多結(jié)疊層太陽電池中隧穿結(jié)的性能優(yōu)化

丁文革,李文博,苑靜,于威,傅廣生

(河北大學物理科學與技術(shù)學院,河北保定 071002)

多結(jié)疊層太陽電池中隧穿結(jié)的性能優(yōu)化

丁文革,李文博,苑靜,于威,傅廣生

(河北大學物理科學與技術(shù)學院,河北保定 071002)

提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率是人類利用和發(fā)展太陽能技術(shù)的主要追求目標,目前有望大幅度提高轉(zhuǎn)換效率的一個最直接手段就是采用多結(jié)疊層太陽電池.開發(fā)研制電學和光學損耗極小的隧穿結(jié),是提高多結(jié)疊層太陽電池性能的有效途徑.從材料、摻雜劑和摻雜濃度的選擇以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等諸多方面,闡述了改善隧穿結(jié)性能的理論方法和技術(shù)措施.對優(yōu)化隧穿結(jié)的沉積參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備高效疊層太陽電池具有重要的參考價值.

隧穿結(jié);多結(jié)疊層太陽電池;摻雜;雙異質(zhì)結(jié)構(gòu);納米顆粒

在光伏電池研究領(lǐng)域,以多種帶隙寬度不同的半導體材料構(gòu)成多結(jié)疊層太陽電池,用各結(jié)子電池去吸收與其帶隙寬度最為匹配的太陽光譜波段,從而實現(xiàn)對太陽光譜最大化的有效利用,是突破光電轉(zhuǎn)換效率限制的最好途徑和必然選擇.但是,為了實現(xiàn)人們所預期的高效率和低成本多結(jié)疊層太陽電池,還有很多科學與技術(shù)問題需要解決[1].例如,在多結(jié)疊層太陽電池中,各子電池由p-n結(jié)組成,如果將它們直接串聯(lián)在一起,由于串聯(lián)p-n結(jié)之間是一個反向p-n結(jié),這對于所產(chǎn)生的光電流是一個需要克服的反向勢壘.通常,各結(jié)子電池之間的級聯(lián)可以采用機械堆疊和隧穿結(jié)串接2種方式[2].機械堆疊法是通過金屬電極將分別制備的各級子電池逐層疊加,但因其工藝復雜且可靠性差,故不適合大規(guī)模生產(chǎn).隧穿結(jié)串接法是將各級子電池作為一個整體制作,即利用外延生長技術(shù)在各級子電池之間插入超薄重摻雜的隧穿結(jié),并利用載流子的隧穿效應(yīng)克服其反向勢壘作用,從而實現(xiàn)各子電池之間互聯(lián)的方法,這是目前普遍采用的級聯(lián)方式.因而開發(fā)研制電學和光學損耗極小的隧穿結(jié),對提高多結(jié)疊層太陽電池性能至關(guān)重要.本文從隧穿結(jié)材料的選擇、摻雜劑和摻雜濃度的選擇以及隧穿結(jié)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等諸多方面,闡述了改善隧穿結(jié)性能的理論方法和技術(shù)措施.

1 隧穿結(jié)材料的選擇

為了獲得盡可能高的光電轉(zhuǎn)換效率,多結(jié)疊層太陽電池應(yīng)滿足材料晶格匹配、禁帶寬度組合合理等基本要求.作為有效連接2個子電池的隧穿結(jié),應(yīng)具有高透光率和低阻抗的特點,而且其晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)也應(yīng)盡可能地做到與上下層匹配.例如,對于目前廣泛研究的A lGaA s/GaA s,Ga InP/GaA s等Ⅲ-V族化合物疊層太陽電池,可以利用 GaA s,A lGaA s和 Ga InP材料形成同質(zhì)或異質(zhì)隧穿結(jié).Takahashi等[3]采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)制備的A lGaAs/GaAs雙結(jié)疊層太陽電池,如圖1所示.利用重摻雜的n-GaA s/p-GaAs隧穿結(jié)進行頂電池和底電池的互聯(lián),該結(jié)構(gòu)的電池在AM 1.5條件下實現(xiàn)了28.85%的光電轉(zhuǎn)換效率.相對于 GaA s而言,Ga InP具有更短的截止吸收波長,Ga InP的透光性能更加優(yōu)越.而且 Ga InP與GaA s晶格匹配、Ga InP/GaAs的界面復合率低(其是包括Si材料系統(tǒng)在內(nèi)的所有異質(zhì)界面中最低的)[4],因此,Ga InP更適合作為制備隧穿結(jié)的材料.另外,朱誠等[5]的理論計算結(jié)果也表明,對于 Ga InP/GaAs太陽電池,采用 Ga InP材料的隧穿結(jié)比采用 GaA s材料性能要好.Bertness等[6]采用 MOVPE技術(shù)制備的具有GaA s隧穿結(jié)的 Ga InP/GaA s雙結(jié)疊層太陽電池,在AM 1.5條件下的光電轉(zhuǎn)換效率為29.5%.而 Takamito等[7]用InGaP隧穿結(jié)取代 GaA s隧穿結(jié)制備的InGaP/GaA s雙結(jié)疊層電池,AM 1.5效率高達30.28%.

圖1 具有 GaAs隧穿結(jié)的AlGaAs/GaAs疊層電池結(jié)構(gòu)Fig.1 A cross section of an AlGaAs/GaAs tandem cell which hasan GaAs tunnel junction

2 摻雜劑及濃度的選擇

為了獲得所預期的隧穿結(jié)構(gòu),適宜摻雜介質(zhì)的選擇至關(guān)重要.這要同時考慮到以下幾個因素：擴散雜質(zhì)的固溶度、記憶效應(yīng)以及雜質(zhì)的擴散系數(shù).因為只有擴散雜質(zhì)固溶度足夠高,才能實現(xiàn)高濃度摻雜;較弱的記憶性使得常規(guī)方法很容易實現(xiàn)較高的摻雜濃度,同時可以避免在后續(xù)的生長過程中摻雜劑的記憶效應(yīng)對頂電池的背表面場、甚至p-n結(jié)質(zhì)量的影響;擴散系數(shù)不宜過大,因為過大的擴散系數(shù)將會使p-n結(jié)耗盡層變寬,而不能形成隧穿結(jié).

GaA s,Ga InP2隧穿結(jié)摻雜劑通常采用二乙基鋅(DEZn)和 H2Se,且摻雜劑流量不應(yīng)過高,否則會引起隧穿結(jié)出現(xiàn)層積缺陷和線位錯.n型摻雜劑H2Se有較強的記憶效應(yīng),使得常規(guī)的方法很難獲得較高的摻雜濃度.相比于Se而言,Si的記憶性較小,所以 H2稀釋的SiH4更適合作為n型摻雜劑[8].p型摻雜層雖無較強的記憶效應(yīng),卻能容易地擴散到后續(xù)生長的薄層中去.與Zn,Be,M g等傳統(tǒng)受主雜質(zhì)相比,C具有其獨特的優(yōu)點[9-10]：1)摻雜水平和活化率高,且載流子濃度范圍廣,可在1017～1021cm-3內(nèi)精確控制.2)C雜質(zhì)的擴散系數(shù)極低,熱穩(wěn)定性好.據(jù)報道,在800℃的GaA s材料中,C的擴散系數(shù)約為2×10-16cm2/s,而相同條件下Be和M g的擴散系數(shù)分別約為1×10-15cm2/s和5×10-15cm2/s,其他p型摻雜劑的擴散系數(shù)更大[11],C比Zn的擴散系數(shù)低4個數(shù)量級,有利于pn結(jié)位置的精確控制.3)C摻雜易于獲得陡峭界面,這對很多光電器件來說是至關(guān)重要的,所以C更適宜于作為p型摻雜劑(自摻C)[12].南京大學黃子乾等[8]采用MOVPE技術(shù)生長的 Ga InP/GaA s雙結(jié)疊層太陽電池的結(jié)構(gòu)中,當Zn作為p-GaA s的摻雜劑進行隧穿結(jié)生長時,用二次離子質(zhì)譜儀(SIM S)觀察到在頂電池基區(qū)靠近p-n結(jié)的區(qū)域有大量Zn聚集.他們改用C作為p型的摻雜劑有效地解決了這一問題.此外研究中發(fā)現(xiàn),在750℃的溫度下進行20 m in的退火后,C摻雜p-GaA s層和Si摻雜的n-GaA s層組成的隧穿結(jié)顯示出114 m A/cm2良好的隧穿峰值電流密度,這個峰值電流密度遠大于以往報道的用Be和Zn作為p型的摻雜劑的隧穿結(jié)的峰值電流密度[13].

可見,作為隧穿結(jié)制備的摻雜劑,p型摻雜一般采用擴散系數(shù)較小的C,n型摻雜則一般選用Si.由于Si的擴散系數(shù)比C大,因此n區(qū)的載流子濃度分布受雜質(zhì)的熱擴散影響比較明顯.不過,采用δ摻雜技術(shù)可以有效解決這一問題[8].所謂δ摻雜技術(shù),是采用短時間的雜質(zhì)擴散或離子注入,而在半導體器件制作中實現(xiàn)的一種濃度可控的超薄層摻雜技術(shù).

圖2 具有AlInP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)InGaP隧穿結(jié)的InGaP/GaAs疊層太陽電池結(jié)構(gòu)Fig.2 A cross section of an InGaP/GaAs tandem cell which hasan In GaP tunnel junction with an Al In P-doublehetero structure

3 隧穿結(jié)的結(jié)構(gòu)改善

在生長隧穿結(jié)的過程中要解決的一個重要問題是抑制隧穿結(jié)中雜質(zhì)擴散效應(yīng).隧穿結(jié)雜質(zhì)的擴散包括向頂、底電池的擴散和隧穿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的相互擴散2種情況.這種雜質(zhì)擴散消弱了頂電池中背表面電場的載流子限制效應(yīng),并且增加了底電池窗口層的載流子表面復合速率,使頂、底電池的性能變壞[15].為了解決這一問題,除了前面提到的選用適合的摻雜劑來減小雜質(zhì)擴散外,還可以利用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的隧穿結(jié)抑制雜質(zhì)擴散[16-18].

對于 Ga InP2/GaAs疊層電池,可以在 Ga InP2頂電池與隧穿結(jié)(重摻雜的n-GaA s/P-GaA s)之間插入較高摻雜水平(n型載流子濃度在3×1018cm-3左右)的 Ga InP2鈍化層,與 GaA s底電池的A lGaA s窗口層(p型載流子濃度在2×1018cm-3左右)一起包覆 GaA s隧穿結(jié),形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧穿結(jié),經(jīng)過實驗證明這種結(jié)構(gòu)能有效抑制摻雜雜質(zhì)的擴散[17].在InGaP/GaA s疊層太陽電池中,采用A l InP包覆InGaP隧穿結(jié)形成雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧穿結(jié),也具有很好的效果.圖2是 Takamoto等[16]研制的具有A l InP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)InGaP隧穿結(jié)的InGaP/GaAs疊層太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖,圖3給出了其隧穿結(jié)的能帶分布.對于p型Zn摻雜層和n型Si摻雜層的InGaP隧穿結(jié),由于Zn在A l InP勢壘層和InGaP隧穿結(jié)層這些寬帶隙材料中的擴散系數(shù)較低,這種結(jié)構(gòu)有效抑制了Zn在隧穿結(jié)的不規(guī)則擴散.同時寬帶隙勢壘層,使雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧穿結(jié)對頂電池起著背表面場的作用,而對底電池起著窗口層的作用.

圖3 AlInP雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)InGaP隧穿結(jié)的能帶Fig.3 Energy band diagram around an Al InP-double heterostructure InGaP tunnel junction

4 隧穿結(jié)中納米顆粒層的引入

對于多結(jié)疊層太陽電池,當各個子電池的電流匹配并且互連的電壓損失最小時,其光電轉(zhuǎn)換效率最大.因此設(shè)法降低隧穿結(jié)的電壓損耗對高轉(zhuǎn)換效率的多結(jié)疊層太陽電池的實現(xiàn)至關(guān)重要.

在半導體材料中引入半金屬ErA s納米顆粒,能夠極大地改變半導體的各種性質(zhì)[19-21],這些納米顆?？梢詾檩d流子的快速復合提供深能級態(tài)[22],這些深能級態(tài)將有利于隧穿結(jié)性能的提高.圖4給出了常規(guī)隧穿結(jié)和引入半金屬ErA s納米顆粒層的隧穿結(jié)(即ErAs增強隧穿結(jié))在正向偏壓下的能帶簡圖.由圖可見,由于 ErA s納米顆粒層的存在,在p+-n+界面上出現(xiàn)了帶隙態(tài),使得隧穿經(jīng)過2步過程發(fā)生,每一過程的隧穿距離減小一半.Zide[23]等的研究表明,對于一個多結(jié)疊層太陽電池的典型電流密度10 m A/cm2,常規(guī)GaA s隧穿結(jié)需要0.7 V左右的偏壓,而ErA s增強GaA s隧穿結(jié)僅需0.3 m V左右的偏壓,所需偏壓減小了3個數(shù)量級.他們研制的具有ErA s增強隧穿結(jié)的A lGaAs/GaA s雙結(jié)疊層太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率是具有常規(guī)隧穿結(jié)電池的2倍.

圖4 隧穿結(jié)在正向偏壓下的能帶Fig.4 Schematic band diagram of tunnel junctions under forward bias

5 結(jié)論

開發(fā)研制電學和光學損耗極小的隧穿結(jié),對提高多結(jié)疊層太陽電池性能至關(guān)重要.為了獲得高透光率、低阻抗的隧穿結(jié),應(yīng)選擇高禁帶寬度的半導體材料,且材料的晶格匹配和熱力學性質(zhì)要適宜,以便實現(xiàn)高質(zhì)量的晶體材料的生長.在摻雜劑的選擇上,采用固溶度高、擴散系數(shù)小和記憶效應(yīng)弱的摻雜介質(zhì),以實現(xiàn)高摻雜、低擴散的隧穿結(jié).關(guān)于摻雜濃度,在能夠滿足疊層太陽電池應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上,盡可能選用較低的摻雜濃度,以減小摻雜擴散問題.同時,采用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧穿結(jié)以及在隧穿結(jié)中引入納米顆粒層等方法,實現(xiàn)隧穿結(jié)性能的優(yōu)化,提高多結(jié)疊層太陽電池的轉(zhuǎn)換效率.

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Performance Optim ization of Tunnel Junction in Tandem Solar Cells

DINGWen-ge,LIWen-bo,YUAN Jing,YU Wei,FU Guang-sheng
(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)

How to imp rove the conversion efficiency in solar photovoltaic system is the most noteworthy p roblem s in utilization and development solar technology.A t p resent,one of the most direct means to greatly imp rove conversion efficiency is to adop t tandem solar cells.Tunnel junctionsw ith minimal electrical and op tical losses are essential fo r highly efficient tandem solar cells.The theo retical and technical methods in performance imp rovementof tunnel junction are reviewed from several aspects such as selection of material,dopants and doping level,and modification of tunnel junction structure.These results are very important to design and op timize grow th parameters for tunnel junctions in solar cell app lications.

tunnel junction;tandem solar cell;doping;double heterostructure;nanoparticles

TM 914.4

A

1000-1565(2011)04-0356-06

2010-07-18

國家自然科學基金資助項目(60940020)

丁文革(1966-),女,河北衡水人,河北大學教授,主要從事光與物質(zhì)相互作用方向的研究.

E-mail：dw g@hbu.cn

孟素蘭)