基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法

文档序号:9913226阅读:774来源:国知局
基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能光伏电池技术领域,具体是一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]作为当今世界最具发展前景的一种能源,太阳能具有取之不尽、功率巨大、使用安全等优点。但是,目前太阳能电池的发展和利用中遇到的主要问题是光电转换效率较低,太阳能电池的性价比不高。
[0003]虽然近年来备受人们关注的GalnP/GalnAs/Ge三结电池,已成功应用于空间和地面光伏领域,但进一步提升转换效率却遇到瓶颈。为进一步提高多结太阳能电池的转换效率,将太阳光谱进一步细化是主要的手段。使用与GaAs或Ge衬底晶格匹配的0.8?1.4eV带隙电池替代Ge电池可显著提升电池的转换效率,而且未来可结合Ge衬底研究四结甚至五结的超高效率晶格匹配电池。
[0004]GaInNAs被认为是GaAs基系高效太阳电池中第三子结电池的理想材料。目前,GaInNAs电池已研制成功,但转换效率并不高。这是因为GaInNAs具有很差的固熔点、N组元增加引起的合金相分离或In团簇、In和N组元共存时会导致应变和成分起伏、高的背景浓度以及N元素有关的深能级复合中心-本征点缺陷等问题,仍然限制了 GaInNAs材料在多结电池中的进一步应用,这些问题引起的较短载流子寿命和低的迁移率将最终导致电池的效率下降,所以还需要深入的研究,以便找出更好的解决办法。
[0005]量子点太阳电池不仅是第三代太阳电池,也是目前最尖端的太阳电池之一,通过在p-1-n型太阳电池的i层中引入量子点超晶格结构,只要改变量子点的大小,可吸收光波的波长也会相应的改变,以此来拓宽吸收太阳光谱的范围。其中,最简单的就是量子点中间带隙电池,根据理论预测,其极限效率高达63.2%。
[0006]专利CN 101752444A公开了一种p_i_n型InGaN量子点太阳能电池结构及其制作方法,通过调整工艺参数严格控制生长条件,制备出一种具有非掺杂i层InxGa1 #量子点结构的太阳能电池,结合InxGa1 0合金材料的带宽可调节和量子点超晶格结构的特点,在理论上提高太阳能电池的转换效率。但是如前文所述,In、N共存生长容易产生应变与组分起伏,反而影响转换效率。同时,由于采用单一结构的超晶格,为了获得足够的有源区,在生长过程中易导致失配位错和界面缺陷,最终影响电池的性能,使得实际效率远不及理论效率。因此,在太阳电池结构设计中,研究人员试图寻找其他有效方法突破这个技术难关。

【发明内容】

[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法,用于提高太阳能电池的转换效率。
[0008]本发明提供一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池,所述太阳能电池包括有源区,所述有源区包括第一 1-GaAs层、第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构、第二 InGaAs超晶格结构、第二 1-GaAs层,其中所述第二 InGaAs超晶格结构设置于所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构表面。
[0009]其中,第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构是指同时包括GaNAs层和InGaAs层的超晶格结构,在该结构中GaNAs层与InGaAs层交替周期性生长,例如在一层GaNAs层上生长一层InGaAs层,在该InGaAs层上再生长一层GaNAs层,如此周期性交替重复。
[0010]进一步的,所述第一 1-GaAs层与所述第二 i_GaAs层的厚度相同,所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构中的InGaAs层与所述第二 InGaAs超晶格结构中的InGaAs层的厚度不同,所述第二 InGaAs超晶格结构的InGaAs层中掺杂具有表面活化作用的元素。
[0011 ] 其中,具有表面活化作用的元素例如可以是Be或Sb,掺杂该元素是为了得到质量更好的太阳能电池。
[0012]进一步的,所述第二 InGaAs超晶格结构中掺杂量子点,选取GaNAs、GaNAs/GaN、GaNAs/GaAs或GaNAs/GaN/GaAs中的一种或几种作为量子点,所述第二 InGaAs超晶格结构中的InGaAs层作为空间层周期排列。优选的,选取GaNAs作为量子点。
[0013]优选的,所述第二 InGaAs超晶格结构中,每层InGaAs层的厚度为10?15nm,例如为10nm、llnm、12nm、13nm、14nm或15nm ;所述量子点结构的层数为5?10层,例如为5层、6层、7层、8层、9层或10层;所述量子点结构为直径小于或者等于15nm、高度小于或者等于 1nm 的角锥形,例如直径为 15nm、14nm、13nm、12nm、llnm、1nm 或 8nm,高度为 10nm、9nm、8nm、7nm或6nm ;所述第二 InGaAs超晶格结构设置在所述第二 1-GaAs层与所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构之间。
[0014]优选的,所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构、所述第二 InGaAs超晶格结构的周期范围分别为15nm至25nm,周期数为10-20。
[0015]其中,所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构的周期是指由一层InGaAs层和一层GaNAs层共同组成的周期,该周期的厚度为15_25nm,例如可以为15nm、18nm、20nm、22nm或25nm,该周期数为周期的层数,例如可以为10层、12层、14层、16层、18层或20层。其中,所述第二 InGaAs超晶格结构的周期是指由一层InGaAs层和一层所述量子点层共同组成的周期,该周期的厚度为15_25nm,例如可以为15nm、18nm、20nm、22nm或25nm,该周期数为周期的层数,例如可以为10层、12层、14层、16层、18层或20层。
[0016]进一步的,所述太阳能电池还包括自下而上依次设置的衬底、GaAs缓冲层、AlGaAs1?场层、弟一 GaAs层、弟—GaAs层和AlGaAs窗口层、GaAs接触层,其中所述衬底为S1、Ge或GaAs衬底中的一种,所述第一 GaAs层和所述第二 GaAs层之间设置所述有源区。
[0017]进一步的,所述太阳能电池还包括设置在所述衬底背面的第一接触电极和设置在所述GaAs接触层上的第二接触电极。
[0018]进一步的,所述第一 GaAs层的导电掺杂类型与所述第二 GaAs层的导电掺杂类型相反,所述衬底的掺杂类型与所述第一 GaAs层的掺杂类型相同。
[0019]本发明还提供一种上述太阳能电池的制备方法,包括以下步骤:
[0020]S1.在衬底的裸露表面依次生长GaAs缓冲层、AlGaAs背场层、第一 GaAs层,其中所述衬底为S1、Ge或GaAs衬底中的一种,所述衬底与所述第一 GaAs层的导电掺杂类型相同;
[0021]S2.在所述第一 GaAs层的裸露表面生长有源区;其中,所述有源区的制备步骤包括:
[0022]S2.1.在所述第一 GaAs层的裸露表面生长第一 i_GaAs层;
[0023]S2.2.在所述第一 1-GaAs层表面上生长第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构;
[0024]S2.3.在所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构表面生长第二 InGaAs超晶格结构;
[0025]S2.4.在所述第二 InGaAs超晶格结构表面上生长第二 i_GaAs层;
[0026]S3.在所述有源区表面依次生长第二 GaAs层、AlGaAs窗口层、GaAs接触层,其中,所述第一 GaAs层与所述第二 GaAs层的导电掺杂类型相反。
[0027]可以理解的是,在本发明中制备太阳能电池的上述各层结构时,可以采用金属有机化合物气相沉淀法(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法,也可以采用其他制备太阳能电池的现有技术。
[0028]进一步的,在制备完成所述太阳能电池后,在所述GaAs接触层上制作弟—接触电极,在所述衬底背面制作第一接触电极。
[0029]进一步的,在所述有源区中,所述第一 1-GaAs层与所述第二 i_GaAs层的厚度相同,所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构中InGaAs层的厚度与所述第二 InGaAs超晶体结构中InGaAs层的厚度不同,所述第二 InGaAs超晶格结构的InGaAs层中掺杂具有表面活化作用的元素。其中,具有表面活化作用的元素例如可以是Be或Sb,掺杂该元素是为了得到质量更好的太阳能电池。
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