专利名称：新型三结砷化镓太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳电池技术领域，尤其是一种新型三结砷化镓太阳电池。
背景技术：
太阳能具有清洁环保的优点，是一种可再生的能源，光电之间地转换由太阳电池完成，目前较常采用的hfe(Al)PAnGaAS/Ge三结砷化镓太阳电池在聚光或非聚光条件下，都获得了较高的光电转换效率。三结砷化镓太阳电池的结构如图1所示 包括由 AlInP (n+, 35nm) /InGa (Al) P (η/ρ, 520nm) /AlInP (ρ+, 40nm)构成的顶电池、由 AlInP (n+，50nm)/InGaAs (η/ρ，3. 5um) /AlGaAs (ρ+, IOOnm)构成的中电池和由 InGa(Al) P (n+, IOOnm) /Ge (η+, IOOnm) /Ge (ρ+, 170um)构成的底电池；三个电池之间的隧穿结分别由 AlGaAs (p++) -InGa (Al)P (η++)和 GaAs (ρ++) -GaAs (η++)构成。三结砷化镓太阳电池的光谱响应性和转化效率均较高，耐温性也较好，但是 ^!(^(ADPAnGaAs/Ge三结叠层太阳电池为电学串联结构，该结构中的顶电池和中电池短路电流匹配出现矛盾，总电流会受到子电池最小电流的限制，而且现有的太阳电池的整体成本很高，限制了其应用，导致三结砷化镓太阳电池的研制进展越发困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、能有效提高转换效率的新型三结砷化镓太阳电池。本发明采取的技术方案是一种新型三结砷化镓太阳电池，包括顶电池、中电池和底电池，在顶电池和中电池之间以及中电池和底电池之间分别设有一隧穿结，中电池由中电池窗口层、中电池发射区、 中电池本征区、中电池基区和中电池背场层构成，其特征在于所述中电池本征区的总厚度为0. 1 2. 4微米且由多个周期的量子点层/应变补偿层相互叠加构成；每周期的量子点层/应变补偿层中位于下部的量子点层的材料*hxGai_xAs，厚度为1 6个亚单层，位于量子点层上方的应变补偿层的材料为GaNyASl_y，厚度为0. 02 0. 04 微米，所述0.4彡χ彡1,0. 001彡y彡0.5。而且，所述中电池本征区的总厚度为0. 2 2微米，每个量子点层/应变补偿层中的量子点层厚度为1. 82 5. 8个亚单层，应变补偿层厚度为0. 02微米，所述χ为0. 45，所述y为0. 01。而且，所述周期的数量为5 100。而且，所述中电池窗口层的材料为AlzGivzAs,厚度为0. 02 0. 06微米，所述 0. 01 彡 ζ 彡 0. 05。而且，所述ζ为0.04，厚度为0.03微米。而且，所述中电池基区厚度为0.5 2微米。而且，所述中电池发射区厚度为0. 15 0. 5微米。
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本发明的优点和积极效果是本发明中，在中电池本征区中引入量子点结构，形成中间带，利用应变补偿层，使量子点层上的量子点密度达到IO11每平方厘米，整体尺寸均勻，可以有效的利用不同波段的太阳光，使太阳电池的整体电流密度显著增加，提高了电池的转换效率，而且解决了现有三结砷化镓太阳电池顶电池与中电池电流匹配的问题。
图1是本发明的结构示意图；图2是中电池中本征区的结构示意图。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的， 不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。一种新型三结砷化镓太阳电池，如图1 2所示，包括主要由^ifei(Al)P构成的顶电池、中电池和主要由Ge构成的底电池，在顶电池和中电池之间以及中电池和底电池之间分别设有一隧穿结的结构，中电池由中电池窗口层、中电池发射区、中电池本征区、中电池基区和中电池背场层构成，本发明的创新在于中电池本征区的总厚度为0. 1 2.4微米且由多个周期的量子点层/应变补偿层相互叠加构成；每周期的量子点层/应变补偿层中位于下部的量子点层3的材料为InxGi^xAs,厚度为1 6个亚单层，位于量子点层上方的应变补偿层1的材料为GaNyASl_y，厚度为0. 02 0. 04微米，所述0. 4彡χ彡1，0. 001彡y彡0. 05，量子点层上的应变量子点2密度达到IO11 个/平方厘米。 优选方案是中电池本征区的总厚度为0. 2 2微米，每个量子点层/应变补偿层中的量子点层厚度为1. 82 5. 8个亚单层，应变补偿层厚度为0. 02微米，上述周期的数量为 5 100，χ 为 0. 45，y 为 0. 01。本实施例中，中电池窗口层的材料为AlzGEihAs,厚度为0. 02 0. 06微米， 0.01 ^ ζ ^0. 05，优选的方案是z为0. 04，厚度为0. 03微米，中电池基区厚度为0. 5 2 微米，中电池发射区厚度为0. 15 0. 5微米。上述太阳电池采用 MOCVD (Metal-organic Chemical vapor D印osition，金属有机化合物化学气相沉积)工艺制成，制备中涉及低压金属有机化合物化学气相沉积设备或分子束外延(MBE)设备。MOCVD的基本原理是由三族烷基化合物和五族元素的氢化物反应生成，高温下发生裂解反应，于衬底上生成化合物。以GaAs材料生长为例，其它外延材料的基本机理与 GaAs材料相同，反应过程如下TMGa+AsH3 — GaAs+CH4由上式可知，选择合适的三族烷基化合物和五族元素的氢化物，并选则相应的搀杂物便可制作各种材料的PN结构。MOCVD中，反应室压力设定为5000 洸670. OPa,优选6660 13000Pa ；金属有机物为三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMA1)、三甲基铟(TMh)。V族氢化物为高纯AsH3、PH3、NH3, η型掺杂源为吐稀释的硅烷(SiH4)、硒化氢OBe) ；ρ型掺杂源为金属有机物二乙基锌 (DESi)、四氯化碳(CC14)。采用经钯管纯化的H2作为载气，纯度大于99. 99999%，生长温度为450 1100°C之间，优选温度为450 800°C。上述太阳电池的制备方法包括如下步骤1.采用ρ型掺杂的单晶锗(Ge)衬底，厚度为100 200微米，优选厚度为140微米，掺杂浓度为IO17 IO18每立方厘米，作为底电池基区。2.准备设备，进入MOCVD生长。3.在锗衬底上构造锗底电池锗底电池具有η型掺杂的锗底电池发射区和η型掺杂的GaAs底电池窗口层。η型锗底电池发射区厚度为0. 1 0. 3微米，优选0. 25微米，掺杂浓度为IOw IO19每立方厘米；η型GaAs底电池窗口层厚度为0. 1 0. 4微米，优选0. 3 微米，掺杂浓度为IOw IO19每立方厘米。4.生长位于底电池窗口层上部的隧穿结隧穿结包括厚度为0. 01 0. 03微米的 η型掺杂GaAs层和厚度为0. 01 0. 03微米的ρ型掺杂的GaAs层，η型掺杂GaAs层和ρ 型掺杂的GaAs层的优选厚度分别为0. 015微米和0. 015微米，隧穿结掺杂浓度大于IO18 IO20每立方厘米。5.生长位于隧穿结上部的ρ型掺杂的^ifei(Al)P中电池背场层厚度为0. 01 0. 1微米，优选厚度0.05微米，掺杂浓度为IOw IO19每立方厘米，该中电池背场层用于阻止中电池基区的光生电子扩散到底电池。6.生长ρ型掺杂的GaAs中电池基区厚度为0. 5 2微米，掺杂浓度为IO17 IO18每立方厘米，再生长10周期的kfiihAs/GaN/Sh量子点层/应变补偿层作为中电池本征区，10周期的总厚度为0. 1 2. 4微米。7.中电池本征区如图2所示，在每周期的量子点层/应变补偿层中，每个量子点层的材料为LxGiVxAs (铟镓砷)，其中χ为h组分，范围为0. 4彡χ彡1，优选值为0. 45，厚度为1 6个亚单层，优选为1. 82 5. 8个亚单层，每个应变补偿层的材料为GaNyASl_y (镓氮砷)，其中y为N组分，范围为0. 001彡y彡0. 05，优选值为0. 01，厚度为0. 02 0. 04微米，量子点层上的应变量子点密度达到IO11个/平方厘米。8.生长η掺杂的GaAs中电池发射区厚度为0. 15 0. 5微米，优选0. 15微米型， 掺杂浓度为IO17 IO18每立方厘米。9.生长ρ型掺杂的AlzGai_zAs中电池窗口层掺杂浓度为IOw IO19每立方厘米， 其中ζ为Al组分，范围为0. 01 < ζ < 0. 05，优选值为0. 04，厚度为0. 02 0. 06微米，优选厚度为0. 03微米。10.生长位于中电池窗口层上部的隧穿结隧穿结包括厚度为0. 01 0. 03微米的η型掺杂GaAs层和厚度为0. 01 0. 03微米的ρ型掺杂的GaAs层，η型掺杂GaAs层和ρ 型掺杂的GaAs层的优选厚度分别为0. 015微米和0. 015微米，隧穿结掺杂浓度IO18 102° 每立方厘米。11.生长ρ型掺杂^ifei(Al)P顶电池背场层厚度为0. 01 0. 1微米，优选厚度 0. 05微米的，掺杂浓度为IO18 IO19每立方厘米。12.生长ρ型掺杂的^ifei (Al) P顶电池基区厚度为0.4 1.5微米，优选厚度为 1微米的，掺杂浓度为IO17 IOw每立方厘米。
13.生长η型掺杂的^ifei(Al)P顶电池发射区厚度为0. 1 0.5微米，优选厚度为0. 1微米的掺杂浓度为IO17 IO18每立方厘米。14.生长η型AlInP顶电池窗口层厚度为0.03 0.06微米，优选厚度为0.035
微米，掺杂浓度为IOw IO19每立方厘米。15.生长η型GaAs欧姆接触层厚度为0. 1 1微米，掺杂浓度为IOw IO19每立方厘米。16.采用电子束蒸发蒸镀Ti02/Si02减反射膜，并进行电池芯片制作。后期生长包括光刻、蒸发、选择性腐蚀热退火等，太阳电池背面电极为PdAg，正面电极为AuGeNi/Au，通过氙灯太阳模拟器对样品进行短路电流密度分析。本发明中应变补偿量子点的原理在晶格失配外延系统中，采用自组织生长量子点阵列是常用的量子点制备方法。 晶格失配应变是量子点自组织生长的驱动力，材料通过应变弛豫生成量子点，但是系统会仍然存在剩余的应变积累，这会导致位错、缺陷以及岛合并现象出现，引起量子点阵列质量下降。要解决这一问题，可以在生长过程中引入张应变的补偿层来平衡和补偿量子点层的压应变，即所谓的应变补偿。由于GaNAs等稀氮材料的晶格常数小于hGaAs，产生张应变， InGaAs晶格常数大于GaAs，产生压应变。在压应变的InGaAs层上生长张应变的GaNAs层， 能够有效的改善InGaAs量子点的均勻性，使得量子点的密度增加。本发明中，中电池本征区中引入量子点结构，形成中间带，利用GaNAs制成的应变补偿层，使InGaAs制成的量子点层上的量子点密度预期能达到1011，整体尺寸均勻，使太阳电池可以有效的利用不同波段的太阳光，解决了目前hfei(Al)P/InGaAS/Ge三结砷化镓太阳电池中的顶电池与中电池之间电流匹配的问题，无量子点结构中电池的电流密度为 15. 23mA/cm2，本发明的中电池的电流密度预期能达到18. 7mA/cm2左右，鉴于目前hfei(Al) P/InGaAs/Ge三结砷化镓太阳电池的短路电流密度取决于中电池的短路电流密度，因此本发明的三结砷化镓太阳电池整体电流密度会显著增加，这样的结构更好地实现了带隙匹配，从而提高了三结太阳电池的转换效率。目前常用的三结砷化镓太阳电池的转换效率为 30% (AM0，1个太阳光照下)，本发明的转换效率预期能接近40% (AM0，1个太阳光照下)。
权利要求
1.一种新型三结砷化镓太阳电池，包括顶电池、中电池和底电池，在顶电池和中电池之间以及中电池和底电池之间分别设有一隧穿结，中电池由中电池窗口层、中电池发射区、中电池本征区、中电池基区和中电池背场层构成，其特征在于所述中电池本征区的总厚度为 0. 1 2. 4微米且由多个周期的量子点层/应变补偿层相互叠加构成；每周期的量子点层/应变补偿层中位于下部的量子点层的材料为^ixGahAs,厚度为 1 6个亚单层，位于量子点层上方的应变补偿层的材料为GaNyASl_y，厚度为0. 02 0. 04 微米，所述0.4彡χ彡1,0. 001彡y彡0.5。
2.根据权利要求1所述的新型三结砷化镓太阳电池，其特征在于所述中电池本征区的总厚度为0. 2 2微米，每个量子点层/应变补偿层中的量子点层厚度为1. 82 5. 8个亚单层，应变补偿层厚度为0. 02微米，所述χ为0. 45，所述y为0. 01。
3.根据权利要求1或2所述的新型三结砷化镓太阳电池，其特征在于所述周期的数量为5 100。
4.根据权利要求1或2所述的新型三结砷化镓太阳电池，其特征在于所述中电池窗口层的材料为AlzGa1=As,厚度为0. 02 0. 06微米，所述0. 01彡ζ彡0. 05。
5.根据权利要求4所述的新型三结砷化镓太阳电池，其特征在于所述ζ为0.04，厚度为0. 03微米。
6.根据权利要求1或2所述的新型三结砷化镓太阳电池，其特征在于所述中电池基区厚度为0.5 2微米。
7.根据权利要求1或2所述的新型三结砷化镓太阳电池，其特征在于所述中电池发射区厚度为0. 15 0. 5微米。
全文摘要
本发明涉及一种新型三结砷化镓太阳电池，所述中电池本征区的总厚度为0.1～2.4微米且由多个周期的量子点层/应变补偿层相互叠加构成；每周期的量子点层/应变补偿层中位于下部的量子点层的材料为InxGa1-xAs，厚度为1～6个亚单层，位于量子点层上方的应变补偿层的材料为GaNyAs1-y，厚度为0.02～0.04微米，所述0.4≤x≤1，0.001≤y≤0.5。本发明中，在中电池本征区中引入量子点结构，形成中间带，利用应变补偿层，使量子点层上的量子点密度达到1011每平方厘米，整体尺寸均匀，可以有效的利用不同波段的太阳光，使太阳电池的整体电流密度显著增加，提高了电池的转换效率。
文档编号H01L31/0352GK102339890SQ20111029526
公开日2012年2月1日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者刘如彬, 孙强, 康培, 张启明, 王帅, 穆杰 申请人:天津蓝天太阳科技有限公司