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具有超晶格結構的太陽能電池及其制備方法.pdf

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具有 晶格 結構 太陽能電池 及其 制備 方法
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摘要
申請專利號:

CN201210203843.2

申請日:

2012.06.20

公開號:

CN102738267B

公開日:

2015.01.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 31/0352申請日:20120620|||公開
IPC分類號: H01L31/0352; H01L31/077(2012.01)I; H01L31/18 主分類號: H01L31/0352
申請人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
發明人: 鄭新和; 李雪飛; 張東炎; 吳淵淵; 陸書龍; 楊輝
地址: 215125 江蘇省蘇州市工業園區獨墅湖高教區若水路398號
優先權:
專利代理機構: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218 代理人: 孫佳胤;翟羽
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210203843.2

授權公告號:

102738267B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.21|||2012.12.12|||2012.10.17

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種具有超晶格結構的太陽能電池,包括第一GaAs層和有源區,所述有源區置于第一GaAs層的裸露表面上,所述有源區包括第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構,所述第二GaNAs/InGaAs超晶格結構設置于第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面,且所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同。本發明還提供一種如上述具有超晶格結構的太陽能電池的制備方法,在第一GaAs層的裸露表面上生長兩種GaNAs/InGaAs超晶格結構以形成有源區,所述兩種GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同。

權利要求書

1.一種具有超晶格結構的太陽能電池,其特征在于,包括第一GaAs層和有源區,所述有源區置于第一GaAs層的裸露表面上,所述有源區包括第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構,所述第二GaNAs/InGaAs超晶格結構設置于第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面,且所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同。2.根據權利要求1所述的具有超晶格結構的太陽能電池,其特征在于,進一步包括GaAs電池和GaAs緩沖層,所述GaAs電池置于GaAs緩沖層的裸露表面上,所述GaAs電池包括依次設置的AlGaAs背場層、第一GaAs層、有源區、第二GaAs層和AlGaAs窗口層,其中第一GaAs層的導電摻雜類型與第二GaAs層的導電摻雜類型相反。3.根據權利要求2所述的具有超晶格結構的太陽能電池,其特征在于,進一步包括Ge或GaAs的襯底層,以及包括依次在Ge或GaAs的襯底層上設置的GaAs緩沖層、GaAs電池和GaAs接觸層。4.根據權利要求1所述的具有超晶格結構的太陽能電池,其特征在于,所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構的周期范圍分別為1納米至10納米。5.一種權利要求1所述的具有超晶格結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于,包括步驟:3)在第一GaAs層裸露表面生長有源區,?所述步驟3)進一步包括步驟:?31)在第一GaAs層表面生長第一GaNAs/InGaAs超晶格結構;?32)在第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面生長第二GaNAs/InGaAs超晶格結構;?其中,所述兩種GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同。6.根據權利要求5所述的具有超晶格結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于,所述步驟3)之前進一步包括步驟:?1)在GaAs緩沖層的裸露表面生長AlGaAs背場層;?2)在AlGaAs背場層表面生長第一GaAs層;所述步驟3)之后進一步包括步驟:?4)在有源區表面生長第二GaAs層;?5)在第二GaAs層表面生長AlGaAs窗口層。7.根據權利要求6所述的具有超晶格結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于,所述步驟1)之前包括步驟:在Ge或GaAs的襯底層裸露表面生長GaAs緩沖層,?所述步驟5)之后包括步驟:在AlGaAs窗口層表面生長GaAs接觸層。8.根據權利要求5所述的具有超晶格結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于,所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構的生長均采用In與N空間分離的生長方式。

說明書

具有超晶格結構的太陽能電池及其制備方法

技術領域

本發明涉及太陽能電池領域,尤其涉及具有超晶格結構的太陽能電池及其制備方法。

背景技術

由于太陽能取之不盡,是傳統化石能源的有效替代者,太陽電池的研究越來越深入。在太陽電池領域,目前GaInP/GaAs多結電池已成功應用于空間光伏領域,又因為其最高效率而成為地面高倍聚光應用的優秀代表,另外可與Ge形成三結電池可使效率得到進一步提升。但Ge的帶隙(0.7eV)?不是三結電池中最合適的。如果能制備出0.8~1.4eV的太陽電池,且與GaAs或Ge襯底晶格匹配,轉換效率將顯著提升,而且可以結合Ge構成四結及四結以上獲得超高效率的晶格匹配電池。

近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN,InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料受到了重視。人們發現增加了少量氮的砷化鎵其帶隙不是預期的增加,反而產生了相反的效果,從而導致帶隙迅速減小,不是預期的藍移,而是紅移,這種不尋常的行為引起了相當大的興趣,人們認為這是材料物理學上一個新的觀點以及存在潛在的應用空間,這些新化合物被稱為稀氮化物。稀氮化物已擺脫傳統的III-V族半導體,當氮插入到五族元素的晶格,對材料的性能產生了深遠影響,并允許能帶工程進一步發展。在常規的GaAs和InP基III-V族化合物中只加入少量的氮(小于5%),結果可以造成非常大的能帶彎曲,這形成了許多有趣的微電子和光電應用。除了能帶彎曲,少量的氮也導致帶結構的改變,只有0.5%的氮,GaP帶隙產生從間接到直接的變化,且在650nm紅光范圍具有很強的發光。

現已有研究者制備出帶隙為1eV的GaInNAs太陽電池,如圖1,包括襯底層101,以及在襯底層101上依次設置的緩沖層102、背場層103、第一GaAs層104、第二GaAs層105和接觸層106,但該GaInNAs太陽電池電流密度和開路電壓仍較低,轉換效率也不高。采用GaInNAs四元體系的體材料,由于In、N共存生長,容易產生應變與組分起伏,降低少子壽命,遷移率也不高,吸收光子所產生的電子-空穴對在被收集之前就已經復合,限制了電流輸出,轉換效率的提升有限。雖有通過In、N分離的超晶格和量子阱來獲得該帶隙的太陽能電池,但由于是單一壘層厚度的超晶格,當獲得足夠厚的有源區時易產生失配位錯,最終影響電池的性能。于是,研究人員試圖尋找其他有效方法突破這個技術難關。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是,提供具有超晶格結構的太陽能電池及其制備方法。

為了解決上述問題,本發明提供了一種具有超晶格結構的太陽能電池,包括第一GaAs層和有源區,所述有源區置于第一GaAs層的裸露表面上,所述有源區包括第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構,所述第二GaNAs/InGaAs超晶格結構設置于第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面,且所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同。

所述具有超晶格結構的太陽能電池,進一步包括GaAs電池和GaAs緩沖層,所述GaAs電池置于GaAs緩沖層的裸露表面上,所述GaAs電池包括依次設置的AlGaAs背場層、第一GaAs層、有源區、第二GaAs層和AlGaAs窗口層,其中第一GaAs層的導電摻雜類型與第二GaAs層的導電摻雜類型相反。

所述具有超晶格結構的太陽能電池,進一步包括Ge或GaAs的襯底層,以及包括依次在Ge或GaAs的襯底層上設置的GaAs緩沖層、GaAs電池和GaAs接觸層。

所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構的周期范圍分別為1納米至10納米。

為了解決上述問題,本發明還提供了一種具有超晶格結構的太陽能電池的制備方法,包括步驟:3)在第一GaAs層裸露表面生長有源區,

所述步驟3)進一步包括步驟:

31)在第一GaAs層表面生長第一GaNAs/InGaAs超晶格結構;

32)在第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面生長第二GaNAs/InGaAs超晶格結構;

其中,所述兩種GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同。

所述步驟3)之前進一步包括步驟:

1)在GaAs緩沖層的裸露表面生長AlGaAs背場層;

2)在AlGaAs背場層表面生長第一GaAs層;

所述步驟3)之后進一步包括步驟:?????4)在有源區表面生長第二GaAs層;

5)在第二GaAs層表面生長AlGaAs窗口層。

所述步驟1)之前包括步驟:在Ge或GaAs的襯底層裸露表面生長GaAs緩沖層,

所述步驟5)之后包括步驟:在AlGaAs窗口層表面生長GaAs接觸層。

所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構的生長均采用In與N空間分離的生長方式。

本發明提供具有超晶格結構的太陽能電池及其制備方法,優點在于:

1.?上述太陽電池帶隙范圍為0.8~1.4eV,與傳統的帶隙為1eV的GaInNAs電池相比,可與技術成熟的GaInP/GaAs及Ge形成更合理的帶隙組合,能更充分地利用太陽光譜;

2.?上述太陽電池采用短周期超晶格作為有源區,更方便調制帶隙大小;

3.?上述太陽電池有源區生長采用In、N分離生長技術,避免了傳統GaInNAs電池有源區In、N共存引起的應變等缺陷;

4.上述太陽電池有源區中InGaAs阱層的厚度不同,這樣能獲得足夠厚的有源區且不產生應變失配導致的缺陷,從而提高電池的效率。

附圖說明

圖1是傳統GaInNAs太陽電池結構圖;

圖2是本發明提供的一種具有超晶格結構的太陽能電池結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明提供的具有超晶格結構的太陽能電池及其制備方法的具體實施方式做詳細說明。

圖2所示為所述的一種具有超晶格結構的太陽能電池結構圖。

第一具體實施方式

本發明的提供一種具有超晶格結構的稀氮氮化物(Dilute?Nitride)超晶格太陽能電池。

所述具有超晶格結構的稀氮氮化物超晶格太陽能電池,該太陽能電池的帶隙范圍為0.8eV~1.4eV,包括Ge或GaAs的襯底層201,以及包括在Ge或GaAs的襯底層201上依次設置的GaAs緩沖層202、GaAs電池、GaAs接觸層209及上接觸電極210,以及包括在Ge或GaAs的襯底層201裸露表面上的下接觸電極200。

GaAs電池包括在GaAs緩沖層202上依次按照遠離襯底層201方向設置的AlGaAs背場層203、第一GaAs層204,有源區211、第二GaAs層207和AlGaAs窗口層208,其中第一GaAs層204的導電摻雜類型與第二GaAs層207的導電摻雜類型相反。第一GaAs層204的導電摻雜類型為N型或P型。

作為可選實施方式,第一GaAs層204可作為GaAs電池的基區,第二GaAs層207可作為GaAs電池的發射區。

所述有源區211的材料為兩種GaNAs/InGaAs超晶格結構,即第一GaNAs/InGaAs超晶格結構205和第二GaNAs/InGaAs超晶格結構206,且第一GaNAs/InGaAs超晶格結構205和第二GaNAs/InGaAs超晶格結構206按照遠離襯底層201方向設置于第一GaAs層204表面,其中第一GaNAs/InGaAs超晶格結構205和第二GaNAs/InGaAs超晶格結構206的阱層InGaAs具有不同的厚度。

所述第一GaNAs/InGaAs超晶格結構205、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構206均為短周期超晶格結構,且它們周期范圍分別為1納米至10納米,如此才能保證既要保證有源區211不產生失配,又要保證有源區211獲得所需的吸收帶邊。

第二具體實施方式

上述具有超晶格結構的太陽能電池的制備方法為:

1)利用金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)或者分子束外延技術(MBE)在Ge或GaAs的襯底層201上依次生長GaAs緩沖層202、AlGaAs背場層203及第一GaAs層204;

2)在第一GaAs層204裸露表面上利用MOCVD或者MBE生長具有不同阱層厚度的兩種GaNAs/InGaAs短周期超晶格有源區211;

3)在超晶格有源區211裸露表面上采用MOCVD或者MBE技術外延生長GaAs發射層207、AlGaAs窗口層208和GaAs接觸層209;

4)在GaAs接觸層209裸露表面上和Ge或GaAs的襯底層201裸露表面上分別制作N型上接觸電極210和P型下接觸電極200。

接下來給出本發明的一個實施例。

本發明提供具有超晶格結構的太陽能電池的制備方法,帶隙范圍為0.8eV~1.4eV,該太陽能電池的結構如圖2所示。

以在P型Ge的襯底層上用MBE制備GaNAs/InGaAs短周期超晶格太陽能電池為例,具體制備方法包括以下步驟:

(1)?選取P型Ge的襯底層201,并對襯底進行清洗,也可以選擇免清洗的Ge襯底直接進入下一步的反應。采用液氮冷卻配合下,在背景壓力控制在低于9×10-10Torr下,將襯底層201置于MBE的反應腔室中,并將襯底層201加熱至500~600℃,以去除襯底層201表面氧化層,接著開始外延生長無反相疇的GaAs緩沖層202,使用GaAs緩沖層202來優化薄膜質量;

(2)?在GaAs緩沖層202裸露表面上采用MBE法生長P型AlGaAs背場層203,以減小光生電子的復合,阻止第一GaAs層204的光生電子向下接觸電極200擴散,增加載流子收集;

(3)?在AlGaAs背場層203上采用MBE法生長載流子濃度低于背場層載流子濃度的P型第一GaAs層204;

(4)?在第一GaAs層204的裸露表面上采用MBE法生長厚度為t1/t3?納米?的本征且具有短周期的第一GaNAs/InGaAs超晶格結構205和厚度為t1/t2納米?的本征且具有短周期的第二GaNAs/InGaAs超晶格結構206。換句話說,第一GaNAs/InGaAs超晶格結構205中阱層GaNAs的厚度為t1納米,第一GaNAs/InGaAs超晶格結構205中阱層InGaAs的厚度為t3?納米,第二GaNAs/InGaAs超晶格結構206中阱層GaNAs的厚度為t1納米,第二GaNAs/InGaAs超晶格結構206中阱層InGaAs的厚度為t2納米,其中t1、t2、t3為自然數,且t3不等于t2。

(5)?在有源區211裸露表面上采用MBE法生長N型GaAs層作為第二GaAs層207,接著生長N型摻雜濃度高于第二GaAs層207的AlGaAs層208作為AlGaAs窗口層208,防止光生空穴向上擴散。

(6)?在AlGaAs窗口層208的裸露表面上采用MBE法生長高摻雜濃度的N型GaAs層作為GaAs接觸層209,以便電池與金屬形成良好的歐姆接觸,降低電池阻抗,提高電池性能。

(7)?在GaAs接觸層209裸露表面上和Ge或GaAs的襯底層201裸露表面上分別制作N型上接觸電極210和P型下接觸電極200。

以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通技術人員,在不脫離本發明原理的前提下,還可以做出若干改進和潤飾,這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。

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