多結太陽能電池外延結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于化合物半導體薄膜太陽能電池的外延生長領域，具體涉及一種多結太陽能電池外延結構。
【背景技術】
[0002]II1-V族化合物半導體多結太陽能電池是轉換效率最高的一種太陽能電池，同時具有耐高溫性能強、抗輻射能力強、輕薄、溫度特性好等優點。近年來，隨著聚光光伏技術的發展和移動能源應用的發展，GaAs及相關化合物II1-V族太陽能電池因其高光電轉換效率而越來越受到關注。同時，配合優異的襯底剝離技術，實現襯底的多次重復利用，能夠進一步降低GaAs及相關化合物II1-V族太陽能電池芯片的成本，同時減輕電池芯片重量。因此基于II1-V族化合物半導體多結太陽能電池的光伏發電技術具有非常廣泛的市場發展前景。
[0003]對于本領域技術人員而言，GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池是目前轉換效率最高的II1-V族化合物半導體三結太陽能電池。該類型太陽能電池的優點是各個子電池的帶隙寬度和電流都基本匹配。目前，GalnP/GaAs/InGaAs三結薄膜電池在AM1.5G下的最高轉換效率已達37.9%。
[0004]圖2顯示一種傳統的GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池的外延結構的示意圖。如圖2所示，該傳統的GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池的外延結構依次包括:
[0005]GaAs 襯底 101，；
[0006]生長在GaAs襯底101’上的GaAs緩沖層102’ ；
[0007]生長在GaAs緩沖層102’上的AlGaAs腐蝕剝離層a’ (或標示為103’ )；
[0008]生長在AlGaAs腐蝕剝離層a’上的歐姆接觸層104’ ；
[0009]生長在歐姆接觸層104’上的GaInP子電池b’，該GaInP子電池b’依次包括窗口層105’、發射區106’、基區107’和背場區108’ ;
[0010]生長在GaInP子電池b’上的第一隧穿結c’，該第一隧穿結c’依次包括AlGaAs層109’ 和 GaInP 層 110’ ；
[0011]生長在第一隧穿結c’上的GaAs子電池d’，該GaAs子電池d’依次包括窗口層111’、發射區112’、基區113’和背場區114’ ；
[0012]生長在GaAs子電池d’上的第二隧穿結f’，該第二隧穿結f’依次包括AlGaAs層115’ 和 GaInP 層 116’ ；
[0013]生長在第二隧穿結 f’ 上的 N 型摻雜 AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs，AlGaInAsP等材料構成的晶格過渡層e’ (或標示為117’ );
[0014]生長在晶格過渡層e’上的InGaAs子電池g’ ；和生長在InGaAs子電池g’上的InGaAs 接觸層 122’。
[0015]然而，這種傳統的GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池的生長有一個問題。為了實現帶隙寬度和電流的匹配，InGaAs子電池必須在晶格失配的條件下生長。為了在晶格失配的情況下生長低位錯密度InGaAs材料，通常需要生長厚度達數微米的晶格過渡層來減小外延層的位錯密度，這不但提高了電池的制造成本，同時也增加了電池的重量，限制了電池的應用環境。因此，如何在改善三結電池效率的情況下，進一步減輕電池重量，降低電池制造成本，成為了改善GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池的一個極為重要的方面。

【發明內容】

[0016]本發明的目的旨在進一步提高多結太陽能電池的光電轉換效率和/或降低制造成本。
[0017]根據本發明的一個方面，提供一種多結太陽能電池外延結構，包括:包括層疊布置的第一子電池、第二子電池和第三子電池，其中，
[0018]第一子電池和第二子電池具有一致的晶格常數，第二子電池和第三子電池具有不同的晶格常數，
[0019]在第二子電池和第三子電池之間設置有反射漸變層，所述反射漸變層構造用于對透過第二子電池基區的光譜進行反射；并且
[0020]所述反射漸變層包括層疊布置的多組分布式布拉格反射層，其中，在每組分布式布拉格反射層內部，材料的晶格常數不變；從第二子電池到第三子電池，各組分布式布拉格反射層的晶格常數逐漸變化，使得最靠近第二子電池的一組分布式布拉格反射層的晶格常數接近第二子電池的晶格常數，而最靠近第三子電池的一組分布式布拉格反射層的晶格常數接近第三子電池的晶格常數；且整個反射漸變層材料的禁帶寬度都不小于第二子電池基區的禁帶寬度。
[0021]根據本發明的一個實施例，所述的多結太陽能電池外延結構還包括至少一個另外的子電池。
[0022]根據本發明的一個實施例，第一子電池為GaInP子電池，第二子電池為GaAs子電池，第三子電池為InGaAs子電池；且每組分布式布拉格反射層由Al1 yInyAs和AlxGa1 x yInyAs的周期性多層結構構成，且同一組分布式布拉格反射層內，In的組分比例值y為定值；不同組的分布式布拉格反射層之間，y逐漸變化以使得各組分布式布拉格反射層的晶格常數從第二子電池到第三子電池逐漸增加，且Al的組分比例值X變化以使得各組分布式布拉格反射層中所有材料的禁帶寬度Eg都不小于GaAs子電池基區的禁帶寬度。
[0023]根據本發明的一個實施例，在所述反射漸變層中，各層Al1 yInyAs的厚度相同，各層AlxGa1 x yInyAs的厚度也相同，且各層Al1 yInyAs的厚度等于各層AlxGa1 x yInyAs的厚度，且每層Al1 yInyAs或每層AlxGa1 x yInyAs的厚度根據GaAs子電池的吸收截止波段確定。
[0024]根據本發明的一個實施例，在第二子電池上設置所述反射漸變層；且在所述反射漸變層和第三子電池之間設置第二隧穿結。
[0025]根據本發明的一個實施例，第一子電池和第二子電池之間設置有第一隧穿結。
[0026]根據本發明的一個實施例，所述的多結太陽能電池外延結構，還包括=GaAs襯底；在GaAs襯底上的一層GaAs緩沖層；在GaAs緩沖層上的腐蝕剝離層；在腐蝕剝離層上的GaAs歐姆接觸層；其中，所述第一子電池形成在所述歐姆接觸層上。
[0027]根據本發明的一個實施例，所述的多結太陽能電池外延結構，還包括:在所述第三子電池上形成的InGaAs接觸層。
[0028]根據本發明的多結太陽能電池外延結構，與傳統技術相比，在多結太陽能電池的兩個子電池之間，采用反射漸變層代替傳統的晶格過渡層材料，在提高電池的光電轉換效率的同時，能夠減小電池的厚度，減輕電池的重量，整體降低電池的制造成本。
【附圖說明】
[0029]圖1顯示根據本發明的一個實例性實施例的三結太陽能電池結構的示意圖；和
[0030]圖2顯示一種傳統的GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池的外延結構的示意圖。
【具體實施方式】
[0031 ] 下面詳細描述本發明的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中相同或相似的標號表示相同或相似的元件。下面參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0032]以下參照圖1說明根據本發明的一個實例性實施例的GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池結構的示意圖。如圖1所示，GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池的外延結構，包括:
[0033]GaAs 襯底 101;
[0034]在GaAs襯底上的一層GaAs緩沖層102 ；
[0035]在GaAs緩沖層上的腐蝕剝離層103或(a)，所述腐蝕剝離層可由在GaAs緩沖層上外延生長的AlxGa1 xAs形成，其中0.7 < X < I ;
[0036]在所述AlxGa1 xAs腐蝕剝離層上的一層N型摻雜GaAs歐姆接觸層104 ；
[0037]在GaAs歐姆接觸層上的GaInP第一子電池(b)；
[0038]在第一子電池上的第一隧穿結(C)；
[0039]在第一隧穿結上的GaAs第二子電池(d)；
[0040]在第二子電池上的反射漸變層(e)，由多組分布式布拉格反射層構成；
[0041]在反射漸變層上的第二隧穿結(f);
[0042]在第二隧穿結上的InGaAs第三子電池(g);和
[0043]在第三子電池上的P型摻雜InGaAs接觸層122。
[0044]具體地，所述第一子電池(b)可包括:
[0045]生長在歐姆接觸層104上的N型摻雜AlInP第一窗口層105 ；
[0046]生長在第一窗口層105上的N型摻雜GaInP第一發射區106 ；
[0047]生長在第一發射區106上的P型摻雜GaInP第一基區107 ;和
[0048]生長在第一基區107上的P型摻雜AlGaInP第一背場區108。
[0049]所述第一隧穿結(C)可包括:
[0050]生長在第一背場區108上的第一 P型高摻雜AlGaAs層109 ;和
[0051]生長在第一 P型高摻雜AlGaAs層109上的第一 N型高摻雜GaInP層110。
[0052]所述第二子電池(d)可包括:
[0053]生長在第一 N型高摻雜GaInP層110上的N型摻雜GaInP第二窗口層111 ；
[0054]生長在第二窗口層111上的N型摻雜GaAs第二發射區112 ；
[0055]生長在第二發射區112上的P型摻雜GaAs第二基區113 ;和
[0056]生長在第二基區113上的P型摻雜AlGaAs第二背場區114。
[0057]根據上述實施例，反射漸變層(e)為由多組分布式布拉格反射層構成，每組分布式布拉格反射層(DBR)由Al1 yInyAs和AlxGa1 x yInyAs的周期性多層結構構成，組內In的組分比例值y為定值，各組分布式布拉格反射層(DBR)之間，所有材料單層厚度都相同，每層的厚度由GaAs子電池吸收截止波段決定，通過改變In組分比例y實現各組DBR的晶格常數沿外延生長方向從底面向頂面逐步增加，按長度計從0.567nm增加至0.579nm。同時調節Ga的組分比例值X實現各組DBR層所有材料的禁帶寬度Eg都不小于GaAs第二子電池基區的禁帶寬度；
[0058]所述第二隧穿結(f)可包括:
[0059]生長在反射漸變層(e)上的第二 P型高摻雜AlGaAs層116 ;和
[0060]生長在第二 P型高摻雜AlGaAs層116上的第二 N型高摻雜GaInP層117。
[0061]所述第三子電池(g)可包括:
[0062]生長在第二 N型高摻雜GaInP層117上的N型摻雜AlGaInAs第三窗口層118 ；
[0063]生長在第三窗口層118上的N型摻雜InGaAs第三發射區119 ；
[0064]生長在第三發射區119上的P型摻雜InGaAs第三基區120 ;和
[0065]生長在第三基區120上的P型摻雜AlGaInAs第三背場區121。
[0066]根據本發明的上述實施例，提供一種新型的GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池外延結構。該GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池外延結構中，在GaAs子電池和InGaAs子電池之間，采用反射漸變層代替傳統晶格過渡層材料，通過對GaAs第二子電池吸收波段的反射作用，有效的減小GaAs第二子電池的吸收層厚度，有效提高了電池轉換效率，同時減輕三結電池的重量，整體降低三結電池的制造成本。
[0067]以下說明圖1所示的GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池的外延結構的制造方法。圖1所示的GalnP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池的外延結構可以采用一種氣相外延生長技術來制造，例如采用MOCVD