[發明專利]多結太陽能電池外延結構、多結太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201410361406.2
• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN105280746B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 李華;吳文俊;顏建;王偉明;楊軍
• 申請（專利權）人: 江蘇宜興德融科技有限公司
• 主分類號: H01L31/0687
• 分類號: H01L31/0687;H01L31/0693;H01L31/036;H01L31/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 楊娟奕

技術領域

本發明屬于化合物半導體太陽能電池領域，具體涉及一種多結太陽能電池外延結構、多結太陽能電池以及其制備方法。

背景技術

近年來，光伏太陽能電池作為一種重要的可再生能源技術，獲得了廣泛和深入的發展，正在逐步進入各種商業和應用領域。光電轉換效率是太陽能電池的核心技術參數，由III-V族半導體化合物組成的多結太陽能電池是目前光電轉換效率最高的光伏電池。尤其是在高倍聚光的情況下，GaInP/GaAs/InGaAs倒裝三結太陽能電池的最高效率已經超過了44％。

GaInP/GaAs/InGaAs三結太陽能電池由禁帶寬度依次減小的GaInP頂電池、GaAs中電池和InGaAs底電池組成。其材料制備技術主要為分子束外延(MBE)和金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)，它們都需要使用GaAs作為襯底來進行材料外延生長。由于GaInP頂電池與GaAs晶格匹配，而InGaAs底電池與GaAs的晶格失配度較大，所以在材料生長時，一般采用倒裝結構來獲得更好的材料質量，也就是先生長晶格匹配的頂電池(GaInP第一子電池)和中電池(GaAs第二子電池)，然后生長晶格遞變緩沖層(GaInP或AlGaInAs)和底電池(InGaAs第三子電池)。

在這種三結電池的結構設計中，為了獲得最高的光電轉換效率，要求GaInP頂電池的禁帶寬度達到1.9eV。GaInP材料的禁帶寬度，在固定晶格常數的條件下，受到Ga、In原子排列有序度的影響，有序度越弱，禁帶寬度越大。通常情況下，GaInP材料的禁帶寬度小于1.9eV。只有完全無序的GaInP材料的禁帶寬度才能達到結構設計所要求的1.9eV。GaInP材料的有序度與材料生長條件密切相關，包括生長溫度、生長速度、V/III比、摻雜源和襯底晶向等等。其中，襯底晶向對獲得高質量的低有序度GaInP材料最為關鍵。研究表明，當GaInP外延表面為(001)面偏向(111)A時，有序度最弱，在合適的生長條件下能獲得完全無序的材料；當外延表面為(001)面偏向(111)B時，有序度最強，無法獲得完全無序的材料。當外延表面為(001)面偏向＜100＞時，偏角方向介于以上兩者之間，也可以通過調節生長條件，獲得接近無序的GaInP材料，只是調節窗口比較窄。因此采用(001)面偏(111)A或(001)面偏＜100＞的襯底更有利于提高GaInP頂電池的禁帶寬度。

另一方面，在InGaAs底電池的外延生長中，如何調節應變緩沖層以減少InGaAs材料中的缺陷密度，是提高底電池效率的關鍵。以(001)表面的GaAs襯底為例，在應變緩沖層中，由于[110]和[1-10]方向上的失配位錯的滑移速率不同，晶格失配應力的釋放是各向異性的，這將引起材料缺陷密度的增加，從而導致底電池效率的降低。剩余應力的各向異性程度，與緩沖層材料的種類、摻雜源、結構設計，以及襯底晶向和材料生長參數有關。對于(001)表面的襯底，(111)A或(111)B偏向都會不同程度地加劇剩余應力的各向異性程度，而＜100＞偏向則有利于減小剩余應力的各向異性程度。

綜上，由于GaInP頂電池與InGaAs底電池對襯底晶向的要求不同，因此怎樣選取合適的襯底晶向來獲得理想的電池效率是一個需要解決的問題。

發明內容

鑒于上述技術背景，本發明的目的旨在解決現有技術中所存在的問題或缺陷的一個方面。

相應地，本發明提供一種多結太陽能電池外延結構，包括：

GaAs襯底；

在GaAs襯底上的GaInP第一子電池；

在GaInP第一子電池上的GaAs第二子電池，和

在GaAs第二子電池上的InGaAs第三子電池，

其特征在于，GaAs襯底采用(001)面偏向＜100＞方向5～20度的偏角。

根據本發明的多結太陽能電池外延結構，由于所使用的GaAs襯底在特定的晶向范圍內，即，所述GaAs襯底采用(001)面偏向＜100＞方向5-20度的偏角，在具有該偏角的GaAs襯底上制備GaInP第一子電池、GaAs第二子電池和InGaAs第三子電池，可以在獲得大禁帶寬度(Al)GaInP材料的同時，減小InGaAs電池應變緩沖層的缺陷密度，因此，能同時克服多結電池材料生長中的GaInP子電池的有序度問題和InGaAs子電池的剩余應力的各向異性問題，從而提高多結太陽能電池的效率和整體性能。

優選地，GaAs襯底的偏角采用(001)面偏向＜100＞方向15度。在這種情況下，可以獲得最佳的電池綜合性能。

根據一個實施例，所述多結太陽能電池還包括：