[發明專利]基于量子點超晶格結構的太陽能電池及其制備方法

在審

• 申請號: 201410664646.X
• 申請日: 2014-11-19
• 公開（公告）號: CN105679873A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 盧建婭;陳曦;鄭新和;王乃明
• 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: H01L31/076
• 分類號: H01L31/076;H01L31/0304;H01L31/036;H01L31/18
• 代理公司: 深圳市銘粵知識產權代理有限公司 44304
• 代理人: 孫偉峰

本發明涉及一種基于量子點超晶格結構的太陽能電池，包括有源區，該有源區包括第一i?GaAs層、第一GaNAs/InGaAs超晶格結構、第二InGaAs超晶格結構、第二i?GaAs層，其中第二InGaAs超晶格結構設于第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面。第一i?GaAs層與第二i?GaAs層厚度相同，第一GaNAs/InGaAs超晶格結構與第二InGaAs超晶格結構中的InGaAs層厚度不同，第二InGaAs超晶格結構中摻入量子點，且其InGaAs層中摻雜其他元素。本發明提供上述電池制備方法，利用MOCVD或MBE技術依次制備電池的各層結構。本發明技術能夠優化太陽能電池性能、提高轉換效率。

技術領域

本發明涉及太陽能光伏電池技術領域，具體是一種基于量子點超晶格結構的太陽能電池及其制備方法。

背景技術

作為當今世界最具發展前景的一種能源，太陽能具有取之不盡、功率巨大、使用安全等優點。但是，目前太陽能電池的發展和利用中遇到的主要問題是光電轉換效率較低，太陽能電池的性價比不高。

雖然近年來備受人們關注的GaInP/GaInAs/Ge三結電池，已成功應用于空間和地面光伏領域，但進一步提升轉換效率卻遇到瓶頸。為進一步提高多結太陽能電池的轉換效率，將太陽光譜進一步細化是主要的手段。使用與GaAs或Ge襯底晶格匹配的0.8～1.4eV帶隙電池替代Ge電池可顯著提升電池的轉換效率，而且未來可結合Ge襯底研究四結甚至五結的超高效率晶格匹配電池。

GaInNAs被認為是GaAs基系高效太陽電池中第三子結電池的理想材料。目前，GaInNAs電池已研制成功，但轉換效率并不高。這是因為GaInNAs具有很差的固熔點、N組元增加引起的合金相分離或In團簇、In和N組元共存時會導致應變和成分起伏、高的背景濃度以及N元素有關的深能級復合中心-本征點缺陷等問題，仍然限制了GaInNAs材料在多結電池中的進一步應用，這些問題引起的較短載流子壽命和低的遷移率將最終導致電池的效率下降，所以還需要深入的研究，以便找出更好的解決辦法。

量子點太陽電池不僅是第三代太陽電池，也是目前最尖端的太陽電池之一，通過在p-i-n型太陽電池的i層中引入量子點超晶格結構，只要改變量子點的大小，可吸收光波的波長也會相應的改變，以此來拓寬吸收太陽光譜的范圍。其中，最簡單的就是量子點中間帶隙電池，根據理論預測，其極限效率高達63.2％。

專利CN 101752444A公開了一種p-i-n型InGaN量子點太陽能電池結構及其制作方法，通過調整工藝參數嚴格控制生長條件，制備出一種具有非摻雜i層In_xGa_1-yN量子點結構的太陽能電池，結合In_xGa_1-yN合金材料的帶寬可調節和量子點超晶格結構的特點，在理論上提高太陽能電池的轉換效率。但是如前文所述，In、N共存生長容易產生應變與組分起伏，反而影響轉換效率。同時，由于采用單一結構的超晶格，為了獲得足夠的有源區，在生長過程中易導致失配位錯和界面缺陷，最終影響電池的性能，使得實際效率遠不及理論效率。因此，在太陽電池結構設計中，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一種基于量子點超晶格結構的太陽能電池及其制備方法，用于提高太陽能電池的轉換效率。

本發明提供一種基于量子點超晶格結構的太陽能電池，所述太陽能電池包括有源區，所述有源區包括第一i-GaAs層、第一GaNAs/InGaAs超晶格結構、第二InGaAs超晶格結構、第二i-GaAs層，其中所述第二InGaAs超晶格結構設置于所述第一GaNAs/InGaAs超晶格結構表面。

其中，第一GaNAs/InGaAs超晶格結構是指同時包括GaNAs層和InGaAs層的超晶格結構，在該結構中GaNAs層與InGaAs層交替周期性生長，例如在一層GaNAs層上生長一層InGaAs層，在該InGaAs層上再生長一層GaNAs層，如此周期性交替重復。