专利名称：三结太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明属于化合物半导体太阳能电池领域，具体涉及一种三结太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
高倍聚光光伏技术(CPV)是一种将太阳光通过菲涅尔透镜聚光透镜，将500倍乃至1000倍以上太阳能量的光聚焦到面积很小的电池芯片上实现发电的技术，用廉价的透镜取代昂贵的半导体材料，从而实现发电成本的降低，随着电池效率的进一步提升，随着 CPV产业规模的扩大，原材料成本的进一步下降，高倍聚光太阳能发电技术在不久的将来将会实现平价发电。作为第三代太阳能电池的高倍聚光三结太阳能电池是由三个不同带隙的半导体子电池通过隧穿结连接而成的，不同子电池吸收不同波段的太阳光谱，从而可以实现更宽波段范围的太阳光谱吸收，而传统的太阳能电池由于自身半导体材料特性的限制，只能吸收较窄波段范围的太阳光谱，因此三结太阳能电池的光电转化效率比硅太阳能电池高出很
^^ O2011年4月，美国Solar junction公司宣布其研制出世界最高效率的三结太阳能电池，在400倍聚光、大气光学质量AMI. 5、25°C的测试条件下，5. 5mmx5. 5mm大小的电池效率达到了 43. 5%。目前国际上聚光光伏(CPV)的主要生产商Spectrolab制备的InGaP/ (In)GaAs/Ge三结电池效率在500倍聚光下为量产的平均效率达到39. 8%。由于三结太阳能电池材料禁带宽度组合的灵活性，相信在未来几年，随着电池结构设计的优化，随着外延生长技术的进一步发展，三结太阳能电池的效率将突破50%。
发明内容
本发明提供了一种三结太阳能电池及其制作，其在顶电池和中电池中采用 AlxGai_xAs/AlAs异质结背电场来提高电池的开路电压(Voc)和短路电流(Isc)，从而进一步提高电池的光电转化效率。根据本发明的一个方面，三结太阳能电池，包括顶电池、中电池、底电池以及两个隧穿结，其特征在于顶电池和中电池的背电场均采用AlxGai_xAs/AlAs异质结结构。优选地，所述顶电池的AlxGai_xAs/AlAs异质结背电场中AlxGai_xAs的Al组分χ取值范围为:0.4 ^ χ<1。优选地，所述中电池的AlxGai_xAs/AlAs异质结背电场中AlxGai_xAs的Al组分χ取值范围为0. 2彡χ<1。优选地，所述顶电池及中电池的Alx(}ai_xAS/AlAS异质结背电场中AlxGiVxAs的厚度为 l(T200nm。优选地，所述顶电池及中电池的AlxGivxAsAlAs异质结背电场中AlAs的厚度为 10 200nm。
优选地，所述顶电池及中电池的AlxGai_xAs/AlAs异质结背电场中AlxGai_xAs掺杂浓度为 ι χ IO17 1 X IO19 /cm3。优选地，所述顶电池及中电池的Alx(iai_xAS/AlAS异质结背电场中AlAs的厚度为 10 200nm。优选地，所述顶电池及中电池的AlxGai_xAs/AlAs异质结背电场中AlAs掺杂浓度为 IXlO17 IXlO19 /cm3。根据本发明的一个方面，三结太阳能电池的制备方法，其包括下列步骤: AlxGai_xAs/AlAs异质结背电场的三结太阳能电池外，包括下面步骤提供Ge衬底上，通过 P/As的扩散形成Ge底电池；在底电池之上外延生长GaAs隧穿结；在GaAs隧穿结上外延生长中电池的AlxGai_xAs/AlAs异质结背电场(BSF)；在Alx(iai_xAS/AlAS背电场上外延生长 (In)GaAs中电池；在中电池之上外延生长GaAs/AWaAs隧穿结；在GaAs/AWaAs隧穿结上外延生长顶电池的AlxGai_xAs/AlAs ；在AlxGai_xAs/AlAs背电场上外延生长(Al)feilnP顶电池。本发明技术效果体现在在AlxGai_xAs/AlAs异质结背电场上外延生长的顶电池半导体材料(Al)GaInP具有更高的禁带宽度(Eg)，由于三结电池的开路电压与材料的禁带宽度(Eg)成正比关系，因此三结电池的开路电压(Voc)得到提升；同时由于背电场为 AlxGai_xAs/AlAs异质结结构，可有效降低光生载流子的复合，增加顶电池和中电子基区光生载流子的收集，提高三结电池的短路电流(Isc);由于Voc和Isc的提升，三结电池的光电转化效率进一步提高。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。图1是本发明涉及的一种高倍聚光多结太阳能电池侧面剖视图。图中各层分别为
100底电池
101:p型Ge衬底
102m型InGaP形核层
103:n型MGaAs缓冲层 200 中电池
210中电池 AlxGai_xAs/AlAs 背电场
211中电池AlxGai_xAs/AlAs背电场中的AlAs层212 中电池AlxGai_xAs/AlAs背电场中的AlGaAs层
220 :p-(In) GaAs中电池基区
230 :n-(In) GaAs中电池发射区
240 中电池的n-Al InP或n-GalnP窗口层
300 顶电池
310顶电池 AlxGai_xAs/AlAs 背电场
311顶电池AlxGai_xAs/AlAs背电场中的AlAs层
312顶电池AlxGai_xAs/AlAs背电场中的AlGaAs层 320 :p-(Al)feJnP顶电池基区
330 :n-(Al)feiInP顶电池发射区 340 顶电池的η-Α1ΙηΡ窗口层 410 =GaAs隧穿结 420 (Al)GaAs/AlGaAs 隧穿结 500 :n-GaAs欧姆接触层。
具体实施例方式以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。如图1所示，一种三结太阳能电池包括顶电池300、中电池200、底电池100以及两个隧穿结410、420，顶电池和中电池的背电场均采用Alx(iai_xAS/AlAS异质结结构。对于各子电池的细节下面将结合制备方法进行详细描述。本发明所公开的三结太阳能电池的制作方法，主要包括各子电池100、200、300及各子电池之间各层的形成工艺，具体制备工艺包括下面步骤。首先，提供一 ρ型Ge衬底101，通过P/As的扩散形成( 底电池100。具体工艺如下将ρ型Ge衬底放入载片盘，将载片盘传输至MOCVD反应腔体，首先在45(T650°C下预通 PH3，通过P的扩散形成Ge底电池的发射区，然后在65(T750 °C下脱氧10分钟。下一步，在Ge底电池100上形成η型Ga0.5In0.5P形核层102和η型In0.01Ga0.99As 缓冲层103。其具体外延生长条件为外延生长温度为55(T650°C，五三族源摩尔流量比为 10 100。形核层102的厚度为5nnTl00nm，缓冲层103的厚度为0. 5 μ m 2 μ m。下一步，在η型GEia5Ina5P形核层102上形成GaAs隧穿结410。下一步，在GaAs隧穿结410上外延生长中电池200，其至下而上包括背电场 210、基区220、发射区230、窗口层Μ0。背电场210采用AlxGai_xAs/AlAs异质结结构，其中AlxGa1^xAs层211的Al组分控制在0. 2彡χ<1，厚度为10 200nm ；AlAs层212的厚度为 10"200nm, AlxGa1^xAs 层 211 及 AlAs 层 212 的掺杂浓度为 1X1017— IXlO19 /cm3。基区 220 的材料为P型an)GaAs，厚度为2μπΓ5μπι。发射区230的材料为η型an)GaAs，厚度为 50nnT500nm。窗口层 MO 的材料为 η 型 AUnP 或 feJnP，厚度为 lOnnTlOOnm。下一步，在中电池200的顶部外延生长(Al)GaAs/AWaAs隧穿结420。
下一步，在(ADGaAs/AWaAs隧穿结420上延长生长顶电池300，其至下而上包括背电场310、基区320、发射区330、窗口层340。背电场310采用AlxGai_xAs/AlAs异质结结构，其中AlxGa1^xAs层311的Al组分控制在0. 4彡χ<1，厚度为10 200nm ；AlAs层312的厚度为 10 200nm ；AlxGi^xAs 层 311 及 AlAs 层 312 掺杂浓度为 1 X IO17 1 X IO19/cm3。基区 320的材料ρ型(Al) GaInP,厚度为0. 5 μ πΓ . 5 μ m。发射区330的材料为η型(Al) GaInP, 厚度为50nnT300nm。窗口层340的材料为η型AUnP窗口层，厚度为lOnnTlOOnm。下一步，在顶电池300上外延生长η型GaAs欧姆接触层500，构成三结太阳能电池。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
权利要求
1.三结太阳能电池，包含顶电池、中电池、底电池以及两个隧穿结，其特征在于顶电池和中电池的背电场均为Alx(}ai_xAS/AlAS异质结结构。
2.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述顶电池的AlxGai_xAS/ AlAs异质结背电场中AlxGa1^xAs的Al组分χ取值范围为0. 4彡χ<1。
3.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述中电池的AlxGai_xAS/ AlAs异质结背电场中AlxGai_xAs的Al组分χ取值范围为0. 2彡χ<1。
4.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述顶电池及中电池的 AlxGa1^AsZAlAs异质结背电场中AlxGai_xAs的厚度为l(T200nm。
5.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述顶电池及中电池的 AlxGa1^AsZAlAs异质结背电场中AlAs的厚度为l(T200nm。
6.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述顶电池及中电池的 AlxGa1^AsZAlAs异质结背电场中AlxGa^As掺杂浓度为1 X IO17 1 X IO19 /cm3。
7.根据权利要求1所述的三结太阳能电池，其特征在于所述顶电池及中电池的 AlxGa1^AsZAlAs异质结背电场中AlAs掺杂浓度为1 X IO17 1 X IO19 /cm3。
8.三结薄膜太阳能电池的制作方法，包括以下步骤提供Ge衬底，通过P/As的扩散形成Ge底电池；在底电池之上外延生长GaAs隧穿结；在GaAs隧穿结上外延生长中电池的AlxGai_xAs/AlAs异质结背电场；在AlxGai_xAs/AlAs背电场上外延生长(M)GaAs中电池；在中电池之上外延生长GaAs/AWaAs隧穿结；在GaAs/AWaAs隧穿结上外延生长顶电池的AlxGai_xAs/AlAs ；在AlxGai_xAs/AlAs背电场上外延生长(Al)feilnP顶电池。
9.根据权利要求8所述的三结太阳能电池的制作方法，其特征在于所述顶电池的 AlxGa1^AsZAlAs异质结背电场中AlxGa1^xAs的Al组分χ取值范围为:0· 4≤χ<1。
10.根据权利要求8所述的三结太阳能电池的制作方法，所述中电池的AlxGivxAsAlAs 异质结背电场中AlxGai_xAs的Al组分χ取值范围为0. 2彡χ<1。
全文摘要
本发明公开一种三结太阳能电池及其制备方法，其特征在于三结电池中的顶电池和中电池的背电场均采用AlxGa1-xAs/AlAs异质结结构。本发明可提高顶电池外延生长材料的禁带宽度(Eg)，提高三结电池的开路电压(Voc)，同时可增加顶电池和中电子基区光生载流子的收集，提高三结电池的短路电流(Isc)，从而进一步提高三结电池的光电转化效率。
文档编号H01L31/0735GK102569476SQ20121006478
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者丁杰, 刘建庆, 林桂江, 毕京锋, 王良均, 蔡文必 申请人:天津三安光电有限公司