专利名称：一种四结太阳能电池结构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于太阳电池技术领域，特别是涉及一种四结太阳能电池结构。
背景技术：
随着全球范围的能源危机和生态环境问题的日益恶化，人们对太阳能这种取之不尽用之不竭的绿色能源越来越重视，长期以来孜孜不倦地研究高转换 效率的太阳能电池结构。其中，多结太阳电池结构是采用不同禁带宽度的子电池组合成新的结构，来拓展电池对太阳光谱的吸收范围，以实现电池的高效率。目前，以材料带隙宽度搭配理想、晶格常数又非常匹配的GalnP/GalnAs/Ge为代表的三结太阳电池技术已日趋完善。由于光电转换效率随着结数的增多而增大，基于GaAs体系四结及更多结电池结构又受到了各国太阳电池研究人员的极大关注。虽然四结及以上的各多结太阳电池的理论效率展示了诱人的前景，但是在太阳电池的实际制备中，在最基本的材料方面，存在以下三个很难解决的问题(I)由于Ge衬底的带隙为O. 67eV，低于各多结太阳电池最佳带隙要求的底电池带隙的要求，妨碍了最大理论效率的取得；(2)砷化物和磷化物是制作太阳电池的两个最为成熟的材料体系，几乎所有在太阳电池中实际应用的材料都来自这两大材料体系。然而，在这两个材料体系中，获得带隙在2. OeV以上的电池子结是非常困难的。其主要原因在于，高带隙材料中必须含有大量的Al，而Al元素特别活泼，非常容易从环境中吸收氧，形成深能级缺陷，从而恶化器件的性能。MOCVD生长的含Al化合物常常会因为载流子经由Al-O微结构的复合，从而大大缩短少数载流子的扩散长度，导致太阳电池效率的降低；(3)难以获得性能优良的、带隙在LOeV左右的太阳电池子结。砷化物和磷化物两大材料体系中带隙在1. OeV左右的材料大多与Ge衬底的晶格常数并不匹配，从而限制了它们在太阳电池中的应用。在这两种材料体系之外，也有人提出，InGaAsN材料是禁带宽度符合IeV左右、晶格也可以与Ge衬底匹配的一种有望实现效率突破的材料。但是，长期的研究表明，由于N的并入，形成N-N、N-As填隙杂质导致的深能级，这种材料的少子扩散长度很短。这对于太阳电池应用来说是一个非常严重的问题，因为光生载流子不能有效地扩散到p-n结进行收集。从最近几年的研究进展来看，这个问题的解决还没有达到可以实用化的要求。目前公知的被广泛研究的基于GaAs体系四结太阳电池中，不同程度解决了上述三个难以解决的问题，但是仍然存在各子电池材料不能与Ge衬底的晶格完全匹配、电池器件制作工艺也不能与GalnP/GalnAs/Ge三结电池完全兼容的问题，增加了电池的制作难度和成本。
发明内容本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种各子电池与Ge衬底晶格完全匹配、电池器件与GalnP/GalnAs/Ge三结太阳电池完全兼容，太阳电池效率高、高电压低电流特性好、制备工艺简单、制作成本低、可行性方面最容易实现，并且更适合于聚光应用的四结太阳能电池结构。本实用新型四结太阳能电池结构包括如下技术方案—种四结太阳能电池结构，包括Ge衬底，其特点是所述Ge衬底上面依次制有第一结Ge电池、成核层、缓冲层、第一隧道结、第二结GaInAs电池、第二隧道结、第三结AlxGa1^xAs电池、第三隧道结、第四结GaInP2电池和GaAs帽层。本实用新型还可以采用如下技术措施所述第一结Ge电池的基区为P型Ge衬底、发射区为厚度140-200 μ m的η型Ge和GalnP2窗口层；所述成核层为厚度10_50nm的GalnP2 ;所述缓冲层为厚度O. 5_3 μ m的Gaa99InaoiAs ;所述第一隧道结为厚度10nm_50nm为η型GalnP2层和ρ型Ala3Gaa7 As层；所述第二结GaInAs电池的厚度为1-5 μ m,自下至上为AlGaAs背场层、Gaa99InatllAs基区、Gaa99InatllAs发射区、AlInP2窗口层；所述第二隧道结为厚度10nm-50nm的η型GalnP2层和P型Al0.3Ga0.7As层;所述第三结AlxGa^xAs电池的厚度为1-5 μ m,自下至上为AlGaInP背场层、AlxGapxAs基区、AlxGapxAs发射区和AlInP2窗口层；第三隧道为结厚度10nm_50nm的η型GalnP2层和ρ型Ala3Gaa7As层；所述第四结GaInP2的厚度为500-1000nm,自下至上为AlGaInP背场层、GaInP2基区、GaInP2发射区和AlInP2窗口层；所述GaAs帽层厚度为100-1000nm。本实用新型具有的优点和积极效果1、本实用新型由于采用了与Ge衬底晶格完全匹配的GalnPyAlxGahAs/GalnAs/Ge各子电池，有效提高了太阳电池的效率；开路电压由目前公知的3. 4V提高到4V，实现了高电压低电流特性；电池器件GalnP/GalnAs/Ge三结太阳电池完全兼容，简化了制备工艺，降低了制作成本，在可行性方面非常容易实现；2、本实用新型可以将光谱进一步细分，因此，短路电流密度大致变成了 GaInP/GalnAs/Ge三结太阳电池的2/3，电阻功率损耗近似变为原来的4/9，更适合于聚光应用。
图1是本实用新型一种四结太阳能电池结构示意图。图中的标号分别为1_第一结Ge电池；2_成核层；3_缓冲层；4_第一隧道结；5-第二结GaInAs电池；6_第二隧道结；7_第三结AlxGai_xAs电池；8_第三隧道结；9-第四结GaInP2电池；IO-GaAs帽层。
具体实施方式
为能进一步公开本实用新型的发明内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图1进行详细说明如下。一种四结太阳能电池结构，包括Ge衬底。本实用新型的创新点是所述Ge衬底上面依次制有第一结Ge电池1、成核层2、缓冲层3、第一隧道结4、第二结GaInAs电池5、第二隧道结6、第三结AlxGapxAs电池7、第三隧道结8、第四结GaInP2电池9、GaAs帽层10 ;所述第一结Ge电池的基区为ρ型Ge衬底、发射区为厚度140-200 μ m的η型Ge和GalnP2窗口层；所述成核层为厚度10_50nm的GalnP2 ;所述缓冲层为厚度0. 5_3 μ m的Gaa99InatllAs ;所述第一隧道结为厚度10nm_50nm为η型GalnP2层和ρ型Ala3Gaa7As层；所述第二结GaInAs电池的厚度为1_5 μ m,自下至上为AlGaAs背场层、Gaa99InatllAs基区、Gaa99InatllAs发射区、AlInP2窗口层；所述第二隧道结为厚度10nm-50nm的η型GalnP2层和ρ型Ala3Gaa7As层；所述第三结AlxGapxAs电池的厚度为1-5 μ m，自下至上为AlGaInP背场层、AlxGa^As基区、AlxGa^As发射区和AlInP2窗口层；第三隧道为结厚度10nm-50nm的η型GalnP2层和ρ型Ala3Gaa7As层；所述第四结GaInP2的厚度为500-1000nm，自下至上为AlGaInP背场层、GaInP2基区、GaInP2发射区和AlInP2窗口层；所述GaAs帽层厚度为100-1000nm。本实用新型的制作过程采用MOCVD即金属有机化学气相沉积技术在Ge衬底上面依次生长第一结Ge电池、成核层、缓冲层、第一隧道结、第二结GaInAs电池、第二隧道结、第三结AlxGai_xAs电池、第三隧道结、第四结GaInP2电池、GaAs帽层，其中第一结Ge电池，包括基区为ρ型掺杂的Ge衬底、发射区为通过磷扩散得到的η型Ge和GalnP2窗口层；第一结Ge电池的发射区磷扩散温度为500°C _800°C(本实施例最佳生长温度为600°C)、时间为30-60秒(本实施例的最佳生长时间为40秒)、厚度为140-200 μ m(本实施例最佳厚度为140 μ m)，其中Ge电池的发射区掺杂浓度为I X IO17-1 X IO19CnT3 (本实施例的最佳掺杂浓度为IXlO18cnT3)；成核层为GalnP2,生长温度为500°C -800°C (本实施例的最佳生长温度为600°C )、生长时间为30-60秒(本实施例的最佳生长时间为40秒)、厚度为10-50nm (本实施例的最佳厚度为12nm)；缓冲层为Gaa99InatllAs,生长温度为500°C -800°C (本实施例的最佳生长温度为600°C)、生长时间为10-60分钟(本实施例的最佳生长时间为20秒)、厚度为0. 5-3 μ m (本实施例的最佳厚度为0. 7 μ m);第一隧道结，包括η型的GalnP2层和ρ型掺杂的Alci 3Gatl 7As层；第一隧道结的生长温度为500°C -800°C (本实施例的最佳生长温度为600°C)、生长时间为30-60秒(本实施例的最佳生长时间为40秒)、厚度为10nm-50nm (本实施例的最佳厚度为12nm),其中η型的GalnP2层和ρ型掺杂的Ala3Gaa7As层掺杂浓度均为I X IO18-1 X 102°cm_3 (本实施例的最佳掺杂浓度为IXlO18cnT3)；第二结GaInAs 电池,包括 AlGaAs 背场层、Gaa99InatllAs 基区、Gaa99InatllAs 发射区、AlInP2窗口层；第二结GaInAs电池的生长温度为500°C -800°C (本实施例的最佳生长温度为600°C)、生长时间为20-80分钟(本实施例的最佳生长时间为40秒)、厚度为1_5 μ m (本实施例的最佳厚度为2 μ m)，其中AlInP2窗口层的掺杂浓度为I X IO17-1 X IO19CnT3 (本实施例的最佳掺杂浓度为I X1018cm_3)；第二隧道结，包括η型的GalnP2层和ρ型掺杂的Alci 3Gatl 7As层；第二隧道结的生长温度为500°C -800°C (本实施例的最佳生长温度为600°C)、生长时间为30-60秒(本实施例的最佳生长时间为40秒)、厚度为10nm-50nm (本实施例的最佳厚度为12nm),其中η型的GalnP2层和ρ型掺杂的Ala3Gaa7As层掺杂浓度为I X IO18-1 X 102°cm_3 (本实施例的最佳掺杂浓度为IXlO18cnT3)；第三结AlxGa^As电池，包括AlGaInP背场层、AlxGa^xAs基区、AlxGa^xAs发射区和AlInP2窗口层；第三结AlxGahAs电池的生长温度为500°C -800°C (本实施例的最佳生长温度为600°C )，生长时间为40-80分钟(本实施例的最佳生长时间为50秒)，厚度为1_5 μ m(本实施例的最佳厚度为2 μ m)，其中AlInP2窗口层的掺杂浓度为I X IO17-1 X IO19CnT3 (本实施例的最佳掺杂浓度为I X IO1W), O.1≤X≤O. 3 (本实施例中X的最佳值为0.2)；第三隧道结，包括η型的GalnP2层和ρ型掺杂的Ala3Gaa7As层；第三隧道结的生长温度为500°C -800°C (本实施例的最佳生长温度为600°C)、生长时间为30-60秒(本实施例的最佳生长时间为40秒)、厚度为10nm-50nm (本实施例的最佳厚度为12nm),其中η型的GalnP2层和ρ型掺杂的Ala3Gaa7As层掺杂浓度为I X IO18-1 X 102°cm_3 (本实施例的最佳掺杂浓度为IXlO18cnT3)；第四结GaInP2电池，包括AlGaInP背场层、GaInP2基区、GaInP2发射区和AlInP2窗口层；第四结GaInP2电池的生长温度为500°C _800°C(本实施例的最佳生长温度为600°C)、生长时间为10-20分钟(本实施例的最佳生长时间为15分钟)、厚度为500-1000nm(本实施例的最佳厚度为600nm)，其中AlInP2窗口层的掺杂浓度为I X IO17-1 X IO19CnT3 (本实施例的最佳掺杂浓度为I X1018cm_3)；GaAs帽层，生长温度为500°C -800°C (本实施例的最佳生长温度为600°C)、生长时间为5-20分钟(本实施例的最佳生长时间为15分钟)、厚度为IOO-1OOOnm (本实施例的最佳厚度为200nm),其中GaAs帽层的掺杂浓度为I X IO18-1 X 1019cm_3 (本实施例的最佳掺杂浓度为IX 1018cm_3);即完成本实用新型GaAs体系GalnPyAipahAs/GalnAs/Ge四结太阳能电池的制作。尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种四结太阳能电池结构，包括Ge衬底，其特征在于所述Ge衬底上面依次制有第一结Ge电池、成核层、缓冲层、第一隧道结、第二结GaInAs电池、第二隧道结、第三结AlxGa1^xAs电池、第三隧道结、第四结GaInP2电池和GaAs帽层。
2.根据权利要求1所述的一种四结太阳能电池结构，其特征在于所述第一结Ge电池的基区为P型Ge衬底、发射区为厚度140-200 y m的n型Ge和GalnP2窗口层；所述成核层为厚度10-50nm的GalnP2 ;所述缓冲层为厚度0. 5-3 y m的Gaa99InatllAs ;所述第一隧道结为厚度10nm-50nm为n型GalnP2层和p型Ala3Gaa7As层；所述第二结GaInAs电池的厚度为 1-5 ii m,自下至上为 AlGaAs 背场层、Gaa99InatllAs 基区、Gaa99InatllAs 发射区、AlInP2 窗口层；所述第二隧道结为厚度10nm-50nm的n型GalnP2层和p型Ala3Gaa7As层；所述第三结AlxGahAs电池的厚度为1-5 iim,自下至上为AlGaInP背场层、AlxGahAs基区、AlxGahAs发射区和AlInP2窗口层；第三隧道为结厚度10nm-50nm的n型GalnP2层和p型Ala3Gaa7As层；所述第四结GaInP2的厚度为500-1000nm，自下至上为AlGaInP背场层、GaInP2基区、GaInP2发射区和AlInP2窗口层；所述GaAs帽层厚度为100_1000nm。
专利摘要本实用新型涉及一种四结太阳能电池结构，包括Ge衬底，其特点是所述Ge衬底上面依次制有第一结Ge电池、成核层、缓冲层、第一隧道结、第二结GaInAs电池、第二隧道结、第三结AlxGa1-xAs电池、第三隧道结、第四结GaInP2电池和GaAs帽层。本实用新型由于采用了与Ge衬底晶格完全匹配的GaInP2/AlxGa1-xAs/GaInAs/Ge各子电池，有效提高了太阳电池的效率；开路电压提高到4V，实现了高电压低电流特性；电池器件与GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池完全兼容，简化了制备工艺，降低了制作成本，在可行性方面非常容易实现。
文档编号H01L31/078GK202855788SQ201220513098
公开日2013年4月3日 申请日期2012年10月8日 优先权日2012年10月8日
发明者刘如彬, 高鹏, 王帅, 张启明, 康培, 孙强, 穆杰 申请人:天津蓝天太阳科技有限公司, 中国电子科技集团公司第十八研究所