專利名稱：一種太陽能轉換多結極聯(lián)光電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種改進的太陽能轉換光電池，屬半導體材料技術領域。
本發(fā)明所述問題是通過以下技術方案實現(xiàn)的一種太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，它包括頂電池、中間電池和底電池，其改進在于，所述底電池是Ge的一個或多個PN結電池，所述中間電池是GaAs的一個或多個PN結電池，所述頂電池是一個ZnSe的肖特基結MIS(Metal/Insulator/Semiconductor，金屬/絕緣體/半導體)電池。
上述太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，為改善電子通過PN結勢壘的導電過程，在所述頂電池和中間電池、以及中間電池和底電池之間延生有一層GaAs的隧道結層。
上述太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，在所述底電池和隧道結之間延生有一層P型GaAs的緩沖層。
上述太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，在所述頂電池的肖特基結MIS結構中，半導體采用N型ZnSe層，金屬采用Au，Au層和本征ZnSe絕緣層采用格柵式結構。
上述太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，在所述頂電池中設有減反射膜AR(AntiReflection)。
上述太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，所述隧道結的厚度在100A°-500A°之間，所述各PN結功能層的厚度在1μm-5μm之間。
上述太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，所述各層的攙雜濃度在1×1017--5×1019cm-3之間。
本發(fā)明首次采用ZnSe、GaAs、Ge三種半導體功能材料搭配，制成單晶薄膜多結極聯(lián)電池，把光能轉換為電能，根據(jù)陽光輻射譜數(shù)據(jù)，其合成光譜響應曲線可覆蓋陽光總光譜能的95％，理論效率可達56％，實際效率可達30％以上。另外，為了提高輸出功率，本發(fā)明提出通過電流匹配、提高開路電壓以提高光電池的實際輸出功率，本發(fā)明中光電池總的開路電壓是底電池、中間電池、頂電池各子電池開路電壓之和；本發(fā)明采用Au/n-ZnSe肖特基結作為ZnSe頂電池結構，既能得到與ZnSe的PN結結構相同的效果，而又避開了P型摻雜的困難。同時，上電極引出工藝也被簡化，因為從金屬Au上引出金屬電極很簡單，而從p-ZnSe上引出金屬電極要麻煩得多，需要制作專門的歐姆接觸，以防止形成附加的、有害的接觸勢壘。
圖2是測得的ZnSe PN結的外量子效率曲線。它表明ZnSe吸收峰在400nm、半高寬響應范圍是450-360nm；圖3是InGaP/GaAs極聯(lián)電池和相應的InGaP、GaAs單結電池的外量子效率曲線；圖4是InGaP2/GaAs/Ge三結極聯(lián)電池的外量子效率曲線。當把圖2的曲線移到圖3上時可以看出，ZnSe與單結GaAs的半高寬響應范圍交疊銜接貼切，在GaAs已力所不及的高頻段正好由ZnSe發(fā)揮了作用。由于ZnSe的Eg＝2.6eV，可以吸收太陽總光譜能的19％(AM1.0)，因此可以把效率在原25.67％的基礎上再提高4.5個百分點(假設效率是25％)，達30％以上。同時，由于ZnSe的禁帶寬度比InGaP的大很多，因此可得到更高的開路電壓。
底電池3、中間電池2分別是Ge、GaAs的一個或多個pn結電池，頂電池1是一個ZnSe的肖特基結MIS(Metal/Insulator/Semiconductor，金屬/絕緣體/半導體)電池，分別對陽光中的低、中、高能光子進行光電轉換。各子電池之間用高摻雜的GaAs隧道結4或5和一個GaAs的緩沖層6串聯(lián)起來。在N型Ge襯底上外延的各層厚度是隧道結4或5在100A°-500A°之間，各PN結功能層在1μm-5μm之間。各層攙雜濃度在1×1017--5×1019cm-3之間。
實現(xiàn)上述技術方案中的多層外延時，可采用MOCVD(金屬有機化學氣相沉積)或MBE(分子束外延)技術，此處不再贅述。
本發(fā)明中總的開路電壓是底電池、中間電池、頂電池各子電池開路電壓之和；總的電流與底電池、中間電池、頂電池各自的電流應相等，因此要求各層電流必須匹配。由于GaAs中間電池的光電流密度最大，因此可以把GaAs中間電池拆成兩個串聯(lián)的GaAs PN結次級電池，使其電壓提高為原來的兩倍、電流降低為原來的二分之一，去與頂電池、底電池匹配。這樣既可實現(xiàn)電流匹配，又不損失光生功率。在相同功率下，用高電壓、小電流比用低電壓、大電流更有利。
也可以把GaAs中間電池拆成三個串聯(lián)的GaAs PN結次級電池，把Ge底電池拆成兩個串聯(lián)的Ge的PN結次級電池。
本發(fā)明的頂電池采用MIS結構，目的是要得到與ZnSe的PN結結構相同的效果，而又避開了P型摻雜的困難。Ge、GaAs等材料的P型、N型摻雜都較容易實現(xiàn)，ZnSe的N型摻雜也較容易實現(xiàn)，但ZnSe的P型摻雜卻很難達到1×1018cm-3以上。這一難題困擾了人們一、二十年?？茖W家們雖然也找到了一些方法，可把攙雜濃度提高到5×1018cm-3，但十分復雜，在實際使用中難以推廣。由于ZnSe與Au(金)的肖特基(接觸)勢壘高達1.5eV，因而可以形成足夠強的結電場，形成良好的肖特基結。由于肖特基結的MIS結構具有與PN結幾乎相同的功能，因此在本發(fā)明中被用作頂電池的基本結構。同時，這樣作的結果也使上電極的引出工藝被簡化了，因為從金屬Au上引出金屬電極很簡單，而從P-ZnSe上引出金屬電極要麻煩得多，需要制作專門的歐姆接觸，以免形成附加的、有害的接觸勢壘。
為了使盡量多的光子進入n-ZnSe有源層產生電子、空穴對，Au層和ZnSe本征層均為格柵式結構，而不是全覆蓋式結構。如果Au層是全覆蓋式結構，將會反射掉很大一部分入射光，使電池效率下降。當Au層采用格柵式結構后，ZnSe本征層也要相應地采用格柵式結構，形成MIS結構。另外，為了防止光子被反射，在頂電池的表面設有一層減反射膜AR(Anti Reflection)。
權利要求
1.一種太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，它包括頂電池、中間電池和底電池，其特征在于，所述底電池[3]是Ge的一個或多個PN結電池，所述中間電池[2]是GaAs的一個或多個PN結電池，所述頂電池[1]是一個ZnSe的肖特基結MIS。
2.根據(jù)權利要求1所述的太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，其特征在于，在所述頂電池[1]和中間電池[2]、以及中間電池[2]和底電池[3]之間各延生有一層GaAs的隧道結層[4]或[5]。
3.根據(jù)權利要求2所述的太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，其特征在于，在所述底電池和隧道結之間延生有一層P型GaAs的緩沖層[6]。
4.根據(jù)權利要求3所述的太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，其特征在于，在所述頂電池[1]的肖特基結MIS結構中，半導體采用N型ZnSe層，金屬采用Au，Au層和本征ZnSe絕緣層采用格柵式結構。
5.根據(jù)權利要求4所述的太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，其特征在于，在所述頂電池[1]中設有減反射膜AR。
全文摘要
一種太陽能轉換多結極聯(lián)光電池，屬半導體材料技術領域。用于解決現(xiàn)有極聯(lián)光電池光譜響應范圍和光電轉換效率方面存在的問題。其方案中包括頂電池、中間電池和底電池，改進后的底電池是Ge的一個或多個PN結電池，中間電池是GaAs的一個或多個PN結電池，頂電池是ZnSe的肖特基結MIS。本發(fā)明采用ZnSe、GaAs、Ge三種功能材料搭配，制成單晶薄膜多結極聯(lián)電池以轉換光能。其合成光譜響應曲線可覆蓋陽光總光譜能的95％，理論效率達56％，實際效率達30％以上。另外，本發(fā)明通過電流匹配、提高開路電壓以提高輸出功率，采用Au/n－ZnSe肖特基結，避開了P型摻雜的困難，上電極的引出工藝也更為簡單。
文檔編號H01L31/078GK1431721SQ0311174
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月14日 優(yōu)先權日2003年1月14日
發(fā)明者李國昌 申請人:河北科技大學