專利名稱：具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及應(yīng)用于太空和地面的三結(jié)太陽(yáng) 電池的結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能是新能源與可再生能源的一種，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的 開發(fā)利用潛力，這一點(diǎn)已經(jīng)得到了人們充分認(rèn)識(shí)。通過轉(zhuǎn)換裝置直接 把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光 伏效應(yīng)原理進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，太陽(yáng)能光伏技術(shù)已經(jīng)飛速發(fā)展。
近年來，以光伏技術(shù)為代表的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)迅猛發(fā)展，新技術(shù)不 斷出現(xiàn)，電池效率不斷提高。多結(jié)疊層光電池的研究更是令人振奮，
聚光條件下GalnP /Ga(In)As /Ge[鎵銦磷/鎵(銦)砷/鍺]多結(jié)光電 池的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化效率己經(jīng)突破了 40%，高效率的電池受到廣泛重視。 隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天器的功率要求也越來越高。尤其是年 代以后微小衛(wèi)星和長(zhǎng)壽命衛(wèi)星的發(fā)展，對(duì)太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率和抗 輻射能力提出了更高的要求。由于多結(jié)太陽(yáng)電池具有高的轉(zhuǎn)換效率， 能滿足空間應(yīng)用的飛速發(fā)展，成為近年來太陽(yáng)電池研究的熱點(diǎn)。
1990年，研制出AM (airmass，大氣質(zhì)量，定義為1/cos 4>， * 為太陽(yáng)光線與法線的夾角)1. 5效率為27. 3%的GalnP/GaAs/Ge (鎵 銦磷/砷化鎵/鍺)的雙結(jié)光電池。經(jīng)過對(duì)電池結(jié)構(gòu)和柵線的進(jìn)一步改
進(jìn)，1994年，效率又提高到29. 5%(AM1.5)。 1997年，采用GalnP 隧道結(jié)結(jié)構(gòu)，GalnP/GaAs/Ge雙結(jié)光電池的AMI. 5效率提高到30. 28 %。 1998年，研制出效率為33.3%的整體級(jí)聯(lián)三結(jié)GalnP/GaAs/Ge 光電池。此外人們還從理論上設(shè)計(jì)了 4結(jié)和5結(jié)的疊層光電池，給出 了多結(jié)光電池的理論效率、期望效率和實(shí)驗(yàn)效率，但經(jīng)過近多年來進(jìn) 展緩慢。造成這一結(jié)果的一個(gè)重要原因是，為了充分吸收太陽(yáng)光，電 池的材料厚度偏厚造成了非平衡載流子的自由程加大，嚴(yán)重降低了電 池效率。并且，帶隙的調(diào)整也帶來了晶格常數(shù)的不匹配，內(nèi)應(yīng)力的存 在使這種電池的可靠性下降。
有鑒于此，本發(fā)明人利用在太陽(yáng)電池材料中生長(zhǎng)兩套布拉格反射 層(DBR)，藉以通過增加光吸收的方法，減少電池的生長(zhǎng)厚度，減小 非平衡載流子的自由程，很好地提高光電轉(zhuǎn)換效率，本案由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池及其制 造方法，以減少電池的厚度，減小非平衡載流子的自由程，提高光電 轉(zhuǎn)換效率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是
一種具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池，在P-Ge襯底上生長(zhǎng)形成包含 兩套布拉格反射層(DBR)的三結(jié)太陽(yáng)電池的半導(dǎo)體材料層；兩套布 拉格反射層(DBR)是一套用于反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦 磷AlGalnP頂電池反射層和一套用于反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁 鎵砷AlGaAs中電池反射層。
所述的三結(jié)太陽(yáng)電池是采用金屬有機(jī)氣相沉淀技術(shù)在P-Ge襯底
上依序生長(zhǎng)P-Ge底電池基區(qū)、N-Ge底電池發(fā)射區(qū)、N-GalnP底電池 窗口層、N-GaAs底中電池緩沖層、？++^3八5/>1++^&八3底中電池隧穿結(jié)、 P-AlAs/AlGaAs中電池反射層、P-AlGaAs中電池BSF (背電場(chǎng))、 P—-InGaAs中電池基區(qū)、N-InGaAs中電池發(fā)射區(qū)、N-Al (Ga) InP或 N-GalnP中電池窗口層、P++_ AlGaAs/N++-GalnP中頂電池隧穿結(jié)、 P-AlInP/AlGalnP頂電池反射層、P-AlGalnP頂電池BSF、P—-(Al)GaInP 頂電池基區(qū)、N-(Al)GalnP頂電池發(fā)射區(qū)、N-AlInP頂電池窗口層、 N-GaAs帽層、N++-GaAs接觸層。
所述AlInP/AlGalnP頂電池反射層的反射波長(zhǎng)為380 500nm。 所述AlAs/AlGaAs中電池反射層的反射波長(zhǎng)為600 880nm。 所述AlInP/AlGalnP頂電池反射層為2對(duì) 10對(duì)。所述 AlAs/AlGaAs中電池反射層為15對(duì) 25對(duì)。對(duì)數(shù)少了起不到反射作 用，多了會(huì)增加內(nèi)電阻，影響填充因子，從而降低效率，因此必須進(jìn) 行優(yōu)化，取得最佳的對(duì)數(shù)。
一種具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池的制造方法，在P-Ge襯底上利 用金屬有機(jī)氣相沉淀MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料層，步驟如下
(1) 在P-Ge襯底上面在500 70(TC下進(jìn)行P擴(kuò)散，形成P-Ge 底電池基區(qū)/N-Ge底電池發(fā)射區(qū)；
(2) 再依序生長(zhǎng)N-GalnP底電池窗口層、N-GaAs底中電池緩沖
層、？++^3八3/^-03八5底中電池隧穿結(jié)；
(3) 接著，生長(zhǎng)P-AlAs/AlGaAs中電池反射層；
(4) 再依序生長(zhǎng)P-AlGaAs中電池BSF、 P—-InGaAs中電池基區(qū)、 N-In GaAs中電池發(fā)射區(qū)、N_ Al (Ga) InP或N-GalnP作為中電池窗 口層、P++-AlGaAs/N++-GalnP中頂電池隧穿結(jié)；
(5) 然后，生長(zhǎng)P-AlInP/AlGalnP作為頂電池反射層；
(6)再依序生長(zhǎng)P-AlGalnP頂電池BSF 、 P—-(Al)GaInP頂電池 基區(qū)、N-(Al)GalnP頂電池發(fā)射區(qū)、N-AlInP頂電池窗口層、N-GaAs 帽層和『+-6&八3接觸層。
采用上述方案后，本發(fā)明因?yàn)樵谌Y(jié)太陽(yáng)電池中增加兩套布拉格 反射層(DBR)， 一套用于反射短波光子的頂電池反射層，提高頂電池 的吸收效率， 一套用于反射中波光子的中電池反射層，提高中電池的 吸收效率，所以，該結(jié)構(gòu)可減少頂電池厚度和中電池的厚度，從而大 大減小非平衡載流子的自由程，提高轉(zhuǎn)換效率。
另一方面，兩套布拉格反射層(DBR)采用的材料分別為 AlInP/AlGalnP和AlAs/AlGaAs，頂電池反射層采用的AlInP/AlGalnP
禁帶寬度大于頂電池的禁帶寬度，可以大大減小頂電池反射層對(duì)短波 光的吸收，同時(shí)這種頂電池反射層與頂電池是同一系列的材料，有利 于材料的生長(zhǎng)，中電池反射層采用的AlAs/AlGaAs禁帶寬度大于中電 池的禁帶寬度，可以大大減小中電池反射層對(duì)中波光的吸收，同時(shí)這 種中電池反射層與中電池是同一系列的材料，同樣有利于材料的生 長(zhǎng)。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖l所示，是本發(fā)明揭示的一種具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池。 在P-Ge襯底上生長(zhǎng)形成包含兩套布拉格反射層(DBR)的三結(jié)太陽(yáng)電
池(底電池、中電池和頂電池)的半導(dǎo)體材料層。兩套布拉格反射層
(DBR)是一套用于反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷AlGalnP 頂電池反射層20和一套用于反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁鎵砷 AlGaAs中電池反射層14。
具體結(jié)構(gòu)和制造如下，各生長(zhǎng)都是利用金屬有機(jī)氣相沉淀M0CVD技術(shù)。
在P-Ge襯底上面在500 70(TC下進(jìn)行P擴(kuò)散，形成一個(gè)P-Ge 底電池基區(qū)/N-Ge底電池發(fā)射區(qū)10。
由于用P擴(kuò)散，采用N-GaInP作為底電池窗口層ll。目的在于 減少?gòu)?fù)合損失，并且采用材料利于底電池所吸收的光透過。
進(jìn)一步沉積N-GaAs作為Buffer底中電池緩沖層12，在N-GaAs 底中電池緩沖層12上生長(zhǎng)P++-GaAs/lT-GaAs底中電池隧穿結(jié)13。所 述的隧穿結(jié)作用是將底電池和中電池連接起來。
接著生長(zhǎng)15-25對(duì)P-AlAs/AlGaAs作為中電池反射層14。其作 用是反射中電池所要吸收的光。AlAs/AlGaAs中電池反射層14的反 射波長(zhǎng)通過調(diào)節(jié)AlAs/AlGaAs的厚度來調(diào)節(jié)，反射波長(zhǎng)范圍通過 AlGaAs的Al組分調(diào)節(jié)，把反射波長(zhǎng)的范圍調(diào)節(jié)到600-880nm。
接著生長(zhǎng)P-AlGaAs中電池BSF15。作用是使分界面附近的區(qū)域
驅(qū)動(dòng)少數(shù)載流子，從而減少?gòu)?fù)合損失。
再在P-AlGaAs中電池BSF 15上生長(zhǎng)P—-InGaAs中電池基區(qū)16 和N-InGaAs中電池發(fā)射區(qū)17。
并在N-InGaAs中電池發(fā)射區(qū)17上生長(zhǎng)N- Al (Ga) InP或N-GalnP 作為中電池窗口層18。目的在于減少?gòu)?fù)合損失，并且采用材料利于 中電池所吸收的光透過。
在中電池窗口層18上生長(zhǎng)P++- AlGaAs/N++-GaInP中頂電池隧穿
結(jié)19。所述的中頂電池隧穿結(jié)19作用是將中電池和頂電池連接起來。
進(jìn)一步生長(zhǎng)2-10對(duì)P-AlInP/AlGalnP作為頂電池反射層20。其 作用是反射頂電池所要吸收的光。P-AlInP/AlGalnP頂電池反射層20 的反射波長(zhǎng)通過調(diào)節(jié)AlInP/AlGalnP的厚度調(diào)節(jié)，反射波長(zhǎng)范圍通過 AlGalnP的Al和Ga組分比調(diào)節(jié)，把反射波長(zhǎng)的范圍調(diào)節(jié)到 380-500nm。
接著在頂電池反射層20上生長(zhǎng)P-AlGalnP頂電池BSF21。作用
是減少?gòu)?fù)合損失。
在P-AlGalnP頂電池BSF 21上生長(zhǎng)P—-(Al)GaInP頂電池基區(qū) 22和N-(Al)GalnP頂電池發(fā)射區(qū)23。
在N-(Al)GalnP頂電池發(fā)射區(qū)23上生長(zhǎng)N-AlInP頂電池窗口層 24。目的在于減少?gòu)?fù)合損失，并且采用材料利于頂電池所吸收的光透 過。
在N-AlInP頂電池窗口層24上生長(zhǎng)N-GaAs帽層(Cap層)25和 N++-GaAs接觸層26。
至此，形成本發(fā)明的具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池。
權(quán)利要求
1、具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于在P-Ge襯底上生長(zhǎng)形成包含兩套布拉格反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池的半導(dǎo)體材料層；兩套布拉格反射層是一套用于反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷AlGaInP頂電池反射層和一套用于反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁鎵砷AlGaAs中電池反射層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在 于所述的三結(jié)太陽(yáng)電池是采用金屬有機(jī)氣相沉淀技術(shù)在P-Ge襯底上依序生長(zhǎng)P-Ge底電池基區(qū)、N-Ge底電池發(fā)射區(qū)、N-GalnP底電池 窗口層、N-GaAs底中電池緩沖層、N++-GaAs/N++-GaAs底中電池隧穿結(jié)、 P-AlAs/AlGaAs中電池反射層、P-AlGaAs中電池背電場(chǎng)、P—-InGaAs 中電池基區(qū)、N-InGaAs中電池發(fā)射區(qū)、N_ Al (Ga) InP或N-GalnP 中電池窗口層、P++-AlGaAs/N++-GaInP中頂電池隧穿結(jié)、 P-AlInP/AlGalnP頂電池反射層、P-AlGalnP頂電池背電場(chǎng)、 P—-(Al)GalnP頂電池基區(qū)、N-(Al)GalnP頂電池發(fā)射區(qū)、N-AlInP頂 電池窗口層、N-GaAs帽層、N++-GaAs接觸層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在 于所述AlInP/AlGalnP頂電池反射層的反射波長(zhǎng)為380 500nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在 于所述AlAs/AlGaAs中電池反射層的反射波長(zhǎng)為600 880nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在 于所述AlInP/AlGalnP頂電池反射層為2對(duì)-10對(duì)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在 于所述AlAs/AlGaAs中電池反射層為15對(duì)-25對(duì)。
7、具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池的制造方法，其特征在于在P-Ge 襯底上利用金屬有機(jī)氣相沉淀M0CVD技術(shù)生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料層，步驟如下(1) 在P-Ge襯底上面在500 70(TC下進(jìn)行P擴(kuò)散，形成P-Ge 底電池基區(qū)/N-Ge底電池發(fā)射區(qū)；(2) 再依序生長(zhǎng)N-GalnP底電池窗口層、N-GaAs底中電池緩沖 層、P++-GaAs/N++-GaAs底中電池隧穿結(jié)；(3) 接著，生長(zhǎng)P-AlAs/AlGaAs中電池反射層；(4) 再依序生長(zhǎng)P-AlGaAs中電池背電場(chǎng)、P—-InGaAs中電池基 區(qū)、N-In GaAs中電池發(fā)射區(qū)、N- Al (Ga) InP或N-GalnP作為中電 池窗口層、P++-AlGaAs/N++-GaInP中頂電池隧穿結(jié)；(5) 然后，生長(zhǎng)P-AlInP/AlGalnP作為頂電池反射層；(6) 再依序生長(zhǎng)P-AlGalnP頂電池背電場(chǎng)、P—-(Al)GalnP頂電 池基區(qū)、N-(Al)GalnP頂電池發(fā)射區(qū)、N-AlInP頂電池窗口層、N-GaAs 帽層和^+-0^5接觸層。全文摘要
本發(fā)明公開一種具有反射層的三結(jié)太陽(yáng)電池及其制造方法。在P-Ge襯底上生長(zhǎng)形成包含兩套布拉格反射層(DBR)的三結(jié)太陽(yáng)電池的半導(dǎo)體材料層；兩套布拉格反射層(DBR)是一套用于反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷AlGaInP頂電池反射層和一套用于反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁鎵砷AlGaAs中電池反射層。此結(jié)構(gòu)可以減少電池的厚度，減小非平衡載流子的自由程，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/18GK101388419SQ20081007202
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者張雙翔, 張銀橋, 王向武, 蔡建九 申請(qǐng)人:廈門乾照光電有限公司