专利名称：一种太阳能转换多结极联光电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的太阳能转换光电池，属半导体材料技术领域。
本发明所述问题是通过以下技术方案实现的一种太阳能转换多结极联光电池，它包括顶电池、中间电池和底电池，其改进在于，所述底电池是Ge的一个或多个PN结电池，所述中间电池是GaAs的一个或多个PN结电池，所述顶电池是一个ZnSe的肖特基结MIS(Metal/Insulator/Semiconductor，金属/绝缘体/半导体)电池。
上述太阳能转换多结极联光电池，为改善电子通过PN结势垒的导电过程，在所述顶电池和中间电池、以及中间电池和底电池之间延生有一层GaAs的隧道结层。
上述太阳能转换多结极联光电池，在所述底电池和隧道结之间延生有一层P型GaAs的缓冲层。
上述太阳能转换多结极联光电池，在所述顶电池的肖特基结MIS结构中，半导体采用N型ZnSe层，金属采用Au，Au层和本征ZnSe绝缘层采用格栅式结构。
上述太阳能转换多结极联光电池，在所述顶电池中设有减反射膜AR(AntiReflection)。
上述太阳能转换多结极联光电池，所述隧道结的厚度在100A°-500A°之间，所述各PN结功能层的厚度在1μm-5μm之间。
上述太阳能转换多结极联光电池，所述各层的搀杂浓度在1×1017--5×1019cm-3之间。
本发明首次采用ZnSe、GaAs、Ge三种半导体功能材料搭配，制成单晶薄膜多结极联电池，把光能转换为电能，根据阳光辐射谱数据，其合成光谱响应曲线可覆盖阳光总光谱能的95％，理论效率可达56％，实际效率可达30％以上。另外，为了提高输出功率，本发明提出通过电流匹配、提高开路电压以提高光电池的实际输出功率，本发明中光电池总的开路电压是底电池、中间电池、顶电池各子电池开路电压之和；本发明采用Au/n-ZnSe肖特基结作为ZnSe顶电池结构，既能得到与ZnSe的PN结结构相同的效果，而又避开了P型掺杂的困难。同时，上电极引出工艺也被简化，因为从金属Au上引出金属电极很简单，而从p-ZnSe上引出金属电极要麻烦得多，需要制作专门的欧姆接触，以防止形成附加的、有害的接触势垒。
图2是测得的ZnSe PN结的外量子效率曲线。它表明ZnSe吸收峰在400nm、半高宽响应范围是450-360nm；图3是InGaP/GaAs极联电池和相应的InGaP、GaAs单结电池的外量子效率曲线；图4是InGaP2/GaAs/Ge三结极联电池的外量子效率曲线。当把图2的曲线移到图3上时可以看出，ZnSe与单结GaAs的半高宽响应范围交叠衔接贴切，在GaAs已力所不及的高频段正好由ZnSe发挥了作用。由于ZnSe的Eg＝2.6eV，可以吸收太阳总光谱能的19％(AM1.0)，因此可以把效率在原25.67％的基础上再提高4.5个百分点(假设效率是25％)，达30％以上。同时，由于ZnSe的禁带宽度比InGaP的大很多，因此可得到更高的开路电压。
底电池3、中间电池2分别是Ge、GaAs的一个或多个pn结电池，顶电池1是一个ZnSe的肖特基结MIS(Metal/Insulator/Semiconductor，金属/绝缘体/半导体)电池，分别对阳光中的低、中、高能光子进行光电转换。各子电池之间用高掺杂的GaAs隧道结4或5和一个GaAs的缓冲层6串联起来。在N型Ge衬底上外延的各层厚度是隧道结4或5在100A°-500A°之间，各PN结功能层在1μm-5μm之间。各层搀杂浓度在1×1017--5×1019cm-3之间。
实现上述技术方案中的多层外延时，可采用MOCVD(金属有机化学气相沉积)或MBE(分子束外延)技术，此处不再赘述。
本发明中总的开路电压是底电池、中间电池、顶电池各子电池开路电压之和；总的电流与底电池、中间电池、顶电池各自的电流应相等，因此要求各层电流必须匹配。由于GaAs中间电池的光电流密度最大，因此可以把GaAs中间电池拆成两个串联的GaAs PN结次级电池，使其电压提高为原来的两倍、电流降低为原来的二分之一，去与顶电池、底电池匹配。这样既可实现电流匹配，又不损失光生功率。在相同功率下，用高电压、小电流比用低电压、大电流更有利。
也可以把GaAs中间电池拆成三个串联的GaAs PN结次级电池，把Ge底电池拆成两个串联的Ge的PN结次级电池。
本发明的顶电池采用MIS结构，目的是要得到与ZnSe的PN结结构相同的效果，而又避开了P型掺杂的困难。Ge、GaAs等材料的P型、N型掺杂都较容易实现，ZnSe的N型掺杂也较容易实现，但ZnSe的P型掺杂却很难达到1×1018cm-3以上。这一难题困扰了人们一、二十年。科学家们虽然也找到了一些方法，可把搀杂浓度提高到5×1018cm-3，但十分复杂，在实际使用中难以推广。由于ZnSe与Au(金)的肖特基(接触)势垒高达1.5eV，因而可以形成足够强的结电场，形成良好的肖特基结。由于肖特基结的MIS结构具有与PN结几乎相同的功能，因此在本发明中被用作顶电池的基本结构。同时，这样作的结果也使上电极的引出工艺被简化了，因为从金属Au上引出金属电极很简单，而从P-ZnSe上引出金属电极要麻烦得多，需要制作专门的欧姆接触，以免形成附加的、有害的接触势垒。
为了使尽量多的光子进入n-ZnSe有源层产生电子、空穴对，Au层和ZnSe本征层均为格栅式结构，而不是全覆盖式结构。如果Au层是全覆盖式结构，将会反射掉很大一部分入射光，使电池效率下降。当Au层采用格栅式结构后，ZnSe本征层也要相应地采用格栅式结构，形成MIS结构。另外，为了防止光子被反射，在顶电池的表面设有一层减反射膜AR(Anti Reflection)。
权利要求
1.一种太阳能转换多结极联光电池，它包括顶电池、中间电池和底电池，其特征在于，所述底电池[3]是Ge的一个或多个PN结电池，所述中间电池[2]是GaAs的一个或多个PN结电池，所述顶电池[1]是一个ZnSe的肖特基结MIS。
2.根据权利要求1所述的太阳能转换多结极联光电池，其特征在于，在所述顶电池[1]和中间电池[2]、以及中间电池[2]和底电池[3]之间各延生有一层GaAs的隧道结层[4]或[5]。
3.根据权利要求2所述的太阳能转换多结极联光电池，其特征在于，在所述底电池和隧道结之间延生有一层P型GaAs的缓冲层[6]。
4.根据权利要求3所述的太阳能转换多结极联光电池，其特征在于，在所述顶电池[1]的肖特基结MIS结构中，半导体采用N型ZnSe层，金属采用Au，Au层和本征ZnSe绝缘层采用格栅式结构。
5.根据权利要求4所述的太阳能转换多结极联光电池，其特征在于，在所述顶电池[1]中设有减反射膜AR。
全文摘要
一种太阳能转换多结极联光电池，属半导体材料技术领域。用于解决现有极联光电池光谱响应范围和光电转换效率方面存在的问题。其方案中包括顶电池、中间电池和底电池，改进后的底电池是Ge的一个或多个PN结电池，中间电池是GaAs的一个或多个PN结电池，顶电池是ZnSe的肖特基结MIS。本发明采用ZnSe、GaAs、Ge三种功能材料搭配，制成单晶薄膜多结极联电池以转换光能。其合成光谱响应曲线可覆盖阳光总光谱能的95％，理论效率达56％，实际效率达30％以上。另外，本发明通过电流匹配、提高开路电压以提高输出功率，采用Au/n－ZnSe肖特基结，避开了P型掺杂的困难，上电极的引出工艺也更为简单。
文档编号H01L31/078GK1431721SQ0311174
公开日2003年7月23日 申请日期2003年1月14日 优先权日2003年1月14日
发明者李国昌 申请人:河北科技大学