具有接触阻挡层的稀释的III-V族氮化物中间带太阳能电池制造技术

本发明专利技术提供一种中间带太阳能电池(IBSC)，其包括基于稀释的III-V族氮化物材料的p-n结和一对位于p-n结相对表面上的接触阻挡层，其用于通过阻挡中间带中电荷输运电绝缘p-n结的中间带，但不影响p-n结的电子和空穴收集效率，因而增加IBSC的开路电压(VOC)，并利用中间带吸收能量低于IBSC的吸收层带隙的光子增加光电流。因此，IBSC的整体功率转换效率比传统单结太阳能电池高得多。IBSC的p-n结吸收层具有成分分级的氮浓度，从而为更有效的电荷收集提供电场。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及太阳能电池，且更具体地，涉及具有接触阻挡层的稀释的III-V族氮化物中间带太阳能电池，该阻挡层用于改进太阳能电池性能。
技术介绍
太阳能或光伏电池是具有P-N结的半导体器件，其直接将太阳光的辐射能转换为电能。太阳光转换为电能涉及三个主要过程太阳光吸收到半导体材料中；在太阳能电池中建立电压的正和负电荷的发生和分离；以及电荷通过连接到半导体材料的端子收集和转移。用于电荷分离的单个耗尽区通常存在于每个太阳能电池的P-N结中。基于单一半导体材料的当前传统太阳能电池具有约31%的固有效率限。该效率限的主要原因是半导体具有特定能量间隙，其仅能吸收光子能量在0. 4到^V范围内部分的太阳能光谱。能量低于半导体带隙的光不能被吸收和转换为电功率。能量在带隙以上的光将被吸收，但建立的电子-空穴对快速以热形式失去其在带隙以上的多余能量。因此，该能量不能用于转换为电能。具有较高效率的太阳能电池可用由具有不同带隙的半导体制成的太阳能电池叠层(stack)实现，称为“多结”、“阶梯(cascade)”、或“级联(tandem) ”太阳能电池。多结太阳能电池是通过串联多个(如，两个、三个、四个、等等)P_N结太阳能电池制成的，因而实现比单个P-N结太阳能电池更有效的太阳能电池。级联电池通常在顶部电池中用较高带隙材料形成从而转换较高能量光子，同时允许较低能量光子向下传递到太阳能电池叠层中较低带隙材料。选择电池叠层中太阳能电池的带隙从而最大化太阳能转换效率，其中隧道结用来串联电池，以便电池的电压累加。这样的多结电池要求无数层材料形成在复杂的多结叠层结构中。
技术实现思路
本公开涉及太阳能电池，更特别地，涉及具有用于改善太阳能电池性能的接触阻挡层的稀释III-V族氮化物中间带太阳能电池。根据一个或更多实施例，提供的中间带(I带)太阳能电池(IBSC)包括至少一个基于稀释的III-V氮化物材料的P-N结，和设置在P-N结相对表面的接触阻挡层对。接触阻挡层通过阻挡P-N结中I带中电荷输运提供P-N结中间带的电绝缘，而不影响P-N结中电子和空穴的收集效率。在一个或更多实施例中，IBSC是在衬底上形成的或作为较大、多结级联电池内太阳能电池。根据一个或更多实施例，用于IBSC的稀释的III-V族氮化物P-N结材料包括 GaNAs层，且接触阻挡层是与所需带隙的GaNAs层匹配的晶格。在一个或更多实施例中，接触阻挡层包括AKktAs或其他III-V三元合金中至少一种。在一个或更多实施例中，调谐 AlGaAs接触阻挡层的成分，以便其导带与GaNAs吸收层的上子能带对齐。通过以该方式分离GaNAs吸收层的I带，并有效阻挡中间带与相邻层接触，I带仅用作吸收较低能量光子的 “垫脚石(st印ping stone)”并增加器件的短路电流(Isc)。IBSC的开路电压(Vqc)由GaNAs 的最大带隙决定。在一个或更多实施例中，IBSC的P-N结吸收层可进一步具有成分分级的氮浓度，从而为更有效的电荷收集提供电场。本专利技术的许多其他特征和实施例可从附图及下面的详细说明中显然看出。 附图说明本专利技术的上述特征和目的可参考下面的说明结合附图更明显看出，其中相似标识号表示相似元件，且其中图1是方框图，其表示根据本公开一个或更多实施例的中间带太阳能电池 (IBSC)。图2是根据本公开的一个或更多实施例，图示图1中示出的IBSC的一个实施例的计算的能带图。图3是根据本公开的一个或更多实施例，图示图1中示出的IBSC的一个实施例的计算的载流子分布。图4是根据本公开一个或更多实施例的方框图，其表示中间带太阳能电池(IBSC) 的测试结构。图5是根据本公开一个或更多实施例，图示图4中示出的IBSC的一个实施例的IX 阳光和IOX阳光下测量的电流密度。图6是根据本公开一个或更多实施例，图示图4中示出的IBSC的一个实施例测量的外部量子效率(EQE)读数。图7A是根据本公开一个或更多实施例具有ρ型吸收层的中间带太阳能电池 (IBSC)的方框图。图7B是根据本公开一个或更多实施例图示图7A中示出的IBSC的一个实施例的计算的能带图。图8A是根据本公开的一个或更多实施例具有分级成分的中间带太阳能电池(分级IBSC)的方框图。图8B是根据本公开的一个或更多实施例图示图8A中示出的分级IBSC的一个实施例的计算的能带图。具体实施例方式总之，本公开旨在光伏器件，太阳能电池或中间带太阳能电池(IBSC)，该中间带太阳能电池通过使用具有多重带隙的单一半导体实现改善的太阳能转换效率。在包括这类中间带的半导体中，宽带隙半导体的带隙中额外的一个或更多带用作从价带到导带转移电子的“垫脚石”，该导带具有能量小于带隙的两个或更多光子。该IBSC概念仅要求单P/N结，但中间带必须与电荷收集接触电绝缘。理论模型预测具有一个中间带的器件的功率转换效率为63%，具有两个中间带的器件的转换效率为72%。更特别地，本公开旨在稀释的III-V组氮化物中间带太阳能电池(IBSC)，其具有提供改善的太阳能电池性能的接触阻挡层。替换III-V组半导体合金(如GaAsUnGaAs、或 GaAsP)中少量氮会将合金导带分成较高的导带(E。)和较低子带，或中间带(I带)。利用光伏器件、太阳能电池或包括稀释III-V组氮化物层和接触阻挡层的IBSC，本公开的IBSC能够最大化太阳能电池性能，增加IBSC内电压和电流，并可防止电子和空穴通过IBSC的I带中导电逸出材料层。下面参考前面的附图讨论本公开的某些实施例，其中相似标识号指相似元件。利用IBSC，可采用单P-N结，因而通过显著简化太阳能电池设计，相对更复杂的多结太阳能电池降低生产成本。进一步，通过利用依次优化三个或更多能量带的材料制造 IBSC，IBSC可相对传统单P-N结太阳能电池实现更高的功率转换效率。传统上，发现多带半导体吸收层和电绝缘吸收层中I带是有挑战的。使用InAs量子点(QD)迷你带概念和稀释的III-V氮化物的IBSC测试器件导致低开路电压(Vre)读数，如0. 3-0. ^V。传统IBSC中发生的这些较低Vre读数，要么是由于不理想的带分离(如在InAs QD概念中)，要么由于电子和空穴通过I带中传导连续离开IBSC层，这是由于具有相邻层的IBSC中吸收层中I带电绝缘不足导致的。本专利技术人在高度失配合金(HMA)中使用能带反交叉(band anticrosssing) 概念解决了围绕IBSC的电绝缘问题，其使得能够使用II-VI和III-V族半导体合金，这些半导体合金具有适用于IBSC应用的多带结构。现在参考图1，其示出根据本公开一个或更多实施例的中间带太阳能电池 (IBSC) 100的方框图。IBSC 100包括由太阳能电池中常用的任何衬底材料形成的底部衬底层102。例如，衬底层102可包括锗(Ge)或砷化镓(GaAs)，并可包括特定应用所需的η型材料。IBSC 100包括两层稀释的III-V族氮化物材料106和108，其包括具有多个能级带的用于IBSC 100的单P-N结，其中η型材料在P-N结的一侧形成，而ρ型材料在P-N结的另一侧形成。在一个或更多实施例中，P-N结层106和108包括各层GaNAs。在图1所示的特定实施例中，层106形成为n-本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·瓦鲁奇威兹，K·M·禹，
申请(专利权)人：罗斯特雷特能源实验室公司，
类型：发明
国别省市：