[發明專利]具有超晶格結構的太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201210203843.2
• 申請日: 2012-06-20
• 公開（公告）號: CN102738267A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 鄭新和;李雪飛;張東炎;吳淵淵;陸書龍;楊輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/077;H01L31/18
• 代理公司: 上海翼勝專利商標事務所(普通合伙) 31218
• 代理人: 孫佳胤;翟羽

技術領域

本發明涉及太陽能電池領域，尤其涉及具有超晶格結構的太陽能電池及其制備方法。

背景技術

由于太陽能取之不盡，是傳統化石能源的有效替代者，太陽電池的研究越來越深入。在太陽電池領域，目前GaInP/GaAs多結電池已成功應用于空間光伏領域，又因為其最高效率而成為地面高倍聚光應用的優秀代表，另外可與Ge形成三結電池可使效率得到進一步提升。但Ge的帶隙(0.7eV)?不是三結電池中最合適的。如果能制備出0.8~1.4eV的太陽電池，且與GaAs或Ge襯底晶格匹配，轉換效率將顯著提升，而且可以結合Ge構成四結及四結以上獲得超高效率的晶格匹配電池。

近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料受到了重視。人們發現增加了少量氮的砷化鎵其帶隙不是預期的增加，反而產生了相反的效果，從而導致帶隙迅速減小，不是預期的藍移，而是紅移，這種不尋常的行為引起了相當大的興趣，人們認為這是材料物理學上一個新的觀點以及存在潛在的應用空間，這些新化合物被稱為稀氮化物。稀氮化物已擺脫傳統的III-V族半導體，當氮插入到五族元素的晶格，對材料的性能產生了深遠影響，并允許能帶工程進一步發展。在常規的GaAs和InP基III-V族化合物中只加入少量的氮(小于5％)，結果可以造成非常大的能帶彎曲，這形成了許多有趣的微電子和光電應用。除了能帶彎曲，少量的氮也導致帶結構的改變，只有0.5％的氮，GaP帶隙產生從間接到直接的變化，且在650nm紅光范圍具有很強的發光。

現已有研究者制備出帶隙為1eV的GaInNAs太陽電池，如圖1，包括襯底層101，以及在襯底層101上依次設置的緩沖層102、背場層103、第一GaAs層104、第二GaAs層105和接觸層106，但該GaInNAs太陽電池電流密度和開路電壓仍較低，轉換效率也不高。采用GaInNAs四元體系的體材料，由于In、N共存生長，容易產生應變與組分起伏，降低少子壽命，遷移率也不高，吸收光子所產生的電子-空穴對在被收集之前就已經復合，限制了電流輸出，轉換效率的提升有限。雖有通過In、N分離的超晶格和量子阱來獲得該帶隙的太陽能電池，但由于是單一壘層厚度的超晶格，當獲得足夠厚的有源區時易產生失配位錯，最終影響電池的性能。于是，研究人員試圖尋找其他有效方法突破這個技術難關。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供具有超晶格結構的太陽能電池及其制備方法。

為了解決上述問題，本發明提供了一種具有超晶格結構的太陽能電池，包括第一GaAs層和有源區，所述有源區置于第一GaAs層的裸露表面上，所述有源區包括第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構，所述第二GaNAs/InGaAs超晶格結構設置于第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面，且所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同。

所述具有超晶格結構的太陽能電池，進一步包括GaAs電池和GaAs緩沖層，所述GaAs電池置于GaAs緩沖層的裸露表面上，所述GaAs電池包括依次設置的AlGaAs背場層、第一GaAs層、有源區、第二GaAs層和AlGaAs窗口層，其中第一GaAs層的導電摻雜類型與第二GaAs層的導電摻雜類型相反。

所述具有超晶格結構的太陽能電池，進一步包括Ge或GaAs的襯底層，以及包括依次在Ge或GaAs的襯底層上設置的GaAs緩沖層、GaAs電池和GaAs接觸層。

所述第一、第二GaNAs/InGaAs超晶格結構的周期范圍分別為1納米至10納米。

為了解決上述問題，本發明還提供了一種具有超晶格結構的太陽能電池的制備方法，包括步驟：3）在第一GaAs層裸露表面生長有源區，

所述步驟3）進一步包括步驟：

31）在第一GaAs層表面生長第一GaNAs/InGaAs超晶格結構；

32）在第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面生長第二GaNAs/InGaAs超晶格結構；

其中，所述兩種GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同。

所述步驟3）之前進一步包括步驟：

1）在GaAs緩沖層的裸露表面生長AlGaAs背場層；

2）在AlGaAs背場層表面生長第一GaAs層；

所述步驟3）之后進一步包括步驟：?????4）在有源區表面生長第二GaAs層；

5）在第二GaAs層表面生長AlGaAs窗口層。