專利名稱：雙結(jié)串行式InGaAs/InGaAsP雙端太陽(yáng)電池及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能光伏技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙結(jié)串行式太陽(yáng)電池的制作方法。
背景技術(shù)：
石油、煤炭等常規(guī)能源的日益短缺及對(duì)其過(guò)度開發(fā)所導(dǎo)致的地球生態(tài)問(wèn)題是人類 21世紀(jì)所面臨的最大的挑戰(zhàn)。太陽(yáng)能高效發(fā)電技術(shù)作為一種清潔的、可再生能源利用技術(shù)不斷取得突破。晶體硅太陽(yáng)電池、非晶硅太陽(yáng)電池、非晶硅薄膜太陽(yáng)電池、III- V族化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池、II - VI族化合物半導(dǎo)體多晶薄膜太陽(yáng)電池等，越來(lái)越多的太陽(yáng)電池技術(shù)日趨成熟。光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高及制造成本的持續(xù)降低，使得光伏技術(shù)在空間和地面都得到了廣泛的應(yīng)用。由于太陽(yáng)光譜中的能量分布較寬，現(xiàn)有的任何一種半導(dǎo)體材料都只能吸收能量大于禁帶寬度的光子。太陽(yáng)光中能量較小的光子將透過(guò)電池，被背電極金屬吸收，轉(zhuǎn)變成熱能；高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過(guò)光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點(diǎn)陣原子，使材料本身發(fā)熱。這些能量都不能通過(guò)光生載流子傳給負(fù)載，變成有效的電能。因此單結(jié)太陽(yáng)電池的理論轉(zhuǎn)換效率一般較低?；仡櫣夥夹g(shù)在最近10年的發(fā)展，在效率提高方面，多結(jié)級(jí)聯(lián)式的太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)是最引人矚目的。2007年hGaP/ (In) GaAs/Ge三結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)能電池大規(guī)模生產(chǎn)的平均效率已經(jīng)接近30%。在240倍聚光下，這種多結(jié)太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室AMI. 5D效率已經(jīng)超過(guò)了 40%。理論上來(lái)說(shuō)，結(jié)數(shù)越多，效率越高。但在實(shí)踐上，很難找到在帶隙寬度上如此理想搭配，晶格常數(shù)又非常匹配的兩種材料來(lái)實(shí)現(xiàn)整體級(jí)聯(lián)電池。因此，目前的多結(jié)電池結(jié)構(gòu)主要有兩種思路一是優(yōu)先考慮晶格匹配而將光電流匹配放在次要的位置。采用晶格匹配的設(shè)計(jì)，兩結(jié)fe^nP/GaAs電池的效率達(dá)到了 30%以上。但晶格匹配的電池結(jié)構(gòu)由于其確定的帶隙能量，限制了太陽(yáng)光的光電流的匹配，使得它不能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池的全光譜吸收利用。 例如，對(duì)于晶格匹配的fe^nP/GaAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)電池，底電池Ge上的光電流密度為上兩層電池光電流密度的兩倍，從而限制了效率的提升。二是優(yōu)先考慮多結(jié)結(jié)構(gòu)的光電流匹配而采用晶格失配的生長(zhǎng)方式，從2005年開始，國(guó)際上幾個(gè)著名的研究組，比如NREL，Emc0re以及日本的豐田、夏普等越來(lái)越多地關(guān)注晶格失配的太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)的研究。通過(guò)帶隙能量的調(diào)整，利用倒置方法生長(zhǎng)的InGaAs/ (In)GaAs/InGaP電池的效率從2007年的38. 9% (81 倍聚光，AMI. 5D)提高到2008年的40. 8% (3 倍聚光，AMI. 5G)。最近德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所的Eicke Weber教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將三結(jié)feJnP/feilnAs/Ge太陽(yáng)電池效率提高到了 41. 1%。盡管如此，晶格失配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依賴于高質(zhì)量的材料生長(zhǎng)，而大的晶格失配必然帶來(lái)失配位錯(cuò)，從而大大增加非輻射復(fù)合、降低電池效率。這導(dǎo)致了直接生長(zhǎng)的四結(jié)串聯(lián)式電池的效率反而比三結(jié)的效率要低。而根據(jù)Siockley-Quisser模型，四結(jié)太陽(yáng)電池可以獲得超過(guò)45%的轉(zhuǎn)換效率。
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基于晶格失配的太陽(yáng)電池在材料生長(zhǎng)上的限制以及四結(jié)以上電池研制的需要，光學(xué)集成的太陽(yáng)電池系統(tǒng)目前獲得了最高的效率。2010年澳大利亞新南威爾士大學(xué)通過(guò)光學(xué)集成的方法，實(shí)現(xiàn)了 43%的光電轉(zhuǎn)化效率。在他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，他們采用了五結(jié)電池組合。其中，長(zhǎng)波長(zhǎng)采用了分立的InGaAs/lnGaAsP太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光譜的全光譜利用。 然而分立器件的使用，同時(shí)也增加了系統(tǒng)集成的困難以及成本。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述以InGaP/ (In) GaAs/Ge三結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)能電池為代表的光伏技術(shù)仍無(wú)法達(dá)到與太陽(yáng)光譜的最佳匹配，以及制作單片級(jí)聯(lián)三結(jié)以上的太陽(yáng)能電池存在的半導(dǎo)體材料間晶格失配的客觀困難，本發(fā)明的目的是提出一種雙結(jié)串行式MGaAsAnGaAsP太陽(yáng)電池及其制作方法。如果將之和GaAs/felnP電池結(jié)合使用，將在繼承以往三結(jié)級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高、穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，制備四結(jié)單片高效太陽(yáng)電池，以獲得高電壓、 低電流輸出，從而有效降低超高倍聚光太陽(yáng)電池中的電阻損失，實(shí)現(xiàn)較高的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的目的將通過(guò)以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)
一、雙結(jié)串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽(yáng)電池，其特征在于所述雙端太陽(yáng)電池以 p+InGaAs/n+InGaAs隧道結(jié)為基，且于所述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)兩側(cè)分別設(shè)有能在波長(zhǎng)能量0. 74eV吸收的InGaAs的底電池和1. 05eV吸收的InGaAsP的頂電池，所述頂電池與底電池通過(guò)p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)相串聯(lián)，且所述兩電池各自基于InP襯底生長(zhǎng)而成。進(jìn)一步地，雙端太陽(yáng)電池還采用InP襯底作為頂、底電池的窗口層及背場(chǎng)，以降低不同材料之間的界面復(fù)合。二、雙結(jié)串行式InGaAsAnGaAsP雙端太陽(yáng)電池的制作方法，包括如下步驟 步驟1 利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在InP襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAs外延
片，獲得帶隙能量為0. 74eV的底電池；
步驟2 在制得的InGaAs外延片上生長(zhǎng)重?fù)诫s的p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)； 步驟3 再利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在上述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)上生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAsP外延片，獲得帶隙能量為1. 05eV的頂電池。進(jìn)一步的，上述步驟3之后，還包括基于外延片的尺寸外形切割及適于安裝的封裝工藝、能效測(cè)試的步驟，以完成電池的制作。本發(fā)明太陽(yáng)電池及其制備方法的提出及應(yīng)用實(shí)施，較之于現(xiàn)有技術(shù)其突出效果為
首先，本發(fā)明利用隧道結(jié)作為連接上下電池的結(jié)構(gòu)，獲得了雙結(jié)直接串行式太陽(yáng)電池， 實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜的長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收；
其次，本發(fā)明減少了在長(zhǎng)波長(zhǎng)太陽(yáng)光譜中常用的機(jī)械式級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池系統(tǒng)中使用多個(gè)不同襯底所導(dǎo)致的高成本；
再者，本發(fā)明的串行式兩端器件結(jié)構(gòu)還有效解決了機(jī)械級(jí)聯(lián)或者三端器件中上下不同電池的電極設(shè)計(jì)及準(zhǔn)直問(wèn)題。


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圖1是本發(fā)明實(shí)施例雙結(jié)串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例雙結(jié)串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽(yáng)電池的I_V特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易理解，下面結(jié)合本發(fā)明具體實(shí)施例，詳細(xì)說(shuō)明如下。1) InP襯底上外延材料的生長(zhǎng)
如圖1所示，是本發(fā)明兩結(jié)串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖 1可以清楚地看到該雙端太陽(yáng)電池為基于單一 InP襯底，并利用p+hGaAs/n+hGaAs作為隧道結(jié)串聯(lián)生長(zhǎng)而成的InGaAs和InGaAsP雙端太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)。其中hP 襯底上層為 InGaAs 底電池，包括 P InGaAsiBC Base 禾口 n+ InGaAsiBC Emitter雙層結(jié)構(gòu)；InGaAs底電池的上層為隧道結(jié)，包括頂側(cè)和底側(cè)的緩沖層以及兩者之間ρ++ InGaAsiTJ, n++ InGaAsiTJ的四層結(jié)構(gòu)；而隧道結(jié)的上層為InGaAsP頂電池，其為包含 ρ InGaAsPiTC Base,n+ InGaAsPiTC Emitter 和 η+ InPTC Window 的三層結(jié)構(gòu)。此外，該雙端太陽(yáng)電池還采用InP襯底作為頂、底電池的窗口層及背場(chǎng)，以降低不同材料之間的界面復(fù)合。從制備方法來(lái)看包括如下步驟
步驟1 利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在InP襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAs外延片，獲得帶隙能量為0. 74eV的底電池；
步驟2 在制得的InGaAs外延片上生長(zhǎng)重?fù)诫s的p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)，此處要求隧道結(jié)實(shí)現(xiàn)低阻、高光學(xué)透過(guò)率以及高電流密度；
步驟3 再利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在上述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)上生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAsP外延片，獲得帶隙能量為1. 05eV的頂電池。2)電池工藝及測(cè)試
外延片生長(zhǎng)完之后，按照標(biāo)準(zhǔn)的電池工藝完成電池制備，包括一系列輸出功率、尺寸外形及適于安裝的封裝工藝步驟，完成太陽(yáng)電池的制作。同時(shí)測(cè)試其I-V特性以及外量子效率，其I-V特性曲線如圖2所示。IV特性采用標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模擬器AMI. 5G (0. lW/cm2)測(cè)試， 采用光學(xué)濾光片將能量高于1. 42eV的太陽(yáng)光濾掉。開路電壓達(dá)到0. 97V，短路電流密度為 12. 65mA/cm2，填充因子為75. 6%。將功率除以單位面積上太陽(yáng)光能量(全光譜能量)得到效率為9. 3%ο綜上所述，是對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，對(duì)本案保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制， 凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方法，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.雙結(jié)串行式InGaAsAnGaAsP雙端太陽(yáng)電池，其特征在于所述雙端太陽(yáng)電池以 p+InGaAs/n+InGaAs隧道結(jié)為基，且于所述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)兩側(cè)分別設(shè)有能在波長(zhǎng)能量0. 74eV吸收的InGaAs的底電池和1. 05eV吸收的InGaAsP的頂電池，所述頂電池與底電池通過(guò)p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)相串聯(lián)，且所述兩電池各自基于InP襯底生長(zhǎng)而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙結(jié)串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽(yáng)電池，其特征在于所述頂電池的窗口層及背場(chǎng)和底電池的窗口層及背場(chǎng)均為InP襯底。
3.雙結(jié)串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1 利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在InP襯底上生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAs外延片，獲得帶隙能量為0. 74eV的底電池；步驟2 在制得的InGaAs外延片上生長(zhǎng)重?fù)诫s的p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)； 步驟3 再利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法在上述p+hGaAs/n+hGaAs隧道結(jié)上生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAsP外延片，獲得帶隙能量為1.05eV的頂電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙結(jié)串行式InGaAs/lnGaAsP雙端太陽(yáng)電池的制作方法，其特征在于步驟3之后，還包括基于外延片的尺寸外形切割及適于安裝的封裝工藝、能效測(cè)試的步驟，以完成電池的制作。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種應(yīng)用于太陽(yáng)光譜長(zhǎng)波段的雙結(jié)串聯(lián)式InGaAs/InGaAsP高效雙端太陽(yáng)電池的制作方法。本發(fā)明利用p+InGaAs/n+InGaAs作為隧道結(jié)，將基于InP襯底上的InGaAs和InGaAsP太陽(yáng)電池結(jié)果串聯(lián)生長(zhǎng)，使之波長(zhǎng)滿足能量在0.74eV和1.05eV的吸收，更大限度地實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光全光譜的吸收和能量轉(zhuǎn)換。在長(zhǎng)波長(zhǎng)太陽(yáng)光譜中常用的機(jī)械式級(jí)聯(lián)太陽(yáng)電池系統(tǒng)因?yàn)槭褂枚鄠€(gè)不同襯底而導(dǎo)致成本較高，本發(fā)明只用一個(gè)襯底，從而大大降低了成本；同時(shí)，串行式兩端器件結(jié)構(gòu)還有效解決了機(jī)械級(jí)聯(lián)或者三端器件中上下不同電池的電極設(shè)計(jì)及準(zhǔn)直問(wèn)題。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK102339889SQ20111027124
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者任雪勇, 何巍, 楊輝, 熊康林, 董建榮, 趙勇明, 陸書龍, 黃伍橋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所