[发明专利]锗单晶片、其制法、晶棒的制法及单晶片的用途

说明书

本发明涉及增加多节太阳能电池开路电压锗(Ge)单晶片、锗单晶片的制备方法及制备锗单晶片的晶棒的制备方法。通过调整锗单晶片中共掺杂元素硅与镓的量、制备增加多节太阳能电池开路电压锗单晶棒时共掺杂元素硅与镓的比例以及锗单晶生长的速率和温度梯度，制得能够增加多级太阳能电池底电池开路电压的锗单晶片。

技术领域

本发明涉及增加多节太阳能电池开路电压锗(Ge)单晶片、增加多节太阳能电池开路电压锗单晶片的制备方法、制备增加多节太阳能电池开路电压锗单晶片的晶棒的制备方法。

背景技术

高效大功率太阳能电池在太空太阳能系统和大规模地面聚光太阳能系统中获得了广泛的应用。锗单单晶片是这种高效大功率多节太阳能电池的理想衬底材料，而锗衬底材料是多节太阳能电池底电池的材料。和硅基单节太阳能电池的15-20％的光电转化效率相比，锗基多节太阳能电池的转化效率大幅度增加到31-32％。因此，为了制备将太阳能转化为电能的高效太阳能电池或光伏器件，改进锗衬底材料的性能来增加锗底电池的光电的转化效率至为重要。

在太阳能电池中，光照时产生电子空穴对，也就是所说的光生载流子。电子和空穴在PN节的内建电场作用下分开，形成光电流。在一定光照条件下产生的光电流的大小决定了太阳能电池的量子效率。另外，如果光生载流子在产生光电流之前就复合了，电池的光电转化效率就会降低。在金刚石结构的(100)面上(例如硅或锗单晶衬底的(100)面上)外延生长III-V族闪锌矿结构的单晶材料(例如GaAs、InP等化合物半导体单晶材料)时存在一个根本性的问题，就是在外延生长的界面上将会形成反相畴(参见图1)。S.N.G.Chu等人通过金属有机物化学气相沉积法在硅单晶片上生长了GaAs外延层(S.N.G.Chu,S.Nakahara,S.J.Pearton,T.Boone,and S.M.Vernon,Journal of Applied Physics,Vol.64(6)p.p.2981-2989)。研究发现，外延层和衬底界面上形成的反相畴边界是光生载流子的非辐射复合中心；因此，在锗衬底上生长III-V族化合物外延材料，当锗底电池PN节位置和界面的距离小于载流子扩散长度的条件下，反相畴边界将会降低锗太阳能电池的量子效率。进一步的研究还发现，当硅或类似的痕量掺杂剂原子偏聚在反相畴边界时，在高温退火条件下，界面的反相畴的尺寸将会长大。随着界面反相畴尺寸的增加，反相畴边界界面将会大幅减少，使得光生载流子非辐射复合的位置大幅度减少，从而增加了太阳能电池光电转化的量子效率。用来表征太阳能电池器件效率的特征参数是开路电压Voc，开路电压Voc和光电流I_ph的关系如下：

其中Is是PN节的饱和电流，k是普朗克常数，T是温度，q是电子电荷。

对于太阳能电池而言，通过增加开路电压可以最大限度的增加光电转化效率和获得最大的电力输出。但是，在锗衬底上外延生长III-V族外延材料时，由于会在作为底电池的锗衬底和外延层界面上形成反相畴，形成的反相畴的边界会成为光生载流子的复合中心，降低电池的光电转化效率和开路电压。

发明内容

为了解决上述技术问题，提出本发明，旨在提高太阳能电池的开路电压，从而提高太阳能电池的光电转化效率和电力输出。

本发明提供一种增加多节太阳能电池底电池的开路电压锗单晶片，其中，锗单晶片中包含共掺杂剂元素硅和镓，硅的原子浓度为1×10¹⁴atoms/cc至10×10¹⁸atoms/cc，且镓的原子浓度为1×10¹⁶atoms/cc至10×10¹⁹atoms/cc。

在本发明的增加多节太阳能电池底电池的开路电压锗单晶片的一个优选实施方案中，硅的原子浓度为2×10¹⁴atoms/cc至8×10¹⁸atoms/cc，且镓的原子浓度为2×10¹⁶atoms/cc至9×10¹⁹atoms/cc。