[发明专利]多结太阳能电池外延结构

说明书

技术领域

本发明属于化合物半导体太阳能电池领域，具体涉及一种多结太阳能电池外延结构及其制备工艺。

背景技术

III-V族半导体化合物多结太阳能电池是目前效率最高的光伏电池。在此类电池中，以Ge为基底的三结太阳能电池(GaInP/GaAs/Ge)，因为具有晶格匹配的材料结构，最先获得了发展，在市场上已有较为成熟的产品，但是这种电池的材料结构有明显的缺陷：它的底电池，也就是Ge电池的禁带宽度(E_g＝0.67eV)较小，偏离理想值(1.0eV)较远，使其电压偏小而电流过剩，导致无法获得更高效率。为此，研发了一种具有倒装变质(Inverted Metamorphic，IMM)结构的三结电池(GaInP/GaAs/InGaAs)。在该三结电池中，用禁带宽度为1.0eV的InGaAs作为底电池，替代Ge电池，从而获得更高的光电转换效率。

在GaInP/GaAs/InGaAs倒装三结太阳能电池结构中，InGaAs底电池的晶格常数与GaAs中电池和GaInP顶电池存在的晶格失配大于2％，所以其材料制备技术成为获得高效率的关键。倒装三结电池在材料生长时，先生长与衬底(GaAs)晶格匹配的顶电池(GaInP第一子电池)和中电池(GaAs第二子电池)，然后生长缓冲层(GaInP或AlGaInAs)和底电池(InGaAs第三子电池)。其中缓冲层是IMM电池区别于普通三结电池的特有结构，设计合理的缓冲层可以减小InGaAs第三子电池中由晶格失配带来的应力，有效降低电池的缺陷密度。

倒装三结电池中的缓冲层一般包括两个区域：(1)晶格递变区，晶格常数按某种规律从第二子电池向第三子电池递变的多层材料；(2)过冲区，晶格常数略大于第三子电池的单层材料，其厚度大于晶格递变区中的各单层材料。通过这种结构设计，可以尽量减小第三子电池中的穿透位错密度(threading dislocation density，TDD)，提高电池效率。但是这种结构仅考虑了第三子电池所受的应力，而忽略了缓冲层对它的基底所施加的应力。缓冲层一般是在第二子电池上直接生长的，所以第二子电池直接承受了来自缓冲层的应力，此应力可能带来大量位错，从而降低第二子电池的效率。

发明内容

鉴于上述技术背景，本发明的目的旨在解决现有技术中所存在的问题或缺陷的一个方面。

相应地，本发明提供一种多结太阳能电池外延结构，包括：下层子电池；缓冲层；和上层子电池，所述上层子电池的晶格常数与下层子电池的晶格常数不匹配，并且所述上层子电池以所述下层子电池为基底进行生长；其中，缓冲层位于下层子电池和上层子电池之间，被配置用于减小由下层子电池和上层子电池之间的晶格失配引起的缺陷；其中，所述缓冲层包括靠近下层子电池设置的反向缓冲区，所述反向缓冲区的晶格常数与下层子电池的晶格常数相匹配。

根据本发明的多结太阳能电池外延结构，由于存在晶格失配的下层子电池和上层子电池之间包括缓冲层，并且缓冲层包括靠近下层子电池设置的反向缓冲区，所述反向缓冲区的晶格常数与下层子电池的晶格常数相匹配，因此，能够减小在多结太阳能电池中由于上下层子电池之间晶格不匹配引起的在下层子电池中的缺陷，从而提高整个电池的效率。

根据本发明的一个实施例，所述反向缓冲区的晶格常数与下层子电池的晶格常数相差的范围在0.1％以内。

根据本发明的一个实施例，所述反向缓冲区的厚度在300nm以上。

根据本发明的一个实施例，所述缓冲层还包括在所述反向缓冲区和上层子电池之间依次设置的晶格递变区和过冲区，所述晶格递变区的晶格常数从与下层子电池的晶格常数匹配逐渐过渡到与上层子电池的晶格常数匹配，所述过冲区的晶格常数与所述上层子电池的晶格常数匹配。

根据本发明的一个实施例，所述多结太阳能电池外延结构还包括在上层电池或下层电池上的至少一个另外的子电池。

根据本发明的一个实施例，所述下层子电池为GaAs子电池，所述上层子电池为InGaAs子电池，所述缓冲层包括GaAs、GaInP、AlInP、AlInAs或AlGaInAs反向缓冲区、GaInP、AlInP、AlInAs或AlGaInAs晶格递变区和GaInP、AlInP、AlInAs或AlGaInAs过冲区。

根据本发明的一个实施例，所述下层子电池为InGaAs子电池，所述上层子电池为另一InGaAs子电池，所述缓冲层包括GaAs、GaInP、AlInP、AlInAs或AlGaInAs反向缓冲区、GaInP、AlInP、AlInAs或AlGaInAs晶格递变区和GaInP、AlInP、AlInAs或AlGaInAs过冲区。