As电池及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳电池领域，特别涉及一种具有非晶态缓冲层结构的Ina3Gaa7As电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]太阳能作为一种可再生能源，具有清洁、廉价、取之不尽、用之不竭的特点，是传统化石燃料能源的有效替代者。随着太阳能光伏发电产业和市场的迅速发展，以及在空间飞行器能源系统需求的牵引下，光伏技术不断取得重要突破；同时，相应的光电转换效率不断提高，使光伏技术在空间和地面都得到了越来越广泛的应用。基于GaAs的II1-V族二元、三元以及四元化合物半导体电池技术的迅速发展是最引人瞩目、里程碑式的突破；并且GaAs基系太阳电池效率高、抗辐照性能好、耐高温、可靠性好，符合空间环境对太阳电池的要求。由于GaAs材料的能带为1.42eV，单结GaAs太阳电池只能吸收某一特定波长的太阳光，因此其光电转换效率受到限制。为了提高太阳能电池对太阳光的利用率，需要采用多结叠层太阳能电池结构，对太阳光谱进行“分割”。
[0003]目前常规II1-V族三结GaAs系太阳电池方面，主要是GalnP/InGaAs/Ge(l.84/1.4/0.67eV)结构太阳电池，该体系以晶格匹配为首要考虑原则，进而限制了材料体系的选择，因此电池的转换效率提升空间非常有限。为了解决带隙失配严重制约三结叠层电池性能的问题，研究者们以带隙匹配作为首要考虑原则，采用GaAs为衬底的晶格失配体系成为高效多结叠层太阳电池的发展方向。例如带隙结构为1.84/1.4/1.0eV的理想三结叠层电池，四结叠层太阳电池的理想带隙匹配是1.8/1.4/1.0/0.7eV0可以看出，上述带隙匹配的高效多结太阳电池结构中，?1.0eV带隙材料的子电池是高效II1-V族多结太阳电池中最为关键的一个子结电池。通过理论计算，leV GalnNAs材料作为与太阳电池的带隙和晶格大小较为合适，但GalnNAs外延材料的少子寿命低，严重限制了多结叠层太阳电池的电流密度，成为制约效率提高的关键因素。因此，根据目前外延生长技术、外延设备的发展及材料的性能，能带为leV的最佳材料为三元半导体化合物Ina3Gaa7As。
[0004]现已有研究者在GaAs (衬底)材料上制备出I%3Gaa7As (1.0eV)的单结或多结电池，然而，在GaAs材料上进行晶格失配Ina3Gaa7As电池材料的外延生长及器件制作时，通常采用的都是多层的组分渐变、组分跳变、组分逆变等缓冲层结构。图1为采用多层组分缓冲层制备的I%3Gaa7As单结电池，包括衬底101，以及在衬底101上依次设置的缓冲层、非掺杂的第一 InQ.3Gaa7As 层 107、掺杂的第二 InQ.3GaQ.7As 层 108、背场层 109、Ina3Gaa7As 基区层110、Ina3Gaa7As发射层111、窗口层112、接触层113、下电极100和上电极114，缓冲层由多个晶态的子缓冲层102、103、104、105、106组成，这些多层结构的缓冲层在太阳电池结构中需要外延生长多层较厚的缓冲层，生长步骤繁琐，而且很难精确控制每一层材料的成分、厚度、以及晶体质量，从而最终影响Ina3Gaa7As电池的性能。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具有非晶态缓冲层结构的I%3Gaa7As电池，简化了缓冲层结构，同时简化了外延生长工艺。
[0006]本发明的另一目的在于提供上述具有非晶态缓冲层结构的Ina3Gaa7As电池的制备方法。
[0007]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0008]—种具有非晶态缓冲层结构的Ina3Gaa7As电池，由下至上依次包括非晶态缓冲层、太阳电池层；所述非晶态缓冲层组分为InxGai xAs，0.4彡x彡0.8。
[0009]所述非晶态缓冲层的厚度为l_5nm0
[0010]所述太阳电池层由下至上依次包括Ina3Gaa7As非掺杂本征层、Ιη。.；^。.#掺杂层、AlGalnAs 背场层、Ina3GaQ.7As 电池有源层、Gaa22InQ.7SP 窗口层。
[0011]所述具有非晶态缓冲层结构的Ina3Gaa7As电池为单结结构或多结结构。
[0012]所述具有非晶态缓冲层结构的InQ.3Gaa7As电池，由下至上依次包括下接触电极、N型的GaAs (001)衬底、InQ.6GaQ.4As非晶态缓冲层、InQ.3Gaa7As非掺杂本征层、N型InQ.3GaQ.7As层、N 型 AlGalnAs 背场层、N 型 InQ.3Gaa7As 基区层、P 型 InQ.3Gaa7As 发射层、P 型 GaQ.22InQ.7S窗口层、P型1% 3Ga0.7As接触层、上接触电极。
[0013]—种具有非晶态缓冲层结构的I%3Gaa7As电池的制备方法，包括以下步骤:
[0014](1)采用M0CVD技术或MBE技术制备非晶态缓冲层，制备温度为300?380°C，真空度为5.0X10 10Torr, V/III束流比为20?25 ;所述非晶态缓冲层组分为Ιηχ6&1 xAs，0.4 彡 x 彡 0.8 ;
[0015](2)在非晶态缓冲层裸露的表面上，制备太阳电池层。
[0016]所述非晶态缓冲层的厚度为l_5nm0
[0017]步骤(2)所述在非晶态缓冲层裸露的表面上，制备太阳电池层，具体为:
[0018]在非晶态缓冲层裸露的表面上，采用M0CVD技术或MBE技术依次制备InQ.3GaQ.7As非掺杂本征层、Ina3Gaa7As掺杂层、AlGalnAs背场层、由Ina3Gaa7As基区层和发射层组成的电池有源层、Gaa22Ina7SP窗口层；所述AlGalnAs背场层与Ina3Gaa7As基区层的导电掺杂类型相同。
[0019]所述具有非晶态缓冲层结构的Ina3Gaa7As电池为单结结构或多结结构。
[0020]所述的具有非晶态缓冲层结构的Ina3Gaa7As电池由下至上依次包括下接触电极、N型的GaAs (001)衬底、In0.6Ga0.4As非晶态缓冲层、In0.3Ga0.7As非掺杂本征层、N型In0 3Ga0 7As 层、N 型 AlGalnAs 背场层、N 型 InQ.3Gaa7As 基区层、P 型 InQ.3GaQ.7As 发射层、P型Ga。.Jn。.78窗口层、P型In α 3Ga。.7As接触层、上接触电极。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果:
[0022]1.本发明的太阳电池带隙为?1.0eV，可与技术成熟的GalnP/GaAs形成更合理的带隙组合，能更充分地利用太阳光谱，制备高效率多结叠层太阳电池；
[0023]2.本发明的太阳电池采用单层的InxGai xAs大失配非晶态缓冲层结构，与多层结构的缓冲层相比，简化了缓冲层结构，同时简化了外延生长工艺，可严格控制外延层的厚度、组分、掺杂浓度，从而获得表面形貌好、缺陷密度低、晶体质量高的I%3Gaa7As材料。
[0024]3.本发明的太阳电池使用了低温InxGai xAs非晶态缓冲层技术制备，可有效过滤衬底与I%3Gaa7As材料之间由于晶格失配引起的位错，很好地释放应力，这样能获得足够厚的Ina3GaQ.7As层且不广生由于失配应变导致的缺陷，提尚Ina3GaQ.7As材料的晶体质量，从而提高电池的效率。
【附图说明】
[0025]图1是现有技术的InQ.3Gaa7As电池结构示意图。
[0026]图2为本发明的实施例1的具有非晶态缓冲层结构的单结Ina3Gaa7As电池的结构示意图。
[0027]图3为本发明的实施例1的具有非晶态缓冲层结构的单结Ina3Gaa7As电池的I_V曲线图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0029]实施例1
[0030]本实施例的具有非晶态缓冲层结构的单结Ina3Gaa7As电池的制备过程如下:
[0031](1)选取N型的GaAs (001)衬底，并对衬底进行清洗，也可以选择免清洗的GaAs衬底直接进入下一步的反应。将GaAs衬底置于MBE的反应腔室中，采用液氮冷却，反应腔室真空度达到5.0X 10 ^orr，在As束流保护的环境下将衬底加热至600?680°C，以去除衬底表面氧化层，同时起到表面重构，获得平整的GaAs (001)衬底表面。
[0032](2)在GaAs衬底表面上采用MBE生长Ina6GaQ.4As非晶态缓冲层，采用低温生长工艺，生长温度为300°C，V/III束流比为20，通过控制生长温度，制备出非晶态的Ina6Gaa4As非晶态缓冲层，同时，控制I%6Gaa4As非晶态缓冲层的厚度为?lnm。
[0033](3)在Ina6Gaa4As非晶态缓冲层表面上采用MBE法依次生长Ina3Gaa7As非掺杂本征层，温度为550°C，V/III束流比为20，厚度为500nm。
[0034](4) Ina3GaQ.7As非掺杂本征层上生长Si掺杂的N型InQ.3Gaa7As层，掺杂浓度为2X10lscm3，生长温度为550°C，V/III束流比为20，厚度为500nm。
[0035](5)接着在N型Ina3Gaa7As层表面上生长Si掺杂的N型AlGalnAs背场层，以减少光生电子的复合，掺杂浓度为3 X 1018cm 3，温度为550°C，V/III束流比为20，厚度为lOOnm。
[0036](6)在AlGalnAs背场层上生长载流子浓度低于背场层载流子浓度的Si掺杂N型In0.3Ga0.7As基区层，掺杂浓度为1 X 1017cm 3，生长温度为550°C，V/III束流比为20，厚度为2.5μπι。接着生长Ζη掺杂的Ρ型Ina3GaQ.7As发射层，掺杂浓度为2X10lscm3，生长温度为550°C，V/III束流比为20，厚度为lOOnm。
[0037](7)接着生长Ζη掺杂的Ρ型Gaa22InQ.7SP作为窗口层，防止光生电子向上扩散，Ζη为掺杂剂，掺杂浓度为3Χ 10lscm 3，生长温度为550°C，V/III束流比为20，厚度为lOOnm。
[0038](8)在GaQ.22Ina7SP窗口层表面采用MBE生长高掺杂浓度的P型InQ.3Gaa7As接触层，Ζη为掺杂剂，掺杂浓度为1\1019(^13，生长温度为550°(:，V/III束流比为20，厚度为500nm，以便电池与上电极形成