一种含GaInNAs材料的多结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GaInNAs材料的多结太阳能电池及其制备方法，包括n型基底，在n型基底之上，按照层状叠加结构由下至上依次设置有至少三个子电池，全部子电池按带隙增加的顺序依次以串联方式堆叠，各子电池之间通过隧道结连接，在顶电池之上制备有增透膜，在增透膜之上制备有正面电极，在n型基底之下制备有背面电极；在上述所有的子电池中至少一个子电池为具有渐变带隙结构的背结型GaInNAs子电池，背结型GaInNAs子电池从下到上包括依次层状叠加的n型背场层、n型GaInNAs材料层、非有意掺杂的GaInNAs材料层、p型窗口层。本发明专利技术既可以满足多结电池带隙组合的理论设计要求，又能解决GaInNAs材料少子扩散长度较小的问题，提高电池转换效率。

Multi junction solar cell containing GaInNAs material and preparation method thereof

The invention discloses a GaInNAs containing material of multi junction solar cell and a preparation method thereof, including n type base on N type substrate according to the layer structure followed by the bottom is provided with at least three sub cells, all cells by increased band gap sequence in series between each sub cell stack connected by a tunnel junction in the top cell on the preparation of antireflection film, antireflection film on the preparation of a positive electrode, under N substrate preparation of back electrode; all of the above sub cell in at least one sub battery with a graded bandgap structure of back junction GaInNAs battery, n back type junction type GaInNAs battery from the bottom to the top in the back field of layered overlay layer, GaInNAs layer, N type non GaInNAs material layer, P type window layer intentionally doped. The invention can not only meet the requirement of the theoretical design of the combination of the multi junction cell band gap, but also can solve the problem that the small diffusion length of the GaInNAs material is small.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能电池设计领域，具体涉及一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
太阳电池是利用半导体材料的光伏效应，收集太阳光谱中的光子并将其能量转化为电能的物理器件。太阳光谱是连续、不均匀分布的，高效光电转换的基本原则是保证不同波长的光子都能够被吸收且转化为电流，从而确保了光子数量，同时采用多种禁带宽度不同的材料有针对性地来吸收光子，保证不同波长的光子能量损耗小。基于III-V族化合物半导体材料制备而成的高效多结太阳能电池的转换效率远远超过了目前已知的其他各种光伏电池，目前最成熟的高效多结电池为晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，其带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。然而，这种三结电池的带隙组合并不是最佳的，由于中电池GaInAs材料及底电池Ge材料的带隙差异较大，造成Ge子电池的短路电流密度远高于GaInP子电池及GaInAs子电池，由于串联结构的电流限制原因，在工作时底电池产生的很大一部分载流子不能被有效利用，造成了不必要的能量损失，限制了太阳电池的光电转换效率进一步提高。近年来，很多机构也在开发新型结构的多结太阳电池以改善多个子电池之间的电流匹配，提升效率。这些新型结构的多结太阳电池针对其电流分配不合理的880～1800nm波段进行电池带隙的重新分配和组合，能够更加合理地利用太阳光谱，以达到更高的光电转换效率，但这些多结太阳电池的禁带分布对太阳电池材料提出新的要求，特别是用于吸收低能光子的窄禁带半导体材料。稀氮化合物GaInNAs材料是一种极具潜力的多元化合物半导体材料。通过控制材料中In原子与N原子的含量，GaInNAs材料可在GaAs或Ge基底上晶格匹配外延生长，并实现禁带宽度在0.8～1.4eV之间连续可调。基于稀氮化合物的晶格匹配材料体系太阳电池，可实现电池全结构的晶格匹配一次生长，提高太阳电池外延片质量的同时降低了器件工艺的难度与复杂度。通过调整GaInNAs材料的禁带宽度，太阳电池的禁带分布可实现进一步优化，更接近理想的光谱匹配。这为光谱匹配程度更高的三结太阳电池、以及更高效率的多结太阳电池的生产与研制提供了极大便利。实际上，GaInNAs体系自1996年以来，科研人员便在这一领域进行了如火如荼的研究。MOCVD具有低成本，高产量的优点，适用于规模化生产，是目前太阳电池外延片的主要生产手段。例如，Wu等人制备了p-GaAs/i-GaInNAs/n-GaAs结构的双异质结单结太阳能电池，经过氮气气氛下550℃退火1小时后，GaInNAs的晶体质量提高，EQE响应明显提高，获得的GaInNAs单电池在全波段的Jsc从2.82mA/cm2提升到14.4mA/cm2，Voc从0.35V提升到0.50V，但在设计的1000nm吸收峰附近，其外量子效率仍不到35％，这是由于GaInNAs电池的少子扩散长度较小导致电池的长波响应较低，使得优化后的单电池效率也仅为4.46％(“Characterization of the post-thermal annealing effect for p-GaAs/i-InGaAsN/n-GaAs hetero-junction solar cells”，Solar Energy Materials&Solar Cells.2012,107:344-347)。类似地，韩国的Youngjo Kim等人生长并制备GaInNAsSb/Ge(1.14/0.67eV)双结太阳能电池，受限于GaInNAsSb材料的少子扩散长度及低量子效率，短路电流密度受GaInNAsSb子电池的限制仅为13.14mA/cm2，双结电池的转换效率为9.05％(“InGaAsNSb/Ge double-junction solar cells grown by metalorganic chemical vapor deposition”，Solar Energy,2014,102:126-130)。由此可见，在利用MOCVD技术制备GaInNAs材料的过程中主要的问题在于：由于GaInNAs需要低温生长才能保证N原子的有效并入，材料中会同时引入大量的C原子，造成背景载流子浓度过高，降低少子寿命，影响少子扩散长度。此时，若GaInNAs材料层太厚，并不能形成对光生载流子的有效收集；若GaInNAs材料太薄则造成电池吸收率太低，不能将相应波段的光子完全吸收。因此，如果引入渐变带隙结构的GaInNAs材料层，则可以有效解决该问题，提高对光生载流子的有效收集。在结构设计中，可以通过调节N、In原子的并入比率来调节GaInNAs材料的带隙变化并同时保持与相邻结构晶格匹配，降低远离结区的区域的N含量来获得较宽的带隙，使短波部分的光更倾向于被远离结区的区域吸收，由于此区域N原子含量较低引入的C原子浓度低，少子寿命较长，有利于提高远离结区区域的少子收集效率；而靠近结区的区域N原子含量较高带隙较窄，使长波部分的光更倾向于被靠近结区的区域吸收，虽然这部分区域的少子寿命短，扩散长度较小，但由于更靠近结区而使光生载流子被有效收集，完美解决了少子扩散长度较小和吸收厚度要求之间的矛盾。此外，渐变的带隙构成的势垒也可以形成附加电场，帮助少子收集，从而进一步提高电池转换效率。
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GaInNAs材料的多结太阳能电池及其制备方法，在保证晶格匹配的基础上，既可以满足多结电池带隙组合的理论设计要求，又能解决GaInNAs材料少子扩散长度较小的问题，最大程度地发挥多结电池的优势，提高电池转换效率。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GaInNAs材料的多结太阳能电池，包括有一个n型基底，在所述n型基底之上，按照层状叠加结构由下至上依次设置有至少三个子电池，全部子电池按带隙增加的顺序依次以串联方式堆叠，各子电池之间通过隧道结连接，各子电池与相邻结构保持晶格匹配，在顶电池之上制备有增透膜，在增透膜之上制备有正面电极，在n型基底之下制备有背面电极；其中，在上述所有的子电池中至少一个子电池为具有渐变带隙结构的背结型GaInNAs子电池，所述背结型GaInNAs子电池从下到上包括依次层状叠加的n型背场层、n型GaInNAs材料层、非有意掺杂的GaInNAs材料层、p型窗口层，所述非有意掺杂的GaInNAs材料层的带隙渐变分布并始终与相邻结构保持晶格匹配，所述渐变带隙分布位于1.0eV与1.3eV之间，所述渐变带隙分布依赖于深度位置，层的底部带隙最低，层的顶部带隙最高。所述n型基底为n型Ge基底或n型GaAs基底。所述n型背场层采用的材料有GaAs、AlGaAs或GaInP，该n型背场层的生长温度为450～650℃，掺杂浓度为5e17～1e19/cm3，生长速率为10～100nm/min，厚度为100～200nm。所述n型GaInNAs材料层带隙为1.0eV，该n型GaInNAs材料层生长温度为450～600℃，掺杂浓度为5e17～5e18/cm3，生长速率为10～100nm/min，厚度为80～150nm。所述非有意掺杂的GaInNAs材料层生长温度为45本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池，其特征在于：包括有一个n型基底，在所述n型基底之上，按照层状叠加结构由下至上依次设置有至少三个子电池，全部子电池按带隙增加的顺序依次以串联方式堆叠，各子电池之间通过隧道结连接，各子电池与相邻结构保持晶格匹配，在顶电池之上制备有增透膜，在增透膜之上制备有正面电极，在n型基底之下制备有背面电极；其中，在上述所有的子电池中至少一个子电池为具有渐变带隙结构的背结型GaInNAs子电池，所述背结型GaInNAs子电池从下到上包括依次层状叠加的n型背场层、n型GaInNAs材料层、非有意掺杂的GaInNAs材料层、p型窗口层，所述非有意掺杂的GaInNAs材料层的带隙渐变分布并始终与相邻结构保持晶格匹配，所述渐变带隙分布位于1.0eV与1.3eV之间，所述渐变带隙分布依赖于深度位置，层的底部带隙最低，层的顶部带隙最高。

【技术特征摘要】
1.一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池，其特征在于：包括有一个n型基底，在所述n型基底之上，按照层状叠加结构由下至上依次设置有至少三个子电池，全部子电池按带隙增加的顺序依次以串联方式堆叠，各子电池之间通过隧道结连接，各子电池与相邻结构保持晶格匹配，在顶电池之上制备有增透膜，在增透膜之上制备有正面电极，在n型基底之下制备有背面电极；其中，在上述所有的子电池中至少一个子电池为具有渐变带隙结构的背结型GaInNAs子电池，所述背结型GaInNAs子电池从下到上包括依次层状叠加的n型背场层、n型GaInNAs材料层、非有意掺杂的GaInNAs材料层、p型窗口层，所述非有意掺杂的GaInNAs材料层的带隙渐变分布并始终与相邻结构保持晶格匹配，所述渐变带隙分布位于1.0eV与1.3eV之间，所述渐变带隙分布依赖于深度位置，层的底部带隙最低，层的顶部带隙最高。2.根据权利要求1所述的一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池，其特征在于：所述n型基底为n型Ge基底或n型GaAs基底。3.根据权利要求1所述的一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池，其特征在于：所述n型背场层采用的材料有GaAs、AlGaAs或GaInP，该n型背场层的生长温度为450～650℃，掺杂浓度为5e17～1e19/cm3，生长速率为10～100nm/min，厚度为100～200nm。4.根据权利要求1所述的一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池，其特征在于：所述n型GaInNAs材料层带隙为1.0eV，该n型GaInNAs材料层生长温度为450～600℃，掺杂浓度为5e17～5e18/cm3，生长速率为10～100nm/min，厚度为80～150nm。5.根据权利要求1所述的一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池，其特征在于：所述非有意掺杂的GaInNAs材料层生长温度为450～600℃，生长速率为10～100nm/min，厚度为800～2000nm。6.根据权利要求1所述的一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池，其特征在于：所述p型窗口层采用的材料有AlInP、AlGaAs或GaInP，该p型窗口层的生长温度为550～650℃，掺杂浓度为5e17～5e18/cm3，生长速率为10～50nm/min，厚度为20～80nm。7.根据权利要求1所述的一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池，其特征在于：所述正面电极为AuGeNi/Au正面电极；所述背面电极为Au/Ag/Au背面电极。8.根据权利要求1所述的一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池，其特征在于：所述增透膜为MgF2/ZnS、Ta2O5/A12O3、Ta2O5/SiO2、TiO2/SiO2中的一种。9.一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选择一基底；步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，在选择的基底上生长GaInNAs子电池以下的子电池；步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，生长背结型Ga...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小宾，黄珊珊，马涤非，吴波，潘旭，张杨，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