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，是半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)電子和空穴所在的能級(jí)。
[0021]圖4 為 InPBi 薄膜室溫光致發(fā)光譜(Y.Gu et al.Nanoscale Res.Lett.9，24(2014))，從光致發(fā)光譜圖中可以看出不同鉍組分的InPBi能夠吸收0.5-1.0eV的光，因此通過調(diào)節(jié)InPBi材料中的Bi組分可以制備0.5-1.0eV連續(xù)可調(diào)的中間帶。。
[0022]圖5為一種InP基晶格匹配中間帶高效太陽能電池結(jié)構(gòu)
[0023]元件標(biāo)號(hào)說明
[0024]上電極10
[0025]P 型上摻雜層 AlGaAsSb20
[0026]吸收層AlGaAsSb/InPBi 10 周期 30
[0027]η 型下?lián)诫s層 AlGaAsSb40
[0028]襯底50
[0029]下電極60
[0030]圖6為一種GaAs基應(yīng)變補(bǔ)償中間帶高效太陽能電池結(jié)構(gòu)。
[0031]元件標(biāo)號(hào)說明
[0032]上電極10
[0033]P 型上摻雜層 In。.5 (AlGa)。.5Ρ20
[0034]吸收層InAlGaP/InPBi 30 周期30
[0035]η 型下?lián)诫s層 In。.5 (AlGa)a5P40
[0036]GaAs 襯底50
[0037]下電極60
【具體實(shí)施方式】
[0038]以下通過特定的實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同設(shè)備和不同實(shí)際狀態(tài)，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0039]實(shí)施例1:ΙηΡ基晶格匹配中間帶高效太陽能電池
[0040]在InP中摻入1.0%原子百分比的鉍形成的InPa99Biatll單晶薄