[发明专利]InGaAs量子点太阳能电池及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说，涉及一种InGaAs量子点太阳能电池及其制作方法。

背景技术

以煤、石油和天然气为代表的传统能源会产生严重的环境污染，因此太阳能光伏产业为代表的可再生洁净能源受到普遍重视并取得快速发展。目前在光伏市场占据主导地位的单晶硅和多晶硅太阳能电池组件的转换效率分别为18％和15％左右。由于硅材料和砷化镓(GaAs)分别是间接带隙和直接带隙半导体材料，硅太阳能电池的理论光电转换效率(23％)远低于砷化镓太阳能电池，其中单结的砷化镓电池的理论效率为27％，多结的砷化镓电池的理论效率高于50％。硅电池的最大优势在于硅材料的价格低廉且制作工艺成熟，因此砷化镓电池需要在保持高效率的优势的同时，通过引入新型的器件结构和工艺，降低成本，赢得市场。

据理论预测，最优设计的中间带太阳能电池的光电转换效率在高倍聚光情况下分别可达63％(见A.Luque and A.Marti,Phys.Rev.Lett.78,5014(1997))。中间带(Intermediate-Band,IB)太阳能电池是利用能级处于n型和p型半导体禁带宽度之间的半导体材料来吸收亚禁带(Sub-Bandgap)能量的光子，实现光生电子从价带(VB)到中间带(即VB-IB)以及中间带到导带(CB)(即IB-CB)的跃迁。中间带太阳能电池是通过接力式地吸收了两个或者多个长波长光子，实现吸收低能量光子而产生高输出电压的高效光伏技术。例如，优化中间带太阳能电池的能带结构设计，可以分别吸收能量为0.70电子伏特(eV)和1.25eV的光子，激发禁带宽度为1.95eV的半导体材料的价带电子实现VB-IB和IB-CB跃迁，使电池的开路电压达到1.55伏(V)左右。

价带电子从价带跃迁到中间带(VB-IB)之后要有足够的时间吸收另一个光子实现从中间带向导带跃迁(IB-CB)，这要求IB-CB跃迁必须发生在中间带弛豫回价带(IB-VB)之前，因此中间带材料的能带结构是决定太阳能电池光电转换效率的关键因素。目前半导体量子点是最理想的中间带材料，被广泛应用于量子点太阳能电池的研究中。半导体量子点中载流子因受到三维量子限制效应而处于分立的量子能级上，声子引起的能量弛豫过程被抑制，因此具有载流子寿命长、光增益高和温度依赖度低等优点，适合作为半导体激光器、发光二极管(LED)、红外探测器和太阳能电池等光电子器件。

改变III族元素组分与生长温度等参数可以调节以InGaAs/GaAs为代表的III-V族半导体量子点的密度、尺寸和禁带宽度。现有技术中存在的技术问题是如何优化量子点太阳能电池的制作方法以及如何选择量子点太阳能电池的制作材料和组分来设计出吸收光谱与太阳能光谱匹配的半导体量子点活性层，从而制作出高效率量子点太阳能电池。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有量子点太阳能电池因吸收光谱与太阳能光谱的匹配度不高而导致太阳能电池的效率不够高，从而提出一种通过优化太阳能电池的各层结构尤其是InGaAs量子点超晶格的结构、材料及其组分、生长参数等获得高密度、多叠层且少缺陷的InGaAs量子点太阳能电池外延片，从而制作出高效的InGaAs量子点太阳能电池。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种InGaAs量子点太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：

步骤S1：利用外延生长方法在GaAs衬底上依次外延生长缓冲层、基极、InGaAs量子点超晶格结构、发射极、窗口层和接触层后制作出InGaAs量子点太阳能电池外延片，InGaAs量子点超晶格结构包括至少一层In_xGa_1-xAs量子点层、以及设置在In_xGa_1-xAs量子点层之间的间隔层，其中，In_xGa_1-xAs量子点层中In组分0.0≤x≤1.0；

步骤S2：在InGaAs量子点太阳能电池外延片的GaAs衬底背面沉积背电极后将其分割成电池单元，并在接触层表面设置上电极，制作出InGaAs量子点太阳能电池。

作为优化，In_xGa_1-xAs量子点层的生长温度为450-540℃、沉积速率为0.01-1.0单层每秒、厚度为1.8-10.0单层，In_xGa_1-xAs中In组分为0.4≤x≤1.0。