專(zhuān)利名稱(chēng)：一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及量子點(diǎn)技術(shù)和疊層電池設(shè)計(jì)技術(shù)。
背景技術(shù)：
量子點(diǎn)太陽(yáng)電池不僅是第三代太陽(yáng)電池，也是目前最尖端的太陽(yáng)電池之一，因?yàn)檫@種電池是在使用半導(dǎo)體體材料的普通太陽(yáng)電池之中，引入了納米技術(shù)與量子力學(xué)理論，預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)令人嘆為觀止的性能。一般情況下太陽(yáng)電池根據(jù)材質(zhì)不同，可吸收的光波長(zhǎng)也不一樣，特別是很難吸收長(zhǎng)波。而量子點(diǎn)太陽(yáng)電池即便是相同材質(zhì)，只要改變量子點(diǎn)的大小，可吸收光波的波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)的改變，以此來(lái)拓寬吸收太陽(yáng)光譜的范圍。國(guó)內(nèi)外很多科研人員已經(jīng)研究了不同材料不同結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)太陽(yáng)電池，其單結(jié)量子點(diǎn)電池的最高轉(zhuǎn)換效率在聚光條件下已經(jīng)能達(dá)到18%。
量子點(diǎn)具有狹窄的能譜和離散的線寬，應(yīng)用于太陽(yáng)電池有以下優(yōu)點(diǎn)吸收系數(shù)大量子點(diǎn)的限域效應(yīng)使能隙隨粒子變小而增大，當(dāng)尺寸更小時(shí)，處于強(qiáng)限域區(qū)易形成激子，產(chǎn)生激子吸收帶，吸收系數(shù)增加，擴(kuò)大光的吸收系數(shù)范圍。量子隧道效應(yīng)明顯由于尺寸較小，量子點(diǎn)之間存在強(qiáng)烈的耦合，使得光生電子和空穴可通過(guò)共振隧穿效應(yīng)穿過(guò)勢(shì)壘，利于載流子的輸運(yùn)和收集。形成多條子帶，利于帶間躍遷調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的尺寸和間距可以改變子帶的個(gè)數(shù)、位置、寬度和態(tài)密度，可以有多個(gè)帶隙起作用，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。疊層太陽(yáng)電池是指為了拓寬太陽(yáng)光譜的響應(yīng)，將傳統(tǒng)的單結(jié)太陽(yáng)電池的有源層疊加在一起，從而提高能量轉(zhuǎn)換效率的一種新型太陽(yáng)電池。目前兩端式GalnP/InGaAs/Ge三結(jié)疊層電池在聚光或非聚光條件下，都獲得了較高的轉(zhuǎn)換效率。由美國(guó)SPL公司提出的這種三結(jié)疊層結(jié)構(gòu)在一個(gè)太陽(yáng)(AMI. 5G)光照下轉(zhuǎn)換效率達(dá)到31. 7%，在200個(gè)太陽(yáng)聚光下的轉(zhuǎn)換效率更是達(dá)到了 39. 2%。但是由于這種類(lèi)型的電池為電學(xué)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其總的電流將受到子電池最小電流的限制，因此需要通過(guò)增加各子層的電流密度，提高電池的整體效率。但是，單結(jié)的量子點(diǎn)太陽(yáng)電池在實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程中由于界面缺陷會(huì)導(dǎo)致光電壓受到大的影響，所以實(shí)際效率遠(yuǎn)不及理論效率；而對(duì)于疊層電池而言，其限制因素主要是電流密度。雖然目前很多研究人員企圖通過(guò)引入漸變帶隙結(jié)構(gòu)來(lái)改善電流匹配，但這種方式需要精密調(diào)節(jié)各組分元素在化合物中的比例，工藝復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)。這種情況下，顯然就無(wú)法達(dá)到充分利用太陽(yáng)光譜的效果，無(wú)法改善電池的整體性倉(cāng)泛。因此，在太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何充分利用太陽(yáng)光譜和各種電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)來(lái)提高電池的轉(zhuǎn)換效率成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池，該結(jié)構(gòu)克服單結(jié)量子點(diǎn)太陽(yáng)電池和疊層電池光譜利用率不高的缺點(diǎn)，可以充分利用量子點(diǎn)電池的帶隙可調(diào)和置層電池的聞開(kāi)路電壓，達(dá)到聞的轉(zhuǎn)換效率和光穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池，該電池包括前電極、子層A減反射層、子層B頂電池層、子層C背場(chǎng)層I、子層D隧穿結(jié)I、子層E中間層I、子層F背場(chǎng)層2、子層G隧穿結(jié)2、子層H中間層2、子層I隧穿結(jié)3、子層J底電池層、子層K襯底層和后電極。所述的前電極接觸其材料是Cr/Au、Ti/Au、Ti/Pt/Au或Ti/Pa/Ag,柵線面積大約占全面積5%。所述的子層A減反射層采用MgF2/ZnS結(jié)構(gòu),層厚分別為120nm和60nm。
所述的子層B頂電池層采用GaInP材料，包括窗口層、η型重?fù)诫s發(fā)射區(qū)和ρ型輕摻雜基區(qū)，其帶隙寬度取決于Ga元素和In元素?fù)饺氡壤徒Y(jié)構(gòu)的有序程度。Gaa5Ina5P的帶隙可以在1.82eV和I. 91eV之間變化，負(fù)責(zé)吸收短波長(zhǎng)太陽(yáng)光。用AlInP層作為窗口層，可改善藍(lán)光響應(yīng)和短路電流，其厚度為25nm左右，摻雜濃度小于2X1018cm_3，在IO17 IO18CnT3量級(jí)。發(fā)射區(qū)厚度設(shè)置為IOOnm左右，摻雜濃度為2 X IO18CnT3，基區(qū)厚度設(shè)置為500m左右,摻雜濃度為I X 1017cm_3。所述的子層C背場(chǎng)結(jié)構(gòu)(BSF) I采用O. 03um的薄層GaInP,組分也是Gaa5Ina5P,以保持晶格與GaAs匹配，ρ型摻雜濃度為3 X IO18CnT3,且最低為3 X IO17CnT3,如果降低此濃度將影響開(kāi)路電壓。所述的子層D隧穿結(jié)I采用p+-GaAs/n+_GaAs結(jié)構(gòu)，也可采用p+_AlGaAs/n+_GaAs結(jié)構(gòu)、p+-AlGaAs/n+-GaInP結(jié)構(gòu)和p+-GaInP/n+_GaInP結(jié)構(gòu)，厚度為10 15nm，摻雜濃度范圍在IO19 IO2tlCnT3量級(jí)。所述的子層E中間層I為摻入量子點(diǎn)的GaAs子層，量子點(diǎn)選取InAs量子點(diǎn)(也可以是其他量子點(diǎn)，但要滿足帶隙比GaAs小很多)，包括GaInP窗口層、η型重?fù)诫s發(fā)射區(qū)，本征區(qū)和P型基區(qū)。尺寸均勻、間隔均勻的量子點(diǎn)層如同三明治結(jié)構(gòu)一樣插入在GaAs空間層中周期排列(見(jiàn)附圖I)。其中GaInP窗口層厚度為30nm左右，摻雜濃度為lX1018cm_3。所述的子層F背場(chǎng)層2依然采用003um的薄層GaInP。所述的子層G隧穿結(jié)2采用p+_AlGaAs/n+_GaAs結(jié)構(gòu)，也可以采用p+_GaAs/n+-GaAs 結(jié)構(gòu)，p+-AlGaAs/n+_GaInP 結(jié)構(gòu)和 p+-GaInP/n+_GaInP 結(jié)構(gòu)，厚度為 10 15nm,摻雜濃度范圍在IO19 102°cnT3量級(jí)。所述的子層H中間層2采用GaInAs材料，Ga元素和In元素的摻雜比例大致分別為
O.7和O. 3，其具體摻雜比例可些許調(diào)整，以滿足帶隙寬度在I. OeV左右。其發(fā)射區(qū)厚度設(shè)置為IOOnm左右，摻雜濃度為2 X 1018cnT3，基區(qū)厚度設(shè)置為I μ m左右，摻雜濃度為I X 1017cnT3。所述的子層I隧穿結(jié)3采用p+-AlGaAs/n+_GaAs結(jié)構(gòu),厚度為10 15nm,摻雜濃度范圍在IO19 102°cnT3量級(jí)。所述的子層J底電池層采用Ge材料。由于Ge的晶格常數(shù)(5.646A )與GaAs的晶格常數(shù)(5.653A)相近，熱膨脹系數(shù)兩者也較接近并且具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，因此價(jià)格便宜的Ge作為底電池和襯底既可以滿足帶隙的要求，又可以降低成本，其厚度設(shè)置在3 5μπι左右。其中，發(fā)射區(qū)厚度設(shè)置為300nm左右，摻雜濃度為lX1017cnT3。所述的子層K襯底層采用Ge材料，其厚度與子層J底電池總厚度控制在30 μ m以?xún)?nèi)。所述的背面電極材料是AuGeNi/Au或Ti/Au。本發(fā)明的顯著效果在于本發(fā)明所述的一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池克服了現(xiàn)有三層疊層太陽(yáng)電池太陽(yáng)光譜利用率不足的缺點(diǎn)，利用量子點(diǎn)的帶隙可調(diào)諧性，有效地改變GaAs子層的有效帶隙和電流密度，使得電池整體保持較高的穩(wěn)定性和電流匹配度，獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。



圖I為摻入量子點(diǎn)的GaAs子層不意圖；圖2為摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層電池整體結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖I所示，該子層結(jié)構(gòu)包括η型的GaAs發(fā)射區(qū)、本征GaAs區(qū)和ρ型的GaAs基區(qū)。InAs量子點(diǎn)植入在本征層中，形成基質(zhì)材料/量子點(diǎn)材料的周期結(jié)構(gòu)。由于量子點(diǎn)的量子尺寸效應(yīng)，可通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸和密度對(duì)量子點(diǎn)材料的帶隙進(jìn)行調(diào)整，有效帶隙Eeff由量子限制效應(yīng)的量子化能級(jí)的基態(tài)決定。發(fā)射區(qū)兩層的梯度差便于載流子的擴(kuò)散，InAs/GaAs量子點(diǎn)區(qū)生長(zhǎng)5 10層量子點(diǎn)，量子點(diǎn)尺寸大約為直徑20nm以?xún)?nèi)、高度IOnm以?xún)?nèi)的角錐形，GaAs空間層的厚度為20 35nm，由于堆疊產(chǎn)生的應(yīng)力作用會(huì)影響量子點(diǎn)層之間的界面效果，所以量子點(diǎn)層數(shù)不能太多，需進(jìn)行優(yōu)化，否則將產(chǎn)生高的晶格失配和界面復(fù)合速率。GaAs子層的整體厚度控制在2um以?xún)?nèi)?？捎梅肿邮庋?MBE)技術(shù)或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)技術(shù)研制太陽(yáng)電池。雖然液相外延(LPE)技術(shù)設(shè)備工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、無(wú)毒、安全，但采用LPE技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)GaAs/Ge異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)且研制的GaAs材料的表面復(fù)合速率高，故舍棄此技術(shù)。電池整體的結(jié)構(gòu)設(shè)置可以進(jìn)行改進(jìn)，如可以引入表面鈍化工藝以降低半導(dǎo)體表面復(fù)合速率，提高有效少子壽命。其主要方式是飽和半導(dǎo)體表面懸掛鍵，降低表面活性，增加表面的清潔程度，避免由于雜質(zhì)的引入在表面形成復(fù)合中心。為降低窗口層AlInP中的氧含量，可將磷烷純化或用乙硅烷取代硒化氫作摻雜劑。
權(quán)利要求
1.一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征在于該結(jié)構(gòu)包括前電極、子層A減反射層、子層B頂電池層、子層C背場(chǎng)層I、子層D隧穿結(jié)I、子層E中間層I、子層F背場(chǎng)層2、子層G隧穿結(jié)2、子層H中間層2、子層I隧穿結(jié)3、子層J底電池層、子層K襯底層和后電極。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的子層B頂電池層采用AlInP層作為窗口層改善藍(lán)光響應(yīng)和短路電流，采用帶隙可調(diào)的Gaa5Ina5P吸收短波長(zhǎng)太陽(yáng)光，總厚度為625nm左右。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的頂電池和中電池I加入背場(chǎng)結(jié)構(gòu)——子層C背場(chǎng)層I和子層F背場(chǎng)層2，均采用厚度O. 03um的GaInP薄層,組分依然是Gaa5Ina5P,以保持晶格與GaAs匹配。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的子層E中間層I為摻入量子點(diǎn)的GaAs超晶格結(jié)構(gòu)，選取InAs作為量子點(diǎn)，GaAs作為空間層周期排列。
5.根據(jù)權(quán)利I所述的一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的子層H中間層2采用帶隙可調(diào)的GaInAs材料，滿足帶隙寬度在I. OeV左右。
6.根據(jù)權(quán)利I所述的一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的各子層之間采用不同的隧穿結(jié)，厚度為10 15nm之間。
7.根據(jù)權(quán)利I所述的一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的子層J底電池層采用Ge材料和Ge襯底更好地匹配，總厚度控制在30 μ m左右。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的子層E中間層I量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)，其特征在于量子點(diǎn)陣列植入在本征層中，并少量摻雜以滿足半填充的中間帶結(jié)構(gòu)，其摻雜濃度在IOltl量級(jí)。η型發(fā)射區(qū)GaAs厚度控制在150nm內(nèi)，夾著量子點(diǎn)的中間i層厚度為25nm，每層GaAs空間層厚20 35nm之間，生長(zhǎng)5 10層量子點(diǎn)層，量子點(diǎn)尺寸大約為直徑20nm以?xún)?nèi)、高度IOnm以?xún)?nèi)的角錐形，GaAs子層的整體厚度控制在2 μ m以?xún)?nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域，具體公開(kāi)了一種摻入量子點(diǎn)的多結(jié)疊層太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)，該電池包括前電極、子層A減反射層、子層B頂電池層、子層C背場(chǎng)層1、子層D隧穿結(jié)1、子層E中間層1、子層F背場(chǎng)層2、子層G隧穿結(jié)2、子層H中間層2、子層I隧穿結(jié)3、子層J底電池層、子層K襯底層和后電極，是在GaInP/GaAs/GaInAs/Ge四結(jié)疊層電池的GaAs子層引入量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)，利用量子點(diǎn)的帶隙可調(diào)性，改善疊層電池整體的電流匹配和光譜利用率，并在子層B頂電池層和子層E中間層1中加入窗口層和背場(chǎng)結(jié)構(gòu)，使得短波長(zhǎng)光被充分吸收，電池各子層的帶隙基本滿足1.8eV、1.4eV、1.0eV、0.7eV，以充分吸收各波段的太陽(yáng)光譜。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK102832271SQ201210305808
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者屈曉升, 張思思, 熊麗玲, 包鴻音 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)