CN101702415B - 一种叠层太阳电池的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叠层太阳电池的制作方法，包括以下步骤：以掺杂锑化镓单晶片为衬底，利用分子束外延(MBE)生长技术，在锑化镓衬底上生长子电池吸收层，具体过程包括：首先在GaSb衬底上生长GaSb缓冲层，然后在生长的GaSb缓冲层上依次生长GaInAsSb层、AlGaAsSb层、CdZnSeTe层、ZnTe层及各层之间的隧穿结，在ZnTe层上制作顶电极，在GaSb衬底上制作背电极。然后进行封装，完成电池的制作。
Description
技术领域
本发明涉及一种叠层太阳电池的制作方法，是一种半导体太阳电池，尤其是涉及一种电流匹配与晶格匹配的多结高效太阳电池。
背景技术
随着化石能源的枯竭和全球气候变暖的日益加剧，太阳能的利用正受到人们越来越多的重视。太阳电池是将太阳能转化为电能的核心器件。高效太阳电池在航空航天、空间探索等方面有着重要的用途。低成本的高效太阳电池的大规模应用可以缓解能源危机，减少温室气体排放，造福子孙后代。因此，高效太阳电池技术一直是各国特别是发达国家重点支持的研究领域。
目前制约III-V族太阳能发电产业发展最大的障碍就是电池组件成本高，最终导致太阳能发电的成本较高。降低太阳电池发电成本的最关键在于进一步提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明，叠层电池的各子电池短路电流越接近(匹配程度越高)，对光谱的利用程度也就越高。遗憾的是迄今为止未找到同时满足晶格匹配和电流匹配的三结或三结以上的太阳电池组合。
公知的空间用高效太阳电池有GaSb/GaAs机械叠层电池、GaInP/GaAs/Ge电池等。波音全资子公司SPECTROLAB生产的GaInP/GaAs/Ge三节太阳电池的效率达到28.3％，截止2006年，已经售出了200万片。GaSb/GaAs机械迭层电池光电转换效率已达37％(AM1.5)，是效率较高的化合物半导体太阳电池。专利(申请号：200510084937.2)采用高质量的GaSb和GaAs单晶片为原材料制作GaSb/GaAs机械迭层电池，但由于其需要高质量的GaSb、GaAs体材料，故成本高，单位重量功率比大。GaInP/GaAs电池只能吸收能量大于1.4eV的光子，不能覆盖红外波段，所以无法进一步提高光电转换效率。
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提供一种叠层太阳电池的制作方法，尤其是一种电流匹配与晶格匹配的多结高效半导体太阳电池的制作方法。以掺杂锑化镓单晶片为衬底，采用分子束外延(MBE)生长技术，在锑化镓衬底上生长子电池吸收层，具体过程包括：首先在GaSb衬底上生长GaSb缓冲层，然后在生长的GaSb缓冲层上依次生长GaInAsSb层、AlGaAsSb层、CdZnSeTe层、ZnTe层及各层之间的隧穿结，在ZnTe层上制作顶电极，在GaSb衬底层上制作背电极，然后进行封装，得到成品。用来制作高效太阳电池组件。
本发明的具体实施步骤为：
采用分子束外延(MBE)生长技术，先在GaSb衬底上外延生长GaSb层，然后在生长的GaSb层上依次生长GaInAsSb层、AlGaAsSb层、CdZnSeTe层、ZnTe层及各层之间的隧穿结，在ZnTe层上制作顶电极，在GaSb衬底上制作背电极，然后进行封装，得到成品。
本发明与公知技术相比具有的优点及积极效果
1、利用本发明，将太阳电池的光谱吸收范围拓展到0.5-2.3eV波段，特别是增加了对红外部分的吸收，对于提高太阳电池的转换效率非常有益。
2、各电池子层均为直接带隙材料，吸收系数大，抗辐射能力强，寿命长。
附图说明
图1为本发明提供的太阳电池结构示意图。图中1为顶电极，2为ZnTe层，3为n+CdSeTe/p+ZnSeTe隧穿结，4为CdZnSeTe层，5为n+AlAsSb/p+CdSeTe隧穿结，6为AlGaAsSb层，7为n+InAsSb/p+GaAsSb隧穿结，8为GaInAsSb层，9为n+GaSb/p+InAsSb隧穿结，10为GaSb衬底层及缓冲层，11为背电极。
具体实施方式
实施例
(1)：将免清洗的P+-GaSb衬底放在分子束外延MBE生长室样品架上，在550℃条件下高温脱氧，并将GaSb衬底层温度升至600℃高温除气，然后将衬底温度降至550℃，进行n-GaSb缓冲层的生长，掺杂浓度为n 3～5×1018，n-GaSb缓冲层生长厚度为0.5μm，所述MBE生长室在GaSb缓冲层生长前处于高真空状态，压力为5～9×10-9mbar，生长室在GaSb缓冲层生长过程中压力为5～5.5×10-8mbar，GaSb缓冲层在生长时的Sb∶Ga束流比为5.5∶1；
(2)生长n+GaSb/p+InAsSb隧穿结，其包括n型掺杂浓度为1～2×1019、厚度为0.015μm的GaSb层和p型掺杂浓度为3～4×1019、厚度为0.015μm的InAsSb层；
(3)：关闭Ga、Sb源炉快门，将衬底温度降至450℃，打开Ga、In、As、Sb源炉的快门，进行p-GaInAsSb层的生长，掺杂浓度为p 1～3×1018，生长厚度为2μm，生长室压力为5～6×10-8mbar，生长过程中As∶Sb∶Ga∶In束流比为10∶10∶2∶1；
(4)进行n-GaInAsSb层的生长，掺杂浓度为n 1～3×1018，生长厚度为2μm，生长室压力为5～6×10-8mbar，生长过程中As∶Sb∶Ga∶In束流比为10∶10∶2∶1；
(5)生长n+InAsSb/p+GaAsSb隧穿结，其包括n型掺杂浓度为1～2×1019、厚度为0.015μm的InAsSb层和p型掺杂浓度为3～4×1019、厚度为0.015μm的GaAsSb层；
(6)：关闭Ga、In、As、Sb源炉快门，将衬底温度降至430℃，打开Al、Ga、As、Sb源炉的快门，进行p-AlGaAsSb层的生长，掺杂浓度为p 1～3×1018；生长厚度为1.5μm，生长室压力为7.5～8×10-8mbar，生长过程中As∶Sb∶Al∶Ga束流比为1∶5∶4∶1；
(7)进行n-AlGaAsSb层的生长，掺杂浓度为n 1～3×1018，生长厚度为1.5μm，生长室压力处在7.5～8×10-8mbar范围，生长过程中As∶Sb∶Al∶Ga束流比为1∶5∶4∶1；
(8)生长n+AlAsSb/p+CdSeTe隧穿结，其包括n型掺杂浓度为1～2×1019、厚度为0.015μm的AlAsSb层和p型掺杂浓度为3～4×1019、厚度为0.015μm的CdSeTe层；
(9)：关闭Al、Ga、As、Sb源炉快门，将衬底温度降至330℃，打开Cd、Zn、Se、Te源炉快门，进行p-CdZnSeTe层的生长，掺杂浓度为p 1～3×1018，生长厚度为1μm，生长室压力为3～5×10-8mbar，生长过程中Se∶Te∶Cd∶Zn束流比为5∶3∶5∶1；
(10)进行n-CdZnSeTe层的生长，掺杂浓度为n 1～3×1018；生长厚度为1μm；生长室压力处在3～5×10-8mbar范围，生长过程中Se∶Te∶Cd∶Zn束流比为5∶3∶5∶1；
(11)生长n+CdSeTe/p+ZnSeTe隧穿结，其包括n型掺杂浓度为1～2×1019、厚度为0.015μm的CdSeTe层和p型掺杂浓度为3～4×1019、厚度为0.015μm的ZnSeTe层；
(12)：关闭Cd、Zn、Se、Te源炉快门，将衬底温度降至300℃，打开Zn、Te源炉快门，进行p-ZnTe层的生长，掺杂浓度为p 1～3×1018，生长厚度为0.5μm，生长室压力为6～6.5×10-8mbar，生长过程中Te∶Zn束流比为3∶1；
(13)进行n+-ZnTe层的生长，掺杂浓度为n+7～9×1018，生长厚度为0.5μm，生长室压力处在6～6.5×10-8mbar范围，生长过程中Te∶Zn束流比为3∶1；
(14)：在n+-ZnTe层表面制作顶电极；
(15)：在P+-GaSb衬底表面制作背电极；
(16)完成电池的制作，进行封装，得到太阳电池成品。
Claims (1)
1.一种叠层太阳电池的制作方法，采用分子束外延生长技术，先在GaSb衬底上外延生长GaSb缓冲层，然后在生长的GaSb缓冲层上依次生长GaInAsSb层、AlGaAsSb层、CdZnSeTe层、ZnTe层及各层之间的隧穿结，在ZnTe层上制作顶电极，在GaSb衬底上制作背电极，然后进行封装，得到太阳电池成品，其特征在于：
所述的外延生长GaSb缓冲层是将免清洗的P+-GaSb衬底放在分子束外延生长室样品架上，在550℃条件下高温脱氧，并将GaSb衬底层温度升至600℃高温除气，然后将衬底温度降至550℃，进行n-GaSb缓冲层的生长，该n型的掺杂浓度为3～5×1018，n-GaSb缓冲层生长厚度为0.5μm，所述生长室在GaSb缓冲层生长前处于高真空状态，压力为5～9×10-9mbar，生长室在GaSb缓冲层生长过程中压力为5～5.5×10-8mbar，GaSb缓冲层在生长时的Sb∶Ga束流比为5.5∶1；
所述的GaSb缓冲层上生长GaInAsSb层是将缓冲层温度降至450℃，打开Ga、In、As、Sb源炉的快门，进行p-GaInAsSb层的生长，该p型的掺杂浓度为1～3×1018，生长厚度为2μm，生长室压力为5～6×10-8mbar，生长过程中As∶Sb∶Ga∶In束流比为10∶10∶2∶1；再进行n-GaInAsSb层的生长，该n型的掺杂浓度为1～3×1018，生长厚度为2μm，生长室压力为5～6×10-8mbar，生长过程中As∶Sb∶Ga∶In束流比为10∶10∶2∶1；
所述的AlGaAsSb层的生长是将衬底温度降至430℃，打开Al、Ga、As、Sb源炉的快门，进行p-AlGaAsSb层的生长，该p型的掺杂浓度为1～3×1018，生长厚度为1.5μm，生长室压力为7.5～8×10-8mbar，生长过程中As∶Sb∶Al∶Ga束流比为1∶5∶4∶1；再进行n-AlGaAsSb层的生长，该n型的掺杂浓度为1～3×1018，生长厚度为1.5μm，生长室压力为7.5～8×10-8mbar，生长过程中As∶Sb∶Al∶Ga束流比为1∶5∶4∶1；
所述的CdZnSeTe层的生长是将衬底温度降至330℃，打开Cd、Zn、Se、Te源炉快门，进行p-CdZnSeTe层的生长，该p型的掺杂浓度为1～3×1018，生长厚度为1μm，生长室压力为3～5×10-8mbar，生长过程中Se∶Te∶Cd∶Zn束流比为5∶3∶5∶1；再进行n-CdZnSeTe层的生长，该n型的掺杂浓度为1～3×1018；生长厚度为1μm；生长室压力为3～5×10-8mbar，生长过程中Se∶Te∶Cd∶Zn束流比为5∶3∶5∶1；
所述的ZnTe层的生长是将衬底温度降至300℃，打开Zn、Te源炉快门，进行p-ZnTe层的生长，该p型的掺杂浓度为1～3×1018，生长厚度为0.5μm，生长室压力为6～6.5×10-8mbar，生长过程中Te∶Zn束流比为3∶1；再进行n+-ZnTe层的生长，该n型的掺杂浓度为7～9×1018，生长厚度为0.5μm，生长室压力为6～6.5×10-8mbar，生长过程中Te∶Zn束流比为3∶1；
所述的生长各层之间的隧穿结是(1)在GaSb缓冲层和GaInAsSb层之间生长n+GaSb/p+InAsSb隧穿结，其包括n型掺杂浓度1～2×1019、厚度为0.015μm的GaSb层和p型掺杂浓度为3～4×1019、厚度为0.015μm的InAsSb层；(2)在GaInAsSb层和AlGaAsSb层之间生长n+InAsSb/p+GaAsSb隧穿结，其包括n型掺杂浓度为1～2×1019、厚度为0.015μm的InAsSb层和p型掺杂浓度为3～4×1019、厚度为0.015μm的GaAsSb层；(3)在AlGaAsSb层和CdZnSeTe层之间生长n+AlAsSb/p+CdSeTe隧穿结，其包括n型掺杂浓度为1～2×1019、厚度为0.015μm的AlAsSb层和p型掺杂浓度为3～4×1019、厚度为0.015μm的CdSeTe层；(4)在CdZnSeTe层和ZnTe层之间生长n+CdSeTe/p+ZnSeTe隧穿结，其包括n型掺杂浓度为1～2×1019、厚度为0.015μm的CdSeTe层和p型掺杂浓度为3～4×1019、厚度为0.015μm的ZnSeTe层。
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