一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池及其制备方法，以Ge单晶为衬底，在该衬底表面自下而上依次生长有GaInP成核层、GaInAs缓冲层、晶格渐变缓冲层、第一新型隧穿结、GaInAs子电池、第二新型隧穿结和GaInP子电池。其中，第一新型隧穿结和第二新型隧穿结均包括一层简并的p型镓铟氮砷(Ga1‑yInyNxAs1‑x)和一层简并的n型镓铟砷(Ga1‑zInzAs)，两层材料的晶格常数分别与其相邻半导体层材料一致或失配度小于3％，每层的厚度均在5到100nm范围内。本发明专利技术采用的新型隧穿结不仅具有比普通隧穿结更优的高电导、强透光性，更重要的作为一种刚性材料可以过滤大量穿透位错和失配位错，降低非辐射复合，提高少子寿命，从而提高光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能光伏
，具体涉及一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
近些年来，由于能源危机与环境恶化日益严重，新能源的开发利用迫在眉睫。太阳能作为一种可再生和清洁能源，越来越受到研究者的瞩目。因为，太阳光能量巨大，从太阳发出来的光经过1.5亿公里的距离穿过大气层到达地球表面的能量换算成电力，高达～1014KW，约为全球平均电力的10万倍。如果这些能源能够被有效利用，达到取代传统能源的程度，则能源和环境问题得以解决。所以，世界范围内开展了大量太阳能光伏科技领域的研究项目。太阳能电池种类繁多，按照材料种类划分大致可分为：硅太阳能电池、无机化合物(Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族)半导体太阳能电池、有机高分子染料电池等几类。目前，砷化镓多结太阳电池作为Ⅲ-Ⅴ族材料太阳能电池的一种，由于其光电转换效率明显高于晶硅电池，因而被广泛地应用于聚光光伏发电(CPV)系统和空间供电系统。砷化镓多结电池的主流结构是晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，相应的带隙结构为1.85/1.40/0.67eV，其在500倍聚光条件下，光电转换效率已超过40％，远高于其它类太阳能电池。然而，由于其发电成本过高，成为Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池产业发展的主要制约因素。而降低成本的关键在于进一步提高电池的光电转换效率。提高光电转换效率的因素包括晶格匹配、电流匹配和带隙分布，多结电池的各子电池电流越接近，光电转换效率越高。可见，上述传统三结电池的带隙组合对于太阳光光谱不是最佳的，因为GaInAs和Ge子电池带隙间隔很大，Ge底电池可吸收的太阳光谱能量比中、顶电池多很多，
因此Ge电池的短路电流最大可接近中电池和顶电池的两倍，这会导致很多不良后果，比如，由于串联结构的限流机制，会导致一大部分光谱能量损失，最终削弱电池的光电转换效率，此外，大量高于底电池带隙的光子能量会转换成热能，对后期模组系统导热散热能力要求很高，给系统稳定性带来隐患。研究表明，生长具有组分变化缓冲层的晶格失配结构太阳能电池，以三结为例，即将GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池带隙调整为(1.7～1.95)/(1.1～1.35)/0.67eV，可较好的与太阳光谱匹配，其实际效率可达42％以上，远高于晶格匹配结构的理论效率。但是，这种带隙的调整对外延层的质量带来了威胁和挑战。一方面，带隙的调整会带来晶格常数的不匹配，失配结构存在的内应力不可避免地会导致大量的位错产生，虽然使用晶格渐变缓冲层和过滤位错的过生长层可以释放应力和过滤大量缺陷，但仍有部分穿透位错会延伸至中、顶子电池，成为电子空穴对的复合中心，使得少子扩散长度减小和光子收集效率降低，从而大大降低了电池性能；另一方面，带隙的调整必然导致连接各子电池的重要结构单元——隧穿结材料的调整。根据结构设计要求，隧穿结不但要和毗邻的子电池材料晶格匹配，还要具备高隧穿电流密度、透光性，而高隧穿电流密度需要窄带隙材料高掺杂实现、透光性则要求材料宽带隙、间接带隙而且厚度薄，可见三者相互制约甚至冲突矛盾，目前的解决方法大多是采取折中的办法，大多数人接受使用失配的外延层，这无疑会降低电池的效率。实验表明，低组分的N化物薄层，由于替位N原子之间有较高键能和较小的共价半径，具有很好的可塑性和使薄膜硬化的效果，对于过滤位错有极好的作用。将此层应用于MM(Metamorphic)结构电池中，起到位错阻挡层的作用，使得穿透位错等缺陷改纵向为横向传播同时应力得以释放。这样，中、顶子电池的缺陷大大减少，可显著降低复合，提高少子寿命。另外，经理论研究与实
验证明，在GaAs材料中同时掺入少量的In和N形成Ga1-xInxNyAs1-y四元合金材料，当x:y＝3、0<y<0.06时，Ga1-xInxNyAs1-y材料晶格常数与GaAs(或Ge)基本匹配，且带隙在0.8eV至1.4eV之间变化，其中当0.02<y<0.03时，其带隙为1.0eV至1.1eV之间。根据结构设计，调整In组分x可制备出晶格常数与GaInAs子电池一致且带隙低于GaInAs材料的Ga1-xInxNyAs1-y，此材料可吸收部分Ge底电池过多的光子，使底、中、顶子电池的短路电流更好地匹配，同时减少热量的产生。另外，有研究表明，构成隧穿结的厚度在10～100nm范围内的p型层和n型层之间、p型层和毗邻的半导体材料之间或者n型层和毗邻的半导体材料之间的晶格常数最好存在0.5％～5％的差异，此差异产生的张应力和压应力得以相互补偿而不会对外延层晶体质量产生明显影响，最重要的是受张应变和压应力作用的材料之间形成的界面态可以成倍提高隧穿电流。因此，可将其与相邻半导体材料做成微小失配结构，以更好的发挥隧穿结的作用。综上，如果将N化物薄层作为隧穿结引入失配结构的太阳能电池，可很好地解决上述失配结构太阳能电池中存在的问题，更大程度地发挥失配结构多结叠层太阳能电池的优势，提升转换效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池及其制备方法，采用的新型隧穿结具有低电阻、可过滤位错、吸收长波光子的功能，可以降低电池的串联电阻，提高隧穿电流、整体开路电压和填充因子，并最终提高电池的光电转换效率，从而更大程度地发挥太阳能电池的优势。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案，如下：一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池，采用金属有机化合物气相沉积，以Ge单晶为衬底，在该衬底上表面自下而上依次生长有GaInP成核层、GaInAs缓冲层、晶格渐变缓冲层、第一新型隧穿结、GaInAs子电池、第二新型隧穿结和GaInP子电池；所述第一新型隧穿结和第二新型隧穿结均包括一层简并的p型镓铟氮砷Ga1-yInyNxAs1-x和一层简并的n型镓铟砷Ga1-zInzAs；该第一新型隧穿结和第二新型隧穿结所含的p型Ga1-yInyNxAs1-x，其光学带隙为0.85～1.4eV,掺杂元素为C或Zn，掺杂浓度大于1e19，晶格分别与其相邻半导体层材料匹配或失配度小于3％，厚度均在5到100nm范围内；该第一新型隧穿结和第二新型隧穿结所含的n型Ga1-zInzAs，其光学带隙为小于或等于1.42eV，掺杂元素为Si、Te或/和Ge，掺杂浓度大于1e19，晶格分别与其相邻半导体层材料匹配或失配度小于3％，厚度均在5到100nm范围内。所述GaInP成核层晶格与衬底匹配，为n型掺杂，掺杂Te、Si或/和Ge，掺杂浓度为5e17～5e18，厚度为5～50nm。所述GaInAs缓冲层晶格与衬底匹配，为n型掺杂，掺杂Te、Si或/和Ge，掺杂浓度为8e17～2e19，厚度为300～2000nm。所述晶格渐变缓冲层是由若干晶格逐渐增大的GaInAs层组成的，其底层与衬底晶格匹配或大于衬底晶格，其顶层晶格与第二新型隧穿结的n型层匹配或失配度小于3％，其自底层到顶层的渐变方式有线性连续渐变、非线性连续渐变、线性阶梯渐变、非线性阶梯渐变，其n型掺杂浓度为1e18～1e19，厚度为500～3000nm。所述GaInAs子电池光学带隙为1.2～1.35eV，电池总厚度为1000～3000nm。所述GaIn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池，其特征在于：采用金属有机化合物气相沉积，以Ge单晶为衬底，在该衬底上表面自下而上依次生长有GaInP成核层、GaInAs缓冲层、晶格渐变缓冲层、第一新型隧穿结、GaInAs子电池、第二新型隧穿结和GaInP子电池；所述第一新型隧穿结和第二新型隧穿结均包括一层简并的p型镓铟氮砷Ga1‑yInyNxAs1‑x和一层简并的n型镓铟砷Ga1‑zInzAs；该第一新型隧穿结和第二新型隧穿结所含的p型Ga1‑yInyNxAs1‑x，其光学带隙为0.85～1.4eV,掺杂元素为C或Zn，掺杂浓度大于1e19，晶格分别与其相邻半导体层材料匹配或失配度小于3％，厚度均在5到100nm范围内；该第一新型隧穿结和第二新型隧穿结所含的n型Ga1‑zInzAs，其光学带隙为小于或等于1.42eV，掺杂元素为Si、Te或/和Ge，掺杂浓度大于1e19，晶格分别与其相邻半导体层材料匹配或失配度小于3％，厚度均在5到100nm范围内。

【技术特征摘要】
1.一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池，其特征在于：采用金属有机化合物气相沉积，以Ge单晶为衬底，在该衬底上表面自下而上依次生长有GaInP成核层、GaInAs缓冲层、晶格渐变缓冲层、第一新型隧穿结、GaInAs子电池、第二新型隧穿结和GaInP子电池；所述第一新型隧穿结和第二新型隧穿结均包括一层简并的p型镓铟氮砷Ga1-yInyNxAs1-x和一层简并的n型镓铟砷Ga1-zInzAs；该第一新型隧穿结和第二新型隧穿结所含的p型Ga1-yInyNxAs1-x，其光学带隙为0.85～1.4eV,掺杂元素为C或Zn，掺杂浓度大于1e19，晶格分别与其相邻半导体层材料匹配或失配度小于3％，厚度均在5到100nm范围内；该第一新型隧穿结和第二新型隧穿结所含的n型Ga1-zInzAs，其光学带隙为小于或等于1.42eV，掺杂元素为Si、Te或/和Ge，掺杂浓度大于1e19，晶格分别与其相邻半导体层材料匹配或失配度小于3％，厚度均在5到100nm范围内。2.根据权利要求1所述的一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池，其特征在于：所述GaInP成核层晶格与衬底匹配，为n型掺杂，掺杂Te、Si或/和Ge，掺杂浓度为5e17～5e18，厚度为5～50nm。3.根据权利要求1所述的一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池，其特征在于：所述GaInAs缓冲层晶格与衬底匹配，为n型掺杂，掺杂Te、Si或/和Ge，掺杂浓度为8e17～2e19，厚度为300～2000nm。4.根据权利要求1所述的一种含新型隧穿结的晶格失配太阳能电池，其特征在于：所述晶格渐变缓冲层是由若干晶格逐渐增大的GaInAs层组成的，其底层与衬底晶格匹配或大于衬底晶格，其顶层晶格...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪珍，周文远，吴波，刘建庆，张小宾，杨翠柏，
申请(专利权)人：中山德华芯片技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44