多结太阳能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种多结太阳能电池，至少包括一底子电池和一位于所述底电池之上的顶子电池，所述顶子电池仅形成于所述底子电池的部分表面上以减少顶子电池的受光面积，当光线入射至该多结太阳能电池时，部分光线直接由顶子电池下面的其余子电池吸收，降低所述顶子电池的电流。
【专利说明】多结太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于化合物半导体太阳能电池领域，具体涉及一种多结太阳能电池结构及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能电池是一种利用光生伏特效应，将太阳能转化成电能的半导体器件，由一 p 型及η型半导体组合而成。当太阳光照射到器件时，能量大于半导体能隙的太阳光会被吸 收，而使得半导体器件产生电子空穴对，接通后即形成电流。
[0003] 图1为太阳辐射光谱图，波长主要分布范围从0. 3微米的紫外光到数微米的红外 光，换算成光子能量，大约从0.4 eV到4 eV。为了能够更多吸收太阳光能量，多结太阳能电 池被提出来，其将具有不同能隙的半导体元件堆叠在一起，如此可利用多种不同能隙的半 导体材料层分别吸收不同能量的太阳光以增进光电转换效率。虽然以此种方式可增加能量 吸收的带宽，但由于不同能隙的半导体材料层叠合在一起，顶层太阳能电池与底层太阳能 电池各自产生的电流密度差异过大，此电流不匹配性，将导致整个元件光电转换效率减低， 因此如何降低电流不匹配性是一个重要的议题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可降低电流不匹配性进而提高光电转换效率的多结太 阳能电池结构及其制备方法，其通过减少顶子电池的受光面积，降低顶子电池的电流，并将 剩余的光留给下面的子电池来吸收，提高下面子电池的电流，最终达到多结子电池的电流 匹配，从而实现多结电池效率的最优化。
[0005] 根据本发明的第一个方面，一种多结太阳能电池，至少包括一底子电池和一位于 所述底电池之上的顶子电池，所述顶子电池仅形成于所述底子电池的部分表面上以减少顶 子电池的受光面积，当光线入射至该多结太阳能电池时，部分光线直接由顶子电池下面的 其余子电池吸收，降低所述顶子电池的电流。
[0006] 在一些实施例中，所述顶子电池的表面积占底子电池的709Γ99%。
[0007] 在一些实施例中，所述顶子电池具有沟槽图形，露出其下方子电池的表面，当光线 入射至该沟槽图形时，由沟槽下方的子电池直接吸收。较佳的，所述沟槽图形的面积占总面 积的19Γ30%。较佳的，所述沟槽图形的深度不大于所述顶子电池的厚度。
[0008] 在一些实施例中，所述的多结太阳能电池包括三结子电池，其从下到上分别为Ge 第一子电池、GaAs第二子电池，GalnP第三子电池，其中所述第三子电池仅形成于第二子电 池的部分表面上，所述第二子电池露出部分表面，当光线入射至该露出部分表面时直接由 第二子电池吸收。较佳的，所述顶子电池的面积占中子电池的959Γ99%。
[0009] 在一些实施例中，所述的多结太阳能电池包括四结子电池，其从下到上分别为Ge 第一子电池、InGaAs第二子电池、InGaAsP或AlInGaAs第三子电池、AlInGaP第四子电池， 其中所述第四子电池仅形成于第三子电池的部分表面上，所述第三子电池露出部分表面， 当光线入射至该露出部分表面时直接由第三子电池吸收。
[0010] 根据本发明的第二个方面，一种多结太阳能电池的制备方法，包括依次沉积外延 叠层，其包括一底子电池和一位于所述底电池之上的顶子电池，其特征在于：仅在所述底子 电池的部分表面上形成顶子电池，以减少顶子电池的受光面积，当光线入射至该多结太阳 能电池时，部分光线直接由顶子电池下面的其余子电池吸收，降低所述顶子电池的电流。 [0011] 在一些实施例中，所述多结太阳能电池的制备方法，包括步骤：提供一衬底，在其 上依次形成各结子电池，其至少包括底子电池和位于所述底子电池之上的顶子电池；在所 述顶子电池形成沟槽图形，露出其下方子电池的表面，当光线入射至该沟槽图形时，由沟槽 下方的子电池直接吸收。较佳的，所述形成的沟槽图形的面积占总面积的19Γ30%。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为太阳辐射光谱图。
[0013] 图2为本发明第一实施例三结太阳能电池的侧面剖视图。
[0014] 图3为图2所示三结太阳能电池的光吸收示意图。
[0015] 图4为图2所示三结太阳能电池的沟槽图形。
[0016] 图5为GalnP子电池的光谱响应曲线图。
[0017] 图6为GaAs子电池的光谱响应曲线图。
[0018] 图7为本发明第二实施例四结太阳能电池的侧面剖视图。
[0019] 图8~11显示了本发明第二实施例四结太阳能电池制作过程中的结构剖视图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明之多结太阳能电池通过减少顶子电池的受光面积，降低顶子电池的电流， 并将剩余的光留给下面的子电池来吸收，提高下面子电池的电流，最终达到多结子电池的 电流匹配，其可适用了任意多结电池，如GalnP / GaAs双结电池、GalnP / GaAs / Ge晶 格匹配三结电池、GalnP/ InGaAs / InGaAs 三结电池、AlGalnP / InGaAsP / InGaAs / Ge 四结电池、GalnP / InGaAs / InGaAs / InGaAs 四结电池、GalnP / InGaAs / InGaNAsSb / Ge四结电池、AlGalnP / AlGaAs / GaAs / InGaNAs / Ge五结电池等。一般情况下，多 结太阳能电池下面子电池的限流值为5% ~ 20%，故顶电池的的受光面积可以限定为总面积 的709Γ97%。下面结合具体实施例对本发明的实施方式做详细说明。
[0021] 图2显示了本发明第一实施例GalnP / GaAs / Ge三结太阳能电池100的侧面剖 视图。
[0022] 请参看图2,三结太阳能电池100,包括p型Ge衬底110，Ge第一子电池120，GaAs 第二子电池130，GaInP第三子电池140。一般的，第一、第二子电池之间、第二、第三子电池 之间分别通过隧道结连接（图中未示出）。其中GalnP第三子电池140具有沟槽图形150,其 露出其下方GaAs第二子电池130的部分表面130a。请参看附图3,当太阳能电池置于太阳 光环境中，光线L A入射至第三子电池140的表面，由第三子电池吸收，光线LB入射至该沟槽 图形时，直接由沟槽下方的GaAs第二子电池130吸收。
[0023] 请参看附图4,沟槽图形150可以由一系列彼此平行的沟槽组成，也可以由一系列 彼此交叉的沟槽组成，还可以为一列系规则排列的圆形或方形的沟槽组成。较佳的，还可在 沟槽图形150内填充透光性介电材料，如氮化硅、氧化硅等，保护第二子电池的同时保证第 三子电池物理结构的完整性。
[0024] 请参看附图5和6,其中图5显示了 GalnP子电池的光谱响应曲线，图6显示了 GaAs子电池的光谱响应曲线，从图中可看出，GalnP子电池对300nnT680nm波段光的光谱响 应高于GaAs第二子电池，而一般GalnP/GaAs/Ge三结太阳能电池中第二子电池限流5%，因 此沟槽图案的面积小于电池总面积的5%即可，一般为面积占比取95%~99%，较佳的取97%。
[0025] 图7显示了本发明第二实施例AlGalnP / InGaAsP / InGaAs / Ge四结太阳能电 池200的侧面剖视图。
[0026] 请参看附图7,四结太阳能电池200,包括p型Ge衬底210, Ge第一子电池220, p 型InGaAs应力渐变层230, InGaAs第二子电池240, InGaAsP第三子电池250和AlInGaP第 四子电池260,其中各结子电池之间通过一 n++-GaAs/p++-GaAs隧道结连接（图中未示出）。 其中AlGalnP第四子电池260具有沟槽图形270,其露出其下方InGaAsP第三子电池250的 部分表面250a。下面结合制备方法对本实施例作详细说明。
[0027] 首先，在M0CVD反应室沉积各结子电池的外延叠层，其包括生长第一子电池220、 第二子电池240、第三子电池250及第四子电池260。具体如下： 1) 在P型Ge衬底210外延生长η型Gaa 5Ιηα 5P窗口层，掺杂浓度5E18/cm3,形成Ge第 一子电池220 ; 2) 在Ge第一子电池220上外延生长p型InGaAs应力渐变层230,保持TMGa流量不 变，使In组分从0渐变到0. 17,变化方式为阶梯型渐变，In组分每0. 02左右为一阶梯，共 9层，每一阶梯生长250nm ; 3) 在p型InGaAs应力渐变层230上外延生长带隙为1. 2eV的InGaAs第二子电池 240,首先生长20nm的p型AlInGaAs背场层，再生长3Mm厚，掺杂浓度为1 X 1017 cm-3的p型 InQ. 17GaQ.83As基区，再生长200nm厚，掺杂浓度为2X 1018cm_3的η型InQ.17Ga Q.83As发射层，最 后生长50nm厚1 X 1018cnT3的η型InGaP窗口层； 4) 在InGaAs第二子电池240上外延生长带隙为1. 55eV的InGaAsP第三子电 池250,首先生长20nm的p型AlInGaAs背场层，再生长3Mm厚，掺杂浓度为1 X 1017 cm_3的p型基区，再生长300nm厚，掺杂浓度为2X1018cm_3的η型 发射层，最后生长50nm厚IX 1018cnT3的η型AllnP窗口层； 5) 在InGaAsP第三子电池250上外延生长带隙为1. 85eV的AlInGaP第四子电池260， 首先生长l〇〇nm的p型InAlGaAs背场层，再生长600nm厚，掺杂浓度为6 X 1016 cm-3的p型 AlInGaP基区，再生长150nm厚，掺杂浓度为5X1018cm_3的η型AlInGaP发射层，最后生长 50nm 厚 5X1018cm3 的η型AllnP 窗口层，从而在 Ge衬底上完成 AlGalnP /InGaAsP/ InGaAs/ Ge晶格失配四结太阳能电池，其侧面剖视图如图8所示。
[0028] 其次，在AlInGaP第四子电池260上形成沟图形270,露出其下方InGaAsP第三子 电池250的部分表面250a。具体如下：请参看附图9,使用光刻工艺，在AlInGaP第四子电池 260表面制作光刻图形280;然后采用化学蚀刻去除没有光刻胶保护的AlGalnP第四子电池 260,形成沟槽270,如图10所示；去除四结电池上的光刻胶280,最终获得沟槽式AlGalnP/ InGaAsP/ InGaAs/Ge晶格失配四结电池，如图11所示。
[0029] 在本实施例中，分别制作了两种样品，对两样品的外量子效率进行测试，两样品均 为AlGalnP/InGaAsP/ InGaAs/Ge四结太阳能电池，其中样品1的第四子电池260完全覆盖 第三子电池250,即没有沟槽图案，样品2的第四子电池260仅覆盖第三子电池250的部分 表面，即设有沟槽图案(面积约20%)，露出部分第三子电池250的部分表面。测试结果如下 表：
【权利要求】
1. 多结太阳能电池，至少包括一底子电池和一位于所述底电池之上的顶子电池，所述 顶子电池仅形成于所述底子电池的部分表面上以减少顶子电池的受光面积，当光线入射至 该多结太阳能电池时，部分光线直接由顶子电池下面的其余子电池吸收，降低所述顶子电 池的电流。
2. 根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述顶子电池的表面积占底 子电池的709Γ99%。
3. 根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述顶子电池具有沟槽图形， 露出其下方子电池的表面，当光线入射至该沟槽图形时，由沟槽下方的子电池直接吸收。
4. 根据权利要求3所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述沟槽图形的面积占总面 积的1%?30%。
5. 根据权利要求3所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述沟槽图形的深度不大于 所述顶子电池的厚度。
6. 根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于：包括三结子电池，其从下到上 分别为Ge第一子电池、GaAs第二子电池，GalnP第三子电池，其中所述第三子电池仅形成于 第二子电池的部分表面上，所述第二子电池露出部分表面，当光线入射至该露出部分表面 时直接由第二子电池吸收。
7. 根据权利要求6所述的多结太阳能电池，其特征在于：所述顶子电池的面积占中子 电池的959Γ99%。
8. 根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于：包括四结子电池，其从下到上 分别为Ge第一子电池、InGaAs第二子电池、InGaAsP或AlInGaAs第三子电池、AlInGaP第 四子电池，其中所述第四子电池仅形成于第三子电池的部分表面上，所述第三子电池露出 部分表面，当光线入射至该露出部分表面时直接由第三子电池吸收。
9. 多结太阳能电池的制备方法，包括依次沉积外延叠层，其包括一底子电池和一位于 所述底电池之上的顶子电池，其特征在于：仅在所述底子电池的部分表面上形成顶子电池， 以减少顶子电池的受光面积，当光线入射至该多结太阳能电池时，部分光线直接由顶子电 池下面的其余子电池吸收，降低所述顶子电池的电流。
10. 根据权利要求9所述多结太阳能电池的制备方法，包括步骤： 提供一衬底，在其上依次形成各结子电池，其至少包括底子电池和位于所述底子电池 之上的顶子电池； 在所述顶子电池形成沟槽图形，露出其下方子电池的表面，当光线入射至该沟槽图形 时，由沟槽下方的子电池直接吸收。
11. 根据权利要求10所述多结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述形成的沟槽 图形的面积占总面积的1%~30%。
【文档编号】H01L31/0725GK104091849SQ201410368077
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】宋明辉, 林桂江, 陈文浚, 毕京锋 申请人:天津三安光电有限公司