多结太阳能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种多结太阳能电池及其制备方法，其结构至少包括晶格失配的第一子电池和第二子电池，一渐变缓冲层形成于所述第一、第二子电池之间，一隧穿结插入所述渐变缓冲层内，所述隧穿结与两侧渐变缓冲层失配，同时具有应力平衡和隧穿效应。本发明将隧穿结嵌入存在晶格失配的多结电池的渐变缓冲层中间，隧穿结与两侧渐变缓冲层失配，两侧界面位错集中，穿透位错可以在此层扭曲、转向或者湮没，避免了穿透位错向P-N结有源区滑移，有效降低了结区位错密度，并在一定程度上平衡了两侧应力。
【专利说明】多结太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多结太阳能电池及其制备方法，属半导体材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近些年来，随着聚光光伏技术的发展，II1- V族合物半导体太阳能电池因其高光电转换效率而越来越受到关注。
[0003]对于II1- V族化合物半导体领域来言，为了能够更多吸收太阳光能量，多结太阳能电池被提出来，其将具有不同能隙的半导体元件堆叠在一起，如此可利用多种不同能隙的半导体材料层分别吸收不同能量的太阳光以增进光电转换效率。在多结II1-V族半导体串接太阳电池中，由于各分电池由p-n结组成，如果直接串联在一起，则由于p-n结反偏而不导电，采用隧道结结构可以解决这一问题。
[0004]因此，如果能够提供高隧穿电流的隧道结，可以有效提高多结太阳能电池的光转换效率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种具有高隧穿电流的隧道结的多结太阳能电池及其制备方法。传统隧穿结与连接的两侧子电池晶格匹配，掺杂较高，带隙高，利用隧穿效应将子电池串联形成电学回路。本发明提出一种嵌入式隧穿结，将隧穿结嵌入存在晶格失配子电池的多结电池的渐变缓冲层中间，隧穿结与两侧渐变缓冲层失配，同时具有应力平衡和隧穿效应。
[0006]根据本发明的第一个方面，一种多结太阳能电池，至少包括晶格失配的第一子电池和第二子电池，一渐变缓冲层形成于所述第一、第二子电池之间，一隧穿结插入所述渐变缓冲层内，所述隧穿结与两侧渐变缓冲层失配，同时具有应力平衡和隧穿效应。
[0007]优选地，所述渐变缓冲层的材料可以为InxAlhP, InxGa1I InxGa1^xAs或者InAlGaAs 等。
[0008]优选地，所述隧穿结的晶格常数与两侧渐变缓冲层的晶格常数失配，较佳为略大于两侧渐变缓冲层的晶格常数。优选地，所述多结太阳能电池结构还包括一第三子电池，其与所述第二子电池连接，所述三结子电池构成倒装电池，其中第二、第三子电池的晶格常数匹配。
[0009]优选地，所述隧穿结为n++/p++_InGaP 或 n++/p++_AlInGaAs。
[0010]根据本发明的第二个方面，多结太阳能电池的制备方法，包括至少形成晶格失配的第一、第二子电池及一渐变缓冲层，所述形成的渐变缓冲层形成于第一、第二子电池之间，并在所述形成的渐变缓冲层内插入一隧穿结，所述形成的隧穿结与两侧渐变缓冲层失配，同时具有应力平衡和隧穿效应。
[0011 ] 优选地，包括形成一第三子电池，其晶格常数与第二子电池匹配。
[0012]优选地，多结太阳能电池的制备方法，包括下面步骤:1)提供一生长衬底，在其上依次倒装生长第三子电池、第二子电池，其晶格常数与所述生长衬底匹配；2)在所述形成的第二子电池上外延生长一渐变缓冲层的底层；3)在所述形成的渐变缓层底层之上形成一隧穿结；4)在所述形成的隧穿结上继续外延生长渐变缓冲层，使得所述形成的隧穿结插入在渐变缓冲层，并与两侧渐变缓冲层失配，同时具有应力平衡和隧穿效应；5)在所述渐变缓冲层上倒装生长第一子电池，其晶格常数与所述第二、第三子电池失配。
[0013]优选地，所述形成的隧穿结的晶格常数与两侧渐变缓冲层的晶格常数失配。
[0014]在本发明中，连接第一、第二子电池之间的隧穿结插入到渐变缓冲层中，与两侧渐变缓冲层失配，两侧界面位错集中，穿透位错可以在此层扭曲、转向或者湮没，避免了穿透位错向P-N结有源区滑移，有效降低了结区位错密度；同时还能在一定程度上平衡了两侧应力，本身承担传统隧穿结隧穿效应的同时，还能通过高密度位错的漏电作用提供额外的短路电流，其作用相当于金属短路层和隧穿结的结合，能够有效减小串联电阻，提高填充因子和光电转化效率。
[0015]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]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。
[0017]图1为根据本发明实施的一种太阳能电池的结构示意图。
[0018]图2为本发明较佳实施例之三结太阳能电池的结构示意图。
[0019]图中各标号表不:
110:上子电池结构；
120:渐变缓冲层I ;
130:嵌入的隧穿结；
140:渐变缓冲层II ；
150:下子电池结构；
200:衬底；
210:第一子电池；
220:第二子电池；
230:第三子电池；
240:渐变缓冲层；
250:嵌入渐变缓冲层的隧穿结；
260:第二、第三子电池的隧穿结。
【具体实施方式】
[0020]现在将描述本发明的细节，包含本发明的示范性方面和实施例。参看图示和以下描述，相同的参考编号用于识别相同或功能类似的元件，且意在以高度简化的图解方式说明示范性实施列的主要特征。
[0021]本发明之多结太阳能电池在将隧穿结嵌入渐变缓冲层中间，隧穿结与两侧渐变缓冲层失配，两侧界面位错集中，穿透位错可以在此层扭曲、转向或者湮没，避免了穿透位错向P-N结有源区滑移，有效降低了结区位错密度，并在一定程度上平衡了两侧应力。
[0022]图1显示了根据本发明实施例的一种太阳能电池的结构示意图，其从上至下依次包括:上子电池结构110、渐变缓冲层I 120、嵌入的隧穿结130、渐变缓冲层II 140及下子电池结构150。
[0023]具体的，上子电池结构110可以为单结电池也可以为串联多结子电池结构，可以为倒装生长也可以为正装生长之结构；同样的下子电池结构150亦可以为单结电池也可以为串联多结子电池结构，可以为倒装生长也可以为正装生长之结构。上子电池结构110与下子电池结构150之间的晶格常失配，通过渐变缓冲层1、II调整。
[0024]渐变缓冲层I和渐变缓冲层II采用同型同质材料，组分不同，晶格递变，被嵌入的隧穿结130分为两部分，其作用平衡上、下子电池晶格失配造成的应力，降低穿透位错密度，带隙应该根据正装或者倒装生长顺序而大于后续生长之子电池或者之前生长之子电池。
[0025]嵌入渐变缓冲层内的隧穿结130为双层P-N结结构，重掺杂(大于E19cm_3)带隙不低于两侧渐变缓冲层120、140，晶格与两侧渐变缓冲层失配。隧穿结130与两侧渐变缓冲层120,140失配，两侧界面位错集中，穿透位错可以在此层扭曲、转向或者抵消，避免了穿透位错向P-N结有源区滑移，有效降低了结区位错密度，并在一定程度上平衡了两侧应力。
[0026]在本发明中，嵌入渐变缓冲层内的隧穿结130承担传统隧穿结隧穿效应的同时，还能通过高密度位错的漏电作用提供额外的电流，能够有效减小串联电阻，提高填充因子和光电转化效率。
[0027]图2显示了根据本发明实施的三结倒装太阳能电池，其结构包括:第一子电池210、第二子电池220、第三子电池230，在第一、第二子电池之间具有渐变缓冲层240，在第二、第三子电池之间具有隧穿结250，在渐变缓冲层260的中间嵌入一隧穿结250，下面结合制备方法对该多结太阳能电池的更多细节进行描述。
[0028]首先，在MOCVD系统中，选用η型掺杂的向(111)晶面偏角为9°的GaAs衬底200，厚度在350微米左右，掺杂浓度在I X 118CnT3 — 4X 11W之间。
[0029]下一步，依次在此衬底上生长InGaP刻蚀截止层、η+_Α1ΙηΡ窗口、n+_InGaP发射区、p+-1nGaP基区及p+_AlInGaP背场层，从而形成InGaP第三子电池230。
[0030]下一步,在第三子电池上生长p++-AlGaAs/n++_InGaP隧穿结260。
[0031]下一步,在隧穿结150上依次生长η+_Α1ΙηΡ窗口层、n+_GaAs发射区和p+_GaAs基区、p+-AlGaAs背场层,从而形成GaAs第二子电池220。
[0032]下一步，在GaAs第二子电池120上方倒装生长InAlGaAs渐变缓冲层240，Al组分保持为0.4，In组分渐变增大，Ga组分相应的渐变减小，晶格常数逐步增大由原来GaAs的
0.56533nm逐步增大至Ina3Gaci 7As 0.5775 nm。在本实施例中，InAlGaAs渐变缓冲层240包含10层，每层In组分增加0.03，生长过程中随着In组分的增大，每2层生长温度降低5度；各个单层厚度大约是250nm，掺杂IX 118CnT3左右。在InAlGaAs渐变缓冲层的第五层和第六层中间插入n++/p++-1nQ.773GaQ.227P隧穿结250，其晶格常数为0.578nm,略大于目标晶格常数(Ina3Gaa7As)和两侧InAlGaAs渐变缓冲层，本身同时具有应力平衡和隧穿效应。
[0033]下一步，在InAlGaAs渐变缓冲层240上依次形成InAlGaAs窗口层、n+_ InGaAs发射区、P+-1nGaAs基区、InAlGaAs背场层，从而形成InGaAs第一子电池210。
[0034]按照如上所述方法获得倒装三结太阳能电池的外延片，电池的外延生长结束后，进入刻蚀、第一衬底的剥离，第二衬底的粘结，键合，减反膜蒸镀，电极制备等工艺过程，完成整个电池的制备。
【权利要求】
1.多结太阳能电池，至少包括晶格失配的第一子电池和第二子电池，一渐变缓冲层形成于所述第一、第二子电池之间，一隧穿结插入所述渐变缓冲层内，所述隧穿结与两侧渐变缓冲层失配，同时具有应力平衡和隧穿效应。
2.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于:所述隧穿结的带隙不低于两侧渐变缓冲层。
3.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于:所述隧穿结的晶格常数大于两侧渐变缓冲层的晶格常数。
4.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于:所述隧穿结将渐变缓冲层分为上、下两部分，其采用同型同质材料、组分不同、晶格递变。
5.根据权利要求1所述的多结太阳能电池，其特征在于:还包括一第三子电池，其与所述第二子电池连接。
6.根据权利要求5所述的多结太阳能电池，其特征在于:所述三结子电池构成倒装电池，其中第二、第三子电池的晶格常数匹配。
7.多结太阳能电池的制备方法，包括至少形成晶格失配的第一、第二子电池及一渐变缓冲层，所述形成的渐变缓冲层形成于第一、第二子电池之间，并在所述形成的渐变缓冲层内插入一隧穿结，所述形成的隧穿结与两侧渐变缓冲层失配，同时具有应力平衡和隧穿效应。
8.根据权利要求7所示的多结太阳能电池的制备方法，还包括形成一第三子电池，其晶格常数与第二子电池匹配。
9.根据权利要求8所示的多结太阳能电池的制备方法，包括下面步骤: 1)提供一生长衬底，在其上依次倒装生长第三子电池、第二子电池，其晶格常数与所述生长衬底匹配； 2)在所述形成的第二子电池上外延生长一渐变缓冲层的底层； 3)在所述形成的渐变缓层底层之上形成一隧穿结； 4)在所述形成的隧穿结上继续外延生长渐变缓冲层，使得所述形成的隧穿结插入在渐变缓冲层，并与两侧渐变缓冲层失配，同时具有应力平衡和隧穿效应； 5)在所述渐变缓冲层上倒装生长第一子电池，其晶格常数与所述第二、第三子电池失配。
10.根据权利要求7所述的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于:所述形成的隧穿结的晶格常数大于两侧渐变缓冲层的晶格常数。
【文档编号】H01L31/0725GK104201229SQ201410476796
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】吴超瑜, 毕京锋, 陈文浚, 林桂江, 宋明辉, 刘冠洲, 王笃祥 申请人:厦门市三安光电科技有限公司