CN102176490A - 锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，包括如下步骤：步骤1：选择一衬底；步骤2：在衬底上依次生长n+型GaAs层和本征GaAs缓冲层；步骤3：在本征GaAs缓冲层上沉积一锑层；步骤4：在锑层上依次生长多个周期的量子点结构、本征GaAs层、p型GaAs层、p+型GaAs层、p+型Al0.8Ga0.2As层和p+型GaAs层；步骤5：在p+型GaAs层上蒸发上金属电极；步骤6：刻蚀上金属电极，使上金属电极形成网状；步骤7：在网状上金属电极上及裸露的p+型GaAs层上生长减反层；步骤8：剥离减反层，使上金属电极裸露；步骤9：在衬底的下表面制作下金属电极，形成电池组件；步骤10：对电池组件进行封装，完成太阳电池的制作。

Description

锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法
技术领域
本发明属于光伏器件制造技术领域，具体地涉及一种锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法。
背景技术
太阳能技术的发展与应用，对优化现有的能源结构，应对当今日趋严重的能源危机和实现可持续发展的理念具有极其重要的意义。然而目前太阳能电池的技术水平还比较有限，导致太阳能的发电成本大大高于常规能源，因此新型高效太阳能电池的研究与应用变得越来越迫切。
量子点中间能带太阳能电池是一种基于纳米材料的新型器件。在选择合适的量子点的形貌与分布的前提下，由于具有三维限制载流子运动的能力，量子点会产生类似原子的***能级，彼此间形成波函数重叠，在材料本身的价带和导带间形成一个独立的中间能带。随着中间能带的加入，太阳能电池在保持原有吸收的同时，增加了对能量小于原结构禁带宽度的长波长光子的吸收，从而扩展了光谱利用范围，提高了电池的输出电流。这种新结构电池的理论能量转换效率为63.1％，相比常规单节电池40.6％的最高理论效率有大幅度的提高。同时，引入量子点结构所带来的更小的载流子热效应和优秀的抗辐射能力，使得这种新型电池可以在传统材料无法正常工作的太空等极端环境下长期稳定地工作。
高密度、高质量的量子点材料是制备高性能量子点中间能带太阳能电池的基础。为了提高量子点材料的质量，增加量子点密度和均匀性，从而提高中间能带与导带和价带之间的光吸收及器件的综合性能，我们提出一种方法，即以锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方，在砷化铟/砷化镓量子点生长之前，将锑沉积于砷化镓表面，可以增加量子点的密度和均匀性，从而增加太阳电池光吸收和光电流。
本发明提供一种锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：在衬底上依次生长n+型GaAs层和本征GaAs缓冲层；
步骤3：在本征GaAs缓冲层上沉积一锑层；
步骤4：在锑层上依次生长多个周期的量子点结构、本征GaAs层、p型GaAs层、p+型GaAs层、p+型Al0.8Ga0.2As层和p+型GaAs层；
步骤5：在p+型GaAs层上蒸发上金属电极；
步骤6：刻蚀上金属电极，使上金属电极形成网状；
步骤7：在网状上金属电极上及裸露的p+型GaAs层上生长减反层；
步骤8：剥离掉覆盖在上金属电极表面的减反层，使上金属电极裸露；
步骤9：在衬底的下表面制作下金属电极，形成电池组件；
步骤10：对电池组件进行封装，完成太阳电池的制作。
其中衬底为n+型GaAs单晶片。
其中多个周期的量子点结构的每一周期包括：一锑作为表面活化剂辅助生长的InAs量子点层；一GaAs间隔层，该GaAs间隔层制作在InAs量子点层上。
其中多个周期的量子点结构的周期数小于100。
其中在生长每一周期的量子点结构之间均先沉积一锑层，锑层作为表面活化剂，沉积锑层的锑源源压为(4-5)×10-8Torr，沉积时间为1-3min。
其中所述的多个周期的量子点结构中的InAs量子点层的沉积厚度介于1.7到3个原子单层；沉积温度介于430℃和530℃之间。
其中GaAs间隔层的生长温度高于InAs量子点层的生长温度，小于630℃，GaAs间隔层的厚度不大于50nm。
其中在衬底上生长的n+型GaAs层和本征GaAs缓冲层是采用分子束外延法或金属有机化学沉积法。
其中在p+型GaAs层上蒸发上金属电极是采用磁控溅射法或真空蒸发法。
其中在网状上金属电极上及裸露的p+型GaAs层上生长的减反层是采用磁控溅射法或真空蒸发法。
附图说明
为进一步说明本发明的技术特征，结合以下附图，对本发明作一详细的描述，其中：
图1是锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明涉及一种锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，包括如下步骤：
请参阅图1所示，本发明涉及一种锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底10，该衬底为n+型GaAs单晶片，晶向为(100)，厚度为325-375um，掺杂浓度为(0.8-1.2)×1018cm-3；
步骤2：在衬底10上依次生长n+型GaAs层11和本征GaAs缓冲层12，所述的在衬底10上生长的n+型GaAs层11和本征GaAs缓冲层12是采用分子束外延法或金属有机化学沉积法。其中n+型GaAs层11的厚度为500nm，生长温度是595℃，掺杂浓度为1.0×1018cm-3，本征GaAs缓冲层12的厚度为400nm，生长温度为595℃；
步骤3：在本征GaAs缓冲层12上沉积一锑层，沉积锑层时的锑源源压为(4-5)×10-8Torr，沉积时间为1-3min。该锑层作为表面活化剂，可以增加之后所生长的量子点的密度、均匀性和材料质量，进而提高器件的性能；
步骤4：在沉积的锑层上依次生长多个周期的量子点结构20、本征GaAs层21、p型GaAs层22、p+型GaAs层23、p+型Al0.8Ga0.2As层24和p+型GaAs层25，均采用分子束外延法或金属有机化学沉积法。
所述多个周期的量子点结构20的每一周期包括：一锑层作为表面活化剂辅助生长的InAs量子点层201；一GaAs间隔层202，该GaAs间隔层202制作在InAs量子点层201上，该多个周期的量子点结构20的周期数小于100，其中所述的多个周期的量子点结构20中的InAs量子点层201的沉积厚度介于1.7到3个原子单层；生长温度介于430℃和530℃之间，其中GaAs间隔层202的生长温度高于InAs量子点层201的生长温度，小于630℃，GaAs间隔层202的厚度不大于50nm。该周期的量子点结构的作用是在GaAs材料的价带和导带间形成一个独立的中间能带，进而增加吸收光子数，提高输出电流；
其中所述的在生长每一周期的量子点结构20之间均先沉积一锑层，沉积锑层时的锑源源压为(4-5)×10-8Torr，沉积时间为1-3min，其功能如步骤3中所述；
在多个周期的量子点结构20上一层本征GaAs层21，厚度为400nm，生长温度为595℃；在本征GaAs层21上生长p型GaAs层22，厚度为100nm，生长温度为595℃，掺杂浓度为1.0×1018cm-3；在p型GaAs层22上生长一层p+型GaAs层23，厚度为200nm，生长温度为595℃，掺杂浓度为5.0×1018cm-3；在p+型GaAs层23上生长一层p+型Al0.8Ga0.2As层24作为窗口层，厚度为50nm，生长温度为595℃，掺杂浓度为5.0×1018cm-3；在p+型Al0.8Ga0.2As层24上生长一层p+型GaAs层25作为保护层，厚度为20nm，生长温度为595℃，掺杂浓度为5.0×1018cm-3；
步骤5：在p+型GaAs层25上蒸发上金属电极26，金属电极26采用Au，厚度为3um，所述的在p+型GaAs层25上蒸发上金属电极26是采用磁控溅射法或真空蒸发法；
步骤6：采用合适的刻蚀设备与化学试剂，刻蚀、剥离上金属电极26，使上金属电极26形成大小合适的正方形的网状，栅线的遮光面积占电池表面总面积的8％；
步骤7：在网状上金属电极26上及裸露的p+型GaAs层25上生长减反层27，减反层27的材料为SiO2-Ta2O5，，厚度不超过3um，所述的在网状上金属电极26上及裸露的p+型GaAs层25上生长的减反层27是采用磁控溅射法或真空蒸发法；
步骤8：剥离掉覆盖在金属电极26表面的减反层，使上金属电极26裸露；
步骤9：在衬底10的下表面制作下金属电极28，下金属电极28采用Au，厚度不小于3um，从而形成电池组件；
步骤10：对电池组件进行标准封装，完成太阳电池的制作。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选择一衬底；
步骤2：在衬底上依次生长n+型GaAs层和本征GaAs缓冲层；
步骤3：在本征GaAs缓冲层上沉积一锑层；
步骤4：在锑层上依次生长多个周期的量子点结构、本征GaAs层、p型GaAs层、p+型GaAs层、p+型Al0.8Ga0.2As层和p+型GaAs层；
步骤5：在p+型GaAs层上蒸发上金属电极；
步骤6：刻蚀上金属电极，使上金属电极形成网状；
步骤7：在网状上金属电极上及裸露的p+型GaAs层上生长减反层；
步骤8：剥离掉覆盖在上金属电极表面的减反层，使上金属电极裸露；
步骤9：在衬底的下表面制作下金属电极，形成电池组件；
步骤10：对电池组件进行封装，完成太阳电池的制作。
2.根据权利要求1所述的锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中衬底为n+型GaAs单晶片。
3.根据权利要求1所述的锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中多个周期的量子点结构的每一周期包括：
一锑作为表面活化剂辅助生长的InAs量子点层；
一GaAs间隔层，该GaAs间隔层制作在InAs量子点层上。
4.根据权利要求3所述的锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中多个周期的量子点结构的周期数小于100。
5.根据权利要求3所述的锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中在生长每一周期的量子点结构之间均先沉积一锑层，锑层作为表面活化剂，沉积锑层的锑源源压为(4-5)×10-8Torr，沉积时间为1-3min。
6.根据权利要求3所述的锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中所述的多个周期的量子点结构中的InAs量子点层的沉积厚度介于1.7到3个原子单层；沉积温度介于430℃和530℃之间。
7.根据权利要求3所述的锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中GaAs间隔层的生长温度高于InAs量子点层的生长温度，小于630℃，GaAs间隔层的厚度不大于50nm。
8.根据权利要求1所述的锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中在衬底上生长的n+型GaAs层和本征GaAs缓冲层是采用分子束外延法或金属有机化学沉积法。
9.根据权利要求1所述的锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中在p+型GaAs层上蒸发上金属电极是采用磁控溅射法或真空蒸发法。
10.根据权利要求1所述的锑辅助生长的砷化铟/砷化镓量子点太阳电池的制作方法，其中在网状上金属电极上及裸露的p+型GaAs层上生长的减反层是采用磁控溅射法或真空蒸发法。
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