专利名称：一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电池，特别是一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池。
背景技术：
太阳电池己有了 50多年的发展历史，在上个世纪七十年代引发的能源危机 的剌激下，在空间飞行器能源系统需求的牵引下，这一技术领域内不断取得重 要技术突破。多结化合物太阳能电池是一种性能优良的化合物半导体光电转换 器件。相对于硅太阳能电池，多结太阳能电池具有更高的光电转换效率、更强 的抗辐射能力、更好的耐高温性能。在过去的十年里，多结III-V族电池在太阳 能转换效率上进展显著，实现高转换效率布置在理论上，在现实中也己经实现，
唤起人们对多结in-v族电池设的研究和商业兴趣。
目前制约ni-v族太阳能发电产业发展最大的障碍就是ni-v族太阳电池组 件成本高，最终导致太阳能发电的成本较高。降低太阳电池发电成本的最关键 在于进一步提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明，in-v族叠层电池的 各子电池短路电流越接近(匹配程度越高)，对光谱的利用程度也就越高，对于
三结或三结以上的太阳电池，最高效率材料组合均需要带隙在l.leV附近的材
料来满足电流匹配条件，遗憾的是迄今为止未找到同时满足晶格匹配和电流匹 配的三结或三结以上的太阳电池组合。
目前，美国波音公司子公司Spectrolab研制的晶格匹配GalnP/GaAs/Ge三结太阳电池在无聚光条件下光电转换效率最大达32%(AM1.5D， 25°C)，由于 GalnP/GaAs/Ge三结叠层太阳电池电流不匹配，Ge底电池是其他两结电池光电 流的两倍，而多结电池的工作电流由各子电池中短路电流最小的电池决定，因 此电流不匹配使得Ge底电池效率降低。
发明内容
为解决上述现有三结太阳电池电流匹配和晶格匹配不相容的缺点，本发明 旨在提出一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池。通过构造重新构造 应变补偿或超晶格，提供一种带隙在1. leV附近的材料结构，并使得它与Ge (或 GaAs)衬底晶格匹配，与带隙为1.73eV的AlGaAs —起构成电流匹配和晶格匹 配的三结太阳电池。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种电流匹配和晶格匹配的 高效率三结太阳电池，包括一个Ge底电池， 一个中间电池， 一个顶电池和其间 的隧穿结，其特征在于中间电池基区由p型GanI仏As层和应变补偿p型 GaAsP/Ga卜ylriyAs超晶格共同构成，带隙为1. 65 1. 75eV的ALGa^As电池做为 三结电池的顶电池，同时满足晶格匹配和短路电流匹配条件。
本发明的AlxGanAs顶电池带隙为1. 73eV，x=0. 25;中间电池基区Ga卜Jras 层的In组分x为0. 008 0. 013， Ga卜Jn,As层厚度为0. 5 1 n m; GaAsP/Ga^yInyAs 超晶格中Gai-yInyAs阱材料的In组分y为0. 16 0. 2，阱材料厚度为4 6nm。
上述隧穿结为Al。.sGa。.7As/GalnP2隧穿结，各子电池及其间的隧穿结直接在 Ge衬底上在MOVPE系统中生长而成。
上述Ge底电池构建在p型Ge衬底上，p-Ge基区掺杂浓度为1X 1017cm—3 lX10"cnf3， n型发射区通过MOPVE系统Pft中的P扩散获得，发射区厚度0. 06—0. 25 u m，掺杂浓度为5 X 10lscm-3 2 X 1019cnf3。
上述底电池和隧穿结之间有一层n型GalnAs缓冲层。
上述隧穿结包含一层p型高掺杂的Al。.3Ga。.7As和n型高掺杂的GaInP2，隧穿 结各层厚度为10 15nm，掺杂浓度lX1019cm—3 2X102°cm—3。
上述中间电池生长第一个隧穿结之上，中间电池的基区由p型GanIrUs和 应变补偿GaAsP/Ga卜ylrvAs超晶格共同构成，与Ge衬底实现应变补偿的 GaAsP/Ga卜,IriyAs超晶格中，确定了阱材料Ga^IiiyAs的组分和厚度之后，通过选 择GaAsP势垒的组分和厚度可以使得整个多量子阱(或超晶格)等效晶格常数 〈a〉与Ge (或GaAs)匹配。室温下GalnAs的带隙与In的组分的关系、以及上
述等效晶格常数的计算公式如下
U-42- 43V (e。 (1)
一 2~+,w
其中，^郝为GalnAs带隙，；c加为In的组分，^和。^^分别为GalnAs量子阱 的厚度和晶格常数，^和。^^分别为GaAsP势垒厚度和晶格常数。GalnAs的晶 格常数"w^随In组分的变化关系，以及GaAsP的晶格常数"6(^随As组分的变 化关系计算公式如下(单位A):
= 5扁十O她加 (3) ",=5.4505 + 0.20275、 ( 4 )
中电池基区由p型GaAsP/GalnAs多量子阱(或超晶格)组成，掺杂浓度为 1X 1016cnf3 1X 1017cm—3;中电池发射区由n型GaAs组成，掺杂浓度1X 1018cm—3 5X1018cm—3。
上述顶电池是p-i-n AlGaAs结电池，p型AlGaAs基区掺杂浓度为5X1015cnf3 5X1017cm—3， n型AlGaAs发射区掺杂浓度5X 1016cm3 5X 1018cm3; AlGaAs中的Al组分在0 0. 45之间，直接带隙能量在1. 424eV l. 98 eV之间 随Al组分线性变化，选用合适的Al组分，可以使得顶电池的晶格常数和光电 流与中底电池匹配。
上述中电池和顶电池的材料结构和带隙可根据电池工作条件调整以便满足 晶格匹配和电流匹配条件。例如在AM1.5D， 25"条件下，由细致平衡理论计算 可得，当中电池基区包含了4. lnm厚的GaAs。.82P。.M和5nm厚的Gao.82ln。.4s超晶 格时，可有效吸收光子能量大于1. 16eV的光子，当顶电池Al。.25Ga。.75As带隙为 1.73eV时，三结子电池的短路光电流密度J-均为18. 67mA/cin2，且三结电池晶 格匹配。与现有技术相比，本发明的三结太阳电池具有更高光电转换效率，在 AM1.5D， 25。C条件下，由细致平衡理论计算可得晶格匹配、电流匹配三结太阳 电池理想效率达43.4%，比目前广泛研究的晶格匹配GalnP/GalnAs/Ge三结叠 层太阳电池的理想效率提高10%。
图l是本发明的结构示意图。 图中100:锗衬底；
200:缓冲层；
300:中间电池的背场层；
320:中电池基区的超晶格层；
340:中电池窗口层；
500:顶电池的背场层；
520:顶电池基区低掺层；
110:锗底电池; 210:中底电池隧穿结； 310:中电池基区层； 330:中电池发射极； 400:顶中电池隧穿结； 510:顶电池基区高掺层; 530:顶电池发射极；540:顶电池窗口层； 600:盖帽层；
700:减反射膜。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，包括一个
Ge底电池， 一个中间电池， 一个顶电池和其间的隧穿结；中间电池基区由p型 Gahln，As层和应变补偿p型GaAsP/Gai-yInyAs超晶格共同构成，带隙为1. 73eV的 ALGa^As电池做为三结电池的顶电池，同时满足晶格匹配和短路电流匹配条件。
本发明的制备主要包括如下步骤
采用p型掺杂的单晶锗衬底100，厚度为150微米，掺杂浓度为6X 10"cm"3 之间，作为锗底电池的基区。
进入MOCVD生长，在锗衬底上构造锗底电池110，锗底电池110具有n型锗 发射层和GalnP2窗口层，n型锗发射层通过磷扩散得到，其厚度为0.25um， 掺杂浓度为1X 1019cnT3; n型GaInP2窗口层厚度为0. 3微米，其晶格常数与Ge 匹配，掺杂浓度为lX1018cm—3。
生长0. 5微米厚的n型Gaa99likMAs缓冲层200，为中间电池和顶电池生长 做准备，缓冲层掺杂浓度为lX10lsCm—3。
生长中底电池的隧穿结210，隧穿结210包括简并n型掺杂浓度大于 lX10lscnf3、厚度为0.015微米的GalnP2层和p型掺杂大于5X1019(3111—3、厚度为 0.015微米的Al。,3Ga^As层。
生长0. 05微米厚、p型掺杂浓度为1X 1018cm—3的Al。.3Ga。.7As层300，作为中 间电池的背场，阻止中电池基区的光生电子扩散到底电池。生长1微米厚、p型掺杂浓度为lX10"cm3的Ga^IrucnAs层310，再生长 100周期的含4. lnm GaAs。.82PQ. 18/5nm Ga。.82In。.18As的超晶格320共同构成中间电 池的基区，超晶格的P型掺杂浓度为lX10Wcm—s;紧接着生长0.2微米厚、n型 掺杂浓度为2X10"cnf3的Gao.99lna.cnAs层330作为中间电池发射区，从而获得中 间电池。
生长0.06微米厚的n型AlInP2层340，作为中间电池的窗口层，AlInP2窗 口层晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度为5Xl(Tcnr3。
生长顶中电池的隧穿结400，顶中电池的隧穿结400包括简并n型掺杂浓度 大于1X 10lscm—3、厚度为0. 015微米的GalnP2层和p型掺杂大于5X 1019cm\厚 度为0. 015微米的Al。.3Ga。.3As层。
生长0. 07微米厚的p型AlGalnP层500，作为顶电池的背场层，AlGalnP 背场层层晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度为5X 1017CnT3。
生长0. 07微米厚、p型掺杂浓度为1X 1018cm—3的AlusGa^As层510，再生 长1微米厚、p型掺杂浓度为1Xl(Tcnrs的Al詣Ga。82As层520，共同构成顶电池 的基区；紧接着生长0.1微米厚、n型掺杂浓度为2X10"cm—，AlusGa。^As层 530作为顶电池发射区，从而获得顶电池。
生长0.06微米厚的n型AlInP2层540，作为顶电池的窗口层，AlInP2窗口 层晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度为5X10"cm—3。
生长0. 5微米厚、n型为5X 1018cm—3的Ga^Inc^As层600，作为欧姆接触层。
蒸镀减反射膜700并进行电池芯片工艺制作。
8
权利要求
1. 一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，包括一个Ge底电池，一个中间电池，一个顶电池和其间的隧穿结，其特征在于中间电池基区由p型Ga1-xInxAs层和应变补偿p型GaAsP/Ga1-y，InyAs超晶格共同构成，带隙为1.65～1.75eV的AlxGa1-xAs电池做为三结电池的顶电池，同时满足晶格匹配和短路电流匹配条件。
2. 如权利要求l所述的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，其特 征在于ALGahAs顶电池带隙优选值为1.73eV， x = 0. 25。
3. 如权利要求l所述的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，其特 征在于中间电池基区Ga^IrUs层的In组分x为0. 008 0. 013， Ga卜Jras 层厚度为0. 5 lum。
4. 如权利要求l所述的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，其特 征在于GaAsP/GanInyAs超晶格中Gai-yInyAs阱材料的In组分y为0.16 0.2，阱材料厚度为4 6nm。
全文摘要
本发明公开的一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，包括一个Ge底电池，一个中间电池，一个顶电池和其间的隧穿结，中间电池基区由p型Ga<sub>1-x</sub>In<sub>x</sub>As层和应变补偿p型GaAsP/Ga<sub>1-y</sub>In<sub>y</sub>As超晶格共同构成，带隙为1.65～1.75eV的Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As电池做为三结电池的顶电池，同时满足晶格匹配和短路电流匹配条件。本发明可以充分利用成熟的MOCVD外延技术，克服现有三结太阳电池电流匹配和晶格匹配不相容的缺点，进一步提高三结太阳电池的效率。
文档编号H01L31/042GK101533862SQ200910019869
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者杰 丁, 吴志强, 吴志敏, 林桂江, 黄生荣 申请人:厦门市三安光电科技有限公司