膜在室温下具有峰值在0.65eV很强的光致发光(见图3)。按照理论预言(A.Luque&A.Marti, Phys.Rev.Lett.78，5014(1997))，需要的高能级跃迀对应的能量为1.19eV，总的跃迀能量为1.84eV，利用与InP基晶格匹配的AlxGai_xAsSb，调节Al和Ga的组分以及AlxGai_xASSb/InP的带阶(band offset)，在 AlxGa^xAsSb 中插入 InPa99Biatll形成 Al XGahAsSbZlnPa99Biacil多量子讲结构作为吸收区，可以实现62%的光电转换效率，由1%铋原子引入的应变可以忽略不计。具体结构见图5，阐述如下:
[0041](I)在η型InP衬底上生长10nm掺硅InP缓冲层，掺杂浓度在1018cm_3以上；
[0042](2)在InP缓冲层上生长与InP基匹配的η型AlxGai_xAsSb，掺杂浓度在1018cm_3量级，厚度为500nm ；
[0043](3)在 η 型 AlxGahAsSb 上生长无掺杂 10nm AlxGa1^AsSb 吸收层；
[0044](4)生长无掺杂InPtl.99Bi0.01/AlxGai_xAsSb多量子阱吸收层，厚度分别为20和10nm,重复10次；
[0045](5)在吸收层上生长与InP基匹配的p型AlxGai_xAsSb，掺杂浓度在1019cm_3量级，厚度为10nm0
[0046]实施例2:GaAs基应变补偿中间带高效太阳能电池
[0047]在InP中掺入1.1 %原子百分比的铋形成的InPa 989Biatll^晶薄膜在室温下具有峰值在0.7eV很强的光致发光，见图3。按照理论预言，需要的高能级跃迀对应的能量为
1.23eV，总的跃迀能量为1.93eV，利用GaAs基上张应变Inx (AlGa) ^xP (x<0.5)，调节Al和Ga的组分、厚度、张应变量以及GaAs/InP的带阶(band offset)，可以补偿由InPa 989Biatll^生的压应变，同时得到需要的总跃迀能量，采用Inx (AlGa) PxPAnPa 989Bia_多量子阱结构作为吸收区，可以实现63%的光电转换效率。具体结构见图6，阐述如下:
[0048](I)在η型GaAs衬底上生长10nm掺娃GaAs缓冲层，掺杂浓度在118CnT3以上；
[0049](2)在GaAs缓冲层上生长与GaAs基匹配的η型In。.5 (AlGa) Q.5Ρ，掺杂浓度在118CnT3量级，厚度为500nm;
[0050](3)在 η 型 In。.5 (AlGa) 0.5Ρ 上生长无掺杂 Inx (AlGa) ^xP 吸收层；
[0051](4)生长无掺杂应变补偿的InPa 989BiatlllAnx (AlGa) J多量子阱吸收层，厚度分别为3nm和30nm，重复40次；
[0052](5)在吸收层上生长与GaAs基匹配的p型Ina5(AlGa)a5P，掺杂浓度在119CnT3量级，厚度为10nm0
[0053]虽然，以上两个具体实施例的掺Bi量仅为1.0%和1.1 %，且中间带材料仅针对InP，实际上本发明所述的由含铋原子产生的中间带(即吸收层)不只限于InP，正如
【发明内容】
所述的掺铋的磷化物为AIP、InP, GaP或它们的三元或四元组合物，还可以是非磷化物组成的异质结。InP只是一个特例，以特别说明之。
【主权项】
1.一种基于稀铋磷化物的材料的中间带太阳能电池结构，包括衬底、形成于所述衬底上的下掺杂层、形成于下掺杂层上的吸收层、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，其特征在于所述的吸收层为含有铋原子产生的中间带，所述的吸收层的材料包含掺铋原子的磷化物单晶；铋的原子百分比为0.5-10%。
2.按权利要求1所述的结构，其特征在于所述的吸收层材料为掺铋的磷化物或非磷化物组成的异质结，包括量子阱、量子点或超晶格。
3.按权利要求1或2所述的结构，其特征在于所述的掺铋的磷化物为AlP、GaP、InP或它们的三元或四元组合。
4.按权利要求1或3所述的结构，其特征在于: ①在InP中掺杂1.0%原子百分比的铋形成的InPa99Biatll单晶薄膜在室温下具有峰值在0.65eV的光致发光； ②在InP单晶中掺入1.1%原子百分比的铋形成的InPa 989Biatlll单晶薄膜在室温下具有峰值在0.7eV的光致发光； ③所述中间带具有0.5?1.0eV宽范围连续可调的杂质能带。
5.按权利要求1所述的结构，其特征在于: ①所述的衬底是II1-V族、I1-VI族或IV族衬底； ②所述上下掺杂层为II1-V族、I1-VI族或IV族材料以及它们组成的异质结； ③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； ④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。
6.按权利要求1所述的结构，其特征在于利用与InP基晶格匹配的AlxGai_xAsSb，调节Al和Ga的组分以及AlxGai_xAsSb/InP的带阶，在AlxGapxAsSb中插入工成㈧此—形成AlxGahAsSbAnPa99Biacil多量子阱结构作为吸收区，构建成InP基晶格匹配中间带高效太阳能电池，具体结构是: (1)在η型InP衬底上生长10nm掺硅InP缓冲层，掺杂浓度在1018cm_3以上； (2)在InP缓冲层上生长与InP基匹配的η型AlxGai_xAsSb，掺杂浓度在1018cm_3量级，厚度为500nm ； (3)在η型AlxGa^xAsSb上生长无掺杂10nmAlxGa1^AsSb吸收层； (4)生长无掺杂InPa99BiacilAlxGahAsSb多量子阱吸收层，厚度分别为20和lOOnm，重复10次； (5)在吸收层上生长与InP基匹配的P型AlxGai_xAsSb，掺杂浓度在119CnT3量级，厚度为 10nm0
7.按权利要求1所述的结构，其特征在于利用GaAs基上张应变Inx (AlGa) ^xP, x<0.5，调节Al和Ga的组分、厚度、张应变量以及GaAs/InP的带阶，以补偿由InPa 989Biatlll产生的压应变，同时得到需要的总跃迀能量，采用Inx (AlGa) PxPAnPa 989Biatlll多量子阱结构作为吸收区，具体结构为: (1)在η型GaAs衬底上生长10nm掺娃GaAs缓冲层，掺杂浓度在118CnT3以上； (2)在GaAs缓冲层上生长与GaAs基匹配的η型Ina5(AlGa)α5Ρ，掺杂浓度在1018cm_3量级，厚度为500nm; (3)在η型Ina5(AlGa)a5P上生长无掺杂Inx(AlGa)^xP吸收层； (4)生长无掺杂应变补偿的InPa989Bia JlnjAlGaU多量子阱吸收层，厚度分别为3nm和30nm，重复40次； (5)在吸收层上生长与GaAs基匹配的P型Ina5(AlGa)a5P，掺杂浓度在119CnT3量级，厚度为10nm0
8.按权利要求6所述的结构，其特征在于构建成的InP基晶格匹配中间带太阳能电池，实现62%的光电转换效率。
9.按权利要求7所述的结构，其特征在于构建成GaAs基应变补偿中间带太阳能电池，光电转换效率达63%。
【专利摘要】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，证明材料内非辐射复合较少，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。
【IPC分类】H01L31-0304
【公开号】CN104851932
【申请号】CN201510149341
【发明人】王庶民, 张立瑶, 李耀耀, 王凯
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月1日