基于量子點超晶格結構的太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能光伏電池技術領域，具體是一種基于量子點超晶格結構的太陽能電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]作為當今世界最具發展前景的一種能源，太陽能具有取之不盡、功率巨大、使用安全等優點。但是，目前太陽能電池的發展和利用中遇到的主要問題是光電轉換效率較低，太陽能電池的性價比不高。
[0003]雖然近年來備受人們關注的GalnP/GalnAs/Ge三結電池，已成功應用于空間和地面光伏領域，但進一步提升轉換效率卻遇到瓶頸。為進一步提高多結太陽能電池的轉換效率，將太陽光譜進一步細化是主要的手段。使用與GaAs或Ge襯底晶格匹配的0.8?1.4eV帶隙電池替代Ge電池可顯著提升電池的轉換效率，而且未來可結合Ge襯底研究四結甚至五結的超高效率晶格匹配電池。
[0004]GaInNAs被認為是GaAs基系高效太陽電池中第三子結電池的理想材料。目前，GaInNAs電池已研制成功，但轉換效率并不高。這是因為GaInNAs具有很差的固熔點、N組元增加引起的合金相分離或In團簇、In和N組元共存時會導致應變和成分起伏、高的背景濃度以及N元素有關的深能級復合中心-本征點缺陷等問題，仍然限制了 GaInNAs材料在多結電池中的進一步應用，這些問題引起的較短載流子壽命和低的遷移率將最終導致電池的效率下降，所以還需要深入的研究，以便找出更好的解決辦法。
[0005]量子點太陽電池不僅是第三代太陽電池，也是目前最尖端的太陽電池之一，通過在p-1-n型太陽電池的i層中引入量子點超晶格結構，只要改變量子點的大小，可吸收光波的波長也會相應的改變，以此來拓寬吸收太陽光譜的范圍。其中，最簡單的就是量子點中間帶隙電池，根據理論預測，其極限效率高達63.2%。
[0006]專利CN 101752444A公開了一種p_i_n型InGaN量子點太陽能電池結構及其制作方法，通過調整工藝參數嚴格控制生長條件，制備出一種具有非摻雜i層InxGa1 #量子點結構的太陽能電池，結合InxGa1 0合金材料的帶寬可調節和量子點超晶格結構的特點，在理論上提高太陽能電池的轉換效率。但是如前文所述，In、N共存生長容易產生應變與組分起伏，反而影響轉換效率。同時，由于采用單一結構的超晶格，為了獲得足夠的有源區，在生長過程中易導致失配位錯和界面缺陷，最終影響電池的性能，使得實際效率遠不及理論效率。因此，在太陽電池結構設計中，研究人員試圖尋找其他有效方法突破這個技術難關。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種基于量子點超晶格結構的太陽能電池及其制備方法，用于提高太陽能電池的轉換效率。
[0008]本發明提供一種基于量子點超晶格結構的太陽能電池，所述太陽能電池包括有源區，所述有源區包括第一 1-GaAs層、第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構、第二 InGaAs超晶格結構、第二 1-GaAs層,其中所述第二 InGaAs超晶格結構設置于所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構表面。
[0009]其中，第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構是指同時包括GaNAs層和InGaAs層的超晶格結構，在該結構中GaNAs層與InGaAs層交替周期性生長，例如在一層GaNAs層上生長一層InGaAs層,在該InGaAs層上再生長一層GaNAs層,如此周期性交替重復。
[0010]進一步的,所述第一 1-GaAs層與所述第二 i_GaAs層的厚度相同,所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構中的InGaAs層與所述第二 InGaAs超晶格結構中的InGaAs層的厚度不同，所述第二 InGaAs超晶格結構的InGaAs層中摻雜具有表面活化作用的元素。
[0011 ] 其中，具有表面活化作用的元素例如可以是Be或Sb，摻雜該元素是為了得到質量更好的太陽能電池。
[0012]進一步的，所述第二 InGaAs超晶格結構中摻雜量子點，選取GaNAs、GaNAs/GaN、GaNAs/GaAs或GaNAs/GaN/GaAs中的一種或幾種作為量子點，所述第二 InGaAs超晶格結構中的InGaAs層作為空間層周期排列。優選的，選取GaNAs作為量子點。
[0013]優選的,所述第二 InGaAs超晶格結構中，每層InGaAs層的厚度為10?15nm,例如為10nm、llnm、12nm、13nm、14nm或15nm ;所述量子點結構的層數為5?10層，例如為5層、6層、7層、8層、9層或10層；所述量子點結構為直徑小于或者等于15nm、高度小于或者等于 1nm 的角錐形,例如直徑為 15nm、14nm、13nm、12nm、llnm、1nm 或 8nm,高度為 10nm、9nm、8nm、7nm或6nm ;所述第二 InGaAs超晶格結構設置在所述第二 1-GaAs層與所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構之間。
[0014]優選的,所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構、所述第二 InGaAs超晶格結構的周期范圍分別為15nm至25nm，周期數為10-20。
[0015]其中，所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構的周期是指由一層InGaAs層和一層GaNAs層共同組成的周期,該周期的厚度為15_25nm,例如可以為15nm、18nm、20nm、22nm或25nm，該周期數為周期的層數，例如可以為10層、12層、14層、16層、18層或20層。其中，所述第二 InGaAs超晶格結構的周期是指由一層InGaAs層和一層所述量子點層共同組成的周期，該周期的厚度為15_25nm,例如可以為15nm、18nm、20nm、22nm或25nm,該周期數為周期的層數，例如可以為10層、12層、14層、16層、18層或20層。
[0016]進一步的，所述太陽能電池還包括自下而上依次設置的襯底、GaAs緩沖層、AlGaAs1?場層、弟一 GaAs層、弟—GaAs層和AlGaAs窗口層、GaAs接觸層，其中所述襯底為S1、Ge或GaAs襯底中的一種,所述第一 GaAs層和所述第二 GaAs層之間設置所述有源區。
[0017]進一步的，所述太陽能電池還包括設置在所述襯底背面的第一接觸電極和設置在所述GaAs接觸層上的第二接觸電極。
[0018]進一步的，所述第一 GaAs層的導電摻雜類型與所述第二 GaAs層的導電摻雜類型相反，所述襯底的摻雜類型與所述第一 GaAs層的摻雜類型相同。
[0019]本發明還提供一種上述太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:
[0020]S1.在襯底的裸露表面依次生長GaAs緩沖層、AlGaAs背場層、第一 GaAs層,其中所述襯底為S1、Ge或GaAs襯底中的一種，所述襯底與所述第一 GaAs層的導電摻雜類型相同；
[0021]S2.在所述第一 GaAs層的裸露表面生長有源區；其中，所述有源區的制備步驟包括:
[0022]S2.1.在所述第一 GaAs層的裸露表面生長第一 i_GaAs層；
[0023]S2.2.在所述第一 1-GaAs層表面上生長第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構；
[0024]S2.3.在所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構表面生長第二 InGaAs超晶格結構；
[0025]S2.4.在所述第二 InGaAs超晶格結構表面上生長第二 i_GaAs層；
[0026]S3.在所述有源區表面依次生長第二 GaAs層、AlGaAs窗口層、GaAs接觸層，其中，所述第一 GaAs層與所述第二 GaAs層的導電摻雜類型相反。
[0027]可以理解的是，在本發明中制備太陽能電池的上述各層結構時，可以采用金屬有機化合物氣相沉淀法(MOCVD)或分子束外延(MBE)方法，也可以采用其他制備太陽能電池的現有技術。
[0028]進一步的，在制備完成所述太陽能電池后，在所述GaAs接觸層上制作弟—接觸電極，在所述襯底背面制作第一接觸電極。
[0029]進一步的,在所述有源區中，所述第一 1-GaAs層與所述第二 i_GaAs層的厚度相同，所述第一 GaNAs/InGaAs超晶格結構中InGaAs層的厚度與所述第二 InGaAs超晶體結構中InGaAs層的厚度不同，所述第二 InGaAs超晶格結構的InGaAs層中摻雜具有表面活化作用的元素。其中，具有表面活化作用的元素例如可以是Be或Sb，摻雜該元素是為了得到質量更好的太陽能電池。
[0030]