CN111725332A - 一种高性能三结砷化镓太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能三结砷化镓太阳电池，包括Ge衬底，采用MOCVD技术在所述Ge衬底上外延生长Ge底电池、第一隧穿结、GaInAs中电池、第二隧穿结和GaInP顶电池；其中，在所述GaInP顶电池的发射区上沉积暂态金属氧化物TMO，得到TMO窗口层，该TMO窗口层的禁带宽度大于3.0eV，其暂态金属氧化物能够与GaInP顶电池的金属上电极形成良好的欧姆接触，其折射系数通过在1.4‑2.0的范围内变化调整，能够有效起到减反射膜的作用，并且通过优化暂态金属氧化物的光电性能，可以提高电池的短路电流和光电转换效率，同时也可以简化电池的结构，减少芯片工艺步奏，有效降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池的技术领域，尤其是指一种高性能三结砷化镓太阳电池。
背景技术
目前，三结砷化镓由于光电转换效率高、抗辐照性能好已经被广泛的应用在空间电源系统。对于砷化镓太阳电池，传统的窗口层材料禁带宽度普遍在2.0eV左右，对蓝光有着明显的光吸收，因此有必要采用新的窗口层材料或者新的器件结构来提升顶电池的短波响应，改善中顶电池之间的电流匹配，进一步提升电池的整体性能。
砷化镓太阳电池的窗口层通常采用GaInP、AlGaInP、AlInP、AlCaAs等宽禁带材料来抑制界面复合和限制电荷反向扩散(窗口层位于减反膜和发射层之间)。为了提高电池对于光谱的利用，通常采用Al2O3/TiO2、ZnS/MgF2等双层膜作为砷化镓太阳电池的减反膜。然而以上的减反膜和理想的100％的透过效果还有相当的距离，而且成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种高性能三结砷化镓太阳电池，采用宽禁带的暂态金属氧化物作为三结砷化镓太阳电池的窗口层，其良好的光电性能可以替代传统的基于化合物半导体的窗口层材料，同时可以有效的减少入射光的反射。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种高性能三结砷化镓太阳电池，包括Ge衬底，采用MOCVD技术在所述Ge衬底上外延生长Ge底电池、第一隧穿结、GaInAs中电池、第二隧穿结和GaInP顶电池；其中，在所述GaInP顶电池的发射区上沉积暂态金属氧化物TMO，得到TMO窗口层，该TMO窗口层的禁带宽度大于3.0eV，其暂态金属氧化物能够与GaInP顶电池的金属上电极形成良好的欧姆接触，其折射系数通过在1.4-2.0的范围内变化调整，能够起到减反射膜的作用，并且通过优化暂态金属氧化物的光电性能，能够提高电池的短路电流和光电转换效率。
进一步，所述暂态金属氧化物为氧化钼或氧化钨。
进一步，所述Ge底电池、GaInAs中电池和GaInP顶电池晶格匹配；
所述GaInP顶电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层，P型掺杂GaInP基区、n型掺杂GaInP发射区、TMO窗口层；其中，所述P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInP基区的厚度300-600nm，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述TMO窗口层的厚度30-200nm；
所述第二隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaInP层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaInP层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；
所述GaInAs中电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlGaAs背场层、P型掺杂GaInAs基区、n型掺杂GaInP发射区、n型掺杂AlInP窗口层；其中，所述P型掺杂AlGaAs背场层的厚度500-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInAs基区的厚度1um-2um，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlInP窗口层的厚度30-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
所述第一隧穿结与GaInAs中电池之间设置有分布式布拉格反射器DBR，所述DBR包括依次交替生长的10-20个周期的n型掺杂AlGaAs和n型掺杂GaAs；其中，所述n型掺杂AlGaAs和n型掺杂GaAs的厚度为30-100nm，n型掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
所述第一隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaAs层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3。
进一步，所述GaInAs中电池和GaInP顶电池晶格匹配，所述Ge底电池与GaInAs中电池和GaInP顶电池晶格失配，并通过渐变缓冲层GB连接；
所述GaInP顶电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层，P型掺杂GaInP基区、n型掺杂GaInP发射区、TMO窗口层；其中，所述P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInP基区的厚度300-600nm，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述TMO窗口层的厚度30-200nm；
所述第二隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaInP层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaInP层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；
所述GaInAs中电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlGaAs背场层、P型掺杂GaInAs基区、n型掺杂GaInP发射区、n型掺杂AlInP窗口层；其中，所述P型掺杂AlGaAs背场层的厚度500-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInAs基区的厚度1um-2um，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlInP窗口层的厚度30-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
所述第一隧穿结与GaInAs中电池之间依次设置有分布式布拉格反射器DBR和渐变缓冲层GB；所述DBR包括依次交替生长的10-20个周期的n型掺杂Aly(GaxIn1-x)1-yAs和n型掺杂GaxIn1-xAs；其中，所述n型掺杂AlGaAs和n型掺杂GaAs的厚度为30-100nm，n型掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，y为0.9-1.0，x为0.9-1.0；所述GB包括多个依次叠加的GaxIn1-xAs子电池，采用In组分线性渐进和/或步进的方法将Ge底电池和GaxIn1-xAs子电池串联，x为0.9-1.0；
所述第一隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaAs层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3。
进一步，所述Ge底电池、GaInAs中电池和GaInP顶电池的禁带宽度分别为0.67eV、1.3eV、1.8eV。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、采用导电性良好的宽禁带暂态金属氧化物可以明显减少窗口层对入射光的吸收。
2、暂态金属氧化物能够和金属电极形成良好的欧姆接触，可以减少传统工艺中砷化镓帽层外延生长，同时避免了芯片工艺中的帽层腐蚀工艺。
3、暂态金属氧化物的折射系数可以通过工艺参数的调整在1.4-2.0的范围内变化，可以有效的起到减反射膜的作用。
4、通过优化暂态金属氧化物窗口层材料的光电性能，可以明显地提高电池的短路电流和光电转换效率，同时也可以简化电池的结构，减少芯片工艺步奏，有效的降低成本。
附图说明
图1是实施例1中正向晶格匹配的三结砷化镓太阳电池结构示意图。
图2是实施例2中正向晶格失配的三结砷化镓太阳电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图1所示，本实施例所提供的正向晶格匹配的三结砷化镓太阳电池，包括Ge衬底，将Ge衬底置于MOCVD操作室内，生长温度设置为500℃～800℃，在衬底上依次外延生长Ge底电池(亦可简称为Ge电池)、第一隧穿结、GaInAs中电池(亦可简称为GaInAs电池)、第二隧穿结和GaInP顶电池(亦可简称为GaInP电池)，将完成外延生长后的衬底放入离子辅助沉积(IAD)或磁控溅射(Sputter)等设备，在GaInP顶电池的发射区上沉积暂态金属氧化物(TMO)，得到TMO窗口层，其中，该暂态金属氧化物为氧化钼或氧化钨，该TMO窗口层的禁带宽度大于3.0eV，相同厚度的氧化钼、氧化钨等用作窗口层时在400nm波长的光吸收不超过1％，可以有效改善电池在400nm-550nm的量子效应，另外，该暂态金属氧化物可以与GaInP顶电池的金属上电极形成良好的欧姆接触，其折射系数通过在1.4-2.0的范围内变化调整，能够起到减反射膜的作用，并且通过优化暂态金属氧化物窗口层材料的光电性能，可以明显地提高电池的短路电流和光电转换效率，同时也可以简化电池的结构，减少芯片工艺步奏，有效降低成本。
所述Ge底电池、GaInAs中电池和GaInP顶电池晶格匹配。
所述GaInP顶电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层，P型掺杂GaInP基区、n型掺杂GaInP发射区、TMO窗口层；其中，所述P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInP基区的厚度300-600nm，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述TMO窗口层的厚度30-200nm。
所述第二隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaInP层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaInP层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3。
所述GaInAs中电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlGaAs背场层、P型掺杂GaInAs基区、n型掺杂GaInP发射区、n型掺杂AlInP窗口层；其中，所述P型掺杂AlGaAs背场层的厚度500-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInAs基区的厚度1um-2um，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlInP窗口层的厚度30-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
所述第一隧穿结与GaInAs中电池之间设置有分布式布拉格反射器(DBR)，所述DBR包括依次交替生长的10-20个周期的n型掺杂AlGaAs和n型掺杂GaAs；其中，所述n型掺杂AlGaAs和n型掺杂GaAs的厚度为30-100nm，n型掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3。
所述第一隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaAs层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3。
实施例2
参见图2所示，本实施例所提供的正向晶格失配的三结砷化镓太阳电池与实施例1不同的是所述GaInAs中电池和GaInP顶电池晶格匹配，所述Ge底电池与GaInAs中电池和GaInP顶电池晶格失配，并通过渐变缓冲层(GB)连接，Ge底电池、GaInAs中电池和GaInP顶电池的禁带宽度优选为0.67eV、1.3eV、1.8eV；所述第一隧穿结与GaInAs中电池之间依次设置有分布式布拉格反射器(DBR)和渐变缓冲层(GB)；所述DBR包括依次交替生长的10-20个周期的n型掺杂Aly(GaxIn1-x)1-yAs和n型掺杂GaxIn1-xAs；其中，所述n型掺杂AlGaAs和n型掺杂GaAs的厚度为30-100nm，n型掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，y为0.9-1.0，x为0.9-1.0；所述GB包括多个依次叠加的GaxIn1-xAs子电池，采用In组分线性渐进和/或步进的方法将Ge底电池和GaxIn1-xAs子电池串联，x为0.9-1.0。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种高性能三结砷化镓太阳电池，包括Ge衬底，采用MOCVD技术在所述Ge衬底上外延生长Ge底电池、第一隧穿结、GaInAs中电池、第二隧穿结和GaInP顶电池；其特征在于：在所述GaInP顶电池的发射区上沉积暂态金属氧化物TMO，得到TMO窗口层，该TMO窗口层的禁带宽度大于3.0eV，其暂态金属氧化物能够与GaInP顶电池的金属上电极形成良好的欧姆接触，其折射系数通过在1.4-2.0的范围内变化调整，能够起到减反射膜的作用，并且通过优化暂态金属氧化物的光电性能，能够提高电池的短路电流和光电转换效率。
2.根据权利要求1所述的一种高性能三结砷化镓太阳电池，其特征在于：所述暂态金属氧化物为氧化钼或氧化钨。
3.根据权利要求1所述的一种高性能三结砷化镓太阳电池，其特征在于：所述Ge底电池、GaInAs中电池和GaInP顶电池晶格匹配；
所述GaInP顶电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层，P型掺杂GaInP基区、n型掺杂GaInP发射区、TMO窗口层；其中，所述P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInP基区的厚度300-600nm，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述TMO窗口层的厚度30-200nm；
所述第二隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaInP层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaInP层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；
所述GaInAs中电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlGaAs背场层、P型掺杂GaInAs基区、n型掺杂GaInP发射区、n型掺杂AlInP窗口层；其中，所述P型掺杂AlGaAs背场层的厚度500-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInAs基区的厚度1um-2um，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlInP窗口层的厚度30-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
所述第一隧穿结与GaInAs中电池之间设置有分布式布拉格反射器DBR，所述DBR包括依次交替生长的10-20个周期的n型掺杂AlGaAs和n型掺杂GaAs；其中，所述n型掺杂AlGaAs和n型掺杂GaAs的厚度为30-100nm，n型掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
所述第一隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaAs层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种高性能三结砷化镓太阳电池，其特征在于：所述GaInAs中电池和GaInP顶电池晶格匹配，所述Ge底电池与GaInAs中电池和GaInP顶电池晶格失配，并通过渐变缓冲层GB连接；
所述GaInP顶电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层，P型掺杂GaInP基区、n型掺杂GaInP发射区、TMO窗口层；其中，所述P型掺杂AlInP或AlGaInP背场层的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInP基区的厚度300-600nm，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述TMO窗口层的厚度30-200nm；
所述第二隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaInP层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaInP层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；
所述GaInAs中电池包括按照层状结构依次叠加的P型掺杂AlGaAs背场层、P型掺杂GaInAs基区、n型掺杂GaInP发射区、n型掺杂AlInP窗口层；其中，所述P型掺杂AlGaAs背场层的厚度500-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述P型掺杂GaInAs基区的厚度1um-2um，掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3；所述n型掺杂GaInP发射区的厚度50-200nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；所述n型掺杂AlInP窗口层的厚度30-100nm，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3；
所述第一隧穿结与GaInAs中电池之间依次设置有分布式布拉格反射器DBR和渐变缓冲层GB；所述DBR包括依次交替生长的10-20个周期的n型掺杂Aly(GaxIn1-x)1-yAs和n型掺杂GaxIn1-xAs；其中，所述n型掺杂AlGaAs和n型掺杂GaAs的厚度为30-100nm，n型掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，y为0.9-1.0，x为0.9-1.0；所述GB包括多个依次叠加的GaxIn1-xAs子电池，采用In组分线性渐进和/或步进的方法将Ge底电池和GaxIn1-xAs子电池串联，x为0.9-1.0；
所述第一隧穿结包括按照层状结构叠加的n型GaAs层和p型AlGaAs层；其中，所述n型GaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3；所述p型AlGaAs层的厚度5-30nm，掺杂浓度为1×1018-1×1020cm-3。
5.根据权利要求4所述的一种高性能三结砷化镓太阳电池，其特征在于：所述Ge底电池、GaInAs中电池和GaInP顶电池的禁带宽度分别为0.67eV、1.3eV、1.8eV。
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