多結太陽能電池及其製備方法
2023-10-10 05:07:09
多結太陽能電池及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種多結太陽能電池及其製備方法，其結構至少包括晶格失配的第一子電池和第二子電池，一漸變緩衝層形成於所述第一、第二子電池之間，一隧穿結插入所述漸變緩衝層內，所述隧穿結與兩側漸變緩衝層失配，同時具有應力平衡和隧穿效應。本發明將隧穿結嵌入存在晶格失配的多結電池的漸變緩衝層中間，隧穿結與兩側漸變緩衝層失配，兩側界面位錯集中，穿透位錯可以在此層扭曲、轉向或者湮沒，避免了穿透位錯向P-N結有源區滑移，有效降低了結區位錯密度，並在一定程度上平衡了兩側應力。
【專利說明】多結太陽能電池及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多結太陽能電池及其製備方法，屬半導體材料【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近些年來，隨著聚光光伏技術的發展，II1- V族合物半導體太陽能電池因其高光電轉換效率而越來越受到關注。
[0003]對於II1- V族化合物半導體領域來言，為了能夠更多吸收太陽光能量，多結太陽能電池被提出來，其將具有不同能隙的半導體元件堆疊在一起，如此可利用多種不同能隙的半導體材料層分別吸收不同能量的太陽光以增進光電轉換效率。在多結II1-V族半導體串接太陽電池中，由於各分電池由p-n結組成，如果直接串聯在一起，則由於p-n結反偏而不導電，採用隧道結結構可以解決這一問題。
[0004]因此，如果能夠提供高隧穿電流的隧道結，可以有效提高多結太陽能電池的光轉換效率。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種具有高隧穿電流的隧道結的多結太陽能電池及其製備方法。傳統隧穿結與連接的兩側子電池晶格匹配，摻雜較高，帶隙高，利用隧穿效應將子電池串聯形成電學迴路。本發明提出一種嵌入式隧穿結，將隧穿結嵌入存在晶格失配子電池的多結電池的漸變緩衝層中間，隧穿結與兩側漸變緩衝層失配，同時具有應力平衡和隧穿效應。
[0006]根據本發明的第一個方面，一種多結太陽能電池，至少包括晶格失配的第一子電池和第二子電池，一漸變緩衝層形成於所述第一、第二子電池之間，一隧穿結插入所述漸變緩衝層內，所述隧穿結與兩側漸變緩衝層失配，同時具有應力平衡和隧穿效應。
[0007]優選地，所述漸變緩衝層的材料可以為InxAlhP, InxGa1I InxGa1^xAs或者InAlGaAs 等。
[0008]優選地，所述隧穿結的晶格常數與兩側漸變緩衝層的晶格常數失配，較佳為略大於兩側漸變緩衝層的晶格常數。優選地，所述多結太陽能電池結構還包括一第三子電池，其與所述第二子電池連接，所述三結子電池構成倒裝電池，其中第二、第三子電池的晶格常數匹配。
[0009]優選地，所述隧穿結為n++/p++_InGaP 或 n++/p++_AlInGaAs。
[0010]根據本發明的第二個方面，多結太陽能電池的製備方法，包括至少形成晶格失配的第一、第二子電池及一漸變緩衝層，所述形成的漸變緩衝層形成於第一、第二子電池之間，並在所述形成的漸變緩衝層內插入一隧穿結，所述形成的隧穿結與兩側漸變緩衝層失配，同時具有應力平衡和隧穿效應。
[0011 ] 優選地，包括形成一第三子電池，其晶格常數與第二子電池匹配。
[0012]優選地，多結太陽能電池的製備方法，包括下面步驟:1)提供一生長襯底，在其上依次倒裝生長第三子電池、第二子電池，其晶格常數與所述生長襯底匹配；2)在所述形成的第二子電池上外延生長一漸變緩衝層的底層；3)在所述形成的漸變緩層底層之上形成一隧穿結；4)在所述形成的隧穿結上繼續外延生長漸變緩衝層，使得所述形成的隧穿結插入在漸變緩衝層，並與兩側漸變緩衝層失配，同時具有應力平衡和隧穿效應；5)在所述漸變緩衝層上倒裝生長第一子電池，其晶格常數與所述第二、第三子電池失配。
[0013]優選地，所述形成的隧穿結的晶格常數與兩側漸變緩衝層的晶格常數失配。
[0014]在本發明中，連接第一、第二子電池之間的隧穿結插入到漸變緩衝層中，與兩側漸變緩衝層失配，兩側界面位錯集中，穿透位錯可以在此層扭曲、轉向或者湮沒，避免了穿透位錯向P-N結有源區滑移，有效降低了結區位錯密度；同時還能在一定程度上平衡了兩側應力，本身承擔傳統隧穿結隧穿效應的同時，還能通過高密度位錯的漏電作用提供額外的短路電流，其作用相當於金屬短路層和隧穿結的結合，能夠有效減小串聯電阻，提高填充因子和光電轉化效率。
[0015]本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。此外，附圖數據是描述概要，不是按比例繪製。
[0017]圖1為根據本發明實施的一種太陽能電池的結構示意圖。
[0018]圖2為本發明較佳實施例之三結太陽能電池的結構示意圖。
[0019]圖中各標號表不:
110:上子電池結構；
120:漸變緩衝層I ;
130:嵌入的隧穿結；
140:漸變緩衝層II ；
150:下子電池結構；
200:襯底；
210:第一子電池；
220:第二子電池；
230:第三子電池；
240:漸變緩衝層；
250:嵌入漸變緩衝層的隧穿結；
260:第二、第三子電池的隧穿結。
【具體實施方式】
[0020]現在將描述本發明的細節，包含本發明的示範性方面和實施例。參看圖示和以下描述，相同的參考編號用於識別相同或功能類似的元件，且意在以高度簡化的圖解方式說明示範性實施列的主要特徵。
[0021]本發明之多結太陽能電池在將隧穿結嵌入漸變緩衝層中間，隧穿結與兩側漸變緩衝層失配，兩側界面位錯集中，穿透位錯可以在此層扭曲、轉向或者湮沒，避免了穿透位錯向P-N結有源區滑移，有效降低了結區位錯密度，並在一定程度上平衡了兩側應力。
[0022]圖1顯示了根據本發明實施例的一種太陽能電池的結構示意圖，其從上至下依次包括:上子電池結構110、漸變緩衝層I 120、嵌入的隧穿結130、漸變緩衝層II 140及下子電池結構150。
[0023]具體的，上子電池結構110可以為單結電池也可以為串聯多結子電池結構，可以為倒裝生長也可以為正裝生長之結構；同樣的下子電池結構150亦可以為單結電池也可以為串聯多結子電池結構，可以為倒裝生長也可以為正裝生長之結構。上子電池結構110與下子電池結構150之間的晶格常失配，通過漸變緩衝層1、II調整。
[0024]漸變緩衝層I和漸變緩衝層II採用同型同質材料，組分不同，晶格遞變，被嵌入的隧穿結130分為兩部分，其作用平衡上、下子電池晶格失配造成的應力，降低穿透位錯密度，帶隙應該根據正裝或者倒裝生長順序而大於後續生長之子電池或者之前生長之子電池。
[0025]嵌入漸變緩衝層內的隧穿結130為雙層P-N結結構，重摻雜(大於E19cm_3)帶隙不低於兩側漸變緩衝層120、140，晶格與兩側漸變緩衝層失配。隧穿結130與兩側漸變緩衝層120,140失配，兩側界面位錯集中，穿透位錯可以在此層扭曲、轉向或者抵消，避免了穿透位錯向P-N結有源區滑移，有效降低了結區位錯密度，並在一定程度上平衡了兩側應力。
[0026]在本發明中，嵌入漸變緩衝層內的隧穿結130承擔傳統隧穿結隧穿效應的同時，還能通過高密度位錯的漏電作用提供額外的電流，能夠有效減小串聯電阻，提高填充因子和光電轉化效率。
[0027]圖2顯示了根據本發明實施的三結倒裝太陽能電池，其結構包括:第一子電池210、第二子電池220、第三子電池230，在第一、第二子電池之間具有漸變緩衝層240，在第二、第三子電池之間具有隧穿結250，在漸變緩衝層260的中間嵌入一隧穿結250，下面結合製備方法對該多結太陽能電池的更多細節進行描述。
[0028]首先，在MOCVD系統中，選用η型摻雜的向(111)晶面偏角為9°的GaAs襯底200，厚度在350微米左右，摻雜濃度在I X 118CnT3 — 4X 11W之間。
[0029]下一步，依次在此襯底上生長InGaP刻蝕截止層、η+_Α1ΙηΡ窗口、n+_InGaP發射區、p+-1nGaP基區及p+_AlInGaP背場層，從而形成InGaP第三子電池230。
[0030]下一步,在第三子電池上生長p++-AlGaAs/n++_InGaP隧穿結260。
[0031]下一步,在隧穿結150上依次生長η+_Α1ΙηΡ窗口層、n+_GaAs發射區和p+_GaAs基區、p+-AlGaAs背場層,從而形成GaAs第二子電池220。
[0032]下一步，在GaAs第二子電池120上方倒裝生長InAlGaAs漸變緩衝層240，Al組分保持為0.4，In組分漸變增大，Ga組分相應的漸變減小，晶格常數逐步增大由原來GaAs的
0.56533nm逐步增大至Ina3Gaci 7As 0.5775 nm。在本實施例中，InAlGaAs漸變緩衝層240包含10層，每層In組分增加0.03，生長過程中隨著In組分的增大，每2層生長溫度降低5度；各個單層厚度大約是250nm，摻雜IX 118CnT3左右。在InAlGaAs漸變緩衝層的第五層和第六層中間插入n++/p++-1nQ.773GaQ.227P隧穿結250，其晶格常數為0.578nm,略大於目標晶格常數(Ina3Gaa7As)和兩側InAlGaAs漸變緩衝層，本身同時具有應力平衡和隧穿效應。
[0033]下一步，在InAlGaAs漸變緩衝層240上依次形成InAlGaAs窗口層、n+_ InGaAs發射區、P+-1nGaAs基區、InAlGaAs背場層，從而形成InGaAs第一子電池210。
[0034]按照如上所述方法獲得倒裝三結太陽能電池的外延片，電池的外延生長結束後，進入刻蝕、第一襯底的剝離，第二襯底的粘結，鍵合，減反膜蒸鍍，電極製備等工藝過程，完成整個電池的製備。
【權利要求】
1.多結太陽能電池，至少包括晶格失配的第一子電池和第二子電池，一漸變緩衝層形成於所述第一、第二子電池之間，一隧穿結插入所述漸變緩衝層內，所述隧穿結與兩側漸變緩衝層失配，同時具有應力平衡和隧穿效應。
2.根據權利要求1所述的多結太陽能電池，其特徵在於:所述隧穿結的帶隙不低於兩側漸變緩衝層。
3.根據權利要求1所述的多結太陽能電池，其特徵在於:所述隧穿結的晶格常數大於兩側漸變緩衝層的晶格常數。
4.根據權利要求1所述的多結太陽能電池，其特徵在於:所述隧穿結將漸變緩衝層分為上、下兩部分，其採用同型同質材料、組分不同、晶格遞變。
5.根據權利要求1所述的多結太陽能電池，其特徵在於:還包括一第三子電池，其與所述第二子電池連接。
6.根據權利要求5所述的多結太陽能電池，其特徵在於:所述三結子電池構成倒裝電池，其中第二、第三子電池的晶格常數匹配。
7.多結太陽能電池的製備方法，包括至少形成晶格失配的第一、第二子電池及一漸變緩衝層，所述形成的漸變緩衝層形成於第一、第二子電池之間，並在所述形成的漸變緩衝層內插入一隧穿結，所述形成的隧穿結與兩側漸變緩衝層失配，同時具有應力平衡和隧穿效應。
8.根據權利要求7所示的多結太陽能電池的製備方法，還包括形成一第三子電池，其晶格常數與第二子電池匹配。
9.根據權利要求8所示的多結太陽能電池的製備方法，包括下面步驟: 1)提供一生長襯底，在其上依次倒裝生長第三子電池、第二子電池，其晶格常數與所述生長襯底匹配； 2)在所述形成的第二子電池上外延生長一漸變緩衝層的底層； 3)在所述形成的漸變緩層底層之上形成一隧穿結； 4)在所述形成的隧穿結上繼續外延生長漸變緩衝層，使得所述形成的隧穿結插入在漸變緩衝層，並與兩側漸變緩衝層失配，同時具有應力平衡和隧穿效應； 5)在所述漸變緩衝層上倒裝生長第一子電池，其晶格常數與所述第二、第三子電池失配。
10.根據權利要求7所述的多結太陽能電池的製備方法，其特徵在於:所述形成的隧穿結的晶格常數大於兩側漸變緩衝層的晶格常數。
【文檔編號】H01L31/0725GK104201229SQ201410476796
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】吳超瑜, 畢京鋒, 陳文浚, 林桂江, 宋明輝, 劉冠洲, 王篤祥 申請人:廈門市三安光電科技有限公司