多结叠层太阳电池中隧穿结的性能优化

丁文革,李文博,苑静,于威,傅广生

(河北大学物理科学与技术学院,河北保定 071002)

多结叠层太阳电池中隧穿结的性能优化

丁文革,李文博,苑静,于威,傅广生

(河北大学物理科学与技术学院,河北保定 071002)

提高太阳电池的转换效率是人类利用和发展太阳能技术的主要追求目标,目前有望大幅度提高转换效率的一个最直接手段就是采用多结叠层太阳电池.开发研制电学和光学损耗极小的隧穿结,是提高多结叠层太阳电池性能的有效途径.从材料、掺杂剂和掺杂浓度的选择以及结构的优化等诸多方面,阐述了改善隧穿结性能的理论方法和技术措施.对优化隧穿结的沉积参数和结构设计、制备高效叠层太阳电池具有重要的参考价值.

隧穿结;多结叠层太阳电池;掺杂;双异质结构;纳米颗粒

在光伏电池研究领域,以多种带隙宽度不同的半导体材料构成多结叠层太阳电池,用各结子电池去吸收与其带隙宽度最为匹配的太阳光谱波段,从而实现对太阳光谱最大化的有效利用,是突破光电转换效率限制的最好途径和必然选择.但是,为了实现人们所预期的高效率和低成本多结叠层太阳电池,还有很多科学与技术问题需要解决[1].例如,在多结叠层太阳电池中,各子电池由p-n结组成,如果将它们直接串联在一起,由于串联p-n结之间是一个反向p-n结,这对于所产生的光电流是一个需要克服的反向势垒.通常,各结子电池之间的级联可以采用机械堆叠和隧穿结串接2种方式[2].机械堆叠法是通过金属电极将分别制备的各级子电池逐层叠加,但因其工艺复杂且可靠性差,故不适合大规模生产.隧穿结串接法是将各级子电池作为一个整体制作,即利用外延生长技术在各级子电池之间插入超薄重掺杂的隧穿结,并利用载流子的隧穿效应克服其反向势垒作用,从而实现各子电池之间互联的方法,这是目前普遍采用的级联方式.因而开发研制电学和光学损耗极小的隧穿结,对提高多结叠层太阳电池性能至关重要.本文从隧穿结材料的选择、掺杂剂和掺杂浓度的选择以及隧穿结的结构优化等诸多方面,阐述了改善隧穿结性能的理论方法和技术措施.

1 隧穿结材料的选择

为了获得尽可能高的光电转换效率,多结叠层太阳电池应满足材料晶格匹配、禁带宽度组合合理等基本要求.作为有效连接2个子电池的隧穿结,应具有高透光率和低阻抗的特点,而且其晶格常数和热膨胀系数也应尽可能地做到与上下层匹配.例如,对于目前广泛研究的A lGaA s/GaA s,Ga InP/GaA s等Ⅲ-V族化合物叠层太阳电池,可以利用 GaA s,A lGaA s和 Ga InP材料形成同质或异质隧穿结.Takahashi等[3]采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术制备的A lGaAs/GaAs双结叠层太阳电池,如图1所示.利用重掺杂的n-GaA s/p-GaAs隧穿结进行顶电池和底电池的互联,该结构的电池在AM 1.5条件下实现了28.85%的光电转换效率.相对于 GaA s而言,Ga InP具有更短的截止吸收波长,Ga InP的透光性能更加优越.而且 Ga InP与GaA s晶格匹配、Ga InP/GaAs的界面复合率低(其是包括Si材料系统在内的所有异质界面中最低的)[4],因此,Ga InP更适合作为制备隧穿结的材料.另外,朱诚等[5]的理论计算结果也表明,对于 Ga InP/GaAs太阳电池,采用 Ga InP材料的隧穿结比采用 GaA s材料性能要好.Bertness等[6]采用 MOVPE技术制备的具有GaA s隧穿结的 Ga InP/GaA s双结叠层太阳电池,在AM 1.5条件下的光电转换效率为29.5%.而 Takamito等[7]用InGaP隧穿结取代 GaA s隧穿结制备的InGaP/GaA s双结叠层电池,AM 1.5效率高达30.28%.

图1 具有 GaAs隧穿结的AlGaAs/GaAs叠层电池结构Fig.1 A cross section of an AlGaAs/GaAs tandem cell which hasan GaAs tunnel junction

2 掺杂剂及浓度的选择

为了获得所预期的隧穿结构,适宜掺杂介质的选择至关重要.这要同时考虑到以下几个因素：扩散杂质的固溶度、记忆效应以及杂质的扩散系数.因为只有扩散杂质固溶度足够高,才能实现高浓度掺杂;较弱的记忆性使得常规方法很容易实现较高的掺杂浓度,同时可以避免在后续的生长过程中掺杂剂的记忆效应对顶电池的背表面场、甚至p-n结质量的影响;扩散系数不宜过大,因为过大的扩散系数将会使p-n结耗尽层变宽,而不能形成隧穿结.

GaA s,Ga InP2隧穿结掺杂剂通常采用二乙基锌(DEZn)和 H2Se,且掺杂剂流量不应过高,否则会引起隧穿结出现层积缺陷和线位错.n型掺杂剂H2Se有较强的记忆效应,使得常规的方法很难获得较高的掺杂浓度.相比于Se而言,Si的记忆性较小,所以 H2稀释的SiH4更适合作为n型掺杂剂[8].p型掺杂层虽无较强的记忆效应,却能容易地扩散到后续生长的薄层中去.与Zn,Be,M g等传统受主杂质相比,C具有其独特的优点[9-10]：1)掺杂水平和活化率高,且载流子浓度范围广,可在1017～1021cm-3内精确控制.2)C杂质的扩散系数极低,热稳定性好.据报道,在800℃的GaA s材料中,C的扩散系数约为2×10-16cm2/s,而相同条件下Be和M g的扩散系数分别约为1×10-15cm2/s和5×10-15cm2/s,其他p型掺杂剂的扩散系数更大[11],C比Zn的扩散系数低4个数量级,有利于pn结位置的精确控制.3)C掺杂易于获得陡峭界面,这对很多光电器件来说是至关重要的,所以C更适宜于作为p型掺杂剂(自掺C)[12].南京大学黄子乾等[8]采用MOVPE技术生长的 Ga InP/GaA s双结叠层太阳电池的结构中,当Zn作为p-GaA s的掺杂剂进行隧穿结生长时,用二次离子质谱仪(SIM S)观察到在顶电池基区靠近p-n结的区域有大量Zn聚集.他们改用C作为p型的掺杂剂有效地解决了这一问题.此外研究中发现,在750℃的温度下进行20 m in的退火后,C掺杂p-GaA s层和Si掺杂的n-GaA s层组成的隧穿结显示出114 m A/cm2良好的隧穿峰值电流密度,这个峰值电流密度远大于以往报道的用Be和Zn作为p型的掺杂剂的隧穿结的峰值电流密度[13].

可见,作为隧穿结制备的掺杂剂,p型掺杂一般采用扩散系数较小的C,n型掺杂则一般选用Si.由于Si的扩散系数比C大,因此n区的载流子浓度分布受杂质的热扩散影响比较明显.不过,采用δ掺杂技术可以有效解决这一问题[8].所谓δ掺杂技术,是采用短时间的杂质扩散或离子注入,而在半导体器件制作中实现的一种浓度可控的超薄层掺杂技术.

图2 具有AlInP双异质结构InGaP隧穿结的InGaP/GaAs叠层太阳电池结构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 隧穿结的结构改善

在生长隧穿结的过程中要解决的一个重要问题是抑制隧穿结中杂质扩散效应.隧穿结杂质的扩散包括向顶、底电池的扩散和隧穿结构内部的相互扩散2种情况.这种杂质扩散消弱了顶电池中背表面电场的载流子限制效应,并且增加了底电池窗口层的载流子表面复合速率,使顶、底电池的性能变坏[15].为了解决这一问题,除了前面提到的选用适合的掺杂剂来减小杂质扩散外,还可以利用双异质结构的隧穿结抑制杂质扩散[16-18].

对于 Ga InP2/GaAs叠层电池,可以在 Ga InP2顶电池与隧穿结(重掺杂的n-GaA s/P-GaA s)之间插入较高掺杂水平(n型载流子浓度在3×1018cm-3左右)的 Ga InP2钝化层,与 GaA s底电池的A lGaA s窗口层(p型载流子浓度在2×1018cm-3左右)一起包覆 GaA s隧穿结,形成双异质结构隧穿结,经过实验证明这种结构能有效抑制掺杂杂质的扩散[17].在InGaP/GaA s叠层太阳电池中,采用A l InP包覆InGaP隧穿结形成双异质结构隧穿结,也具有很好的效果.图2是 Takamoto等[16]研制的具有A l InP双异质结构InGaP隧穿结的InGaP/GaAs叠层太阳电池结构示意图,图3给出了其隧穿结的能带分布.对于p型Zn掺杂层和n型Si掺杂层的InGaP隧穿结,由于Zn在A l InP势垒层和InGaP隧穿结层这些宽带隙材料中的扩散系数较低,这种结构有效抑制了Zn在隧穿结的不规则扩散.同时宽带隙势垒层,使双异质结构隧穿结对顶电池起着背表面场的作用,而对底电池起着窗口层的作用.

图3 AlInP双异质结构InGaP隧穿结的能带Fig.3 Energy band diagram around an Al InP-double heterostructure InGaP tunnel junction

4 隧穿结中纳米颗粒层的引入

对于多结叠层太阳电池,当各个子电池的电流匹配并且互连的电压损失最小时,其光电转换效率最大.因此设法降低隧穿结的电压损耗对高转换效率的多结叠层太阳电池的实现至关重要.

在半导体材料中引入半金属ErA s纳米颗粒,能够极大地改变半导体的各种性质[19-21],这些纳米颗粒可以为载流子的快速复合提供深能级态[22],这些深能级态将有利于隧穿结性能的提高.图4给出了常规隧穿结和引入半金属ErA s纳米颗粒层的隧穿结(即ErAs增强隧穿结)在正向偏压下的能带简图.由图可见,由于 ErA s纳米颗粒层的存在,在p+-n+界面上出现了带隙态,使得隧穿经过2步过程发生,每一过程的隧穿距离减小一半.Zide[23]等的研究表明,对于一个多结叠层太阳电池的典型电流密度10 m A/cm2,常规GaA s隧穿结需要0.7 V左右的偏压,而ErA s增强GaA s隧穿结仅需0.3 m V左右的偏压,所需偏压减小了3个数量级.他们研制的具有ErA s增强隧穿结的A lGaAs/GaA s双结叠层太阳电池的光电转换效率是具有常规隧穿结电池的2倍.

图4 隧穿结在正向偏压下的能带Fig.4 Schematic band diagram of tunnel junctions under forward bias

5 结论

开发研制电学和光学损耗极小的隧穿结,对提高多结叠层太阳电池性能至关重要.为了获得高透光率、低阻抗的隧穿结,应选择高禁带宽度的半导体材料,且材料的晶格匹配和热力学性质要适宜,以便实现高质量的晶体材料的生长.在掺杂剂的选择上,采用固溶度高、扩散系数小和记忆效应弱的掺杂介质,以实现高掺杂、低扩散的隧穿结.关于掺杂浓度,在能够满足叠层太阳电池应用条件的基础上,尽可能选用较低的掺杂浓度,以减小掺杂扩散问题.同时,采用双异质结构隧穿结以及在隧穿结中引入纳米颗粒层等方法,实现隧穿结性能的优化,提高多结叠层太阳电池的转换效率.

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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

国家自然科学基金资助项目(60940020)

丁文革(1966-),女,河北衡水人,河北大学教授,主要从事光与物质相互作用方向的研究.

E-mail：dw g@hbu.cn

孟素兰)