一种砷化镓太阳能电池外延结构及其生长方法与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种砷化镓太阳能电池外延结构。

背景技术：

三结砷化镓太阳能电池光谱响应性好，光电转换效率高，通常应用在航空航天及聚光光伏电站等领域。目前较常见的三结砷化镓太阳能电池为ge底电池、gaas中电池及gainp顶电池结构，其能带从下往上依次升高，分别吸收不同波长的光，从而实现全光谱吸收。但目前的三结砷化镓电池其各底电池均采用直接掺杂生长法，即同时通生长源及掺杂源来进行生长，这种生长法会给外延结构带来一定量的缺陷，使其晶体质量受到影响，从而影响光电转换性能及其可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种砷化镓太阳能电池外延结构，包括依次层叠设置的ge底电池、gaas中电池和gainp顶电池，所述gaas中电池和所述gainp顶电池中均包括背层和发射层；

所述gaas中电池的背层包括delta掺杂的p型gainp层，发射层包括delta掺杂的n型gaas层；所述gainp顶电池的背层包括delta掺杂的p型gainp层，发射层包括delta掺杂的n型gainp层。

对于ge底电池、gaas中电池和gainp顶电池复合电池而言，可进行delta掺杂的有中电池和顶电池，而对于中电池和顶电池而言，其中一般包括背层、基区和发射层等多个结构，若想通过delta掺杂的方式来改善电池的性能，可选择的方式有多种，如可仅在中电池或顶电池中进行delta掺杂，也可对两个电池均进行delta掺杂，可仅掺杂背层、或发射层中的一部分，也可对其全部进行delta掺杂。本发明发现，对中电池和顶电池中的背层均进行掺杂，并且，基层和发射层中结构不完全是delta掺杂层时，可明显地改善电池的结构，提高电池的效率。

优选的，所述gaas中电池的背层还包括贴附于所述delta掺杂的p型gainp层靠近所述ge底电池的表面，通过直接掺杂生长得到的p型gainp层，发射层中还包括贴附于所述delta掺杂的n型gaas层靠近所述ge底电池的表面，通过直接掺杂生长得到的n型gaas层；

优选的，所述gainp顶电池的背层还包括贴附于所述delta掺杂的p型gainp层靠近所述ge底电池的表面，通过直接掺杂生长得到的p型gainp层，发射层还包括贴附于所述delta掺杂的n型gainp层靠近所述ge底电池的表面，通过直接掺杂生长得到的n型gainp层。

在每层基层或发射层中，除delta掺杂层的结构外，还设置有通过直接掺杂生长得到层状结构，通过与delta的协同作用，与仅设置delta掺杂层相比，可十分有效地提高电池的效率。

优选的，所述gaas中电池的背层中，所述通过直接掺杂生长得到的p型gainp层的厚度为20～40nm，所述p型delta掺杂的gainp层的厚度为20～40nm；所述gaas中电池的发射层中，所述通过直接掺杂生长得到的n型gaas层的厚度为25～60nm，所述delta掺杂的n型gaas发射层的厚度为25～60nm；

优选的，所述gainp顶电池的背层中，所述通过直接掺杂生长得到的p型gainp层的厚的为20～40nm，所述delta掺杂的p型gainp的厚度为20～40nm；所述gainp顶电池的发射层中，通过直接掺杂生长得到的n型gainp层的厚的为25～60nm，所述delta掺杂的n型gainp的厚度为25～60nm。

优选的，朝向所述ge底电池的方向，所述gaas中电池中包括依次层叠设置的窗口层、发射层、基区和背层；朝向所述gaas中电池的方向，所述gainp顶电池中包括依次层叠设置的接触层、窗口层、发射层、基区和背层。中电池的窗口层主要用来透射670nm波长以上的太阳光，中电池基区吸收670-870nm之间的太阳光后，在基区与发射层的pn结界面处产生感应电动势，背层则起到增强光子吸收达到增强效率的作用。顶电池的窗口层主要用来透射太阳全光谱，基区吸收670nm以下的波长在基区与发射层的界面产生感应电动势，背层则起到增强光子吸收达到增强效率的作用。

优选的，所述ge底电池中依次层叠设置p型ge衬底，n型ge发射层和n型gainp窗口层。锗底电池主要吸收870nm以上的波长。

优选的，所述ge底电池与所述gaas通过隧穿结进行连接，所述gaas与所述gainp通过隧穿结进行连接。

进一步优选的，所述隧穿结的材料为gaas。这种隧穿结材料内阻较低能使各节电池更好的串起来，达到最佳的电流密度。

本发明的另一目的是保护本发明所述太阳能电池的制备方法，包括：

形成所述gaas中电池的背层中delta掺杂的p型gainp层，采用金属有机化合物化学气相沉淀法，先生长2～4nm的未通掺杂源的gainp，再只通磷烷1～3秒，再通入掺杂源2～4秒，完成一个周期的生长；如此进行5～20个周期的循环生长；

形成所述gaas中电池的发射层中delta掺杂的n型gaas层，采用金属有机化合物化学气相沉淀法，先生长2～4nm未通硅烷的gaas，再只通砷烷1～3秒，再通入硅烷2～4秒，完成一个周期的生长，如此进行6～30个周期的循环生长。

形成所述gainp顶电池的背层中delta掺杂的p型gainp层，采用金属有机化合物化学气相沉淀法，先生长2～4nm的未通掺杂源的gainp，再只通磷烷1到3秒，再通入掺杂源2～4秒，完成一个周期的生长，如此进行5到20个周期的循环生长；

形成所述gainp顶电池的发射层中delta掺杂的n型gainp层，采用金属有机化合物化学气相沉淀法，先生长2～4nm未通硅烷的gainp，再只通磷烷1～3秒，再通入硅烷2到4秒，完成一个周期的生长，如此进行6～30个周期的循环生长。

优选的，所述金属有机化合物化学气相沉淀法的条件为，温度550～850℃，压强50～200托。

优选的，所述其中电池或顶电池背层掺杂源为ccl4、cbr4或二乙基锌(dezn)中的一种。

作为优选的方案，本发明所述电池的制备方法包括如下步骤：

1)采用金属有机化合物化学气相沉淀法(mocvd)，控制反应室温度为680℃～850℃，压力为50～200torr，在p型ge衬底的上表面进行n型磷扩散，得n型ge发射层，再在其上生长20到60nm厚的gainp缓冲层，作为底电池的窗口层；

2)在所述窗口层上生长5-10nm的n型gaas和5到10nm的p型gaas作为第一隧穿结；

3)在所述第一隧穿结上通过直接掺杂生长的方式生长厚度为20～40nm的p型gainp背层，再采用delta掺杂方式，生长厚度为约20到40nm的delta掺杂的背层；delta掺杂具体为，先生长2到4nm的gainp，再只通磷烷1到3秒，再通入掺杂源2到4秒；如此进行5到20个周期的循环生长；

4)在所述delta掺杂的背层上生长厚度约2000到3000nm的p型gaas作为中电池的基区；

5)通过直接掺杂生长的方式生长厚度为25到60nm的n型gaas发射层，然后采用delta掺杂的方式，得到厚度为25～60nm的delta掺杂的n型gaas发射层；delta掺杂具体为先生长2到4nm未通硅烷的gaas，再只通砷烷1到3秒，再通入硅烷2到4秒，如此循环生长6到30个周期；

6)再在其上生长40到120nm厚的n型algainp窗口层；

7)再在所述窗口层上生长n型gaas和p型gaas作为第二隧穿结；

8)在所述第二隧穿结上通过直接掺杂生长的方式生长厚度为20到40nm的顶电池p型gainp背层，再采用delta掺杂方式，厚度为20到40nm的delta掺杂背层；所述delta掺杂具体为先生长2～4nm的未通掺杂源的gainp，再只通磷烷1～3秒，再打开掺杂源2～4秒，如此进行5到20个周期的循环生长；

9)在所述背层上生长厚度为300到700nm的p型gainp作为顶电池基区；

10)在所述基区上生长厚度为25到60nm的n型gainp发射层，然后采用delta掺杂的方式，得到厚度为25～60nm的delta掺杂的n型gainp发射层；所述delta掺杂具体为先生长2到4nm未通硅烷的gainp，再只通磷烷1到3秒，再打开硅烷2到4秒，再生长2到4nm未通硅烷的gainp，如此循环生长6到30个周期；

11)生长20到60nm的n型algainp窗口层；

12)降温至600到700摄氏度，生长40到100nm的n型gaas接触层。

本发明具有如下有益效果：

1)本发明的三结砷化镓太阳能电池外延结构中，中电池、顶电池的背层及发射层均有进行delta掺杂生长，这种delta掺杂结构能阻断晶体位错延伸、抑制晶体缺陷蔓延，使其可靠性及光电转换效率得以提升。

2)本发明所述的太阳能电池可减小电池工作时的结温，能获得更高的开路电压及短路电流。

附图说明

图1实施例1所述电池的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例涉及一种砷化镓太阳能电池外延结构，依次包括层叠设置的ge底电池、gaas中电池和gainp顶电池；

其具体结构为，从下至上，依次包括p-ge衬底，锗衬底上进行n型磷扩散得到的n-ge发射层，厚度为30nm的n-gainp窗口层，厚度为5nm的n-gaas隧穿结，厚度为5nm的p-gaas隧穿结，厚度为30nm的p-gainp背层1，厚度为32nm的delta掺杂的p-gainp背层2，厚度为2500nm的p-gaas基区，厚度为30nm的n-gaas发射层1，厚度为32nm的delta掺杂的n-gaas发射层2，厚度为80nm的n-algainp窗口层，厚度为5nm的n-gaas隧穿结，厚度为5nm的p-gaas隧穿结，厚度为30nm的p-gainp背层1，厚度为32nm的delta掺杂的p-gainp背层2，厚度为500nm的p-gainp基区，厚度为30nm的n-gainp发射层1，厚度为32nm的delta掺杂的n-gainp发射层2，厚度为40nm的n-algainp窗口层,厚度为50nm的n-gaas接触层。其结构示意图如图1。

本实施例涉及本发明所述电池的制备方法，包括如下步骤：

1)采用mocvd设备进行外延层生长，设定反应室的温度为750℃，压力为150torr，在p型ge衬底的上表面进行n型磷扩散作为底电池的发射层，再在其上生长30nm的n型gainp缓冲层作为底电池的窗口层，此处的n型掺杂采用的硅烷。

后面步骤中外延层n型掺杂均使用硅烷，p型掺杂均使用cbr4；

2)生长厚度为5nm的n型gaas，厚度为5nm的p型gaas作为第一隧穿结；

3)生长厚度为30nm的p型gainp背层1，再采用delta掺杂方式生长p型gainp背层2，具体为，生长2nm的gainp(未通cbr4)，再只通磷烷2秒，再打开cbr43秒，如此进行16个循环周期生长，得厚度为32nm的背层2；

4)生长厚度为2500nm的p型gaas作为中电池的基区，p型掺杂仍然采用cbr4；

5)生长厚度为30nm的n型gaas发射层1，然后采用delta掺杂的方式生长厚度为32nm的delta掺杂的n型gaas发射层2，具体操作为，先生长2nm未通硅烷的gaas，再只通砷烷2秒，再打开硅烷3秒，如此循环生长16个周期，得到厚度为32nm的delta掺杂的n型gaas发射层2；

6)生长80nm厚的n型algainp窗口层；

7)生长5nm的n型gaas和5nm的p型gaas作为第二隧穿结；

8)生长厚度为30nm的顶电池p型gainp背层1，再采用delta掺杂方式生长厚度为32nm的delta掺杂p型gainp背层2，所述delta掺杂生长的具体操作为，先生长2nm的未通cbr4掺杂源的gainp，再只通磷烷2秒，再打开掺杂源3秒，如此进行16个循环周期，得到厚度为32nm的delta掺杂p型gainp背层2；

9)生长厚度为500nm的p型gainp作为顶电池基区；

10)生长厚度为30nm的n型gainp发射层1，然后采用delta掺杂的方式生长厚度为32nm的delta掺杂的n型gainp发射层2，所述delta掺杂生长的具体操作为，先生长2nm未通硅烷的gainp，再只通磷烷2秒，再打开硅烷2秒，如此循环生长，其周期为16个，得到厚度为32nm的delta掺杂的n型gainp发射层2；

11)生长40nm的n型algainp窗口层；

12)降低温度至670度生长50nm的n型gaas接触层。

实施例2

本实施例涉及一种砷化镓太阳能电池外延结构，本实施例与实施例1相比，其区别在于，delta掺杂的n-gainp发射层2的厚度为40nm。

本实施例所述的砷化镓太阳能电池外延结构依次包括层叠设置的ge底电池、gaas中电池和gainp顶电池；

其具体结构为，从下至上，依次包括p-ge衬底，锗衬底上进行n型磷扩散得到的n-ge发射层，厚度为30nm的n-gainp窗口层，厚度为5nm的n-gaas隧穿结，厚度为5nm的p-gaas隧穿结，厚度为30nm的p-gainp背层1，厚度为32nm的delta掺杂的p-gainp背层2，厚度为2500nm的p-gaas基区，厚度为30nm的n-gaas发射层1，厚度为32nm的delta掺杂的n-gaas发射层2，厚度为80nm的n-algainp窗口层，厚度为5nm的n-gaas隧穿结，厚度为5nm的p-gaas隧穿结，厚度为30nm的p-gainp背层1，厚度为32nm的delta掺杂的p-gainp背层2，厚度为500nm的p-gainp基区，厚度为30nm的n-gainp发射层1，厚度为40nm的delta掺杂的n-gainp发射层2，厚度为40nm的n-algainp窗口层,厚度为50nm的n-gaas接触层。

本实施例涉及本发明所述电池的制备方法，包括如下步骤：

1)采用mocvd设备来进行外延层生长，设定反应室的温度为750℃，压力为150torr，在p型ge衬底的上表面进行n型磷扩散作为底电池的发射层。再在其上生长30nm的n型gainp缓冲层作为底电池的窗口层，此处的n型掺杂采用的sih4，之后的外延层n型掺杂均使用硅烷，p型掺杂均使用cbr4；

2)生长厚度为5nm的n型gaas，厚度为5nm的p型gaas作为第一隧穿结；

3)生长厚度为30nm的p型gainp背层1，再采用delta掺杂方式，生长2nm的未通cbr4(掺杂源)的gainp，再只通磷烷2秒，再打开cbr43秒，如此进行16个循环周期生长，生长厚度为32nm的delta掺杂的p型gainp背层2；

4)生长厚度为2500nm的p型gaas作为中电池的基区，p型掺杂仍然采用cbr4；

5)生长厚度为30nm的n型gaas发射层1，然后采用delta掺杂的方式，先生长2nm未通硅烷的gaas，再只通砷烷2秒，再打开硅烷3秒，再生长2nm未通硅烷的gaas，如此循环生长，其周期为16个，得到厚度为32nm的delta掺杂的n型gaas发射层2；

6)生长80nm厚的n型algainp窗口层；

7)生长5nm的n型gaas和5nm的p型gaas作为第二隧穿结；

8)生长厚度为30nm的顶电池p型gainp背层1，再采用delta掺杂方式，先生长2nm的未通cbr4掺杂源的gainp，再只通磷烷2秒，再打开掺杂源3秒，如此进行16个循环周期，得到厚度为32nm的delta掺杂p型gainp背层2；

9)生长厚度为500nm的p型gainp作为顶电池基区；

10)生长厚度为30nm的n型gainp发射层1，然后采用delta掺杂的方式，生长2nm未通硅烷的gainp，再只通磷烷2秒，再打开硅烷2秒，如此循环生长，其周期为20个，得到厚度为40nm的delta掺杂的n型gainp发射层2；

11)生长40nm的n型algainp窗口层；

12)降低温度至670度生长50nm的n型gaas接触层。

实施例3

本实施例涉及一种砷化镓太阳能电池外延结构，与实施例1相比，其区别在于，其p型delta掺杂gainp背层2厚度为40nm。

本实施例所述的外延结构依次包括层叠设置的ge底电池、gaas中电池和gainp顶电池；

其具体结构为，从下至上，依次包括p-ge衬底，锗衬底上进行n型磷扩散得到的n-ge发射层，厚度为30nm的n-gainp窗口层，厚度为5nm的n-gaas隧穿结，厚度为5nm的p-gaas隧穿结，厚度为30nm的p-gainp背层1，厚度为40nm的delta掺杂的p-gainp背层2，厚度为2500nm的p-gaas基区，厚度为30nm的n-gaas发射层1，厚度为32nm的delta掺杂的n-gaas发射层2，厚度为80nm的n-algainp窗口层，厚度为5nm的n-gaas隧穿结，厚度为5nm的p-gaas隧穿结，厚度为30nm的p-gainp背层1，厚度为32nm的delta掺杂的p-gainp背层2，厚度为500nm的p-gainp基区，厚度为30nm的n-gainp发射层1，厚度为32nm的delta掺杂的n-gainp发射层2，厚度为40nm的n-algainp窗口层,厚度为50nm的n-gaas接触层。

本实施例涉及本发明所述电池的制备方法，包括如下步骤：

1)采用mocvd设备来进行外延层生长，设定反应室的温度为750℃，压力为150torr，在p型ge衬底的上表面进行n型磷扩散作为底电池的发射层。再在其上生长30nm的n型gainp缓冲层作为底电池的窗口层，此处的n型掺杂采用的sih4，之后的外延层n型掺杂均使用硅烷，p型掺杂均使用cbr4；

2)生长厚度为5nm的n型gaas，厚度为5nm的p型gaas作为第一隧穿结；

3)生长厚度为30nm的p型gainp背层1，再采用delta掺杂方式，生长2nm的未通cbr4(掺杂源)的gainp，再只通磷烷2秒，再打开cbr43秒，再生长2nm的未通cbr4的gainp，如此进行20个循环周期生长，生长厚度为40nm的delta掺杂的p型gainp背层2；

4)生长厚度为2500nm的p型gaas作为中电池的基区，p型掺杂仍然采用cbr4；

5)生长厚度为30nm的n型gaas发射层1，然后采用delta掺杂的方式，先生长2nm未通硅烷的gaas，再只通砷烷2秒，再打开硅烷3秒，再生长2nm未通硅烷的gaas，如此循环生长，其周期为16个，得到厚度为32nm的delta掺杂的n型gaas发射层2；

6)生长80nm厚的n型algainp窗口层；

7)生长5nm的n型gaas和5nm的p型gaas作为第二隧穿结；

8)生长厚度为30nm的顶电池p型gainp背层1，再采用delta掺杂方式，先生长2nm的未通cbr4掺杂源的gainp，再只通磷烷2秒，再打开掺杂源3秒，再生长2nm的未通掺杂源的gainp，如此进行16个循环周期，得到厚度为32nm的delta掺杂p型gainp背层2；

9)生长厚度为500nm的p型gainp作为顶电池基区；

10)生长厚度为30nm的n型gainp发射层1，然后采用delta掺杂的方式，生长2nm未通硅烷的gainp，再只通磷烷2秒，再打开硅烷2秒，再生长2nm未通硅烷的gainp，如此循环生长，其周期为16个，得到厚度为32nm的delta掺杂的n型gainp发射层2；

11)生长40nm的n型algainp窗口层；

12)降低温度至670度生长50nm的n型gaas接触层。

对比例1

与实施例1相比，本对比例的区别在于，所述gaas中电池的中不设置p-gainp背层1和n-gaas发射层1。

对比例2

与实施例1相比，本对比例的区别在于，所述gainp顶电池中不设置p-gainp背层1和n-gainp发射层1

对比例3

与实施例1相比，本对比例的区别在于，所述gaas中电池的delta掺杂的背层的制备方法为先生长1nm的未通cbr4(掺杂源)的gainp，再只通磷烷2秒，再打开cbr43秒，如此进行32个循环周期生长，生长厚度为32nm的delta掺杂的p型gainp背层2；delta掺杂的发射层的制备方法为先生长1nm未通硅烷的gaas，再只通砷烷2秒，再打开硅烷3秒，如此循环生长，其周期为32个，得到厚度为32nm的delta掺杂的n型gaas发射层2。

对比例4

与实施例1相比，本对比例的区别在于，所述gaas顶电池的delta掺杂的背层生长方法为先生长6nmm的未通cbr4掺杂源的gainp，再只通磷烷4秒，再打开掺杂源6秒，如此进行5个循环周期，得到厚度为30nm的delta掺杂p型gainp背层2；其delta掺杂的发射层的制备方法为生长6nm未通硅烷的gainp，再只通磷烷4秒，再打开硅烷6秒，再生如此循环生长，其周期为5个，得到厚度为30nm的delta掺杂的n型gainp发射层。

对比例5

本对比例涉及市面上常见的复合电池，包括层叠设置的ge底电池、gaas中电池和gainp顶电池，其具体结构为：

常见电池的具体结构为，从下至上，依次包括p-ge衬底，锗衬底上进行n型磷扩散的n-ge发射层，再生长厚度为30nm的n-gainp窗口层，厚度为5nm的n-gaas隧穿结，厚度为5nm的p-gaas隧穿结，厚度为60nm的p-gainp背层1，厚度为2500nm的p-gaas基区，厚度为70nm的n-gaas发射层1，厚度为80nm的n-algainp窗口层，厚度为5nm的n-gaas隧穿结，厚度为5nm的p-gaas隧穿结，厚度为60nm的p-gainp背层1，厚度为500nm的p-gainp基区，厚度为60nm的n-gainp发射层1，厚度为40nm的n-algainp窗口层,厚度为50nm的n-gaas接触层。

实验例

对实施例和对比例的太阳能外延结构的光电转换效率进行测定，其测定方法为在am1.5d，500倍聚光测试条件下，其光电转换效率分别为:

由以上数据可以看出，仅对中电池和顶电池进行掺杂生长，其对效果的改善上远不如在中电池和顶电池中均进行掺杂生长的效果，而且采用本申请所述的delta掺杂生长的方式效果更为理想。

本发明在研究的过程中还尝试过仅对背层和发射层仅进行delta掺杂，即背层和发射层中仅含有一层的delta掺杂层，不含有普通的掺杂层，结果发现与采用普通的掺杂方式相比，效果没有明显的改善。也尝试仅在中电池和顶电池的背层进行delta掺杂，不对发射层进行delta掺杂，其效果也没有采用本发明的方式理想。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。