一种基于稀铋磷化物的中间带太阳能电池结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于中间带的太阳能电池，特别涉及一种采用稀铋磷化物作为中间带的新型高效太阳能电池结构。属于半导体光电材料制备领域
【背景技术】
[0002]当今世界能源问题是世界各国面临的重要问题。目前人类的能源获得方式主要依靠石油和煤炭，满足人类各种不同需要，但其在使用过程中不可避免会产生温室气体，对环境产生影响；更为重要的是，以石油和煤炭目前查明的勘探总量来说，地球再过大约200年，地球上的石油和煤炭都将耗尽，人类将面临无能源可用的局面。一种可再生的、环境友好型的能量产生方式是目前世界各国急切解决的问题。太阳能电池是可以将太阳光的能量储存起来的装置。其在电量储存过程不会产生二氧化碳等温室气体，对环境不会造成污染，因此是一种十分环保的获得能源的方式。而太阳能本身对人类来说可谓用之不竭，因此太阳能电池是极其好的下一代能源解决方法。对于太阳能电池来说，最重要的参数是转换效率。为了克服肖克利-奎伊瑟极限(Shockley-Queisser limit)的限制，即单节型太阳能电池的转换效率最高仅能达到33% ( 一个太阳)或者40.7% (聚光条件下)，各国科研人员开发了多种新颖的太阳能电池结构。其中，通过在半导体的带隙内加入一个或多个中间带，从而形成中间带结构的太阳能电池，以其理论上63.1%的转换效率以及较简单的结构获得了广泛关注(A.Luque&A.Marti, Phys.Rev.Lett.78，5014(1997))。
[0003]在中间带太阳能电池中，存在两种光生电流机制:能量大于或等于半导体带隙的光子被吸收，激发电子从价带跃迀至导带；能量较低的光子则激发价带上的电子跃迀至中间带，然后再从中间带跃迀至导带。中间带的存在使得太阳光中更多低能量的光子被吸收，从而提高了电池的转换效率。图1是理论计算得到的中间带太阳能电池效率随低能级跃迀能量的变化，上面一条带有数字曲线为高能级跃迀能量，从图中可以清晰的看出，中间带太阳能电池的转换效率远远高于单带隙太阳能电池的转换效率，并且在较宽的能带范围内，转换效率超过 60 %。[单位:eV ;取自 A.Luqueet al.Nat.Photonics 6, 146 (2012)]
[0004]常规的中间带太阳能电池采用量子点能级作为中间带。比如在GaAs基上生长晶格匹配的InGaP或者AlGaAs太阳能电池上实现中间带能级通常在材料生长中插入多层InAs量子点，为能够成功实现中间带能级，要求每一层InAs量子点的密度很高，另外，InAs量子点层数越多，太阳能电池对太阳光的吸收率也会提高，因此需要多层的InAs量子点。但由于GaAs和InAs之间存在7.2%的晶格失配度，当量子点层数达到一定数量后，由失配导致的应变能会得到极大释放，在材料中产生大量位错，使得材料性质急剧恶化。目前虽然在太阳能电池中采用应变补偿势皇技术，比如采用AlGaNAs或InGaP材料可以增加InAs量子点层数，但为避免相邻两层量子点之间的失配对材料质量的影响，要求相邻两层量子点间厚度至少20纳米，如此大的层间厚度导致层间电子隧穿无法实现，因此目前基于量子点的中间带太阳能电池的转换效率还远未达到理论的预期。开发无应变或低应变中间带材料，是实现高效率中间带太阳能电池的关键，也从而形成为本发明的构思。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于稀铋磷化物的中间带太阳能电池结构
[0006]目前常规中间带太阳能电池多采用量子点结构，而量子点中间带由于受到材料失配的限制导致基于量子点中间带的太阳能电池效率远未达到理论预期。基于此，本发明提供一种基于稀铋磷化物材料的中间带太阳能电池，所述的中间带材料具有0.5-1.0eV宽范围连续可调的杂质能带，可以满足理论预期的60%以上的光电转换效率，同时材料引入的应变远远小于目前普遍采用的以量子点作为中间带材料的方法，容易通过应变补偿或调控实现零应变，从而增加吸收区厚度，提高电池效率。
[0007]本发明公开一种基于稀铋磷化物材料的中间带太阳能电池结构，所述太阳能电池结构包括衬底；形成于所述衬底上的下掺杂层；形成于所述下掺杂质层上的吸收层；形成于所述吸收层上的上掺杂层；以及用于电能输出的上下电极。
[0008]优选地，所述的衬底可以是II1-V族、I1-VI族或IV族衬底。
[0009]优选地，所述上下掺杂层可以是II1-V族、I1-VI族或IV族材料以及它们组成的异质结。
[0010]优选地，所述上下掺杂层可以是上掺杂层为η型下掺杂层为P型，或者上掺杂层为P型下掺杂层为η型，下掺杂层生长在衬底上，每层厚度在0.2-2微米。
[0011 ] 优选地，上电极做在上掺杂层上面，下电极做在衬底背面，或者通过腐蚀后做在下掺杂层上面。
[0012]优选的，所述吸收层材料为含有由铋原子产生的中间带。
[0013]优选的，所述吸收层材料包含掺铋原子的磷化物单晶，包括Α1Ρ、GaP, InP以及它们的三元和四元组合，秘的原子百分比为0.5%?10%。
[0014]优选地，所述的吸收层材料可以是掺铋磷化物和非磷化物组成的异质结，包括量子阱、量子点和超晶格。
[0015]由此可见，本发明公开了一种基于稀铋磷化物材料的中间带太阳能电池结构通过在磷化物中掺入少量铋原子，在磷化物禁带内产生新的杂质能带，杂质能带与磷化物导带边和价带边距离可通过改变磷化物中Al、Ga、In元素组分来调控，并在一个较宽的范围内实现理论预期的60%以上的光电转换效率。铋原子引起的杂质能带在室温下有很强的光致发光，证明材料内非福射复合较少，有利于制作太阳能器件。这种新型中间带太阳能电池结构可采用常规分子束外延、金属有机物化学气相沉积等多种方法进行生长。与常规的采用量子点作为中间带的技术方案相比，在本发明的电池结构中应变较小，容易补偿或调控，从而增加吸收区厚度以达到对相应波段太阳光的充分吸收，提高转换效率。
【附图说明】
[0016]图1理论计算得到的中间带太阳能电池效率随低能级跃迀能量的变化。
[0017]图2为一种基于稀铋磷化物的中间带太阳能电池结构图；图中，
[0018]10:上电极20:上掺杂层30吸收层40:下掺杂层
[0019]50:衬底 60:下电极。
[0020]图3为一种基于稀铋磷化物的中间带太阳能电池结构能带示意图；其中Eg为吸收层材料的禁带宽度；从价带到中间带为低能隙^，从中间带到导带为高能隙Eh，两者之和为禁带宽度Eg;EFjPEFV分别为导带和价带准费米能级，是半导体处于非平衡态时电子和空穴所在的能级。
[0021]图4 为 InPBi 薄膜室温光致发光谱(Y.Gu et al.Nanoscale Res.Lett.9，24(2014))，从光致发光谱图中可以看出不同铋组分的InPBi能够吸收0.5-1.0eV的光，因此通过调节InPBi材料中的Bi组分可以制备0.5-1.0eV连续可调的中间带。。
[0022]图5为一种InP基晶格匹配中间带高效太阳能电池结构
[0023]元件标号说明
[0024]上电极10
[0025]P 型上掺杂层 AlGaAsSb20
[0026]吸收层AlGaAsSb/InPBi 10 周期 30
[0027]η 型下掺杂层 AlGaAsSb40
[0028]衬底50
[0029]下电极60
[0030]图6为一种GaAs基应变补偿中间带高效太阳能电池结构。
[0031]元件标号说明
[0032]上电极10
[0033]P 型上掺杂层 In。.5 (AlGa)。.5Ρ20
[0034]吸收层InAlGaP/InPBi 30 周期30
[0035]η 型下掺杂层 In。.5 (AlGa)a5P40
[0036]GaAs 衬底50
[0037]下电极60
【具体实施方式】
[0038]以下通过特定的实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同设备和不同实际状态，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0039]实施例1:ΙηΡ基晶格匹配中间带高效太阳能电池
[0040]在InP中掺入1.0%原子百分比的铋形成的InPa99Biatll单晶薄