GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构

摘要

本发明公开一种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构，包括：衬底；在衬底上的腐蚀剥离层；在腐蚀剥离层上的GaInP第一子电池；在第一子电池上的第一隧穿结；在第一隧穿结上的GaAs第二子电池；在第二子电池上的晶格过渡层，该晶格过渡层的材料可以为AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs、AlGaInAsP等任何晶格常数在0.5656nm-0.579nm之间，且同时禁带宽度Eg满足Eg＞1.4eV的III-V族材料；在晶格过渡层上的第二隧穿结；和在第二隧穿结上的InGaAs第三子电池。与传统技术相比，本发明采用P型掺杂的晶格过渡层材料代替传统的N型掺杂的晶格过渡层材料，并且改变了第二隧穿结和晶格过渡层的生长顺序，这有利于降低InGaAs材料的线位错密度，提高InGaAs电池的开路电压，从而提高了整个三结太阳能电池的转换效率。

说明书

技术领域

本发明属于化合物半导体薄膜太阳能电池的外延生长领域，具体涉及 在GaAs衬底上生长GaInP/GaAs/InGaAs三结高效太阳能电池外延结构， 能够进一步提高电池的光电转换效率。

背景技术

III-V族化合物半导体多结太阳能电池是转换效率最高的一种太阳能 电池，同时具有耐高温性能强、抗辐射能力强、温度特性好等优点。近年 来，随着聚光光伏技术的发展，GaAs及相关化合物III-V族太阳能电池因 其高光电转换效率而越来越受到关注。聚光光伏技术将大面积的太阳光进 行高倍率聚光、浓缩后照射到小面积的太阳能电池上发电，从而大规模节 约太阳能电池晶片。利用该技术可以大幅度降低太阳能光伏发电成本，同 时，配合优异的衬底剥离技术，实现衬底的多次重复利用，能够进一步降 低电池芯片的成本。因此基于III-V族化合物半导体多结太阳能电池的聚 光光伏发电具有非常广泛的市场发展前景。

对于本领域技术人员而言，GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池是目 前转换效率最高的III-V族化合物半导体三结太阳能电池。该类型太阳能 电池的优点是各个子电池的带隙宽度和电流都基本匹配。目前， GaInP/GaAs/InGaAs三结薄膜电池在AM1.5G下的最高转换效率已达 35.8％。

图2显示一种传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构 的示意图。如图2所示，该传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的 外延结构依次包括：

GaAs衬底101’；

生长在GaAs衬底101’上的GaAs缓冲层102’；

生长在GaAs缓冲层102’上的AlGaAs腐蚀剥离层a’(或标示为103’)；

生长在AlGaAs腐蚀剥离层a’上的欧姆接触层104’；

生长在欧姆接触层104’上的GaInP子电池b’，该GaInP子电池b’依 次包括窗口层105’、发射区106’、基区107’和背场区108’；

生长在GaInP子电池b’上的第一隧穿结c’，该第一隧穿结c’依次包括 AlGaAs层109’和GaInP层110’；

生长在第一隧穿结c’上的GaAs子电池d’，该GaAs子电池d’依次包 括窗口层111’、发射区112’、基区113’和背场区114’；

生长在GaAs子电池d’上的第二隧穿结f’，该第二隧穿结f’依次包括 AlGaAs层115’和GaInP层116’；

生长在第二隧穿结f’上的N型掺杂AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、 GaInPAs，AlGaInAsP等材料构成的晶格过渡层e’(或标示为117’)；

生长在晶格过渡层e’上的InGaAs子电池g’；和生长在InGaAs子电池 g’上的InGaAs接触层122’。

然而，这种传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的生长有一个 问题。为了实现带隙宽度和电流的匹配，InGaAs子电池必须在晶格失配 的条件下生长。而晶格失配的情况下生长InGaAs材料，必然会产生大量 的线位错，这会显著降低InGaAs电池的开路电压，从而降低了这种 GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的整体转换效率。因此，如何在晶格 失配情况下提高InGaAs材料的晶体质量，降低线位错密度，是进一步提 高GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池转换效率的关键所在。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一 个方面。

本发明的一个目的在于提出一种新型GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能 电池外延结构，其能够更加有效的降低InGaAs材料中的线位错密度，提 高InGaAs子电池的开路电压，最终能有效地提高三结太阳能电池的转换 效率。

根据本发明的一个方面，提供一种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电 池外延结构，包括：

衬底；

在衬底上的腐蚀剥离层；

在腐蚀剥离层上的GaInP第一子电池；

在第一子电池上的第一隧穿结；

在第一隧穿结上的GaAs第二子电池；

在第二子电池上的晶格过渡层，其中该晶格过渡层的材料为晶格 常数在0.5656nm-0.579nm之间且同时禁带宽度Eg满足Eg＞1.4eV的III-V 族材料；

在晶格过渡层上的第二隧穿结；和

在第二隧穿结上的InGaAs第三子电池。

根据本发明的一个优选实施例，所述衬底为GaAs衬底。

根据本发明的另一个优选实施例，所述腐蚀剥离层由在GaAs衬底上 外延生长的Al_xGa_1-xAs形成，其中0.7≤x≤1。

根据本发明的另一个优选实施例，所述三结太阳能电池外延结构，还 包括生长在GaAs衬底上的一层GaAs缓冲层，并且所述腐蚀剥离层由在 GaAs缓冲层上外延生长的Al_xGa_1-xAs形成，其中0.7≤x≤1。

根据本发明的另一个优选实施例，所述三结太阳能电池外延结构还包 括生长在所述Al_xGa_1-xAs腐蚀剥离层上的一层N型掺杂GaAs欧姆接触层。

根据本发明的另一个优选实施例，所述第一子电池(b)包括：

生长在欧姆接触层上的N型掺杂AlInP第一窗口层；

生长在第一窗口层上的N型掺杂GaInP第一发射区；

生长在第一发射区上的P型掺杂GaInP第一基区；和

生长在第一基区上的P型掺杂AlGaInP第一背场区。

根据本发明的另一个优选实施例，所述第一隧穿结包括：

生长在第一背场区上的第一P型高掺杂AlGaAs层；和

生长在第一P型高掺杂AlGaAs层上的第一N型高掺杂GaInP层。

根据本发明的另一个优选实施例，所述第二子电池包括：

生长在第一N型高掺杂GaInP层上的N型掺杂GaInP第二窗口 层；

生长在第二窗口层上的N型掺杂GaAs第二发射区；

生长在第二发射区上的P型掺杂GaAs第二基区；和

生长在第二基区上的P型掺杂AlGaAs第二背场区。

根据本发明的另一个优选实施例，所述晶格过渡层为生长在第二背场 区上的P型掺杂的晶格过渡层，该晶格过渡层的材料可以为AlInGaAs、 GaInP、AlGaInP、GaInPAs或AlGaInAsP。

根据本发明的另一个优选实施例，所述P型掺杂的晶格过渡层的晶格 常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面逐渐增加。

根据本发明的另一个优选实施例，所述P型掺杂晶格过渡层的晶格常 数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面按按长度计从0.5656nm增加至 0.579nm。

根据本发明的另一个优选实施例，所述第二隧穿结包括：

生长在P型掺杂的晶格过渡层上的第二P型高掺杂AlGaAs层； 和

生长在第二P型高掺杂AlGaAs层上的第二N型高掺杂GaInP层。

根据本发明的另一个优选实施例，所述第三子电池包括：

生长在第二N型高掺杂GaInP层上的N型掺杂AlGaInAs第三窗 口层；

生长在第三窗口层上的N型掺杂InGaAs第三发射区；

生长在第三发射区上的P型掺杂InGaAs第三基区；和

生长在第三基区上的P型掺杂AlGaInAs第三背场区。

根据本发明的另一个优选实施例，所述三结太阳能电池外延结构还包 括生长在第三背场区上的P型掺杂InGaAs接触层。

根据本发明的另一个方面，提供一种GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能 电池外延结构，包括：

在GaAs衬底上外延生长的Al_xGa_1-xAs腐蚀剥离层，其中0.7≤x ≤1：

在腐蚀剥离层上外延生长的GaInP第一子电池；

在第一子电池上外延生长的AlGaAs/GaInP第一隧穿结；

在第一隧穿结上外延生长的GaAs第二子电池；

在第二子电池上外延生长的P型掺杂的晶格过渡层；

在晶格过渡层上外延生长的AlGaAs/GaInP第二隧穿结；和

在第二隧穿结上外延生长的InGaAs第三子电池。

根据本发明的一个优选实施例，所述P型掺杂的晶格过渡层的材料可 以为AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs、AlGaInAsP等，任何晶格常 数在0.5656nm-0.579nm之间变化，且同时禁带宽度Eg满足Eg＞1.4eV的 III-V族材料。其中晶格常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面逐渐增 加。

根据本发明的另一个优选实施例，所述P型掺杂的晶格过渡层的晶格 常数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面按长度计从0.5656nm增加至 0.5790nm。

本发明提供一种新型的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池外延结构。 该外延结构是在GaAs衬底上先生长Al_xGa_1-xAs腐蚀剥离层、GaInP子电 池、第一隧穿结和GaAs子电池，再生长P型的晶格过渡层，第二隧穿结， 最后再生长InGaAs子电池。与传统技术相比，本发明采用P型掺杂的晶 格过渡层材料代替传统的N型掺杂的晶格过渡层材料，并且改变了第二隧 穿结和晶格过渡层的生长顺序，这有利于降低InGaAs材料的线位错密度， 提高InGaAs电池的开路电压，从而提高了整个三结太阳能电池的转换效 率。

本发明的技术优势体现在：GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池已经 具有很高的转换效率，通过改进外延生长工艺，进一步降低InGaAs材料 中的线位错密度，能够使GaInP/GaAs/InGaAs实现更高的转换效率。

附图说明

图1显示根据本发明的一个实例性实施例的三结太阳能电池结构的示 意图；和

图2显示一种传统的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构 的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中相 同或相似的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示 例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1显示根据本发明的一个实例性实施例的三结太阳能电池结构的示 意图。下面结合图1对本发明的技术方案作进一步说明，但是，应当理解 的是，图示实施例不是对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围由 所附权利要求及其等同物限定。

图1所示的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的外延结构可以采用 一种气相外延生长技术，例如采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)方法生长而成。

下面将根据图1详细说明根据一个实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结 太阳能电池的外延结构：

(1)提供一个GaAs衬底101；

(2)在GaAs衬底101上生长GaAs缓冲层102；

(3)在GaAs缓冲层102上生长Al_xGa_1-xAs腐蚀剥离层103(在图1 中也标示成a)，其中0.7≤x≤1；

(4)在AlGaAs剥离腐蚀层103上生长N型掺杂GaAs接触层104， 用于形成欧姆接触；

(5)在N型掺杂GaAs接触层104上生长N型掺杂AlInP窗口层105；

(6)在N型掺杂AlInP窗口层105上生长N型掺杂GaInP发射区 106；

(7)在N型掺杂Ga_0.5In_0.5P发射区106上生长P型掺杂GaInP基区 107；

(8)在P型掺杂Ga_0.5In_0.5P基区107上生长P型掺杂AlGaInP背场区 108；

(9)在P型掺杂AlGaInP背场区108上生长P型高掺杂AlGaAs层 109；

(10)在P型高掺杂AlGaAs层109上生长N型高掺杂的GaInP层110；

(11)在N型高掺杂的GaInP层110上生长N型掺杂GaInP窗口层 111；

(12)在N型掺杂GaInP窗口层111上生长N型掺杂GaAs发射区 112；

(13)在N型掺杂GaAs发射区112上生长P型掺杂GaAs基区113；

(14)在P型掺杂GaAs基区113上生长P型掺杂AlGaAs背场区114；

(15)在P型掺杂AlGaAs背场区114上生长P型掺杂的In组分渐变 的AlGaInAs晶格过渡层115，其中，AlGaInAs晶格过渡层115的晶格常 数沿晶格过渡层的厚度方向从底面向顶面按长度计从0.5656nm增加至 0.5790nm；

(16)在AlGaInAs晶格过渡层115上生长P型高掺杂AlGaAs层116；

(17)在P型高掺杂AlGaAs层116上生长N型高掺杂GaInP层117；

(18)在N型高掺杂GaInP层117上生长N型掺杂AlGaInAs窗口层 118；

(19)在N型掺杂AlGaInAs窗口层118上生长N型掺杂InGaAs发 射区119；

(20)在N型掺杂InGaAs发射区119上生长P型掺杂InGaAs基区 120；

(21)在P型掺杂InGaAs基区120上生长P型掺杂AlGaInAs背场区 121；和

(21)在P型掺杂AlGaInAs背场区121上生长P型掺杂InGaAs接触 层122。

在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构 中，N型掺杂AlInP窗口层105、N型掺杂GaInP发射区106、P型掺杂 GaInP基区107和P型掺杂AlGaInP背场区108一同构成GaInP第一子电 池b。

在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构 中，N型掺杂GaInP窗口层111、N型掺杂GaAs发射区112、P型掺杂 GaAs基区113和P型掺杂AlGaAs背场区114一同构成GaAs第二子电池 d。

在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构 中，N型掺杂AlGaInAs窗口层118、N型掺杂InGaAs发射区119、P型 掺杂InGaAs基区120和P型掺杂AlGaInAs背场区121一同构成InGaAs 第三子电池g。

在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构 中，P型高掺杂AlGaAs层109和N型高掺杂GaInP层110一同构成第一 隧穿结c。

在前述实施例的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳能电池的详细外延结构 中，P型高掺杂AlGaAs层116和N型高掺杂GaInP层117一同构成第二 隧穿结f。

在图1所示的实施例中，在GaAs衬底101上生长有GaAs缓冲层102， AlGaAs剥离腐蚀层103生长在该GaAs缓冲层102上，但是，本发明不局 限于此结构，GaAs缓冲层102可以省略，也就是说，AlGaAs剥离腐蚀层 103可以直接生长在GaAs衬底101上。

在图1所示的本发明中，先在GaAs第二子电池d上生长AlGaInAs 晶格过渡层e，然后在AlGaInAs晶格过渡层e上生长第二隧穿结f。

而在图2所示的传统技术中，先在GaAs第二子电池d’上生长第二隧 穿结f’，然后在第二隧穿结f’上生长AlGaInAs晶格过渡层e’。

对比图1所示的本发明的三结太阳能电池外延结构与图2所示的传统 的三结太阳能电池外延结构，可以清楚地看出，本发明采用P型掺杂的 AlGaInAs晶格过渡层代替传统的N型掺杂的AlGaInAs晶格过渡层，并且 改变了第二隧穿结和AlGaInAs晶格过渡层的生长顺序，因此，本发明能 明显降低InGaAs材料的线位错密度和提高InGaAs子电池的开路电压。

尽管在图1所示的实施例中，采用了P型掺杂的In组分渐变的 AlGaInAs晶格过渡层115，但是，本发明不局限于此，晶格过渡层的材料 可以为AlInGaAs、GaInP、AlGaInP、GaInPAs、AlGaInAsP等，任何一种 晶格常数在0.5656nm-0.579nm之间变化，且同时禁带宽度Eg满足 Eg＞1.4eV的III-V族材料。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员 而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例 进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。另外，权 利要求的任何元件标号不应理解为限制本发明的范围。