[发明专利]具有接触阻挡层的稀释的III-V族氮化物中间带太阳能电池

说明书

政府利益声明

这里描述并要求的本发明是部分利用美国能源部提供的资金进行的，合同号No.DE-AC02-05CH11231，美国政府对本发明享有一定权利。

技术领域

本公开涉及太阳能电池，且更具体地，涉及具有接触阻挡层的稀释的III-V族氮化物中间带太阳能电池，该阻挡层用于改进太阳能电池性能。

背景技术

太阳能或光伏电池是具有P-N结的半导体器件，其直接将太阳光的辐射能转换为电能。太阳光转换为电能涉及三个主要过程：太阳光吸收到半导体材料中；在太阳能电池中建立电压的正和负电荷的发生和分离；以及电荷通过连接到半导体材料的端子收集和转移。用于电荷分离的单个耗尽区通常存在于每个太阳能电池的P-N结中。

基于单一半导体材料的当前传统太阳能电池具有约31％的固有效率限。该效率限的主要原因是半导体具有特定能量间隙，其仅能吸收光子能量在0.4到4eV范围内部分的太阳能光谱。能量低于半导体带隙的光不能被吸收和转换为电功率。能量在带隙以上的光将被吸收，但建立的电子-空穴对快速以热形式失去其在带隙以上的多余能量。因此，该能量不能用于转换为电能。

具有较高效率的太阳能电池可用由具有不同带隙的半导体制成的太阳能电池叠层(stack)实现，称为“多结”、“阶梯(cascade)”、或“级联(tandem)”太阳能电池。多结太阳能电池是通过串联多个(如，两个、三个、四个、等等)P-N结太阳能电池制成的，因而实现比单个P-N结太阳能电池更有效的太阳能电池。级联电池通常在顶部电池中用较高带隙材料形成从而转换较高能量光子，同时允许较低能量光子向下传递到太阳能电池叠层中较低带隙材料。选择电池叠层中太阳能电池的带隙从而最大化太阳能转换效率，其中隧道结用来串联电池，以便电池的电压累加。这样的多结电池要求无数层材料形成在复杂的多结叠层结构中。

发明内容

本公开涉及太阳能电池，更特别地，涉及具有用于改善太阳能电池性能的接触阻挡层的稀释III-V族氮化物中间带太阳能电池。

根据一个或更多实施例，提供的中间带(I带)太阳能电池(IBSC)包括至少一个基于稀释的III-V氮化物材料的P-N结，和设置在P-N结相对表面的接触阻挡层对。接触阻挡层通过阻挡P-N结中I带中电荷输运提供P-N结中间带的电绝缘，而不影响P-N结中电子和空穴的收集效率。在一个或更多实施例中，IBSC是在衬底上形成的或作为较大、多结级联电池内太阳能电池。

根据一个或更多实施例，用于IBSC的稀释的III-V族氮化物P-N结材料包括GaNAs层，且接触阻挡层是与所需带隙的GaNAs层匹配的晶格。在一个或更多实施例中，接触阻挡层包括AlGaAs或其他III-V三元合金中至少一种。在一个或更多实施例中，调谐AlGaAs接触阻挡层的成分，以便其导带与GaNAs吸收层的上子能带对齐。通过以该方式分离GaNAs吸收层的I带，并有效阻挡中间带与相邻层接触，I带仅用作吸收较低能量光子的“垫脚石(stepping stone)”并增加器件的短路电流(I_SC)。IBSC的开路电压(V_OC)由GaNAs的最大带隙决定。在一个或更多实施例中，IBSC的P-N结吸收层可进一步具有成分分级的氮浓度，从而为更有效的电荷收集提供电场。

本发明的许多其他特征和实施例可从附图及下面的详细说明中显然看出。

附图说明

本发明的上述特征和目的可参考下面的说明结合附图更明显看出，其中相似标识号表示相似元件，且其中：

图1是方框图，其表示根据本公开一个或更多实施例的中间带太阳能电池(IBSC)。

图2是根据本公开的一个或更多实施例，图示图1中示出的IBSC的一个实施例的计算的能带图。

图3是根据本公开的一个或更多实施例，图示图1中示出的IBSC的一个实施例的计算的载流子分布。

图4是根据本公开一个或更多实施例的方框图，其表示中间带太阳能电池(IBSC)的测试结构。

图5是根据本公开一个或更多实施例，图示图4中示出的IBSC的一个实施例的1X阳光和10X阳光下测量的电流密度。

图6是根据本公开一个或更多实施例，图示图4中示出的IBSC的一个实施例测量的外部量子效率(EQE)读数。

图7A是根据本公开一个或更多实施例具有p型吸收层的中间带太阳能电池(IBSC)的方框图。