CN105679873A - 基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池，包括有源区，该有源区包括第一i-GaAs层、第一GaNAs/InGaAs超晶格结构、第二InGaAs超晶格结构、第二i-GaAs层，其中第二InGaAs超晶格结构设于第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面。第一i-GaAs层与第二i-GaAs层厚度相同，第一GaNAs/InGaAs超晶格结构与第二InGaAs超晶格结构中的InGaAs层厚度不同，第二InGaAs超晶格结构中掺入量子点，且其InGaAs层中掺杂其他元素。本发明提供上述电池制备方法，利用MOCVD或MBE技术依次制备电池的各层结构。本发明技术能够优化太阳能电池性能、提高转换效率。

Description

基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏电池技术领域，具体是一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

作为当今世界最具发展前景的一种能源，太阳能具有取之不尽、功率巨大、使用安全等优点。但是，目前太阳能电池的发展和利用中遇到的主要问题是光电转换效率较低，太阳能电池的性价比不高。

虽然近年来备受人们关注的GaInP/GaInAs/Ge三结电池，已成功应用于空间和地面光伏领域，但进一步提升转换效率却遇到瓶颈。为进一步提高多结太阳能电池的转换效率，将太阳光谱进一步细化是主要的手段。使用与GaAs或Ge衬底晶格匹配的0.8～1.4eV带隙电池替代Ge电池可显著提升电池的转换效率，而且未来可结合Ge衬底研究四结甚至五结的超高效率晶格匹配电池。

GaInNAs被认为是GaAs基系高效太阳电池中第三子结电池的理想材料。目前，GaInNAs电池已研制成功，但转换效率并不高。这是因为GaInNAs具有很差的固熔点、N组元增加引起的合金相分离或In团簇、In和N组元共存时会导致应变和成分起伏、高的背景浓度以及N元素有关的深能级复合中心-本征点缺陷等问题，仍然限制了GaInNAs材料在多结电池中的进一步应用，这些问题引起的较短载流子寿命和低的迁移率将最终导致电池的效率下降，所以还需要深入的研究，以便找出更好的解决办法。

量子点太阳电池不仅是第三代太阳电池，也是目前最尖端的太阳电池之一，通过在p-i-n型太阳电池的i层中引入量子点超晶格结构，只要改变量子点的大小，可吸收光波的波长也会相应的改变，以此来拓宽吸收太阳光谱的范围。其中，最简单的就是量子点中间带隙电池，根据理论预测，其极限效率高达63.2％。

专利CN101752444A公开了一种p-i-n型InGaN量子点太阳能电池结构及其制作方法，通过调整工艺参数严格控制生长条件，制备出一种具有非掺杂i层In_xGa_1-yN量子点结构的太阳能电池，结合In_xGa_1-yN合金材料的带宽可调节和量子点超晶格结构的特点，在理论上提高太阳能电池的转换效率。但是如前文所述，In、N共存生长容易产生应变与组分起伏，反而影响转换效率。同时，由于采用单一结构的超晶格，为了获得足够的有源区，在生长过程中易导致失配位错和界面缺陷，最终影响电池的性能，使得实际效率远不及理论效率。因此，在太阳电池结构设计中，研究人员试图寻找其他有效方法突破这个技术难关。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法，用于提高太阳能电池的转换效率。

本发明提供一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池，所述太阳能电池包括有源区，所述有源区包括第一i-GaAs层、第一GaNAs/InGaAs超晶格结构、第二InGaAs超晶格结构、第二i-GaAs层，其中所述第二InGaAs超晶格结构设置于所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面。

其中，第一GaNAs/InGaAs超晶格结构是指同时包括GaNAs层和InGaAs层的超晶格结构，在该结构中GaNAs层与InGaAs层交替周期性生长，例如在一层GaNAs层上生长一层InGaAs层，在该InGaAs层上再生长一层GaNAs层，如此周期***替重复。

进一步的，所述第一i-GaAs层与所述第二i-GaAs层的厚度相同，所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构中的InGaAs层与所述第二InGaAs超晶格结构中的InGaAs层的厚度不同，所述第二InGaAs超晶格结构的InGaAs层中掺杂具有表面活化作用的元素。

其中，具有表面活化作用的元素例如可以是Be或Sb，掺杂该元素是为了得到质量更好的太阳能电池。

进一步的，所述第二InGaAs超晶格结构中掺杂量子点，选取GaNAs、GaNAs/GaN、GaNAs/GaAs或GaNAs/GaN/GaAs中的一种或几种作为量子点，所述第二InGaAs超晶格结构中的InGaAs层作为空间层周期排列。优选的，选取GaNAs作为量子点。

优选的，所述第二InGaAs超晶格结构中，每层InGaAs层的厚度为10～15nm，例如为10nm、11nm、12nm、13nm、14nm或15nm；所述量子点结构的层数为5～10层，例如为5层、6层、7层、8层、9层或10层；所述量子点结构为直径小于或者等于15nm、高度小于或者等于10nm的角锥形，例如直径为15nm、14nm、13nm、12nm、11nm、10nm或8nm，高度为10nm、9nm、8nm、7nm或6nm；所述第二InGaAs超晶格结构设置在所述第二i-GaAs层与所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构之间。

优选的，所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构、所述第二InGaAs超晶格结构的周期范围分别为15nm至25nm，周期数为10-20。

其中，所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构的周期是指由一层InGaAs层和一层GaNAs层共同组成的周期，该周期的厚度为15-25nm，例如可以为15nm、18nm、20nm、22nm或25nm，该周期数为周期的层数，例如可以为10层、12层、14层、16层、18层或20层。其中，所述第二InGaAs超晶格结构的周期是指由一层InGaAs层和一层所述量子点层共同组成的周期，该周期的厚度为15-25nm，例如可以为15nm、18nm、20nm、22nm或25nm，该周期数为周期的层数，例如可以为10层、12层、14层、16层、18层或20层。

进一步的，所述太阳能电池还包括自下而上依次设置的衬底、GaAs缓冲层、AlGaAs背场层、第一GaAs层、第二GaAs层和AlGaAs窗口层、GaAs接触层，其中所述衬底为Si、Ge或GaAs衬底中的一种，所述第一GaAs层和所述第二GaAs层之间设置所述有源区。

进一步的，所述太阳能电池还包括设置在所述衬底背面的第一接触电极和设置在所述GaAs接触层上的第二接触电极。

进一步的，所述第一GaAs层的导电掺杂类型与所述第二GaAs层的导电掺杂类型相反，所述衬底的掺杂类型与所述第一GaAs层的掺杂类型相同。

本发明还提供一种上述太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

S1.在衬底的裸露表面依次生长GaAs缓冲层、AlGaAs背场层、第一GaAs层，其中所述衬底为Si、Ge或GaAs衬底中的一种，所述衬底与所述第一GaAs层的导电掺杂类型相同；

S2.在所述第一GaAs层的裸露表面生长有源区；其中，所述有源区的制备步骤包括：

S2.1.在所述第一GaAs层的裸露表面生长第一i-GaAs层；

S2.2.在所述第一i-GaAs层表面上生长第一GaNAs/InGaAs超晶格结构；

S2.3.在所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面生长第二InGaAs超晶格结构；

S2.4.在所述第二InGaAs超晶格结构表面上生长第二i-GaAs层；

S3.在所述有源区表面依次生长第二GaAs层、AlGaAs窗口层、GaAs接触层，其中，所述第一GaAs层与所述第二GaAs层的导电掺杂类型相反。

可以理解的是，在本发明中制备太阳能电池的上述各层结构时，可以采用金属有机化合物气相沉淀法(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法，也可以采用其他制备太阳能电池的现有技术。

进一步的，在制备完成所述太阳能电池后，在所述GaAs接触层上制作第二接触电极，在所述衬底背面制作第一接触电极。

进一步的，在所述有源区中，所述第一i-GaAs层与所述第二i-GaAs层的厚度相同，所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构中InGaAs层的厚度与所述第二InGaAs超晶体结构中InGaAs层的厚度不同，所述第二InGaAs超晶格结构的InGaAs层中掺杂具有表面活化作用的元素。其中，具有表面活化作用的元素例如可以是Be或Sb，掺杂该元素是为了得到质量更好的太阳能电池。

进一步的，所述第二InGaAs超晶格结构中掺杂量子点，选取GaNAs、GaNAs/GaN、GaNAs/GaAs或GaNAs/GaN/GaAs结构中的一种或几种作为量子点，所述第二InGaAs超晶格结构中的InGaAs层作为空间层周期排列。

优选的，所述第二InGaAs超晶格结构中，每层InGaAs层的厚度为10～15nm，例如为10nm、11nm、12nm、13nm、14nm或15nm；所述量子点结构的层数为5～10层，例如为5层、6层、7层、8层、9层或10层；所述量子点结构为直径小于或者等于15nm、高度小于或者等于10nm的角锥形，例如直径为15nm、14nm、13nm、12nm、11nm、10nm或8nm，高度为10nm、9nm、8nm、7nm或6nm；所述第二InGaAs超晶格结构设置在所述第二i-GaAs层与所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构之间。

优选的，所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构、所述第二InGaAs超晶格结构的周期范围分别为15nm至25nm，周期数为10-20。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、提高太阳能电池的转换效率。本发明提供一种具有GaNAs/InGaAs超晶格结构和掺入至少含有GaNAs量子点的InGaAs超晶格结构的太阳能电池，同时结合了超晶格太阳能电池和量子点结构的优点，利用量子点的带隙可变性，实现对长波长光的充分吸收，提高对光生载流子的收集作用，有效地改变GaAs子层的有效带隙和光电流密度，从而获得更高的转换效率。

2、In、N分离生长，避免In、N共存生长的缺陷。本发明中，第一GaNAs/InGaAs超晶格结构采用GaNAs层与/InGaAs层交替生长的方式，使In与N分别设在不同的层面中，避免了In与N在同一层面中生长时导致应变和成分起伏等问题。类似地，第二InGaAs超晶格结构中，掺入的量子点与InGaAs层也起到将In与N分开的作用，从而避免In、N共存生长缺陷。

3、优化材料质量，保证电池性能。对于传统的单一结构超晶格太阳能电池而言，为了获得足够厚的有源区，需设置厚度较大的超晶格结构，这导致在不同层面的界面处容易产生大量的界面缺陷和失配位错，材料质量大为退化，最终将影响电池的性能。本发明中利用两种超晶格结构来分担有源区的厚度，使得每一种超晶格结构无需设置过厚即可满足要求，因而避免了由生长厚度问题导致电池性能下降的问题。

附图说明

图1是实施例一太阳能电池的结构示意图。

图2是实施例一太阳能电池中有源区的结构示意图。

图3是实施例二太阳能电池制备方法的流程图。

附图标记：

1第一接触电极

2衬底

3GaAs缓冲层

4AlGaAs背场层

5第一GaAs层

6有源区

61第一i-GaAs层

62第一GaNAs/InGaAs超晶格结构

63第二InGaAs超晶格结构

64第二i-GaAs层

7第二GaAs层

8AlGaAs窗口层

9GaAs接触层

10第二接触电极

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，应当理解的是，这些具体实施方式仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定。

实施例一

如图1所述，本发明实施例一提供一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池，该太阳能电池自下而上依次设置有衬底2、GaAs缓冲层3、AlGaAs背场层4、第一GaAs层5、有源区6、第二GaAs层7、AlGaAs窗口层8、GaAs接触层9。

其中，衬底2为Si、Ge或GaAs衬底中的一种，且衬底2的导电掺杂类型与第一GaAs层的掺杂类型相同。

在本发明中，第一GaAs层与第二GaAs层的导电掺杂类型相反。当第一GaAs层的导电掺杂类型为N型时，则第二GaAs层的导电掺杂类型为P型；当第一GaAs层的导电掺杂类型为P型时，第二GaAs层的导电掺杂类型为N型。在本实施例中，第一GaAs层5作为太阳能电池的基区，相应地，第二GaAs层6作为太阳能电池的发射区。

如图2所示为有源区的结构示意图，有源区6自下而上依次包括第一i-GaAs层61、第一GaNAs/InGaAs超晶格结构62、第二InGaAs超晶格结构63、第二i-GaAs层64，且第一i-GaAs层61设置在第一GaAs层5的上方。

其中，在第一GaNAs/InGaAs超晶格结构62中，GaNAs层与InGaAs层周期性地交替生长，在一层GaNAs层上设置一层InGaAs层，在该InGaAs层上再设置一层GaNAs层，如此周期性重复，一层InGaAs层和一层GaNAs层共同组成一个周期。该第一GaNAs/InGaAs超晶格结构62的周期范围是15nm-25nm，周期数为10-20。本发明中，由于在有源区设置第一GaNAs/InGaAs超晶格结构，通过引入N元素满足太阳能电池的带隙要求。与此同时，In和N分隔开来分别在不同的晶格层中，从而有效避免了In和N在同一晶格层中共存生长导致的晶格结构缺陷和对转换效率的影响。

其中，在第二InGaAs超晶格结构63中包括InGaAs层和掺杂的GaNAs量子点，选取GaNAs作为量子点，InGaAs层作为空间层周期排列，一层InGaAs层和一层GaNAs量子点层共同组成一个周期。其中，第二InGaAs超晶格结构63的周期范围是15nm-25nm，周期数为10-20。每层InGaAs层的厚度为10～15nm，GaNAs量子点的层数为5～10层，GaNAs量子点为直径小于或者等于15nm、高度小于或者等于10nm的角锥形，这样的量子点大小和形状用于保证有源区既不产生失配又能获得所需的吸收带边。在本发明中，量子点可以选自GaNAs、GaNAs/GaN、GaNAs/GaAs或GaNAs/GaN/GaAs中的一种或几种，不仅限于GaNAs量子点。在本发明中，由于有源区设置有第二InGaAs超晶格结构，且该超晶格结构中至少掺入了GaNAs量子点，从而实现通过引入N元素满足太阳能电池的带隙要求的目的。与此同时，N元素在量子点中，而In元素在超晶格结构中，有效避免了In和N在同一晶格层中共存生长导致的晶格结构缺陷和对转换效率的影响。

其中，第一i-GaAs层61与所述第二i-GaAs层64的厚度相同，第一GaNAs/InGaAs超晶格结构62中的InGaAs层与第二InGaAs超晶格结构63中的InGaAs层的厚度不同，且第二InGaAs超3晶格结构6的InGaAs层中掺杂有Be。在本发明中，第二InGaAs超3晶格结构的InGaAs层中所掺杂的元素不仅限于Be，还可以是其他具有表面活化作用的元素，例如Sb，只要是能够起到降低材料阻抗，提高太阳能电池的填充因子的作用的元素即可。并且，这些元素只需少量添加，所述少量，是指能够实现降低材料阻抗作用的量。在本发明中，由于有源区设有两种不同阱层厚度的短周期超晶格结构，又掺入了量子点，因而能够获得足够厚的吸收区，拓宽太阳能电池在近红外区的吸收，提高太阳能电池的转换效率。

其中，在衬底2背面设有第一接触电极，在GaAs接触层上设有第二接触电极。

实施例二

本实施例提供一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1.在衬底的裸露表面依次生长GaAs缓冲层、AlGaAs背场层、第一GaAs层。

S2.在第一GaAs层的裸露表面生长有源区；其中，有源区的制备步骤包括：

S2.1.在第一GaAs层的裸露表面生长第一i-GaAs层；

S2.2.在第一i-GaAs层表面上生长第一GaNAs/InGaAs超晶格结构；

S2.3.在第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面生长第二InGaAs超晶格结构；

S2.4.在第二InGaAs超晶格结构表面上生长第二i-GaAs层。

S3.在有源区表面依次生长第二GaAs层、AlGaAs窗口层、GaAs接触层。

其中，在衬底背面设有第一接触电极，在GaAs接触层上设有第二接触电极。

具体地，在S1步骤中，采用分子束外延(MBE)方法，在衬底的裸露表面生长GaAs缓冲层。选取n型GaAs衬底置于MBE的反应腔室，在液氮冷却、背景压力低于9×10^-10Torr、580℃的条件下，去除衬底的表面氧化层，接着生长无反相畴的GaAs缓冲层，该缓冲层用于优化薄膜质量。在本发明中，还可以采用Si、Ge作为衬底，且衬底在使用前应首先进行清洗，或直接采用免清洗的衬底。

进一步的，采用分子束外延方法，在GaAs缓冲层的裸露表面生长n型AlGaAs背场层。该背场层用于减小光生电子的复合几率，增加载流子收集，阻止第一GaAs层的光生电子向第一接触电极扩散。

进一步的，采用分子束外延方法，在AlGaAs背场层生长n型第一GaAs层。该第一GaAs层的载流子浓度低于AlGaAs背场层的载流子浓度。

在S2步骤中，采用分子束外延方法，在第一GaAs层的裸露表面生长厚度为50nm的第一i-GaAs层、厚度比为t1/t2的本征且具有短周期的第一GaNAs/InGaAs超晶格结构、厚度比为t1/t3的本征且具有短周期的第二掺入GaNAs量子点的InGaAs超晶格结构、50nm厚的第二i-GaAs层。其中，第一GaNAs/InGaAs超晶格结构中的GaNAs层与第二掺入GaNAs量子点的InGaAs超晶格结构中的GaNAs量子点层厚度相同，均为t1；t2为第一GaNAs/InGaAs超晶格结构中InGaAs层的厚度；t3为第二掺入GaNAs量子点的InGaAs超晶格结构中InGaAs层的厚度；其中，t1、t2、t3为自然数，且t3不等于t2。其中，第二掺入GaNAs量子点的InGaAs超晶格结构中，在InGaAs中掺杂Be元素。

在S3步骤中，采用分子束外延方法，在有源区的第二i-GaAs层的裸露表面生长p型GaAs层作为第二GaAs层。在该第二GaAs层表面生长AlGaAs层窗口层。该第二GaAs层的掺杂浓度高于AlGaAs层窗口层，以防止光生空穴向上扩散。

进一步的，采用分子束外延方法，在AlGaAs层窗口层的裸露表面生长p型GaAs层作为GaAs接触层，用于使太阳能电池与金属形成良好的欧姆接触，降低电池阻抗，提高电池性能。其中，p型GaAs层的掺杂浓度高于第二GaAs层的掺杂浓度。

最后，在GaAs接触层的裸露表面上制备p型第二接触电极，在衬底的裸露表面上制备n型接触电极。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池包括有源区，所述有源区包括第一i-GaAs层、第一GaNAs/InGaAs超晶格结构、第二InGaAs超晶格结构、第二i-GaAs层，其中所述第二InGaAs超晶格结构设置于所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述第一i-GaAs层与所述第二i-GaAs层的厚度相同，所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构中的InGaAs层与所述第二InGaAs超晶格结构中的InGaAs层的厚度不同，所述第二InGaAs超晶格结构的InGaAs层中掺杂具有表面活化作用的元素。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述第二InGaAs超晶格结构中掺杂量子点，选取GaNAs、GaNAs/GaN、GaNAs/GaAs或者GaNAs/GaN/GaAs中的一种或几种作为量子点，所述第二InGaAs超晶格结构中的InGaAs层作为空间层周期排列。

4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于：所述第二InGaAs超晶格结构中，每层InGaAs层的厚度为10～15nm，所述量子点结构的层数为5～10层，所述量子点结构为直径小于或者等于15nm、高度小于或者等于10nm的角锥形，所述第二InGaAs超晶格结构设置在所述第二i-GaAs层与所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构之间。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构、所述第二InGaAs超晶格结构的周期范围分别为15nm至25nm，周期数为10-20。

6.根据权利要求1至5任一项所述的太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池还包括自下而上依次设置的衬底、GaAs缓冲层、AlGaAs背场层、第一GaAs层、第二GaAs层、AlGaAs窗口层、GaAs接触层，其中所述衬底为Si、Ge或GaAs衬底中的一种，所述第一GaAs层和所述第二GaAs层之间设置所述有源区。

7.根据权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于：所述第一GaAs层的导电掺杂类型与所述第二GaAs层的导电掺杂类型相反，所述衬底的掺杂类型与所述第一GaAs层的掺杂类型相同。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.在衬底的裸露表面依次生长GaAs缓冲层、AlGaAs背场层、第一GaAs层，其中所述衬底为Si、Ge或GaAs衬底中的一种，所述衬底与所述第一GaAs层的导电掺杂类型相同；

S2.在所述第一GaAs层的裸露表面生长有源区；其中，所述有源区的制备步骤包括：

S2.1.在所述第一GaAs层的裸露表面生长第一i-GaAs层；

S2.2.在所述第一i-GaAs层表面上生长第一GaNAs/InGaAs超晶格结构；

S2.3.在所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面生长第二InGaAs超晶格结构；

S2.4.在所述第二InGaAs超晶格结构表面上生长第二i-GaAs层；

S3.在所述有源区表面依次生长第二GaAs层、AlGaAs窗口层、GaAs接触层，其中，所述第一GaAs层与所述第二GaAs层的导电掺杂类型相反。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：在所述有源区中，所述第一i-GaAs层与所述第二i-GaAs层的厚度相同，所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构中InGaAs层的厚度与所述第二InGaAs超晶体结构中InGaAs层的厚度不同，所述第二InGaAs超晶格结构的InGaAs层中掺杂具有表面活化作用的元素。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于：所述第二InGaAs超晶格结构中掺杂量子点，选取GaNAs、GaNAs/GaN、GaNAs/GaAs或GaNAs/GaN/GaAs结构中的一种或几种作为量子点，所述第二InGaAs超晶格结构中的InGaAs层作为空间层周期排列。