一种太阳能外延结构及太阳能电池
阅读：619发布：2024-01-10
专利汇可以提供一种太阳能外延结构及太阳能电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种 太阳能 外延 结构及 太阳能 电池 ，通过将 基层 生长为具有V型槽的外延层，然后生长发射层、 窗口层 和 接触 层，这种V型槽结构有利于减小空穴从基层向发射层传输的距离，从而降低载流子复合几率，同时，这种V型槽结构，又能减少光的反射，增加光在电池结构里传输路程，提高光吸收效率，进而提高电池光电转化效率。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是一种太阳能外延结构及太阳能电池专利的具体信息内容。
1.一种太阳能外延结构，其特征在于，所述太阳能外延结构包括依次重叠设置的背场层、基层、发射层、窗口层和接触层，所述基层和所述发射层分别包括至少一个V型槽，所述基层的V型槽的开口朝向所述发射层，所述发射层的V型槽的开口方向朝向所述窗口层。
2.根据权利要求1所述的太阳能外延结构，其特征在于，所述基层、所述发射层的V型槽相互重叠。
3.根据权利要求2所述的太阳能外延结构，其特征在于，所述窗口层还包括至少一个所述V型槽。
4.根据权利要求3所述的太阳能外延结构，其特征在于，所述窗口层的V型槽与所述基层和所述发射层的V型槽相互重叠。
5.根据权利要求4所述的太阳能外延结构，其特征在于，所述接触层还包括至少一个所述V型槽。
6.根据权利要求5所述的太阳能外延结构，其特征在于，所述接触层的V型槽与所述基层、所述发射层和所述窗口层的V型槽相互重叠。
7.根据权利要求1-6任一项所述的太阳能外延结构，其特征在于，所述基层的V型槽开口的尺寸为0-1μm，V型槽的深度为0-3μm。
8.根据权利要求1所述的太阳能外延结构，其特征在于，所述背场层上生长有至少一条穿透所述背场层的位错，所述基层的V型槽的顶点与穿透所述背场层的位错相对应。
9.根据权利要求8所述的太阳能外延结构，其特征在于，所述太阳能外延结构还包括衬底，所述衬底设置在所述背场层远离基层的一侧。
10.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括太阳能外延结构、正面电极、减反射膜和背面电极，所述背面电极设置在背场层上远离基层的一侧，所述减反射膜设置在接触层远离窗口层的一侧，所述正面电极设置在减反射膜远离接触层一侧，所述太阳能外延结构如权利要求1-9任一项所述。
一种太阳能外延结构及太阳能电池
技术领域
[0001] 本实用新型涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种太阳能外延结构及太阳能电池。
背景技术
[0002] 砷化镓GaAs禁带宽度1.43ev,是吸收太阳光最优选材料之一，由砷化镓制备的太阳能电池，具有转化效率高、温度特性好，抗辐射能力强等特点，且随着金属有机化合物气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE) 等技术的发展，GaAs太阳能电池应用越来越广泛。
[0003] 目前MOCVD外延生长的GaAs太阳能电池结构主要包括在衬底上生长缓冲层，背场层，基层，发射层，窗口层和接触层。其中基层主要为光吸收层，提高吸收层空穴与电子分离效率能有效改善太阳能电池的转化效率，但是目前的GaAs单结太阳能电池，基层厚度一般1-3μm，远大于载流子传输距离，这就增加了空穴和电子复合几率，另外，平面结构的吸收层，存在较多光的反射，影响光吸收效率。
实用新型内容
实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的是提供一种太阳能外延结构、太阳能电池及制备方法，以解决现有技术中的问题，降低载流子复合几率，提高光吸收效率。
[0005] 一方面，本实用新型提供一种太阳能外延结构，所述太阳能外延结构包括依次重叠设置的背场层、基层、发射层、窗口层和接触层，所述基层和所述发射层分别包括至少一个V型槽，所述基层的V型槽的开口朝向所述发射层，所述发射层的V型槽的开口方向朝向所述窗口层。
[0006] 可选择地，所述基层、所述发射层的V型槽相互重叠。
[0007] 可选择地，所述窗口层还包括至少一个所述V型槽。
[0008] 可选择地，所述窗口层的V型槽与所述基层和所述发射层的V型槽相互重叠。
[0009] 可选择地，所述接触层还包括至少一个所述V型槽。
[0010] 可选择地，所述接触层的V型槽与所述基层、所述发射层和所述窗口层的V型槽相互重叠。
[0011] 可选择地，所述基层的V型槽开口的尺寸为0-1μm，V型槽的深度为 0-3μm。
[0012] 可选择地，所述背场层上生长有至少一条穿透所述背场层的位错，所述基层的V型槽的定点与穿透所述背场层的位错相对应。
[0013] 可选择地，所述太阳能外延结构还包括衬底，所述衬底设置在所述背场层远离基层的一侧。
[0014] 另一方面，本实用新型提供一种太阳能电池，所述太阳能电池包括太阳能外延结构、正面电极、减反射膜和背面电极，所述背面电极设置在背场层上远离基层的一侧，所述减反射膜设置在接触层远离窗口层的一侧，所述正面电极设置在减反射膜远离接触层一侧，所述太阳能外延结构第一方面的任一项所述。
[0015] 另一方面，本实用新型提供一种太阳能外延结构的制备方法，所述制备方法包括：
[0016] 在第一温度状态下按照第一生长速率生长背场层，所述背场层包括穿透所述背场层的位错；
[0017] 在第二温度状态下在所述背场层上生长基层第一时间段，在第三温度状态下继续生长基层，所述背场层上生长的基层包括V型槽；
[0018] 在第四温度状态下在所述基层上生长发射层，所述基层上生长的发射层包括与所述基层的V型槽重叠的V型槽；
[0019] 在第五温度状态下在所述发射层上生长窗口层；
[0020] 在第六温度状态下在所述窗口层上生长接触层。
[0021] 可选择地，所述第一温度为400-1000摄氏度之间的任意温度。
[0022] 可选择地，所述第一温度、第三温度、第四温度、第五温度和第六温度均相等。
[0023] 可选择地，所述第二温度为第一温度的N分之一，N为大于等于1的正整数。
[0024] 可选择地，所述第一生长速率为0.8-1nm/s之间的任意速率。
[0025] 可选择地，所述第一时间段为10秒。
[0026] 可选择地，在所述背场层上生长基层前，所述制备方法还包括：
[0027] 在第一混合气体中对所述背场层和所述基层退火，所述第一混合气体包括N2、H2中任意一种和AsH3。
[0028] 本实用新型提供的太阳能外延结构、太阳能电池及制备方法，通过将基层生长为具有V型槽的外延层，然后生长发射层、窗口层和接触层，这种V型槽结构有利于减小空穴从基层向发射层传输的距离，从而降低载流子复合几率，同时，这种V型槽结构，又能减少光的反射，增加光在电池结构里传输路程，提高光吸收效率，进而提高电池光电转化效率。附图说明
[0029] 图1为本实用新型实施例提供的太阳能外延结构的结构示意图；
[0030] 图2为本实用新型又一实施例提供的太阳能外延结构的结构示意图；
[0031] 图3为本实用新型又一实施例提供的太阳能电池的结构示意图；
[0032] 图4为本实用新型又一实施例提供的太阳能外延结构的制备方法的流程示意图；
[0033] 附图标记说明：
[0034] 1-衬底，2-背场层，3-基层，4-发射层，5-窗口层，6-接触层，7-位错， 8-V型槽。
具体实施方式
[0035] 下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
[0036] 如图1所示，本实用新型实施例提供一种太阳能外延结构，所述太阳能外延结构包括依次重叠设置的背场层2、基层3、发射层4、窗口层5和接触层6，所述基层3和所述发射层4分别包括至少一个V型槽，所述基层3的V型槽8的开口朝向所述发射层4，所述发射层4的V型槽8的开口方向朝向所述窗口层5。
[0037] 可选择地，所述基层3、所述发射层4的V型槽8相互重叠。可选择地，所述窗口层5还包括至少一个所述V型槽8。可选择地，所述窗口层5 的V型槽8与所述基层3和所述发射层4的V型槽8相互重叠。
[0038] 可选择地，所述接触层6还包括至少一个所述V型槽8。可选择地，所述接触层6的V型槽8与所述基层3、所述发射层4和所述窗口层5的 V型槽8相互重叠。
[0039] 可选择地，所述基层3的V型槽8开口尺寸为0-1μm，V型槽8的深度为0-3μm。也就是说，本申请的V型槽是底面直径为0-1μm，高度为 0-3μm的圆锥体。
[0040] 其中，本实施例中，可以只在基层3、发射层4上设置V型槽8，也可在基层3、发射层4、窗口层5和接触层6上均设置相互重叠的V型槽8。这种V型槽8结构有利于减小空穴从基层
3向发射层4传输的距离，从而降低载流子复合几率，同时，这种V型槽8结构，又能减少光的反射，增加光在电池结构里传输路程，提高光吸收效率，进而提高电池光电转化效率。
3向发射层4传输的距离，从而降低载流子复合几率，同时，这种V型槽8结构，又能减少光的反射，增加光在电池结构里传输路程，提高光吸收效率，进而提高电池光电转化效率。
[0041] 可选择地，所述背场层2上生长有至少一条穿透所述背场层2的位错 7，所述基层3的V型槽8的顶点与穿透所述背场层2的位错7相对应。
[0042] 如图2所示，可选择地，所述太阳能外延结构还包括衬底1，所述衬底1设置在所述背场层2的远离基层3的一侧。
[0043] 其中，本实施例中，可另外设置衬底1的结构，所述衬底1一般选择和砷化镓晶格失配较大的衬底1，如Ge衬底、Si衬底或者SiC衬底。
[0044] 背场层2上号包括穿透该背场层2的位错7，穿透该背场层2的位错7 相当于在背场层2形成纵向的缝隙。在本申请的具体实施例中，穿透该背场层2的位错7可以通过升温等条件的控制而形成。
[0045] 由于该位错7的存在，在背场层2上生长基层3时，即会自然的在穿透该背场层2的位错7上形成对应的V型槽。即，V型槽8。
[0046] 背场层2通过高的禁带电子空穴对。
[0047] 发射层4与基层3掺杂类型相反，例如基层3掺杂类型为p型时，发射层4掺杂类型为n型，反之亦然。本申请通过将发射层2和基层3掺杂类型相反，使得发射层4与基层3形成PN结。
[0048] 窗口层5具有大的禁带宽度，以拥有高的光透过率，并阻止载流子的复合；接触层6通过高掺杂，降低与电极的接触电阻。
[0049] 可选择地，所述背场层2包括AlxGa1-xAs或者(AlyGa1-y)ZIn1-zP，其中x 取值范围0-0.5，y取值范围0-0.5，z取值范围0.4-0.6，所述背场层2的厚度范围为30-200nm。
[0050] 可选择地，所述基层3的掺杂浓度为0-1E22，掺杂类型包括n型或p 型，所述基层3的厚度范围500-5000nm。
[0051] 所述发射层4的掺杂浓度为1E16-1E22，厚度范围为100-1000nm。
[0052] 可选择地，所述窗口层5包括AlXGa1-XAs或者(AlYGa1-Y)ZIn1-ZP，其中 x取值范围为0-0.5，y取值范围为0-0.5，z取值范围为0.4-0.6，所述窗口层5的厚度范围为30-200nm。
[0053] 可选择地，所述接触层6为GaAs层，掺杂浓度范围为1E18-1E22。所述接触层6的掺杂类型与所述发射层4相同。例如，发射层4的掺杂类型为p型时，接触层6的掺杂类型也是P型；发射层4的掺杂类型为n型时，接触层6的掺杂类型也是n型。接触层6的厚度范围为30-200nm。
[0054] 在本申请的具体实施例中，还包括一种太阳能电池。该太阳能电池包括图1或图2所示的太阳能外延结构。如图3所示，本实施例中的太阳能电池包括：设置在接触层6远离窗口层5的一层的减反膜9，减反膜9用于进一步降低光的反射。减反膜9上远离减反膜9的一侧设置有前电极91。
[0055] 当然，本申请上述实施例中，上述减反膜9仅为本申请具体实施例中的一种举例。本申请的太阳能电池的减反膜9还包括至少一个V型锥体，所述V型锥体完全填充所述接触层6的V型槽。
[0056] 本申请的太阳能电池还包括背电极。所述背电极设置在背场层远离基层的一侧。在一个例子中，所述背电极完全覆盖该背场层。
[0057] 当然，上述被电极的结构也仅为本申请具体实施例中的举例，当太阳能外延结构还包括衬底时，所述背电极设置在该衬底上。
[0058] 其中，本申请的太阳能电池的参数具体选择范围符合以上条件时，仅为本申请的一种实现方案。但是，本申请的太阳能电池并不限于以上具体限定，可根据实际需要灵活设置，只要能够实现本实用新型的具体功能即可。
[0059] 在本申请的具体实施例中，还提供了一种上述太阳能外延结构的制备方法。如图4所示，为本申请实施例提供一种太阳能外延结构的制备方法。
[0060] 需要说明的是，本实用新型实施例需要制备的太阳能外延结构即为以上实施例所述的太阳能外延结构，且其中提高的生长温度、生长速率以及时间段等只是作为优选的实施例，不做具体限定。只要是通过改变生长工艺的温度、速率等方式使基层上生长出穿透背场层的位错、包括V型槽的基层、发射层均为本申请所述的太阳能外延结构制备方法。
[0061] 本申请还提出了一种太阳能电池制备方法。所述制备方法包括：
[0062] 步骤1，在第一温度状态下按照第一生长速率生长背场层2，所述背场层2包括穿透所述背场层2的位错7；
[0063] 其中，可以通过升温控制生长，使得背场层2的沉积速率提高，生成至少一条纵向穿透位错7。
[0064] 步骤2，在第二温度状态下在所述背场层2上生长基层3第一时间段，在第三温度状态下继续生长基层3，所述背场层2上生长的基层3包括V 型槽8；
[0065] 其中，具体的，在背场层2上方生长基层3，通过背场层2和基层3 的界面变温\变压生长条件的控制，使得基层3释放应力从而形成所述V型槽8。
[0066] 步骤3，在第四温度状态下在所述基层3上生长发射层4，所述基层3 上生长的发射层4包括与所述基层3的V型槽8重叠的V型槽8；
[0067] 步骤4，在第五温度状态下在所述发射层4上生长窗口层5；
[0068] 步骤5，在第六温度状态下在所述窗口层5上生长接触层6。
[0069] 其中，可选择地，所述第一温度为400-1000摄氏度之间的任意温度。可选择地，所述第一温度、第三温度、第四温度、第五温度和第六温度均相等。
[0070] 可选择地，所述第二温度为第一温度的N分之一，N为大于等于1的正整数。
[0071] 可选择地，所述第一生长速率为0.8-1nm/s之间的任意速率。可选择地，所述第一时间段为10秒。
[0072] 可选择地，在所述背场层2上生长基层3前，所述制备方法还包括：
[0073] 在第一混合气体中对所述背场层2和所述基层3退火。在一个例子中，所述第一混合气体包括N2、H2中任意一种和AsH3，即将N2、H2中任意一种气体与AsH3气体形成混合气体。在所述混合气体中背场层2和基层3 退火降温，并烤掉部分V型槽8斜面处的基层3，使得基层3上的V型槽 8面积增大。
[0074] 可选择地，该太阳能外延结构还包括设置在背场层2远离基层3一侧的衬底1。在本申请的具体实施例中，衬底1是与砷化镓晶格失配较大的衬底。
[0075] 其中，该衬底1既可以在外延生产完成后剥离，从而使由该外延结构制成的太阳能电池没有衬底1。该衬底1也可以在外延生长完成后保留，从而使由该外延结构制成的太阳能电池包括衬底1。
[0076] 本实用新型所示的V型槽8结构有利于减小空穴从基层3向发射层4 传输的距离，从而降低载流子复合几率。同时，本申请的V型槽8能减少光的反射、增加光在电池结构里传输路程、提高光吸收效率，达到提高电池光电转化效率的目的。
[0077] 下面，通过具体的例子对本申请的太阳能电池外延结构的生长过程进行举例说明。
[0078] 1)将Si衬底1传入MOCVD设备中，通入H2气体，升高温度对衬底 1进行高温清洗，温度范围为200-1000摄氏度，如500摄氏度。所述衬底 1包括但不限于InP衬底，Si衬底，SiC衬底。
[0079] 2)在衬底1上生长背场层2，厚度范围30-200nm，生长温度范围 400-1000摄氏度，提高沉积速率为0.8-1nm/s，生长更多的纵向穿透位错7。
[0080] 3)在背场层2上生长基层3，基层3变温生长；背场层2和基层3界面生长条件，通入AsH3，待温度骤降200度(也就是在200-800摄氏度) 后，开始生长基层3。在200-800摄氏度的温度范围内生长10s后回温生长，并在达到400-1000摄氏度时停止升温。基层3生长的总厚度为500-5000nm。对基层表面的V型槽进行烧烤，使基层3上的V型槽8面积增大。在一个例子中，V型槽8开口大小0-1μm，深度0-3μm。
[0081] 在本申请的具体实施例中，对基层表面的V型槽进行烧烤可以通过多种实现方式。例如，在腔室中通入混合气体，该混合气体包括氢气。由于腔室处于400-1000摄氏度，在混合气体中对背场层2和基层3烧烤。在一个例子中，该混合气体可以包括N2、H2中任意一种和AsH3，即将N2、 H2中任意一种气体与AsH3气体形成混合气体。
[0082] 对基层表面的V型槽进行烧烤的同时，还进行退火。
[0083] 4)在基层3上生长发射层4，发射层4与基层3掺杂类型相反，掺杂浓度1E16-1E22，厚度范围100-1000nm，生长温度范围400-1000摄氏度。如厚度为500nm，生长温度为500摄氏度。
[0084] 5)在发射层4上生长窗口层5，窗口层5不限于AlXGa1-XAs或者 (AlYGa1-Y)ZIn1-ZP，其中x取值范围0-0.5，y取值范围0-0.5，z取值范围0.4-0.6，厚度范围30-200nm，生长温度范围400-1000摄氏度。
[0085] 6)在窗口层5上生长接触层6，接触层6为高掺杂GaAs层，掺杂浓度范围1E18-1E22，掺杂类型与发射层4相同，厚度范围30-200nm，生长温度范围400-1000摄氏度。
[0086] 7)将温度冷却到室温，从设备中取出，最后完成整个制备过程。
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