一种混合三子结化合物光伏电池的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种混合三子结化合物光伏电池，该电池表面为二阶凸起结构，该二阶凸起结构包括交替排列的传统GaInP/GaAs/Ge三子结化合物光伏电池和新型InAlAsP/InGaAs/Ge三子结化合物光伏电池，该混合光伏电池结构具有优化的能带结构，最大限度的利用太阳光能，能够提高光电转换效率和收集效率。
【专利说明】一种混合三子结化合物光伏电池
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种化合物光伏电池，优其涉及一种多子结化合物光伏电池。
【背景技术】
[0002]II1- V族化合物光伏电池最先使用于太空领域，但随着技朮的进步，II1- V族化合物光伏电池也越来越多的运用到非太空领域。与硅光伏电池相比，II1-V族化合物光伏电池具有更大的能量转换效率，通过先进工艺制造出的II1- V族化合物光伏电池其光电转换成效率可超过25%，而硅光伏电池不会超过20%。相比于硅光伏电池，II1- V族化合物光伏电池可通过使用多个具有不同带隙能的子电池来实现多太阳辐射的最大化转换。
[0003]对于II1- V族化合物光伏电池而言，GalnP/GaAs/Ge是一种传统的最典型最成熟的II1- V族化合物光伏电池，具有1.86ev/l.42ev/0.66ev的带隙结构，其光电流密度已经能够达到25mA/cm2 ;然而单纯的GalnP/GaAs/Ge光伏电池由于Ge电池的少子扩散长度较小且光吸收系数在长波范围内较低，并且其短路电流密度主要受限于GaInP顶电池，因此对自然太阳光的光谱吸收还不充分，；同事，目前的多子结光伏电池多是以垂直、多结的形成逐层外延到半导体衬底上的，往往不能像硅光伏电池那样形成对光线具有限域作用的植绒表面，现有的II1- V族化合物光伏电池有待得到进一步的提升。
【发明内容】
[0004]为了弥补现有II1- V族化合物光伏电池的不足，进一步提高对光线的利用率，本发明提供一种与现有GalnP/GaAs/Ge形成互补作用的InAlAsP/InGaAs/Ge三结化合物光伏电池，该InAlAsP/InGaAs/Ge三结结构与现有GalnP/GaAs/Ge交替排列形成混合三结化合物光伏电池，其能够有效地提高光伏电池的转换效率，同时该混合三子结化合物光伏电池还具有对光线具有限域作用的二阶凸起结构，该二阶的凸起结构能够有效地提高光接触面积，并且能够对光线产生高效地限域作用。
[0005]本发明的混合三子结化合物光伏电池，包括传统的GalnP/GaAs/Ge三结化合物光伏电池结构，其特征在于该混合三子结化合物光伏电池还包括InAlAsP/InGaAs/Ge三结化合物光伏电池。并且所述混合三子结化合物光伏电池表面为连续的二阶凸起结构，所述连续的二阶凸起结构包括GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池以及InAlAsP/InGaAs/Ge三结光伏电池，并且所述GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池与所述InAlAsP/IGaAs/Ge三结光伏电池交替排列；所述二阶凸起结构包括第一阶凸起和第二阶凸起，其中第二阶凸起从第一阶凸起的上表面向上凸起。
[0006]进一步地，所述GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池包括Ge衬底；Ge子电池，位于Ge衬底上；InGaAs子电池，位于Ge子电池上；InAlAsP子电池，位于InGaAs子电池上；在所述Ge衬底与Ge子电池之间包括n++Ge接触层以及n++Ge接触层之上的背场层；在InAlAsP子电池上为窗口层，窗口层上为P++接触层；Ge子电池与InGaAs子电池，InGaAs子电池与InAlAsP子电池之间具有晶格匹配的n++/p++遂穿二极管。
[0007]进一步地，所述Ge子电池在远离衬底的方向上依次包括η Ge基区，p+Ge发射区，并具有0.66ev左右的带隙；所述InGaAs子电池在远离衬底方向上依次包括n InGaAs基区，p+InGaAs发射区，并具有1.40ev左右的带隙；所述InAlAsP子电池在远离衬底方向上依次包括n InAlAsP基区，p+InAlAsP发射区，并具有1.90ev左右的带隙。
[0008]进一步地，从第二阶凸起的顶面到Ge衬底的底面厚度为300?400 μ m，第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度为50?80 μ m ;并且第二阶凸起的顶部到第一阶凸起的顶部的厚度至少大于第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度的两倍；每两个二阶凸起结构之间的间隔小于第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度。
[0009]进一步地，所述η Ge基区的厚度大于n InGaAs基区的厚度，n InGaAs基区的厚度大于n InAlAsP基区的厚度，η Ge基区的厚度为约2.5微米、n InGaAs基区的厚度为约2.2微米、n InAlAsP基区的厚度为约1.8-2.0微米；p+Ge发射区、p+InGaAs发射区、p+InAlAsP发射区的厚度均为80-100纳米。
[0010]进一步地，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二极管为n++InGaP/p++InGaAsP异质结隧穿二极管；其总厚度为30-45纳米。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为根据本发明的混合三子结化合物光伏电池的结构示意图；
[0012]图2为图1中A区域的放大图，InAlAsP/InGaAs/Ge三结光伏电池的各子结材料层示意图。
【具体实施方式】
[0013]以下将结合最佳实施方式对本发明做进一步的说明，本发明的有益效果将在详细地描述中变得清晰。
[0014]参见图1-2，图1为本发明三子结光伏电池的结构示意图，图2为图1中A区域的放大图，其显示了 InAlAsP/InGaAs/Ge光伏电池C2的细节；图1_2应当视为示意图，其大小比例关系并不带表实际情况，例如图1中的电池Cl和C2的各层只是示意性的，其并不表示Cl和C2电池的各层相同。参见图1，本发明的化合物光伏电池上部光照面形状为连续的二阶凸起结构(a，b)，每一个二阶凸起结构(a，b)具有第一阶凸起(b)和第二阶凸起(a)，其中第二阶凸起(a)从第一阶凸起(b)的上表面向上凸起。该连续的二阶凸起结构包括传统的GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池Cl以及能够与GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池形成互补作用的InAlAsP/IGaAs/Ge三结光伏电池C2，GalnP/GaAs/Ge电池与GalnP/GaAs/Ge电池交替排列；由于GalnP/GaAs/Ge电池结构为本领域熟知的电池结构，在此不在详细描述其具体结构。
[0015]作为本发明的一个方面，参见图2，三子结的InAlAsP/InGaAs/Ge结构，其中InAlAsP子电池(300)的带隙在1.9ev左右，InGaAs子电池(200)的带隙在1.40ev左右，Ge子电池(100)的带隙为0.66ev左右，本发明的三结光伏电池具有的带隙的优化结构能够匹配自然太阳光谱的波长结构，充分利用光伏的各波长段的光子能量，从整体上优化对太阳光谱的吸收，提高电池效率。
[0016]具体说来，本发明的化合物光伏电池包括具有连续的二阶凸起结构(a，b)的Ge衬底(OOl)，该Ge衬底能够同时满足与Cl电池和C2电池的Ge子电池晶格匹配，其中每一个二阶凸起结构(a，b)包括第一阶凸起(b)和第二阶凸起(a)，其中第二阶凸起(a)从第一阶凸起(b)的上表面向上凸起。由于GalnP/GaAs/GeCl电池以及InAlAsP/IGaAs/Ge三结光伏电池C2形成为相同的二阶凸起结构，单以InAlAsP/IGaAs/Ge三结光伏电池C2为例，位于Ge衬底(001)上依次为Ge子电池(100)、InGaAs子电池(200)、InAlAsP子电池(300)以形成1.90ev/l.40ev/0.66ev能带结构的三结电池。其中各子电池的带隙在远离衬底的方向上逐步增大，这十分有利于光电流密度的提高，其中Ge子电池(100)具有0.66ev左右的带隙并在远离衬底的方向上依次为η Ge基区(101)、p+Ge发射区(102)，η Ge基区(101)厚度优选为2.5微米，p+Ge发射区(102)厚度优选为80-100纳米；InGaAs子电池(200)具有1.40ev左右的带隙，并在远离衬底的方向上依次为n InGaAs基区(201)、p+InGaAs发射区(202), n InGaAs基区(201)的厚度优选为2.2微米，p+InGaAs发射区(202)的厚度优选为80-100纳米；InAlAsP子电池(300)具有1.90ev左右的带隙，并在远离衬底的方向上依次为n InAlAsP基区(301)、p+InAlAsp发射区(302)，n InAlAsP基区(301)的厚度优选为
1.8-2.0微米，？+11^14邓发射区(302)的厚度优选为80-100纳米。在Ge衬底(001)与ηGe基区(101)之间还包括n++Ge接触层(002)和背场层(003);在InAlAsP子电池(300)上为窗口层(006)，窗口层(006)上为p++接触层(007)，本发明中对于各子电池基区厚度的优化为能隙大的靠近光照面的子电池小于能隙小的远离光照面的子电池；具体而言，就是ηInAlAsP基区(301)的厚度小于n InGaAs基区(201)的厚度、n InGaAs基区(201)的厚度小于η Ge基区(101)的厚度，这样有利于对自然光伏光谱的最大化利用。
[0017]在InAlAsP/InGaAs/Ge光伏电池C2各子电池层之间具有晶格匹配的n++/p++隧穿二极管(004，005);在本InAlAsP/InGaAs/Ge能带体系的多结光伏电池中，晶格匹配的n++/p++隧穿二极管需要选用异质结结构，这有利于提供高的结间势皇，特别是InAlAsP与InGaAs子电池之间的隧穿二极管(005)，在我们的实验中观察到这对光线通过上层的InAlAsP子电池(300)以及减少结间少子扩散起到有利的作用，在实验中我们使用了n++InGaP/p++InGaAsP异质结隧穿二极管，这在最大程度上提高了电池的光电流效率，当然至于外延生长的多结II1-V族光伏电池，隧穿二极管的厚度是十分重要和敏感的，当选择n++InGaP/p++InGaAsP异质结隧穿二极管作为本体系多结光伏电池InAlAsP与InGaAs子电池之间的隧穿二极管(005)时，实验优化的n++InGaP/p++InGaAsP异质结隧穿二极管(005)的总厚度为30-45纳米。
[0018]混合三子结化合物光伏电池的二阶凸起结构(a，b)是建立在二阶凸起结构的Ge衬底上的，各子电池及其他功能层依次覆盖于该Ge衬底上。从第二阶凸起(b)的顶面到Ge衬底的底面厚度dl约为300-400 μ m，第一阶凸起(b)的顶部到第一阶凸起(b)的底面d2优选为50?80 μ m，即第一阶凸起(b)的高度d2为50?80 μ m ;第二阶凸起(a)的顶部到第一阶凸起(a)的顶部之间的厚度d3至少大于第一阶凸起(b)的高度d2的两倍，优选为150?200 μ m，即第二阶凸起(a)的高度d3优选为150?200 μ m ;每两个二阶凸起结构之间的间隔小于第一阶凸起(b)的高度；每个二阶凸起结构的宽度优选为150?200 μπι。通过上述参数的优化，入射光线以一定角度照射到光伏电池表面时，首先在第二阶凸起结构的表面被电池吸收一部分，未被吸收的照射到第二凸起结构侧面的一部分反射到第一阶凸块的表面并被第一阶凸块吸收，而未被第一阶凸块结构表面吸收的光线一部分又会反射到二阶凸块结构之间的电池表面上。如此这般，使得原本只能对照射到电池上表面的光线进行利用，通过二阶凸起结构不紧能能利用照射到上表面的光线，还能够通过侧面的反射多利用照射到侧边的光线，这部分光线就是增加的额外光线，某种程度上，该结构把光线进行了体系化的利用，因此对太阳入射光线能够达到最大化的利用。更值得注意的是，从二阶凸块结构之间的电池表面反射出来的光线又会射向第一阶凸块结构的表面和/或第二阶凸块结构的表面，如此光伏光线被最大化地限域在具有二阶凸块结构的光伏电池的表面，电池对太阳光线的利用得到极大提高；能够实现上述的限领作用与上述的参数选取是密不可分的，如果第二阶凸起的高度小于第一阶凸起的高度或是二阶凸起结构之间的间隔太大都不会对太阳光线起到限域作用或是会极大消弱限域作用。
[0019]通过上述具体实施例的描述，已经很全面地揭示了本发明的构思，本领域技术人员应当能够了解本发明的优点之处；对于本申请的理解不应当限制在上述实施例中，与本发明精神一致的明显变形的实施方式也应当属于本发明的构思。
【权利要求】
1.一种混合三子结化合物光伏电池，该电池表面为连续的二阶凸起结构，所述连续的二阶凸起结构包括GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池以及InAlAsP/InGaAs/Ge三结光伏电池，并且所述GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池与所述InAlAsP/InGaAs/Ge三结光伏电池交替排列；所述二阶凸起结构包括第一阶凸起和第二阶凸起，其中第二阶凸起从第一阶凸起的上表面向上凸起。
2.如权利要求1所述的光伏电池，所述GalnP/GaAs/Ge三结光伏电池包括Ge衬底；Ge子电池，位于Ge衬底上；InGaAs子电池，位于Ge子电池上；InAlAsP子电池，位于InGaAs子电池上；在所述Ge衬底与Ge子电池之间包括n++Ge接触层以及n++Ge接触层之上的背场层；在InAlAsP子电池上为窗口层，窗口层上为p++接触层；Ge子电池与InGaAs子电池，InGaAs子电池与InAlAsP子电池之间具有晶格匹配的n++/p++遂穿二极管。
3.如权利要求2所述的光伏电池，所述Ge子电池在远离衬底的方向上依次包括ηGe基区，p+Ge发射区，并具有0.66ev左右的带隙；所述InGaAs子电池在远离衬底方向上依次包括n InGaAs基区，p+InGaAs发射区，并具有1.40ev左右的带隙；所述InAlAsP子电池在远离衬底方向上依次包括n InAlAsP基区，p+InAlAsP发射区，并具有1.90ev左右的带隙。
4.如权利要求1-3任一项所述的光伏电池，从第二阶凸起的顶面到Ge衬底的底面厚度为300?400 μ m，第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度为50?80 μ m ;并且第二阶凸起的顶部到第一阶凸起的顶部的厚度至少大于第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度的两倍；每两个二阶凸起结构之间的间隔小于第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度。
5.如权利要求3所述的光伏电池，所述ηGe基区的厚度大于n InGaAs基区的厚度，ηInGaAs基区的厚度大于n InAlAsP基区的厚度，η Ge基区的厚度为约2.5微米、n InGaAs基区的厚度为2.2微米、n InAlAsP基区的厚度为1.8-2.0微米；p+Ge发射区、p+InGaAs发射区、P+InAlAsP发射区的厚度均为80-100纳米。
6.如权利要求2所述的光伏电池，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二极管为n++InGaP/p++InGaAsP异质结隧穿二极管；其总厚度为30-45纳米。
【文档编号】H01L31/078GK204243069SQ201420519920
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】司红康, 马梅, 谢发忠 申请人:六安市大宇高分子材料有限公司