掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102738266 A (43)申请公布日 2012.10.17 CN 102738266 A *CN102738266A* (21)申请号 201210203837.7 (22)申请日 2012.06.20 H01L 31/0352(2006.01) H01L 31/077(2012.01) H01L 31/18(2006.01) (71)申请人 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿 生研究所 地址 215125 江苏省苏州市工业园区独墅湖 高教区若水路 398 号 (72)发明人 郑新和 李雪飞 张东炎 吴渊渊 陆书龙 杨辉 (74)专利代理机构 上海翼胜专利商标事务所。

2、 ( 普通合伙 ) 31218 代理人 孙佳胤 翟羽 (54) 发明名称 掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法 (57) 摘要 本发明提供一种掺杂超晶格结构的太阳能 电池， 包括第一 GaAs 层和有源区， 所述有源区置 于第一 GaAs 层的裸露表面上， 所述有源区包括 第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构， 所述第 二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构设置于第一 GaNAs/ InGaAs 超晶格结构表面， 所述第一、 第二 GaNAs/ InGaAs 超晶格结构中的 InGaAs 层厚度不同， 且 第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构中 InGaAs 层和 Ga。

3、NAs 层均掺杂同种导电类型的杂质。本发明还 提供一种上述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制 备方法， 在第一 GaAs 层的裸露表面上依次生长第 一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构以形成有源 区， 所述第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构中 的InGaAs层厚度不同， 且第二GaNAs/InGaAs超晶 格结构中InGaAs层和GaNAs层均掺杂同种导电类 型的杂质。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 1/1 页 2 1。

4、. 一种掺杂超晶格结构的太阳能电池， 其特征在于， 包括第一 GaAs 层和有源区， 所述 有源区置于第一GaAs层的裸露表面上， 所述有源区包括第一、 第二GaNAs/InGaAs超晶格结 构， 所述第二GaNAs/InGaAs超晶格结构设置于第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面， 所述第 一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构中的 InGaAs 层厚度不同， 且第一 GaNAs/InGaAs 超晶格 结构中 InGaAs 层和 GaNAs 层均掺杂同种导电类型的杂质。 2. 根据权利要求 1 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池， 其特征在于， 进一步包括 GaAs电池和GaA。

5、s缓冲层， 所述GaAs电池置于GaAs缓冲层的裸露表面上， 所述GaAs电池包 括依次设置的 AlGaAs 背场层、 第一 GaAs 层、 有源区、 第二 GaAs 层和 AlGaAs 窗口层， 其中第 一 GaAs 层的导电掺杂类型与第二 GaAs 层的导电掺杂类型相反。 3. 根据权利要求 2 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池， 其特征在于， 进一步包括 Ge 或GaAs的衬底， 以及包括依次在Ge或GaAs的衬底上设置的GaAs缓冲层、 GaAs电池和GaAs 接触层， 所述衬底的掺杂类型与第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构的掺杂类型一致。 4. 根据权利要求 1 所述的掺杂超。

6、晶格结构的太阳能电池， 其特征在于， 所述第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构的周期范围分别为 1 纳米至 10 纳米。 5. 一种如权利要求所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法， 其特征在于， 包 括步骤 ： 3） 在第一 GaAs 层裸露表面生长有源区， 所述步骤 3） 进一步包括步骤 ： 31） 在第 一 GaAs 层裸露表面生长第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 ； 32） 在第一 GaNAs/InGaAs 超晶 格结构表面生长第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 ； 其中， 所述第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超 晶格结构中的 InGaAs 。

7、层厚度不同， 且第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构中 InGaAs 层和 GaNAs 层均掺杂同种导电类型的杂质。 6. 根据权利要求 5 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法， 其特征在于， 所 述步骤 3） 之前进一步包括步骤 ： 1） 在 GaAs 缓冲层的裸露表面生长 AlGaAs 背场层 ； 2） 在 AlGaAs 背场层表面生长第一 GaAs 层 ； 所述步骤 3） 之后进一步包括步骤 ： 4） 在有源区 表面生长第二 GaAs 层 ； 5） 在第二 GaAs 层表面生长 AlGaAs 窗口层。 7. 根据权利要求 6 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法， 其。

8、特征在于， 所 述步骤1） 之前包括步骤 ： 在Ge或GaAs的衬底的裸露表面生长GaAs缓冲层 ； 所述步骤5） 之 后包括步骤 ： 在 AlGaAs 窗口层表面生长 GaAs 接触层， 所述衬底的掺杂类型与第二 GaNAs/ InGaAs 超晶格结构的掺杂类型一致。 8. 根据权利要求 5 所述的掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法， 其特征在于， 所 述第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构的生长均采用 In 与 N 空间分离的生长方式。 权 利 要 求 书 CN 102738266 A 2 1/5 页 3 掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉。

9、及太阳能电池领域， 尤其涉及掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方 法。 背景技术 0002 随着全球范围的能源危机和生态环境问题的日益恶化， 大家对于取之不尽用之不 竭且洁凈无污染之虞的太阳能和太阳能电池， 莫不寄予极大之期望， 成为市场上最被看好 的产业之一。在众多太阳能电池中， 传统 GaInP/GaAs/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遇到瓶颈。 根据带隙组成和太阳光光谱的匹配， 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 衬底构成四结及四结以上的超高效率。

10、晶格匹配电池。 0003 近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN、 InGaAsN、 GaNP和GaNAsP材料受到了重 视。 人们发现增加了少量氮的砷化镓其带隙不是预期的增加， 反而产生了相反的效果， 从而 导致带隙迅速减小， 不是预期的蓝移， 而是红移， 这种不寻常的行为引起了相当大的兴趣， 人们认为这是材料物理学上一个新的观点以及存在潜在的应用空间， 这些新化合物被称为 稀氮化物。稀氮化物已摆脱传统的 III-V 族半导体， 当氮插入到五族元素的晶格， 对材料的 性能产生了深远影响， 并允许能带工程进一步发展。在常规的 GaAs 和 InP 基 III-V 族化合 物中只加入少量的氮 。

11、( 小于 5 )， 结果可以造成非常大的能带弯曲， 这形成了许多有趣的 微电子和光电应用。除了能带弯曲， 少量的氮也导致带结构的改变， 只有 0.5的氮， GaP 带 隙产生从间接到直接的变化， 且在 650nm 红光范围具有很强的发光。 0004 与 GaAs 或 Ge 衬底晶格匹配的带隙为 1eV 的 GaInNAs 太阳电池已研制成功， 如图 1， 包括衬底 101， 以及在衬底 101 上依次设置的缓冲层 102、 背场层 103、 第一 GaAs 层 104、 第二GaAs层105 和接触层106， 但电流密度和开路电压仍较低， 转换效率也不高。 其主要原 因是采用GaInNAs四元。

12、体系的体材料， 由于In、 N共存生长， 容易产生应变与组分起伏， 降低 少子寿命， 迁移率也不高， 吸收光子所产生的电子 - 空穴对在被收集之前就已经复合， 限制 了电流输出， 转换效率的提升有限。虽有通过 In、 N 分离的超晶格和量子阱来获得该带隙的 太阳能电池， 但由于是单一垒层厚度的超晶格， 当获得足够厚的有源区时易产生失配位错， 最终影响电池的性能。于是， 研究人员试图寻找其他有效方法突破这个技术难关。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 0005 本发明所要解决的技术问题是， 提供掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方 法。 0006 为了解决上述问题， 本发。

13、明提供了一种掺杂超晶格结构的太阳能电池， 包括第一 GaAs 层和有源区， 所述有源区置于第一 GaAs 层裸露表面上， 所述有源区包括第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构， 所述第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构设置于第一 GaNAs/InGaAs 说 明 书 CN 102738266 A 3 2/5 页 4 超晶格结构表面， 所述第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构中的 InGaAs 层厚度不同， 且第 一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构中 InGaAs 层和 GaNAs 层均掺杂同种导电类型的杂质。 0007 所述掺杂超晶格结构的太阳能电池， 进。

14、一步包括 GaAs 电池和 GaAs 缓冲层， 所述 GaAs 电池置于 GaAs 缓冲层的裸露表面上， 所述 GaAs 电池包括依次设置的 AlGaAs 背场层、 第一 GaAs 层、 有源区、 第二 GaAs 层和 AlGaAs 窗口层， 其中第一 GaAs 层的导电掺杂类型与 第二 GaAs 层的导电掺杂类型相反。 0008 所述掺杂超晶格结构的太阳能电池， 进一步包括Ge或GaAs的衬底， 以及包括依次 在 Ge 或 GaAs 的衬底上设置的 GaAs 缓冲层、 GaAs 电池和 GaAs 接触层， 所述衬底的掺杂类 型与第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构的掺杂类型一致。 00。

15、09 所述掺杂超晶格结构的太阳能电池， 所述第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构的 周期范围分别为 1 纳米至 10 纳米。 0010 为了解决上述问题， 本发明还提供了一种上述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制 备方法， 包括步骤 ： 3） 在第一 GaAs 层裸露表面生长有源区， 所述步骤 3） 进一步包括步骤 ： 31） 在第一 GaAs 层的裸露表面生长第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 ； 32） 在第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构表面生长第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 ； 其中， 所述第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构中的 I。

16、nGaAs 层厚度不同， 且第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构中 InGaAs 层和 GaNAs 层均掺杂同种导电类型的杂质。 0011 所述步骤 3） 之前进一步包括步骤 ： 1） 在 GaAs 缓冲层的裸露表面生长 AlGaAs 背场层 ； 2） 在 AlGaAs 背场层表面生长第一 GaAs 层 ； 所述步骤 3） 之后进一步包括步骤 ： 4） 在有源区表面生长第二 GaAs 层 ； 5） 在第二 GaAs 层表面生长 AlGaAs 窗口层。 0012 所述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法， 所述步骤 1） 之前包括步骤 ： 在 Ge 或 GaAs 的衬底的裸露表面生长 Ga。

17、As 缓冲层 ； 所述步骤 5） 之后包括步骤 ： 在 AlGaAs 窗口层表面生长 GaAs 接触层， 所述衬底的掺杂 类型与第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构的掺杂类型一致。 0013 所述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法， 所述第一、 第二 GaNAs/InGaAs 超 晶格结构的生长均采用 In 与 N 空间分离的生长方式。 0014 本发明提供掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法， 优点在于 ： 1. 上述太阳电池带隙范围为0.81.4eV， 与传统的带隙为1eV的GaInNAs电池相比， 可 与技术成熟的 GaInP/GaAs 及 Ge 形成更合理的带隙组合， 能更充。

18、分地利用太阳光谱 ； 2. 上述太阳电池采用短周期超晶格作为有源区， 更方便调制带隙大小 ； 3. 上述太阳电池有源区生长采用 In、 N 分离生长技术， 避免了传统 GaInNAs 电池有源 区 In、 N 共存引起的应变等缺陷 ； 4上述太阳电池有源区中 InGaAs 阱层的厚度不同， 这样能获得足够厚的有源区且不 产生应变失配导致的缺陷， 从而提高电池的效率。 附图说明 说 明 书 CN 102738266 A 4 3/5 页 5 0015 图 1 是传统 GaInNAs 太阳电池结构图 ； 图 2 是本发明提供的一种掺杂超晶格结构的太阳能电池结构图。 具体实施方式 0016 下面结合附。

19、图对本发明提供的掺杂超晶格结构的太阳能电池及其制备方法的具 体实施方式做详细说明。 0017 图 2 所示为所述的一种掺杂超晶格结构的太阳能电池结构图。 0018 第一具体实施方式 本发明的提供一种具有超晶格结构的稀氮氮化物 (Dilute Nitride) 超晶格太阳能电 池。 0019 所述具有超晶格结构的稀氮氮化物超晶格太阳能电池， 包括 Ge 或 GaAs 的衬底 201， 以及包括在 Ge 或 GaAs 的衬底 201 上依次设置的 GaAs 缓冲层 202、 GaAs 电池、 GaAs 接 触层 209 及上接触电极 210， 以及包括在 Ge 或 GaAs 的衬底 201 裸露表。

20、面上的下接触电极 200。 0020 该太阳能电池的带隙范围为 0.8eV1.4eV， 可与技术成熟的 GaInP/GaAs 组成合理 的带隙组合， 还能与 Ge 形成包含该 GaInNAs 基电池在内的四结或四结以上电池， 最终实现 对太阳光谱的充分利用， 提高量子效率和电池的转换效率。 0021 GaAs电池包括在GaAs缓冲层202上依次按照远离衬底方向201设置的AlGaAs背 场层 203、 第一 GaAs 层 204， 有源区 211、 第二 GaAs 层 207 和 AlGaAs 窗口层 208， 其中第一 GaAs 层 204 的导电掺杂类型与第二 GaAs 层 207 的导电。

21、掺杂类型相反。第一 GaAs 层 204 的 导电掺杂类型为 N 型或 P 型。 0022 作为可选实施方式， 第一 GaAs 层 204 可作为 GaAs 电池的基区， 第二 GaAs 层 207 可作为 GaAs 电池的发射区。 0023 所述有源区 211 的材料为两种 GaNAs/InGaAs 超晶格结构， 即第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 205 和第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 206， 且第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 205 和第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 206 按照远离衬底层 201 方向设置于第一 GaAs 层 204表面。

22、， 其中第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205和第二GaNAs/InGaAs超晶格结构206的 InGaAs层具有不同的厚度， 且第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205中InGaAs层和GaNAs层均 掺杂同种导电类型的杂质。有源区 211 采用两种不同阱层厚度的 GaNAs/InGaA 短周期超晶 格， 可以避免 In、 N 共存产生的缺陷并获得足够厚的吸收区， 提高量子效率， 并提升 GaInNAs 基电池的转换效率。且第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 205 中 InGaAs 层和 GaNAs 层均掺杂 同种导电类型的杂质， 可降低材料的阻抗， 提高太阳能电池的填充。

23、因子。 0024 有源区 211 是与衬底 201、 GaAs 缓冲层 202、 AlGaAs 背场层 203 及第一 GaAs 层 204 是晶格匹配的， 与传统的晶格失配高效太阳能电池相比， 避免了由晶格失配导致的位错等 缺陷， 提升薄膜晶体质量及界面特性。 0025 所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205、 第二GaNAs/InGaAs超晶格结构206均为 短周期超晶格结构， 且它们周期范围分别为 1 纳米至 10 纳米， 如此才能保证既要保证有源 区 211 不产生失配， 又要保证有源区 211 获得所需的吸收带边。 0026 第二具体实施方式 说 明 书 CN 102738。

24、266 A 5 4/5 页 6 上述掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法为 ： 1) 采用 MOCVD 技术或 MBE 技术在 Ge 或 GaAs 的衬底 201 上依次生长无反相畴 GaAs 缓 冲层 202、 AlGaAs 背场层 203 及第一 GaAs 层 204 ； 2) 在第一 GaAs 层 204 的裸露表面上采用 MOCVD 或 MBE 进行不同阱层厚度的第一 GaNAs/InGaAs 超晶格 205 和第二 GaNAs/InGaAs 超晶格 206， 以形成有源区 211， 其中第一 GaNAs/InGaAs超晶格结构205和第二GaNAs/InGaAs超晶格结构206的In。

25、GaAs层具有不同 的厚度， 且第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 205 中 InGaAs 层和 GaNAs 层均掺杂同种导电类 型的杂质， 上述两种 GaNAs/InGaAs 超晶格结构均采用 In 与 N 空间分离的生长方式， 可以避 免 In、 N 共存产生的缺陷， 从而获得高晶体质量的短周期超晶格有源区吸收层 ； 3) 在有源区 211 上采用 MOCVD 或 MBE 技术外延生长 GaAs 发射层 207、 AlGaAs 窗口层 208 及 GaAs 接触层 209 ； 4) 在 GaAs 接触层 209 裸露表面上和 Ge 或 GaAs 的衬底 201 裸露表面上分别制作。

26、 N 型 上接触电极 210 和 P 型下接触电极 200。 0027 接下来给出本发明的一个实施例。 0028 本实施例提供掺杂超晶格结构的太阳能电池的制备方法， 带隙范围为 0.8eV1.4eV， 该太阳能电池的结构如图 2 所示。 0029 以在 P 型 Ge 的衬底上用 MBE 法制备该太阳能电池为例， 具体制备方法包括以下步 骤 ： (1) 选取 P 型 Ge 的衬底 201， 并对衬底 201 进行清洗， 也可以选择免清洗的 Ge 衬底直 接进入下一步的反应。采用液氮冷却配合下， 在背景压力控制在低于 910-10Torr 下， 将衬 底 201 置于 MBE 的反应腔室中， 并将。

27、衬底 201 加热至 500 600， 以去除衬底 201 表面氧 化层， 接着开始外延生长无反相畴的 GaAs 缓冲层 202， 使用 GaAs 缓冲层 202 来优化薄膜质 量 ； (2) 在 GaAs 缓冲层 202 裸露表面上采用 MBE 法生长 P 型 AlGaAs 背场层 203， 以减小 光生电子的复合， 阻止第一 GaAs 层 204 的光生电子向下接触电极 200 扩散， 增加载流子收 集 ； (3) 在 AlGaAs 背场层 203 上采用 MBE 法生长载流子浓度低于背场层 203 载流子浓度 的 P 型第一 GaAs 层 204 ； (4) 在第一GaAs层204的裸露。

28、表面上采用MBE法生长厚度为t1/t2 nm 的本征且具有 短周期且掺杂的第一GaNAs/InGaAs超晶格结构205和厚度为t1/t3 nm 的本征且具有短周 期的第二 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 206， 其中第一 GaNAs/InGaAs 超晶格结构 205 中 GaNAs 层和 InGaAs 层均掺杂 Be 杂质元素， 其中 t1、 t2、 t3 为自然数， 且 t3 不等于 t2。 0030 (5) 在有源区 211 裸露表面上采用 MBE 法生长 N 型 GaAs 层作为第二 GaAs 层 207， 接着生长 N 型掺杂浓度高于第二 GaAs 层 207 的 AlGaAs。

29、 层作为 AlGaAs 窗口层 208， 防止光 生空穴向上扩散。 0031 (6) 在 AlGaAs 窗口层 208 的裸露表面上采用 MBE 法生长高掺杂浓度的 N 型 GaAs 层209作为GaAs接触层20， 以便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。 0032 (7) 在 GaAs 接触层 209 裸露表面上和 Ge 或 GaAs 的衬底 201 裸露表面上分别制 说 明 书 CN 102738266 A 6 5/5 页 7 备 N 型上接触电极 210 和 P 型下接触电极 200。 0033 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出， 对于本技术领域的普通技术人 员， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围。 说 明 书 CN 102738266 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102738266 A 8 。