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CN111092129A - Iii-v族太阳能电池与制作方法 - Google Patents

Iii-v族太阳能电池与制作方法 Download PDF

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CN111092129A CN201811245920.4A CN201811245920A CN111092129A CN 111092129 A CN111092129 A CN 111092129A CN 201811245920 A CN201811245920 A CN 201811245920A CN 111092129 A CN111092129 A CN 111092129A
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乔秀梅
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Zishi Energy Co.,Ltd.
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Dongtai Hi Tech Equipment Technology Co Ltd
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Abstract

本申请提供了一种III‑V族太阳能电池与制作方法。该III‑V族太阳能电池包括依次叠置设置的衬底、背面电极层、背场层、基极层、发射极层、窗口层和正面电极层，其中，窗口层的材料包括GaP且不包括Al。该III‑V族太阳能电池中由于窗口层的材料不包括Al，这样可以减少由于Al的存在使得在ELO过程中HF酸对窗口层的损伤较严重；另外，该窗口层的材料包括GaP，GaP的带隙较宽，可有效地减少窗口层对光的消耗，使得可有效的减少窗口层对光的消耗，使得III‑V族太阳能电池的转换效率较高。

Description

III-V族太阳能电池与制作方法
技术领域
本申请涉及III-V族太阳能电池领域，具体而言，涉及一种III-V族太阳能电池与制作方法。
背景技术
III—V族III-V族太阳能电池是目前公认的高效III-V族太阳能电池材料，研究较早，应用范围较广，从太空应用到薄膜产品，进一步提高效率仍是其主要追求目标。
窗口层是太阳光入射的窗口，是影响光伏电池效率的一个关键因素。合适的窗口层材料可减少光学和电学的损失。
目前，III—V族III-V族太阳能电池常用的窗口层材料包括AlGaInP、AlGaAs、AlGaInAs或者GaInP等，这些材料的带隙相对较小，带隙范围最宽范围者为AlGaAs(1.424～2.54ev)，通过提高Al组分可扩大带隙。在制作过程中，通常使用ELO进行外延剥离衬底过程，且ELO技术中通常使用HF酸进行腐蚀，但是HF酸对含Al组分较高的材料有较强的腐蚀作用，从而使得在ELO过程中，对窗口层的损伤比较大。
在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种III-V族太阳能电池与制作方法，以解决现有技术中的III-V族太阳能电池的窗口层不能同时具有较宽的带隙且不容易被腐蚀的特性的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种III-V族太阳能电池，该III-V族太阳能电池包括依次叠置设置的衬底、背面电极层、背场层、基极层、发射极层、窗口层和正面电极层，其中，上述窗口层的材料包括GaP且不包括Al。
进一步地，上述窗口层为掺杂Mg的GaP层。
进一步地，上述Mg的掺杂浓度在1017～1018cm-3之间。
进一步地，上述窗口层的厚度在5～20nm之间。
进一步地，上述III-V族太阳能电池还包括：缓冲层，位于上述窗口层和上述发射极层之间，上述缓冲层的晶硅常数与上述窗口层的晶硅常数以及上述发射极层的晶硅常数匹配，优选地，上述缓冲层的材料包括InxGa(1-x)P，其中，0<x<1，进一步优选x＝0.77。
进一步地，上述III-V族太阳能电池还包括：接触层，位于上述窗口层与上述正面电极层之间；减反射层，位于上述接触层和上述正面电极层之间，优选地，上述接触层的材料包括InGaP，上述减反射层的材料包括氮硅化合物。
进一步地，上述衬底为柔性衬底，上述背场层的材料包括InGaP，上述基极层的材料包括GaAs，上述发射极层的材料包括GaAs。
根据本申请的另一方面，提供了一种III-V族太阳能电池的制作方法，上述制作方法包括：在预衬底上设置太阳能电池预备体，上述太阳能电池预备体包括沿远离上述预衬底的方向依次设置的窗口层、发射极层、基极层、背场层、背面电极层；采用外延剥离技术将上述太阳能电池预备体从上述预衬底上剥离，并设置在衬底上，且上述窗口层、上述发射极层、上述基极层、上述背场层、上述背面电极层依次靠经上述衬底设置；在上述窗口层的远离上述发射极层的表面上设置正面电极层，形成III-V族太阳能电池，上述窗口层的材料包括GaP且不包括Al。
进一步地，上述窗口层为Mg掺杂的GaP层，上述Mg的掺杂浓度在1017～1018cm-3之间。
进一步地，在上述预衬底上设置上述太阳能电池预备体之前，上述制作方法还包括：在上述预衬底的表面上依次设置预缓冲层和牺牲层，优选上述预缓冲层的材料包括GaAs，上述牺牲层的材料包括AlAs，进一步优选上述太阳能电池预备体还包括缓冲层和接触层，上述缓冲层位于上述窗口层和上述发射极层之间，上述接触层位于上述窗口层的远离上述发射极层的表面上，在设置上述正面电极层之前，上述制作方法还包括：在上述接触层的远离上述窗口层的表面上设置减反射层。
应用本申请的技术方案，本申请的III-V族太阳能电池中由于窗口层的材料不包括Al，这样可以减少由于Al的存在使得在ELO过程中HF酸对窗口层的损伤较严重；另外，该窗口层的材料包括GaP，GaP的带隙较宽，可有效地减少窗口层对光的消耗，使得可有效的减少窗口层对光的消耗，使得III-V族太阳能电池的转换效率较高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的III-V族太阳能电池的实施例的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、衬底；20、背面电极层；30、背场层；40、基极层；50、发射极层；60、缓冲层；70、窗口层；80、接触层；90、减反射层；100、正面电极层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
正如背景技术所介绍的，现有技术中的III-V族太阳能电池的窗口层不能同时具有较宽的带隙且不容易被腐蚀的特性的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种III-V族太阳能电池与制作方法。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种III-V族太阳能电池，如图1所示，该III-V族太阳能电池包括依次叠置设置的衬底10、背面电极层20、背场层30、基极层40、发射极层50、窗口层70和正面电极层100，其中，上述窗口层70的材料包括GaP且不包括Al。
该III-V族太阳能电池中由于窗口层的材料不包括Al，这样可以减少由于Al的存在使得在ELO过程中HF酸对窗口层的损伤较严重；另外，该窗口层的材料包括GaP，GaP的带隙较宽，可有效地减少窗口层对光的消耗，使得可有效的减少窗口层对光的消耗，使得III-V族太阳能电池的转换效率较高。
为了扩大太阳能光进入太阳能电池的光谱范围，进一步提升窗口层的光学和电学性能，进而提升III-V族太阳能电池的转换效率，本申请的一种实施例中，上述窗口层为掺杂Mg的GaP层。
本申请的一种具体的实施例中，上述Mg的掺杂浓度在1017～1018cm-3之间。这样可以进一步保证该窗口层的导电性能较好，从而进一步保证III-V族太阳能电池的电学性能较好。
为了进一步保证该III-V族太阳能电池具有较好的光电转换效率，本申请的一种实施例中，上述窗口层的厚度在5～20nm之间。
本申请的另一种实施例中，如图1所示，上述III-V族太阳能电池还包括缓冲层60，缓冲层60位于上述窗口层70和上述发射极层50之间，上述缓冲层60的的晶硅常数与上述窗口层70的晶硅常数以及上述发射极层50的晶硅常数匹配。缓冲层60的带隙宽度介于发射极层50和窗口层70之间，这样能够很好地缓解二者之间的晶格失配，减少二者界面之间的缺陷，进一步保证了III-V族太阳能电池具有较高的光电转换效率。
为了更好地缓解窗口层和发射极层之间的晶格失配，本申请的一种实施例中，上述缓冲层的材料包括InxGa(1-x)P，其中，0<x<1。
本申请的又一种实施例中，x＝0.77，即缓冲层的材料为In0.77Ga0.23P。该材料能够进一步缓解窗口层和发射极层之间的晶格失配问题，使得二者界面之间的缺陷更少，从而使得III-V族太阳能电池的光电转化效率更高。
本申请的一种具体的实施例中，如图1所示，上述III-V族太阳能电池还包括接触层80和减反射层90，接触层80位于上述窗口层70与上述正面电极层100之间，减反射层90位于上述接触层80和上述正面电极层100之间。
本申请的接触层的材料和减反射层的材料可以选自现有技术中的任何可用的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成上述的减反射层和接触层。
一种具体的实施例中，上述接触层的材料包括InGaP，上述减反射层的材料包括氮硅化合物。这样能够使得接触层可以进一步促进电子或者空穴向收集的方向运动，进而可以进一步提升该太阳能电池的光电转换效率。减反射层能够进一步使得大部分的光被吸收，只有少部分的光被反射出去，这样进一步提升了III-V族太阳能电池的光电转换效率。
另一种具体的实施例中，上述衬底10为柔性衬底10，上述背场层30的材料包括InGaP，上述基极层40的材料包括GaAs，上述发射极层的材料包括GaAs。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种III-V族太阳能电池的制作方法，该制作方法包括：在预衬底上设置太阳能电池预备体，上述太阳能电池预备体包括沿远离上述预衬底的方向依次设置的窗口层70、发射极层50、基极层40、背场层30、背面电极层20；采用外延剥离技术将上述太阳能电池预备体从上述预衬底上剥离，并设置在衬底10上，且上述窗口层70、上述发射极层50、上述基极层40、上述背场层30、上述背面电极层20依次靠经上述衬底10设置；在上述窗口层70的远离上述发射极层50的表面上设置正面电极层100，形成III-V族太阳能电池，上述窗口层70的材料包括GaP且不包括Al，进而形成图1所示的太阳能电池。
该制作方法形成的窗口层70的材料不包括Al，这样可以减少由于Al的存在使得在ELO过程中HF酸对窗口层70的损伤较严重；另外，该窗口层70的材料包括GaP，GaP的带隙较宽，可有效地减少窗口层70对光的消耗，使得可有效的减少窗口层70对光的消耗，使得III-V族太阳能电池的转换效率较高。并且，该制作方法步骤简单，成本较低，能够广泛地应用。
为了扩大太阳能光进入太阳能电池的光谱范围，进一步提升窗口层70的光学和电学性能，进而提升III-V族太阳能电池的转换效率，本申请的一种实施例中，上述窗口层70为掺杂Mg的GaP层。
本申请的一种具体的实施例中，上述Mg的掺杂浓度在1017～1018cm-3之间。这样可以进一步保证该窗口层的导电性能较好，从而进一步保证III-V族太阳能电池的电学性能较好。
为了更好地剥离太阳能电池预备体和预衬底，且为了减少预衬底上生长牺牲层及太阳能电池预备体产生的界面缺陷，本申请的一种实施例中，在上述预衬底上设置上述太阳能电池预备体之前，上述制作方法还包括：在上述预衬底的表面上依次设置预缓冲层和牺牲层，优选上述预缓冲层的材料包括GaAs，上述牺牲层的材料包括AlAs。
本申请的再一种实施例中，如图1所示，上述太阳能电池预备体还包括缓冲层60和接触层80，上述缓冲层60位于上述窗口层70和上述发射极层50之间，上述缓冲层60的带隙在上述窗口层70的带隙和上述发射极层50的带隙之间，可以很好地缓解发射极层50和窗口层70之间的晶格失配的问题，避免二者的界面存在较多的缺陷，能够进一步提升太阳能电池的光电转换效率。上述接触层80位于上述窗口层70的远离上述发射极层50的表面上，接触层80可以进一步促进电子或者空穴向收集的方向运动，进而可以进一步提升该太阳能电池的光电转换效率。在设置上述正面电极层100之前，上述制作方法还包括：在上述接触层80的远离上述窗口层70的表面上设置减反射层90。减反射层90能够进一步使得大部分的光被吸收，只有少部分的光被反射出去，这样进一步提升了III-V族太阳能电池的光电转换效率。
本申请的上述接触层、缓冲层以及减反射层的材料可以选自现有技术中的任何可行的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成上述的三个结构层。
本申请的一种具体的实施例中，上述缓冲层的材料包括InxGa(1-x)P，其中，x＝0.77，即缓冲层的材料为In0.77Ga0.23P。上述接触层的材料包括InGaP，上述减反射层的材料包括氮硅化合物。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明。
实施例
太阳能电池的制作方法包括以下步骤：
选用n型砷化镓作为预衬底，在预衬底上采用MOCVD法外延生长GaAs的预缓冲层60和AlAs的牺牲层；
在牺牲层上倒置外延生长太阳能电池预备体，即在牺牲层上采用MOCVD依次外延生长p+型In0.77Ga0.23P的接触层80，p+型GaP的窗口层70，p型GaInP的缓冲层60，p型GaAs的发射极层50，n型GaAs的基极层40，n+型In0.51Ga0.49P的背场层30。
在n+型In0.51Ga0.49P背场层30上采用PVD法设置背面电极层20，且背面电极层20为Cu层。
通过ELO技术将砷化镓衬底10上的背面电极/背场层30/基极层40/发射极层50/缓冲层60窗口层70/接触层80的太阳能电池预备体转移到聚酯柔性衬底10上，获得的结构依次包括聚酯柔性衬底10/Cu背面电极/n+型In0.51Ga0.49P背场层30/n型GaAs基极/p型GaAs发射极/p型GaInP缓冲层60/p+型GaP窗口层70/p+型In0.77Ga0.23P接触层80。
在p+型In0.77Ga0.23P的接触层80上采用PVD法生长SiN的减反射层90。
在SiN的减反射层90上电镀法制备正面电极，且正面电极为Cu电极。
其中，窗口层70生长过程中反应室内压力范围为103～104Pa，生长温度为550～700℃，载气为H2，流量为20～40L/min，III族和V族的气源分别为TMGa和PH3，p型掺杂源为二茂镁(Cp2Mg)，掺杂浓度为1017～1019cm-3，且得到的窗口层70的厚度为5-20nm。
上述的太阳能电池采用宽带隙、高导电性的Mg掺杂的p+型GaP作为窗口层70，可扩大太阳能光进入太阳能电池的光谱范围，较少窗口层70对光学和电学的损失。采用采用宽带隙、高导电性的Mg掺杂的p+型GaP作为窗口层70，避免了传统采用的含Al组分的窗口层70材料的使用，减少了柔性电池制备工艺中ELO过程中对窗口层70材料的损伤。在GaP窗口层70和GaAs发射极层50之间，加入In0.77Ga0.23P减少了GaP材料和GaAs材料之间的晶格失配，减少界面的缺陷，有利于更好的载流子收集作用。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1)、本申请的III-V族太阳能电池中由于窗口层的材料不包括Al，这样可以减少由于Al的存在使得在ELO过程中HF酸对窗口层的损伤较严重；另外，该窗口层的材料包括GaP，GaP的带隙较宽，可有效地减少窗口层对光的消耗，使得可有效的减少窗口层对光的消耗，使得III-V族太阳能电池的转换效率较高。
2)、本申请的III-V族太阳能电池的制作方法形成的窗口层的材料不包括Al，这样可以减少由于Al的存在使得在ELO过程中HF酸对窗口层的损伤较严重；另外，该窗口层的材料包括GaP，GaP的带隙较宽，可有效地减少窗口层对光的消耗，使得可有效的减少窗口层对光的消耗，使得III-V族太阳能电池的转换效率较高。并且，该制作方法步骤简单，成本较低，能够广泛地应用。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种III-V族太阳能电池，所述III-V族太阳能电池包括依次叠置设置的衬底(10)、背面电极层(20)、背场层(30)、基极层(40)、发射极层(50)、窗口层(70)和正面电极层(100)，其特征在于，所述窗口层(70)的材料包括GaP且不包括Al。
2.根据权利要求1所述的III-V族太阳能电池，其特征在于，所述窗口层(70)为掺杂Mg的GaP层。
3.根据权利要求2所述的III-V族太阳能电池，其特征在于，所述Mg的掺杂浓度在1017～1018cm-3之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的III-V族太阳能电池，其特征在于，所述窗口层(70)的厚度在5～20nm之间。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的III-V族太阳能电池，其特征在于，所述III-V族太阳能电池还包括：
缓冲层(60)，位于所述窗口层(70)和所述发射极层(50)之间，所述缓冲层(60)的晶硅常数与所述窗口层(70)的晶硅常数以及所述发射极层(50)的晶硅常数匹配，优选地，所述缓冲层(60)的材料包括InxGa(1-x)P，其中，0<x<1，进一步优选x＝0.77。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的III-V族太阳能电池，其特征在于，所述III-V族太阳能电池还包括：
接触层(80)，位于所述窗口层(70)与所述正面电极层(100)之间；
减反射层(90)，位于所述接触层(80)和所述正面电极层(100)之间，
优选地，所述接触层(80)的材料包括InGaP，所述减反射层(90)的材料包括氮硅化合物。
7.根据权利要求1所述的III-V族太阳能电池，其特征在于，所述衬底(10)为柔性衬底(10)，所述背场层(30)的材料包括InGaP，所述基极层(40)的材料包括GaAs，所述发射极层(50)的材料包括GaAs。
8.一种III-V族太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在预衬底上设置太阳能电池预备体，所述太阳能电池预备体包括沿远离所述预衬底的方向依次设置的窗口层、发射极层、基极层、背场层、背面电极层；
采用外延剥离技术将所述太阳能电池预备体从所述预衬底上剥离，并设置在衬底上，且所述窗口层、所述发射极层、所述基极层、所述背场层、所述背面电极层依次靠经所述衬底设置；
在所述窗口层的远离所述发射极层的表面上设置正面电极层，形成III-V族太阳能电池，所述窗口层的材料包括GaP且不包括Al。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述窗口层为Mg掺杂的GaP层，所述Mg的掺杂浓度在1017～1018cm-3之间。
10.根据权利要求8或9所述的制作方法，其特征在于，
在所述预衬底上设置所述太阳能电池预备体之前，所述制作方法还包括：
在所述预衬底的表面上依次设置预缓冲层和牺牲层，优选所述预缓冲层的材料包括GaAs，所述牺牲层的材料包括AlAs，
进一步优选所述太阳能电池预备体还包括缓冲层和接触层，所述缓冲层位于所述窗口层和所述发射极层之间，所述接触层位于所述窗口层的远离所述发射极层的表面上，在设置所述正面电极层之前，所述制作方法还包括：
在所述接触层的远离所述窗口层的表面上设置减反射层。
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