专利名称：一种三结太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种含有量子阱结构的太阳能电池。
二背景技术：
三结GalnP/GaAs/Ge太阳能电池是目前世界上转换效率最高的太阳能电池。 但是要进一步提高其光电转换效率，需要解决三结电池中存在的三个子电池电流 匹配不好的问题。在现有的三结电池中，中间子电池的电流小于顶电池与底电池， 造成最终的输出电流受限于中间子电池，4吏得顶电池与底电池的部分电流无法利 用，给进一步提高电池的光电转换效率造成困难。
三、
发明内容
技术问题
本发明的目的是4是供一种改进的三结太阳能电池的结构，以改善三个子电池 的电流匹配，提高三结电池的转换效率。
技术方案本发明的技术解决方案为
一种三结太阳能电池，电池结构为从下至上包括背电极层、底电池层、过 渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层、顶电池层、减反射膜层和上电极 层，其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底与n型Ge外延层组成； 过渡层为n型GaAs层a;
下隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层a与重掺杂的p型GaAs层a 组成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层、n型GaAs层b以及夹在所述p型GaAs 层与n型GaAs层b中间的量子阱结构组成，所述量子阱结构分为量子阱层和势 垒层，量子阱层和势垒层均由三五簇半导体材料制成；
3上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b与重掺杂的p型GaAs层b 组成；
顶电池层从下至上由p型GalnP层与n型GalnP层组成。
其中，制成量子阱层的三五簇半导体材料为GalnP、 GaAs、 InGaAs、 GaAlP、
AlGaAs或GaAsP,制成势垒层的三五簇半导体材料为GalnP、GaAs、 InGaAs、GaAlP、
AlGaAs或GaAsP。
量子阱结构是单量子阱结构或多量子阱结构，量子阱结构中，量子阱层的厚 度为l-200纳米，势垒层的厚度为1-300纳米。
背电极、减反射膜和上电极均通过真空蒸发方法制备。 减反射膜是氧化物、氮化物或氟化物薄膜。
有益效果
本发明考虑到量子阱独特的能带结构以及薄膜内部产生应变来达到晶格匹 配的特点，利用量子阱结构晶格容易匹配及有效带宽可调的特性，将量子阱结构 引入到三结太阳能电池的中间GaAs子电池中，扩展中间子电池的吸收光谱，增 加中间子电池的电流，改善电流匹配，提高转换效率。
本发明的带有量子阱结构的三结太阳能电池与不含量子阱结构的传统三结 太阳能电池相比，在电池工作过程中，利用量子阱结构中的窄带隙，中间子电池 的吸收光镨向长波方向扩展，增加了光生电流，改善了三个子电池间的电流匹配， 提高了三结电池的光电转换效率，使三结电池的光电转换效率超过30%。与现有 的三结太阳能电池相比，这种新型三结电池的转换效率提高了 5°/。。。
而且，含有量子阱结构的三结太阳能电池与不含量子阱结构的传统三结太阳 能电池的制备工艺完全兼容，可以直接在现有设备上完成全部工艺步骤。
四
图l是本发明的太阳能电池的结构示意图。
图中l-背电极层；2-p型Ge单晶衬底；3-n型Ge外延层；4- n型GaAs 层a; 5-重掺杂的n型GaAs层a; 6-重掺杂的p型GaAs层a; 7- p型GaAs层； 8-量子阱结构；9-n型GaAs层b; 10-重掺杂的n型GaAs层b; 11-重掺杂的p型GaAs层b; 12- p型GalnP层；13-n型GalnP层；14-减反射膜层；15-上电 极层；
五具体实施例方式
以下实施例为本发明的一些举例，不应被看做是对本发明的限定。 实施例1:
一种太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层l、底电 池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层，顶电池层、减反射膜层 14和上电极层15，其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底2与n型Ge外延层3组成；
过渡层为n型GaAs层a4;
下隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层a5与重掺杂的p型GaAs层a6 组成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层7与n型GaAs层b9以及夹在所述p型 GaAs层7与n型GaAs层b9中间的量子阱结构8组成，所述量子阱结构8分为 量子阱层和势垒层，共有30个周期，其中InGaAs作为量子阱层，厚度为15纳 米，GalnP作为势垒层，厚度为21纳米；
上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b10与重掺杂的p型GaAs层 bll组成；
顶电池层从下至上由p型GalnP层12与n型GalnP层13组成； 减反射膜层14为二氧化硅薄膜；
上述背电极层1、减反射膜层14和上电极层15均通过真空蒸发方法制备。 实施例2:
一种太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层l、底电 池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层，顶电池层、减反射膜层 14和上电极层15,其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底2与n型Ge外延层3组成；
过渡层为n型GaAs层a4;下隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层a5与重掺杂的p型GaAs层a6 组成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层7与n型GaAs层b9以及夹在所述p型 GaAs层7与n型GaAs层b9中间的量子阱结构8组成，所述量子阱结构8分为 量子阱层和势垒层，共有20个周期，其中InGaAs作为量子阱层，厚度为10纳 米，GaAs作为势垒层，厚度为12纳米；
上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b10与重掺杂的p型GaAs层 bll组成；
顶电池从下至上由p型GaInP层12与n型GalnP层13组成； 减反射膜14为二氧化钛薄膜；
上述背电极层1、减反射膜层14和上电极层15均通过真空蒸发方法制备。 实施例3:
一种太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层l、底电 池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层，顶电池层、减反射膜层 14和上电极层15，其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底2与n型Ge外延层3组成；
过渡层为n型GaAs层a4;
下隧穿结层v^人下至上由重掺杂的n型GaAs层a5与重掺杂的p型GaAs层a6 組成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层7与n型GaAs层b9以及夹在所述p型 GaAs层7与n型GaAs层b9中间的量子阱结构8组成，所述量子阱结构8分为 一个量子阱层和一个势垒层，其中InGaAs作为量子阱层，厚度为15纳米，GalnP 作为势垒层，厚度为8纳米；
上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b10与重掺杂的p型GaAs层 bll组成；
顶电池层从下至上由p型GalnP层12与n型GalnP层13组成； 减反射膜层14为氮化硅薄膜；
上述背电极层1、减反射膜层14和上电极层15均通过真空蒸发方法制备。实施例4
一种太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层l、底电 池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层，顶电池层、减反射膜层 14和上电极层15,其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底2与n型Ge外延层3组成；
过渡层为n型GaAs层a4;
下隧穿结层从下至上由重摻杂的n型GaAs层a5与重掺杂的p型GaAs层a6 组成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层7与n型GaAs层b9以及夹在所述p型 GaAs层7与n型GaAs层b9中间的量子阱结构8组成，所述量子辨结构8分为 量子阱层和势垒层，共有10个周期，其中InGaAs作为量子阱层，厚度为5纳米， GalnP作为势垒层，厚度为7纳米；
上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b10与重掺杂的p型GaAs层 bll组成；
顶电池层从下至上由p型GalnP层12与n型GalnP层13组成； 减反射膜层14为氟化镁薄膜；
上述背电极层1、减反射膜层14和上电极层15均通过真空蒸发方法制备。 实施例5:
一种太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层l、底电 池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层，顶电池层、减反射膜层 14和上电极层15，其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底2与n型Ge外延层3组成；
过渡层为n型GaAs层a4;
下隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层a5与重掺杂的p型GaAs层a6 组成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层7与n型GaAs层b9以及夹在所述p型 GaAs层7与n型GaAs层b9中间的量子阱结构8组成，所述量子阱结构8分为 量子阱层和势垒层，共有30个周期，其中InGaAs作为量子阱层，厚度为15纳 米，GalnP作为势垒层，厚度为21纳米；上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b10与重掺杂的p型GaAs层 bll组成；
顶电池层从下至上由p型GalnP层12与n型GalnP层13组成； 减反射膜层14为氧化铝薄膜；
上述背电极层1、减反射膜层14和上电极层15均通过真空蒸发方法制备。 实施例6:
一种太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层l、底电 池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层，顶电池层、减反射膜层 14和上电极层15，其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底2与n型Ge外延层3组成；
过渡层为n型GaAs层a4;
下隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层a5与重掺杂的p型GaAs层a6 组成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层7与n型GaAs层b9以及夹在所述p型 GaAs层7与n型GaAs层b9中间的量子阱结构8组成，所述量子阱结构8分为 量子阱层和势垒层，共有20个周期，其中InGaAs作为量子阱层，厚度为10纳 米，GaAs作为势垒层，厚度为12纳米；
上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b10与重掺杂的p型GaAs层 bll组成；
顶电池从下至上由p型GalnP层12与n型GalnP层13组成； 减反射膜14为氧化锌薄膜；
上述背电极层1、减反射膜层14和上电极层15均通过真空蒸发方法制备。 实施例7:
一种太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层l、底电 池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层，顶电池层、减反射膜层 14和上电极层15,其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底2与n型Ge外延层3组成；
过渡层为n型GaAs层a4;
8下隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层a5与重掺杂的p型GaAs层a6 组成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层7与n型GaAs层b9以及夹在所迷p型 GaAs层7与n型GaAs层b9中间的量子阱结构8组成，所述量子阱结构8分为 一个量子阱层和一个势垒层，其中InGaAs作为量子阱层，厚度为15纳米，GalnP 作为势垒层，厚度为8纳米；
上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b10与重掺杂的p型GaAs层 bll组成；
顶电池层从下至上由p型GaInP层12与n型GalnP层13组成； 减反射膜层14为氮化铝薄膜；
上述背电极层1、减反射膜层14和上电极层15均通过真空蒸发方法制备。 实施例8
一种太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层l、底电 池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层，顶电池层、减反射膜层 14和上电极层15,其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底2与n型Ge外延层3组成；
过渡层为n型GaAs层a4;
下隧穿结层从下至上由重摻杂的n型GaAs层a5与重掺杂的p型GaAs层a6 组成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层7与n型GaAs层b9以及夹在所述p型 GaAs层7与n型GaAs层b9中间的量子阱结构8组成，所述量子阱结构8分为 量子阱层和势垒层，共有10个周期，其中InGaAs作为量子阱层，厚度为5纳米， GalnP作为势垒层，厚度为7纳米；
上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层blO与重掺杂的p型GaAs层 bll组成；
顶电池层从下至上由p型GaInP层12与n型GalnP层13组成； 减反射膜层14为氮化钛薄膜；
上述背电极层1、减反射膜层14和上电极层15均通过真空蒸发方法制备。实施例9
一种太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层l、底电 池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层，顶电池层、减反射膜层 14和上电极层15，其中
底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底2与n型Ge外延层3组成；
过渡层为n型GaAs层a4;
下隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层a5与重掺杂的p型GaAs层a6 组成；
中间电池层从下至上由p型GaAs层7与n型GaAs层b9以及夹在所述p型 GaAs层7与n型GaAs层b9中间的量子阱结构8组成，所述量子阱结构8分为 量子阱层和势垒层，共有10个周期，其中InGaAs作为量子阱层，厚度为5纳米， GalnP作为势垒层，厚度为7纳米；
上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b10与重掺杂的p型GaAs层 bll组成；
顶电池层从下至上由p型GalnP层12与n型GalnP层13组成； 减反射膜层14为氟化锌薄膜；
上述背电极层1、减反射膜层14和上电极层15均通过真空蒸发方法制备。 实施例10
制备实施例1中的三结太阳能电池的步骤为
首先，在p型Ge单晶衬底上生长n型Ge外延层；在n型Ge外延层上生长 一层n型GaAs作为过渡层；再外延生长重掺杂的n型与p型GaAs作为下隧穿结； 在下隧穿结上按先后顺序依次生长中间电池的p型GaAs, InGaAs/GalnP量子阱 结构、n型GaAs,其中InGaAs作为量子阱层，厚度为15纳米，GalnP作为势垒 层，厚度为21纳米；生长重掺杂的n型与p型GaAs作为上隧穿结；在上隧穿结 上按先后顺序生长顶电池的p型GalnP与n型GalnP;采用真空蒸发的方法在上 表面镀一层二氧化硅薄膜作为减反射膜；在电池上表面及背面通过真空蒸发的方 法制备上电极与背电极。实施例11
制备实施例2中的三结太阳能电池的步骤为
首先，在p型Ge单晶村底上生长n型外延层；在n型外延层上生长一层n 型GaAs作为过渡层；再外延生长重摻杂的n型与p型GaAs作为下隧穿结；在下 隧穿结上按先后顺序生长中间电池的p型GaAs, InGaAs/GaAs量子阱结构、n型 GaAs,其中量子阱结构分为量子阱层和势垒层，共有20个周期，InGaAs作为量 子阱层，厚度为10纳米，GaAs作为势垒层，厚度为12纳米；生长重掺杂的n 型与p型GaAs作为上隧穿结；在上隧穿结上按先后顺序生长顶电池的p型GalnP 与n型GaInP;采用真空蒸发的方法在上表面镀一层二氧化硅薄膜作为减反射膜； 在电池上表面及背面通过真空蒸发的方法制备上电极与背电极。
权利要求
1. 一种三结太阳能电池，其特征在于电池结构为从下至上包括背电极层(1)、底电池层、过渡层、下隧穿结层、中间电池层、上隧穿结层、顶电池层、减反射膜层(14)和上电极层(15)，其中底电池层从下至上由p型Ge单晶衬底(2)与n型Ge外延层(3)组成；过渡层为n型GaAs层a(4)；下隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层a(5)与重掺杂的p型GaAs层a(6)组成；中间电池层从下至上由p型GaAs层(7)、n型GaAs层b(9)以及夹在所述p型GaAs层(7)与n型GaAs层b(9)中间的量子阱结构(8)组成，所述量子阱结构(8)分为量子阱层和势垒层，量子阱层和势垒层均由三五簇半导体材料制成；上隧穿结层从下至上由重掺杂的n型GaAs层b(10)与重掺杂的p型GaAs层b(11)组成；顶电池层从下至上由p型GaInP层(12)与n型GaInP层(13)组成。
2. 根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于制成量子阱层的三五簇 半导体材料为GalnP、 GaAs、 InGaAs、 GaAlP、 AiGaAs或GaAsP，制成势垒层 的三五蔟半导体材料为GalnP、 GaAs、 InGaAs、 GaAlP、 AiGaAs或GaAsP。
3. 根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述量子阱结构(8 )是 单量子阱结构或多量子阱结构。
4. 根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述量子阱结构(8 )中， 量子阱层的厚度为1-200纳米，势垒层的厚度为1-300纳米。
5. 根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述背电极层(1)、减 反射膜层(14)和上电极层(15)均通过真空蒸发方法制备。
6. 根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述减反射膜层(8 )是 氧化物、氮化物或氟化物薄膜。
全文摘要
本发明提供了一种含有量子阱结构的太阳能电池，该电池结构为从下至上包括背电极；p型锗衬底与n型锗外延层组成的底电池；n型GaAs层过渡层；下隧穿结；p型GaAs层、量子阱结构与n型GaAs层组成的中间电池；上隧穿结；p型GaInP层与n型GaInP层组成的顶电池；减反射膜和上电极，其中量子阱结构分为由三五簇半导体材料制成的量子阱层和势垒层，该太阳能电池能够扩展中间电池的吸收光谱，改善三个子电池间的电流匹配，提高电池的转换效率。
文档编号H01L31/042GK101499493SQ20091002444
公开日2009年8月5日 申请日期2009年2月23日 优先权日2009年2月23日
发明者娄朝刚, 强 孙, 孙彦铮, 张晓兵, 军 许, 威 雷 申请人:东南大学;中国电子科技集团公司第十八研究所