专利名称：一种高效单片式四结太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电领域的太阳能电池,特别是一种高效单片式四结太 阳电池。
背景技术：
对太阳电池来说，可利用的太阳光谱波长为300 1000nm，单结的太阳电池 只能覆盖及利用某一波长范围的阳光，为了充分利用太阳光不同波段的光子能 量，提高太阳电池的光电转换效率， 一般设法将多种不同带隙的半导体材料搭 配，组成多结太阳电池。理论计算表明，叠层电池的各子电池短路电流越接近(匹 配程度越高)，对光谱的利用程度也就越高，对于叠层电池的数量等于或高于三 结时，最高效率材料组合均需要带隙在1. OeV附近的材料来满足电流匹配条件， 遗憾的是迄今为止未找到同时满足晶格匹配和电流匹配的多结太阳电池组合。
目前，美国波音公司子公司Spectrolab研制的晶格匹配GalnP/GaAs/Ge三 结太阳电池在无聚光条件下光电转换效率最大达32% (AM1.5D， 25°C)，已接近 实验所能达到的最高效率。在晶格匹配的GalnP/GaAs/Ge三结太阳电池中，Ge 底电池带隙为0.661， AM1.5D条件下，由细致平衡理论计算表明，若考虑实际 工作状态(即Ge电池厚度 170nm，仅能吸收能量小于1. 42eV的光子)，则 其光电流密度Jph^27. 0mA/cm2，为GalnP/GaAs/Ge三结叠层太阳电池光电流的 两倍，而多结电池的工作电流由各子电池中短路电流最小的电池决定，因此电 流不匹配使得Ge底电池效率降低。
发明内容
为解决现有三结太阳电池对太阳光谱利用效率不高的缺点，本发明旨在提
出一种高效单片式四结太阳电池，通过在Ge电池和GaAs电池中插入应变补偿 GaAsP/GalnAs超晶格电池，在不改变多结电池光电流密度的情况下增加一结电 池，使得电池的光电转换效率大大提高，且多结电池的各子电池电流更加匹配。
本发明解决其技术问题所采用的方案是 一种高效单片式四结太阳电池， 第一结电池是Ge电池，第三结电池是GalnAs电池，第四结电池是GalnP电池， 其特征是:Ge电池和GalnAs电池之间设有第二结电池是应变补偿GaAsP/GalnAs 超晶格电池；上述四个子电池由三个AlGaAs/GalnP隧穿结连接构成单片式串联 结构，各乎电池及其之间的隧穿结均与衬底实现晶格匹配，第一、第二和第三 结子电池短路电流相等，第四结电池短路电流大于前三结电池的短路电流。
本发明的应变补偿GaAsP/GalnAs超晶格中电池的等效晶格常数为5. 65 A 5.66 A，优选值为5.658 A;等效带隙为0. 9eV 1. leV，优选值为1.02eV。应 变补偿GaAsP/GalnAs超晶格势垒层GaAsP的厚度为3 6nm。 GalnAs电池的In 组份为0 0.013，优选值为O.Ol。 GalnP电池的带隙大于L 86eV。
本发明提供的高效率单片式四结太阳电池，具体它包括四结子电池以及连接 各子电池的隧穿结,所述第一结电池是Ge p-n结电池，所述第二结电池是p-i-n 应变补偿GaAsP/GalnAs超晶格电池，所述第三结电池是GaInAs p-n电池，所 述第四结电池是GalnP p-n电池，所述隧穿结为AlGaAs/GalnP隧穿结，各子电 池及其间的隧穿结直接在Ge衬底上在MOVPE系统中生长而成。
上述第一结Ge电池构建在p型Ge衬底上，p-Ge基区掺杂浓度为1X 1017cm—3 IX 1018cnT3, n型发射区通过MOPVE系统PHa中的P扩散获得，发射区厚度约0. 3线掺杂浓度为5X 1018cm—3 2X 1019cm3。
上述四结子电池之间都有一层p型高掺杂的AlGaAs和n型高掺杂的GalnP 组成的隧穿结，隧穿结各层厚度为10 15mn，掺杂浓度lX1019cnT3 2X102°cm3。
上述第一结电池和隧穿结之间有一层n型GaAs缓冲层。
上述中间电池生长在n型GaAs缓冲层之上，中间电池的基区由与GaAs缓冲 层应变补偿的GaAsP/GalnAs超晶格组成，GaAsP/GalnAs超晶格的有效带隙根据 GalnAs中In的组分调整在1. 02eV附近，确定了 GalnAs的组分和厚度之后，通 过选择GaAsP势垒的组分和厚度可以使得整个超晶格等效晶格常数<">与GaAs 远衝。室温下GalnAs的带微与In的组分的关系、以及上逑等效晶格常数的计 算公式如下
五g一1.42-1.4 +0.43V (司 (1)
其中，^^为GalnAs带隙，^为In的组分，^和"^^分别为GalnAs量子阱 的厚度和晶格常数，^和a^分别为GaAsP势垒厚度和晶格常数。GalnAs的晶 格常数"^^随In组分的变化关系，以及GaAsP的晶格常数^^随As组分的变 化关系计算公式如下(单位A)-
"cw油=5細+ 0.405& (3) "Ga > =5.4505+0.20275^ (4) 中电池基区由p型GaAsP/GalnAs超晶格组成，掺杂浓度为lX1016cm—3 lX1017cm—3;中电池发射区由n型GaAs组成，掺杂浓度1X 1018cm—3 5X 1018cm—3。 上述第三结电池是GalnAs电池，GalnAs中的In组分在0. 08 0. 013之间， 优选值为0. 01， p型GalnAs基区掺杂浓度为1X 1017cm—3 6X 1017cm—3， n型GalnAs发射区掺杂浓度IX 1018cm—3 3X 10lsCnT3。
上述第四结电池是GalnP电池，GalnP电池的带隙为1. 86eV l. 9eV， p型 GalnP基区掺杂浓度为lX1016cm3 lX1017cm—3， n型GalnP发射区掺杂浓度 5X1017cnr3 lX10lscnT3。
上述第二结电池、第三结电池和第四结电池的材料结构和带隙可根据电池 工作条件调整以便满足晶格匹配和电流匹配条件。例如在AM1.5D， 25'C条件下， 由细致平衡理论计算可得，当第二结电池基区由5.2咖厚的GaAs。jP。25和5n辺 厚的Ga。.7In。.3AS超晶格组成时，有效带隙约为1.02eV;第三结电池选用Ga。.99 In。。:As带隙为1.405eV;顶电池GalnP带隙选用1. 86eV，这时四结电池的短路 光电流密度L为13. 55mA/cm2，在AMI. 5D光谱下的理想效率达45%。
本发明使用应变补偿或超晶格结构构造晶格匹配、电流匹配程度较高的四 结太阳电池；本发明的四结太阳电池具有更高光电转换效率，在AM1.5D， 25'C 条件下，由细致平衡理论计算可得晶格匹配、电流匹配三结太阳电池理想效率 为45%，而目前广泛研究的晶格匹配GalnP/GalnAs/Ge三结叠层太阳电池，相 同条件下计算得到的理想效率仅为40%。
图l是本发明单片式四结太阳电池的结构示意图。
图中-
100:锗衬底； 110:第一结锗电池；
200:缓冲层； 210:第一和第二结电池的隧穿结；
300:第二结超晶格电池； 400:第二和第三结电池的隧穿结;
500:第三结GalnAs电池； 600:第三和第四结电池的隧穿结；700: GaAs盖帽层； 800:减反射膜。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图l所示的一种高效单片式四结太阳电池，第一结电池是Ge电池，第三结 电池是GalnAs电池，第四结电池是GalnP电池，Ge电池和GalnAs电池之间设 有第二结电池是应变补偿GaAsP/GalnAs超晶格电池；上述四个子电池由三个 AlGaAs/GalnP隧穿结连接构成单片式串联结构，各子电池及其之间的隧穿结均 与衬底实现晶格匹配，第一、第二和第三结子电池短路电流相等，第四结电池 短路电流大于前三结电池的短路电流
本发明的一种高效单片式四结太阳电池，其制备主要包括下列步骤-来用p型掺杂的单晶锗衬底100，厚度为150 m、掺杂浓度为6X 1017cnf3，
作为第一结电池的基区。
进入MOCVD生长，在锗衬底IOO上构造第一结锗电池IIO，锗电池110具有 n型锗发射层和GalnP2窗口层，n型锗发射层通过磷扩散得到，其厚度为0. 25 "m、掺杂浓度为1X 1019cm—3; n型GaInP2窗口层厚度0. 3 u m，其晶格常数与 GaAs fl紀，掺杂浓度为1X 1018cnf3。
生长0.5ym厚的n型GaAs缓冲层200，为后续电池生长做准备，缓冲层掺 杂浓度为lX10"cm3。
生长第一结电池和第二结电池的隧穿结210,隧穿结210包括简并n型掺杂 浓度为5X1019cm—3、厚度为0.015um的GalnP2层和p型掺杂为5X1019cm—3、厚 度为0. 015 ix m的Al。.3Gao.3As层。
生长0. 05 u m厚、p型掺杂浓度为1X 10lscm—3的Al。.3Gao.7As层300，作为中间电池的背场，阻止中电池基区的光生电子扩散到底电池。
生长100周期p型掺杂浓度为1X 10ieCm 3的应变补偿GaAsP/GalnAs超晶格 310，构成中间电池的基区；紧接着生长0.2ix瓜厚、n型掺杂浓度为2X10"cnf3 的GaAs层作为第二结电池发射区320，从而获得第二结电池。
生长0. 06微米厚的n型AlInP2层330，作为第二结电池的窗口层，AlInP2窗 口层晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度为5Xl(Tcnf3。
生长第二结电池和第三结电池的隧穿结400,隧穿结400包括简并n型掺杂 浓度为5X1019cm—3、厚度为0.015um的GalnP2层和p型掺杂为5Xl(A:m—3、厚 度为0. 015 u m的Al。.3Ga0.3As层。
生长第三结电池500，第三结电池500具有背场层，电池基区层、发射层和 窗口层。背场层是Al。.3Gao.7As层，厚度0.05um、 p型掺杂浓度为1X 1018cnT3; 第三结电池基区是Ga。.99In。.MAs层，厚度3uni、 p型掺杂浓度为2X 10l7cra—3的, 第三结电池发射区是 GaAs 层， 厚度0.1wm、 n型掺杂浓度为2X10^m—3;第三 结电池的窗口层是AlInP2层，厚度0.06um， n型掺杂浓度为5X 10iscnf3，晶格 常数与Ge匹配。
生长第三结电池和第四结电池的隧穿结600，隧穿结600包括简并n型掺杂 浓度为5X1019cm—3、厚度为0.015uffl的GalnP2层和p型掺杂为5Xl(TcnT3、厚 度为0.015um的Al。.3Ga。.3As层。
生长第西结电池600，第四结电池600具有背场层，电池基区层、发射层和 窗口层。第四结电池背场层是AlGalnP层，厚度为0.07lim、 p型掺杂浓度为 5X 1017cnT3;第四结电池基区是Gal必层，厚度0. 7 n m、p型掺杂浓度为1X 10"cnT3 的；第四结电池发射区是GalnP2层，厚度0. 1 y m、 n型掺杂浓度为1X 1018cnT3; 第四结电池的窗口层是AlInP2层，厚度0.06ym， n型掺杂浓度为5X 1018cnT3,晶格常数与Ge匹配。
生长0.5ixm厚、n型为5 X10"cm^的GaAs盖帽层700，作为欧姆接触层。
蒸镀减反射膜800并进行后续电池芯片制作。
权利要求
1. 一种高效单片式四结太阳电池，第一结电池是Ge电池，第三结电池是GaInAs电池，第四结电池是GaInP电池，其特征是Ge电池和GaInAs电池之间设有第二结电池是应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池；上述四个子电池由三个AlGaAs/GaInP隧穿结连接构成单片式串联结构，各子电池及其之间的隧穿结均与衬底实现晶格匹配，第一、第二和第三结子电池短路电流相等，第四结电池短路电流大于前三结电池的短路电流。
2. 如权利要求l所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于应变补偿 GaAsP/GalnAs超晶格中电池的等效晶格常数为5. 65 A 5. 66 A;等效带隙为 0.9eV 1. leV。
3. 如权利要求l所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于应变补偿 GaAsP/GalnAs超晶格势垒层GaAsP的厚度为3 6nm。
4. 如权利要求2或3所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于应变 补偿GaAsP/GalnAs超晶格中电池的等效晶格常数为5.658 A，等效带隙为 1.02eV。
5. 如权利要求l所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于GalnAs电 池的In组份为0 0.013。
6. 如权利要求1所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于GalnAs电 池的In组份优选值为0.01。
7. 如权利要求l所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于GalnP电 池的带隙大于1. 86eV。
全文摘要
本发明公开的一种高效单片式四结太阳电池，第一结电池是Ge电池，第三结电池是GaInAs电池，第四结电池是GaInP电池，Ge电池和GaInAs电池之间设有第二结电池是应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池；上述四个子电池由三个AlGaAs/GaInP隧穿结连接构成单片式串联结构，各子电池及其之间的隧穿结均与衬底实现晶格匹配，第一、第二和第三结子电池短路电流相等，第四结电池短路电流夫于前三结电池的短路电流。通过在Ge电池和GaAs电池中插入应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池，在不改变多结电池光电流密度的情况下增加一结电池，且多结电池的各子电池电流更加匹配，使得电池的光电转换效率大大提高。
文档编号H01L31/0328GK101533863SQ20091001987
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者吴志强, 林桂江, 黄生荣 申请人:厦门市三安光电科技有限公司