ES2947007T3 - Célula fotovoltaica láser laminada multiunión y método de fabricación de la misma - Google Patents

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Abstract

La presente solicitud describe una célula fotovoltaica láser laminada de unión múltiple, que comprende una pila de unidades de células y un electrodo inferior y un electrodo superior conectados eléctricamente a la parte inferior y superior de la pila de unidades de células, respectivamente. La pila de unidades de celda comprende N subceldas de unión PN de AlGaAs laminadas en una pila, y dos subceldas adyacentes están conectadas en serie a través de una unión de túnel, N>=2. La celda de unión PN de AlGaAs emplea una capa de absorción de AlGaAs. La presente solicitud también describe un método para fabricar la célula fotovoltaica láser laminada de unión múltiple. La presente solicitud utiliza AlGaAs como capa de absorción de la celda laminada de unión múltiple para convertir la energía del láser, lo que puede aumentar efectivamente el voltaje de circuito abierto de la celda fotovoltaica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Célula fotovoltaica láser laminada multiunión y método de fabricación de la misma
CAMPO TÉCNICO
La presente solicitud se refiere a una célula fotovoltaica multiunión, y en particular a una célula fotovoltaica láser en tándem multiunión que utiliza AlGaAs como capa absorbente y un método de fabricación de la misma.
ANTECEDENTES
El sistema de suministro de energía láser es un nuevo sistema de transferencia de energía, con el que la luz emitida por una fuente láser se suministra a través de una fibra óptica a una célula fotovoltaica láser para proporcionar una salida de energía estable. La conversión de la luz guiada por fibra en electricidad tiene más ventajas que la tecnología tradicional de transmisión de energía por cable metálico y cable coaxial, que se puede aplicar en el caso en que se necesite eliminar la interferencia electromagnética o aislar los dispositivos electrónicos del entorno circundante. Existen importantes aplicaciones en radiocomunicaciones, sensores industriales, defensa, aviación, medicina, energía y otros campos. El principio de funcionamiento de una célula fotovoltaica láser es similar al de una célula solar, pero la célula fotovoltaica láser puede lograr eficiencias de conversión más altas debido a que es para fuentes monocromáticas. A diferencia de una célula solar convencional, la fuente de luz es un láser con una longitud de onda de 790 nm-850 nm adecuada para la transmisión por fibra óptica.
GaAs es un material semiconductor compuesto III-V y su intervalo de banda Eg a temperatura ambiente es de 1,428 eV. Se puede utilizar una célula de unión PN de GaAs para convertir energía láser de 790-850 nm en energía eléctrica para uso como un elemento convertidor fotoeléctrico en el sistema de suministro de energía láser. El voltaje de circuito abierto de las células fotovoltaicas de GaAs es de aproximadamente 1V. Se hacen crecer las células fotovoltaicas láser en tándem multiunión de GaAs en sustratos conductores de GaAs o Ge, y las subcélulas se conectan mediante uniones de túnel, de tal manera que se puede obtener un voltaje de salida más alto. Sin embargo, para el láser más maduro y ampliamente utilizado de 808 nm (energía fotónica de 1,5346 eV), dado que la energía fotónica es mayor que el intervalo de banda prohibida de GaAs en 0,1066 eV, cuando GaAs se usa como capa absorbente para absorber el láser de 808 nm, los electrones excitados de una banda de valencia a una banda de conducción por cada fotón perderán energía de 0,1066 eV a través de la relajación térmica, lo que representa el 6,9% de la energía del fotón y representa más del 10% de la energía eléctrica de salida. El documento US2006048811A1 divulga una célula fotovoltaica en tándem multiunión con células de AlGaAs. El artículo "A sixjunction GaAs laser power converter with different sizes of active aperture", Sun Yu-run et AI., Optoelectronics Letters, Vol. 13, No. 1, p21-24 (2017) y el artículo "High efficiency phototransducers based on a novel vertical epitaxial heterostructure architecture (VEHSA) with thin p/n junctions", Mark York et AI., Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 50 (2017) 173003 ambos divulgan una célula fotovoltaica láser en tándem multiunión con células de GaAs.
RESUMEN
El objeto principal de la presente solicitud es proporcionar una célula fotovoltaica láser en tándem multiunión y un método de fabricación de la misma para superar las deficiencias de la técnica anterior.
Para lograr el objeto anterior, la solución técnica adoptada por la presente solicitud está de acuerdo con el asunto objeto de la reivindicación 1.
La realización de la presente solicitud proporciona una célula fotovoltaica láser en tándem multiunión, que comprende un apilamiento de células fotovoltaicas y un electrodo inferior y un electrodo superior conectados eléctricamente a la parte inferior y una parte superior del apilamiento de células fotovoltaicas, respectivamente, donde el apilamiento de células fotovoltaicas comprende N subcélulas de unión PN de AlGaAs apiladas, y dos subcélulas adyacentes están conectadas en serie a través de una unión de túnel, en la que N>2.
Una capa absorbente de luz en las subcélulas de unión PN de AlGaAs comprende una región base Alx1Ga1-x1As de tipo P y una región emisora Alx1Ga1-x1As de tipo N, en la que x1 tiene un valor tal que el láser incidente tiene una longitud de onda menor o igual que el límite de longitud de onda larga de absorción de Alx1Ga1-x1As.
La parte inferior del apilamiento de células fotovoltaicas está conectada eléctricamente al electrodo inferior a través de un sustrato conductor.
Aún adicionalmente, el apilamiento de células fotovoltaicas se proporciona además secuencialmente con una capa de difusión de corriente y una capa de contacto óhmico, la capa de contacto óhmico está conectada eléctricamente al electrodo superior y la capa de difusión de corriente no absorbe la luz incidente.
Aún adicionalmente, si el sustrato conductor es un sustrato de tipo N, el apilamiento de células fotovoltaicas comprende una primera unión de túnel, una primera subcélula de AGaAs a una N-ésima unión de túnel, y una N-ésima subcélula de AGaAs formada secuencialmente en el sustrato conductor. en el que las uniones de túnel y la subcélula están dispuestas alternativamente, y ninguna de la primera unión de túnel a la N-ésima unión de túnel absorbe la luz incidente.
Aún adicionalmente, si el sustrato conductor es un sustrato de tipo P, el apilamiento de células fotovoltaicas comprende una primera subcélula de AGaAs, una primera unión de túnel a una (N-1 )ésima subcélula de AGaAs, una (N-1)ésima unión de túnel, y una N-ésima subcélula de AGaAs formada secuencialmente en el sustrato conductor, en el que las uniones de túnel y las subcélulas están dispuestas alternativamente, y ninguna de la primera unión de túnel a la (N-1 )ésima unión de túnel absorbe la luz incidente.
Un ejemplo útil para comprender la invención de la presente solicitud proporciona además un método para fabricar la célula fotovoltaica láser en tándem multiunión, que comprende:
formar el apilamiento de células fotovoltaicas sobre la superficie frontal del sustrato conductor; formar una película dieléctrica sobre el apilamiento de células fotovoltaicas, y grabar una abertura en la película dieléctrica para exponer al menos una región parcial de la capa de contacto óhmico del apilamiento de células fotovoltaicas;
fabricar un electrodo superior sobre la capa de contacto óhmico expuesta por la abertura;
grabar la región, que no está cubierta por el electrodo superior, de la capa de contacto óhmico hasta que la capa de distribución de corriente del apilamiento de células fotovoltaicas esté expuesta; y fabricar un electrodo inferior en la superficie posterior del sustrato conductor.
En comparación con la técnica anterior, la presente solicitud utiliza AGaAs como capa absorbente de la célula en tándem multiunión para convertir la energía del láser, lo que puede aumentar efectivamente el voltaje de circuito abierto de la célula fotovoltaica, mejorando así significativamente la eficiencia de conversión de la célula fotovoltaica.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La FIG. 1 es una sección transversal esquemática que ilustra una oblea epitaxial de una célula fotovoltaica láser en tándem de seis uniones de AGaAs de acuerdo con una realización de ejemplo de la presente solicitud.
La FIG. 2 es una sección transversal esquemática que ilustra un producto inicial de una célula fotovoltaica láser en tándem de seis uniones de AGaAs de acuerdo con una realización de ejemplo de la presente solicitud.
La FIG. 3 es una vista superior que ilustra un producto acabado de una célula fotovoltaica láser en tándem de seis uniones de AGaAs de acuerdo con una realización de ejemplo de la presente solicitud.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En vista de las deficiencias de la técnica anterior, los inventores de la presente solicitud han propuesto el esquema técnico de la presente solicitud, que se describirá con detalle a continuación.
Un aspecto de una realización de la presente solicitud proporciona primero una célula fotovoltaica láser en tándem multiunión, que comprende un apilamiento de células fotovoltaicas y un electrodo inferior y un electrodo superior conectados eléctricamente a una parte inferior y una superior del apilamiento de células fotovoltaicas, respectivamente, en donde el apilamiento de células fotovoltaicas comprende N subcélulas de unión PN de AGaAs apiladas, y las subcélulas adyacentes están conectadas en serie a través de una unión de túnel, en la que N>2.
Además, una capa absorbente de luz en las subcélulas de unión PN de AGaAs comprende una región base AlxiGai-xiAs de tipo y una región emisora AlxiGa-i-xiAs de tipo N, en la que el x1 tiene un valor tal que la luz incidente tiene una longitud de onda menor o igual que el límite de longitud de onda larga de absorción de AlxiGai-xiAs, especialmente cerca a y menos que el límite de longitud de onda larga de absorción de AlxiGai-xiAs. Más específicamente, el diseño de x i en AlxiGai-xiAs varía con la longitud de onda del láser incidente, es decir, la composición específica de AlxiGai-xiAs puede ajustarse de acuerdo con la longitud de onda del láser incidente para satisfacer los requisitos anteriores. Por ejemplo, cuando la longitud de onda del láser incidente está en el rango de 830 a 650 nm, el x i puede ser de 0,02 a 0,38.
Aún adicionalmente, la subcélula de AGaAs comprende una capa de campo posterior de tipo P, una región base AlxiGai-xiAs de tipo P, una región emisora AlxiGai-xiAs de tipo N, y una capa de ventana de tipo N dispuesta secuencialmente en una dirección establecida, en la que ni la capa de campo posterior de tipo P ni la capa de ventana de tipo N absorben el láser incidente.
En algunas realizaciones, la célula fotovoltaica láser en tándem multiunión comprende un sustrato monocristalino conductor, una pluralidad de subcélulas de AlGaAs, uniones de túnel entre subcélulas, una capa de difusión de corriente y una capa de contacto óhmico. Las subcélulas están conectadas en serie por una unión de túnel.
Aún adicionalmente, la parte inferior del apilamiento de células fotovoltaicas está conectada eléctricamente al electrodo inferior a través de un sustrato conductor.
Preferiblemente, el sustrato conductor se selecciona de un sustrato monocristalino conductor.
Preferiblemente, el material del sustrato monocristalino conductor incluye, pero no se limita a, GaAs o Ge.
Aún adicionalmente, el apilamiento de células fotovoltaicas se forma sobre el sustrato conductor, y la subcélula de AlGaAs comprende una capa de campo posterior A ^ G a ^ A s de tipo P o Ga0,52In0,48P de tipo P, una región base Alx1Ga1-x1As de tipo P, una región emisora A ^ G a ^ A s de tipo N, una capa de ventana A ^G a-i^A s de tipo N o Ga0,52In0,48P de tipo N dispuesta secuencialmente en una dirección que se aleja del sustrato conductor, donde el x2 y el x3 tienen un valor tal que A ^ G a ^ A s y A ^ G a ^ A s no absorben la luz incidente. En otras palabras, el x2 y el x3 pueden ajustarse de acuerdo con la longitud de onda del láser incidente, cambiando así las composiciones específicas de Alx2Ga1-x2As y A ^ G a ^ A s para satisfacer los requisitos anteriores.
Aún adicionalmente, el apilamiento de células fotovoltaicas se proporciona secuencialmente con una capa de difusión de corriente y una capa de contacto óhmico, la capa de contacto óhmico está conectada eléctricamente al electrodo superior y la capa de difusión de corriente no absorbe la luz incidente.
Preferiblemente, el material de la capa de contacto óhmico incluye, pero no se limita a, GaAs.
En algunas realizaciones, el sustrato conductor es una conductividad de tipo N, y el apilamiento de células fotovoltaicas comprende una primera unión de túnel, una primera subcélula de AlGaAs a una N-ésima unión de túnel, y una N-ésima subcélula de AlGaAs formada secuencialmente en el sustrato conductor, en el que las uniones de túnel y la subcélula están dispuestas alternativamente, y ninguna de la primera unión de túnel a la N-ésima unión de túnel absorbe la luz incidente.
Además, la primera unión de túnel comprende una capa Ga0,52In0,48P de tipo (N+) o (AI)GaAs de tipo (N+) y una capa de GaAs (Al) de tipo (P+) dispuestas en una dirección que se aleja del sustrato conductor, y cualquiera de la segunda unión de túnel a la N-ésima unión de túnel comprende una capa Ga0,51In0,49P de tipo (N+) o AUGa-i. x4As(x4>x1) de tipo (N+) y una capa Alx5Ga1-x5As(x5>x1) de tipo (P+) dispuesta en dirección que se aleja del sustrato conductor, donde el x4 y el x5 tienen valores tales que A U G a ^ A s y A U G a ^ A s no absorben la luz incidente. En otras palabras, el x4 y el x5 pueden ajustarse de acuerdo con la longitud de onda de la luz incidente, cambiando así la composición específica de A U G a ^ A s y A U G a ^ A s para satisfacer los requisitos anteriores.
Aún adicionalmente, las composiciones de la segunda unión de túnel a la N-ésima unión de túnel pueden ser idénticas.
Aún adicionalmente, la N-ésima subcélula AlGaAs se forma además con una capa de dispersión de corriente Ga0,51In0,49P de tipo N o una A U G a ^ A s de tipo N y una capa de contacto óhmico GaAs de tipo (N+), donde el x6 tiene un valor tal que la capa de dispersión de corriente no absorbe la luz incidente. En otras palabras, el x6 puede ajustarse de acuerdo con la longitud de onda de la luz incidente, cambiando así la composición específica de A U G a ^ A s para satisfacer los requisitos anteriores.
En algunas realizaciones, el sustrato conductor es un sustrato de tipo P, y el apilamiento de células fotovoltaicas comprende una primera subcélula de AlGaAs, una primera unión de túnel a una (N-1 )ésima subcélula de AlGaAs, una (N-1)ésima unión de túnel, y una N-ésima subcélula de AlGaAs formada secuencialmente en el sustrato conductor, en el que las uniones de túnel y las subcélulas están dispuestas alternativamente, y ninguna de la primera unión de túnel a la (N-1 )ésima unión de túnel absorbe la luz incidente.
Además, una cualquiera de la primera unión de túnel a la (N-1)-ésima unión de túnel comprende una capa Ga0,52In0,48P de tipo (N+) o A U G a ^ A s de tipo (N+) y una capa A U G a ^ A s de tipo (P+) dispuesta secuencialmente en una dirección que se aleja del sustrato conductor, donde x4>x1, x5>x1, y el x4 y el x5 tienen valores tales que A U G a ^ A s y A U G a ^ A s no absorben la luz incidente. Es decir, el x4 y el x5 pueden ajustarse de acuerdo con la longitud de onda de la luz incidente, cambiando así la composición específica de A U G a ^ A s y A U G a ^ A s para satisfacer los requisitos anteriores.
Aún adicionalmente, las composiciones de materia de la primera unión de túnel a la (N-l)-ésima unión de túnel pueden ser idénticas.
Aún adicionalmente, la N-ésima subcélula AlGaAs se forma además con una capa de dispersión de corriente Gao,52lno,48P de tipo N o A U G a ^ A s de tipo N y una capa de contacto óhmico de GaAs de tipo (N+), donde x6 > x1, y x6 tiene un valor tal que la capa de dispersión de corriente no absorbe la luz incidente. Es decir, el x6 puede ajustarse de acuerdo con la longitud de onda de la luz incidente, cambiando así la composición específica de A U G a ^ A s para satisfacer los requisitos anteriores.
Aún adicionalmente, los grosores de las subcélulas de unión PN de AlGaAs en el apilamiento de células fotovoltaicas se establecen de tal manera que cada subcélula de unión PN de AlGaAs produce la misma fotocorriente cuando absorbe suficientemente la energía láser incidente.
Aún adicionalmente, el grosor de la capa absorbente de cada subcélula de AlGaAs debería garantizar una absorción suficiente de la energía láser incidente y la misma fotocorriente generada en cada subcélula de AlGaAs.
Aún adicionalmente, la superficie receptora de luz de la célula fotovoltaica láser en tándem multiunión está provista además de una película antirreflectante.
Por ejemplo, la superficie receptora de luz se distribuye en la superficie superior de la célula fotovoltaica láser en tándem multiunión.
La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión descrita en la presente solicitud puede utilizar la energía del fotón incidente al máximo mediante la adopción de una estructura en tándem AlGaAs multiunión en la que un intervalo de banda de la capa absorbente AlxiGai-xiAs es igual o ligeramente menor que la longitud de onda de la luz incidente, obteniendo así el máximo voltaje de salida. Por ejemplo, en el caso del láser incidente de 808 nm, la eficiencia de la célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de la presente solicitud puede ser al menos aproximadamente 8% más alta (relación de elevación relativa) que una célula de estructura similar que utiliza GaAs. como capa absorbente.
Otro aspecto de la realización de la presente solicitud proporciona además un método para fabricar la célula fotovoltaica láser en tándem multiunión, que comprende:
formar el apilamiento de células fotovoltaicas sobre la superficie frontal de un sustrato conductor; formar una película dieléctrica sobre el apilamiento de células fotovoltaicas y abrir ventanas sobre la película dieléctrica para exponer al menos una región parcial de la capa de contacto óhmico del apilamiento de células fotovoltaicas;
fabricar un electrodo superior en la capa de contacto óhmico expuesta por las ventanas;
grabar la región, que no está cubierta por el electrodo superior, de la capa de contacto óhmico hasta que la capa de distribución de corriente del apilamiento de células fotovoltaicas esté expuesta; y fabricar un electrodo inferior en la superficie posterior del sustrato conductor.
En algunas realizaciones, el método de fabricación comprende: hacer crecer secuencialmente y formar una pluralidad de subcélulas de unión PN de AlGaAs, uniones de túnel a través de las cuales las subcélulas están conectadas eléctricamente, una capa de difusión de corriente y una capa superior de contacto óhmico fuertemente dopada sobre el sustrato monocristalino conductor, y luego fabricar un electrodo de rejilla superior, un electrodo inferior y una película antirreflectante que comprende un electrodo de rejilla, respectivamente, para formar un dispositivo objetivo. La capa absorbente de cada una de las subcélulas es AlGaAs.
Además, el método de fabricación puede comprender: hacer crecer y formar el apilamiento de células fotovoltaicas usando al menos un método de deposición de vapor químico metaorgánico (MOCVD) y epitaxia de haz molecular (MBE).
Preferiblemente, en el proceso de hacer crecer y formar el apilamiento de células fotovoltaicas, los átomos dopantes de tipo N comprenden Si, Se, S o Te.
Preferiblemente, en el proceso de hacer crecer y formar el apilamiento de células fotovoltaicas, los átomos dopantes de tipo P comprenden Be, Zn, Mg o C.
Además, el método de fabricación puede comprender además: primero adelgazar el sustrato conductor desde el lado posterior y luego fabricar un electrodo inferior en la superficie posterior del sustrato conductor.
Además, el método de fabricación puede comprender además: formar un contacto óhmico entre el electrodo superior y la capa de contacto óhmico usando al menos un método de recocido rápido.
Además, el método de fabricación puede comprender además: fabricar una película antirreflectante sobre la superficie receptora de luz de la célula fotovoltaica láser en tándem multiunión formada.
En algunas realizaciones más específicas de la presente solicitud, el método de fabricación puede comprender los pasos de:
(1) hacer crecer secuencialmente cada capa de material sobre el sustrato monocristalino conductor utilizando el método MOCVD, en el que los átomos dopantes de tipo N son Si, Se, S o Te; los átomos dopantes de tipo P son Zn, Mg o C;
alternativamente, hacer crecer secuencialmente cada capa de material sobre el sustrato monocristalino conductor utilizando el método MBE, en el que los átomos dopantes de tipo N son Si, Se, S o Te; los átomos dopantes de tipo P son Be, Mg o C;
(2) depositar una película dieléctrica en la superficie frontal (capa de contacto de N+ GaAs) de la oblea de células en tándem multiunión crecida epitaxialmente (apilamiento de células fotovoltaicas) y luego fabricar una ventana circular en la película dieléctrica a modo de fotolitografía y grabado para exponer la capa de contacto de N+ GaAs;
(3) preparar un electrodo superior que comprende un electrodo de rejilla en una región circular receptora de luz mediante un paso de homogeneización, fotolitografía, evaporación por haz de electrones (o evaporación térmica o pulverización con magnetrón) de una o más capas de metales y desprendimiento de metal;
(4) eliminar la porción de la capa de contacto de GaAs de tipo (N+) no cubierta por el electrodo de rejilla en la región circular receptora de luz mediante un grabado húmedo hasta que la capa de difusión de corriente esté expuesta;
(5) adelgazar el sustrato mediante pulido mecánico;
(6) fabricar un electrodo plano en la superficie posterior del sustrato mediante evaporación por haz de electrones, evaporación térmica o pulverización con magnetrón de una o más capas de metales;
(7) formar un contacto óhmico entre el metal y el semiconductor usando un método de recocido rápido; (8) fabricar una película antirreflectante sobre la superficie receptora de luz;
(9) eliminar la película antirreflectante en la almohadilla de unión de cables más allá de la superficie circular receptora de luz a modo de fotolitografía, y exponer el metal para la unión de cables;
(10) escindir o trocear la oblea fotovoltaica y separar los chips de células fotovoltaicas láser para completar el proceso de células fotovoltaicas láser.
En algunas realizaciones más específicas de la presente solicitud, se describe una célula fotovoltaica láser en tándem de seis uniones de AlGaAs fabricada sobre un sustrato de GaAs de tipo N. El método de fabricación de la célula fotovoltaica láser comprende los siguientes pasos específicos.
(I) Crecimiento de una oblea epitaxial de una célula fotovoltaica láser en tándem AlGaAs de seis uniones (apilamiento de células fotovoltaicas)
(1) se hace crecer una primera unión de túnel en un sustrato de GaAs de tipo N, la unión de túnel comprende una capa Ga0,52In0,48P de tipo (N+) o (AI)GaAs de tipo (N+) y una capa (Al) GaAs de tipo (P+) dispuestas en una dirección que se aleja del sustrato conductor;
(2) se hacen crecer una capa de campo posterior Alx2Ga1-x2As (x2>x1) de tipo P o Ga0,52In0,48P de tipo P, una región base A ^G a^-iA s de tipo P, una región emisora A f^G a ^ A s de tipo N, una capa de ventana Alx3Ga1-x3As (x3>x1) de tipo N o Ga0,52In0,48P de tipo N (emparejado en estructura cristalina con GaAs) en la segunda unión de túnel para formar una primera subcélula de AlGaAs;
(3) se hace crecer una segunda unión de túnel en la primera subcélula de AlGaAs, comprendiendo la unión de túnel una capa Ga0,52In0,48P de tipo (N+) o AUGa1-x4As de tipo (N+) (x4>x1) y una capa A^Ga-ix5As (x5>x1) de tipo (P+) dispuesta en dirección opuesta al sustrato conductor, donde el x4 y el x5 tienen valores tales que AUGa-i^As y AUGa-i^As no absorben la luz incidente;
(4) se hacen entonces crecer secuencialmente una unión de túnel (cuya estructura es la misma que la de la primera unión de túnel) y una subcélula de AlGaAs a la sexta subcélula de AlGaAs;
(5) se hace crecer una capa de contacto de GaAs de tipo (N+) (mayor que 4*1018cm-3) en la capa de ventana A f^G a ^ A s de tipo N (x6>x1) o Ga0,52ln0,48P de la sexta subcélula de AlGaAs para uso como capa de contacto óhmico, donde el x6 se establece de tal manera que la capa de difusión de corriente amplia no absorbe la luz incidente.
Cada capa estructural en la oblea epitaxial de la célula fotovoltaica láser GaAs de seis uniones se hace crecer utilizando el método MOCVD o MBE.
Cuando se usa MOCVD, los átomos dopantes de tipo N son Si, Se, S o Te, y los átomos dopantes de tipo P son Zn, Mg o C.
Cuando se usa MBE, los átomos dopantes de tipo N son Si, Se, S, Sn o Te, y los átomos dopantes de tipo P son Be, Mg o C.
(II) Fabricación de dispositivos (células fotovoltaicas láser en tándem multiunión)
(1) una película dieléctrica de SO2 se deposita en la superficie frontal (capa de contacto de N+ GaAs) de la oblea de células en tándem de seis uniones de AlGaAs crecida epitaxialmente utilizando el PECVD, y luego se abre una ventana circular en el SO2 a modo de fotolitografía y grabado para exponer la capa de contacto de N+ GaAs;
(2) se prepara un electrodo superior que comprende un electrodo de rejilla en una región circular receptora de luz mediante un paso de homogeneización, fotolitografía, evaporación por haz de electrones (o evaporación térmica o pulverización con magnetrón) de AuGe/Ni/Au y despegue de metal;
(3) la porción de la capa de contacto de GaAs de tipo (N+) que no está cubierta por el electrodo de rejilla en la región circular receptora de luz se graba con una solución química hasta que la capa de difusión de corriente queda expuesta;
(4) la oblea se adelgaza hasta aproximadamente 100 μm mediante pulido mecánico;
(5) se fabrica un electrodo plano en la superficie posterior del sustrato mediante evaporación por haz de electrones, evaporación térmica o pulverización con magnetrón de una o más capas de metales (AuGe/Ni/Au se utilizan para el sustrato de GaAs tipo N, Ti/ Pd/Au se utilizan para el sustrato de GaAs tipo P);
(6) se forma un contacto óhmico entre los metales y los semiconductores utilizando un método de recocido térmico rápido;
(7) se fabrica una película antirreflectante sobre la superficie receptora de luz;
(8) la película antirreflectante se elimina en las almohadillas de unión de cables más allá de la superficie receptora de luz circular mediante unión de cables, y el metal queda expuesto para la unión de cables; (9) la oblea de la célula fotovoltaica láser se escinde o trocea y se separa para completar el procesamiento de la célula fotovoltaica láser.
En la célula fotovoltaica láser multiunión de la presente solicitud, se utiliza AlxiGai-xiAs como una capa absorbente para convertir la energía del láser, y el componente de Al de AlGaAs se ajusta de tal manera que la longitud de onda de la luz incidente sea menor o igual que el límite de longitud de onda larga de absorción de AlGaAs, de tal manera que la pérdida por relajación térmica en el proceso de conversión de energía fotónica se minimiza. En el caso de que la luz incidente sea un láser con una longitud de onda de aproximadamente 808 nm, el voltaje de circuito abierto de la célula fotovoltaica láser de Alo,o7Gao,93As se puede aumentar en aproximadamente 8% en comparación con la célula fotovoltaica láser de GaAs, lo que mejora significativamente la eficiencia de conversión de la célula fotovoltaica láser.
Las soluciones técnicas de la presente solicitud se explican con más detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos y realizaciones.
Haciendo referencia a la FIG. 1, FIG. 2 y FIG. 3, una célula fotovoltaica láser en tándem de AlGaAs de seis uniones para convertir una luz de 808 nm se describe en una realización de ejemplo de la presente solicitud, que puede comprender un sustrato de GaAs 01, una primera unión de túnel 02, una primera subcélula de AlGaAs 03, una segunda unión de túnel 04, una segunda subcélula de AlGaAs 05, una tercera unión de túnel 06, una tercera subcélula de AlGaAs 07, una cuarta unión de túnel 08, una cuarta subcélula de AlGaAs 09, una quinta unión de túnel 10, una quinta subcélula de AlGaAs 11, una sexta unión de túnel 12, una sexta subcélula de AlGaAs 13, una capa de difusión de corriente 14, una capa de contacto óhmico de GaAs 15, un electrodo de cátodo 50, un electrodo de ánodo 51, una película antirreflectante 52, una almohadilla de unión de cables 61, una superficie receptora de luz 62, una línea de rejilla de electrodos 63, etc., donde la primera subcélula de AlGaAs hasta la sexta subcélula de AlGaAs 03, 05, 07, 09, 11 y 13 comprenden una capa de campo posterior AlGaAs o GaInP 30, una región base de AlGaAs 31, una región emisora de AlGaAs 32, una capa de ventana de AlGaAs o GaInP 33; la primera unión de túnel 02 comprende capas de (AI)GaAs o GaInP 20 y (Al)GaAs 21; la segunda unión de túnel a la sexta unión de túnel 04, 06, 08, 10 y 12 comprende la capa (AI)GaAs o GaInP 40 y AlGaAs 41.
El método de fabricación de la célula fotovoltaica láser en tándem de AlGaAs de seis uniones comprende específicamente los siguientes pasos.
(I) Crecimiento de una oblea epitaxial de una célula fotovoltaica láser en tándem de seis uniones de AlGaAs utilizando el método MOCVD
(1) se hace crecer una primera unión de túnel 02 en un sustrato de GaAs 01 de tipo N (1-2*1018 cm-3, que tiene un grosor de 350 μm), que comprende una capa de GaAs de tipo (N+) 20 que tiene una concentración dopada con Si de 1 * 1019 cm-3 de 20 nm y una capa de Al0.3Ga0.7As de tipo (P+) 21 que tiene una concentración de C de 4*1019 cm-3 de 20nm;
(2) se hace crecer Alo,2Gao,8As 30 de tipo P que tiene una concentración dopada con C de 1 * 1018 cm-3 de 30 nm como el campo posterior de la primera subcélula de AlGaAs 03, y luego se hace crecer Al0.07Ga0.93As 31 con una concentración dopada con C de 4 * 1017 cm-3 de 2090 nm como la región base de la primera subcélula 03, luego se hace crecer Al0.07Ga0.93As 32 dopada con Si con una concentración de Si de aproximadamente 1 * 1018 cm-3 de 200 nm como la región emisora de la primera subcélula 03. y luego se hace crecer Al0.2Ga0.8As 33 dopada con Si a 1*1018 cm-3 de 40 nm como la capa de ventana de la primera subcélula 03;
(3) se hace crecer Al0.15Ga0.85As 40 que tiene una concentración de dopaje de Si de 1 * 1019cm-3 de 20 nm como la capa de N+ de la segunda unión de túnel 04. y se hace crecer una capa de Al0.3Ga0.7As 41 que tiene una concentración dopada con C de 4 * 1019 cm-3 de 200 nm como la capa P+ de la segunda unión de túnel 04;
(4) Se hacen crecer otras subcélulas de AlGaAs (05. 07. 09. 11 y 13) y uniones de túnel (06. 08. 10 y 12) a la sexta subcélula de AlGaAs 13 alternativamente de forma secuencial utilizando el método anterior. Con el fin de garantizar que el dispositivo absorba el 99% de la luz que incide sobre la célula y satisfaga la misma fotocorriente generada en cada subcélula de AlGaAs. los grosores de las capas absorbentes de la subcélula se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Grosor aproximado (nm) de las capas absorbentes de la subcélula AlGaAs
Figure imgf000008_0001
(5) se hacen crecer Ga0.52In0.48P 14 que tiene una concentración de dopaje de Si de 1 * 1018 cm-3 de 1000 nm y la capa de contacto óhmico de GaAs 15 que tiene una concentración de dopaje de Si de 6*1018 cm-3 de 100 nm sobre la capa de ventana de la sexta subcélula de AlGaAs 13 para completar el crecimiento de la oblea epitaxial. cuya estructura se puede ver en la FIG. 1.
(II) Procesamiento de las células fotovoltaicas láser en tándem de AlGaAs de seis uniones
(1) un SO2 de 200 nm se deposita en la superficie frontal (capa de contacto de N+ GaAs 15) de la oblea de células en tándem de AlGaAs crecida epitaxialmente usando el PECVD. luego el fotorresistente se recubre por rotación en el SiO2. el patrón de la máscara fotolitográfica se transfiere al fotorresistente mediante exposición y revelado del fotorresistente para exponer la superficie de SO2; luego se graba una ventana circular con un diámetro de 2.2 mm en SO2 mediante el uso de solución de grabado de tampón HF con el fotorresistente como máscara para exponer la capa de contacto de N+ GaAs;
(2) el fotorresistente luego se recubre por rotación en la superficie frontal de la oblea. y el patrón de electrodo superior en la máscara fotolitográfica se transfiere al círculo previamente preparado al exponer y revelar el fotorresistente para exponer una porción de la capa de contacto de N+ GaAs para fabricar un electrodo de rejilla;
(3) Las capas de metal de AuGe/Ni/Au (35/10/100 nm). Ag de 1000 nm y Au de 100 nm se depositan secuencialmente en la superficie frontal de la oblea utilizando la evaporación por haz de electrones como el electrodo superior 50. el método de desprendimiento se utiliza para eliminar el metal de la región innecesaria. y un electrodo superior que comprende una línea de rejilla que tiene un ancho de 6 μm y una separación de 250 μm en una superficie circular receptora de luz que tiene un diámetro de 2 mm;
(4) el área de la capa de contacto de GaAs de tipo (N+) no cubierta por el electrodo de rejilla en la región circular receptora de luz se graba con una solución química hasta que la capa de difusión de corriente Ga0.52In0.48P 14 de la sexta subcélula de AlGaAs esté expuesta;
(5) el sustrato de GaAs 01 se adelgaza hasta aproximadamente 100 μm puliendo mecánicamente la parte posterior;
(6) AuGe/Ni/Au (35/10/100 nm) se deposita secuencialmente utilizando la evaporación por haz de electrones en el sustrato de GaAs 01 en la superficie posterior de la oblea para formar una capa de electrodo inferior 51 y. en este momento. refiérase a la FIG. 2 para la estructura del producto terminado del dispositivo de célula fotovoltaica láser en tándem de seis uniones de AlGaAs obtenido;
(7) se forma un contacto óhmico entre el metal y el GaAs de tipo N recociendo la oblea en una atmósfera de N2 a 420°C durante 90 segundos utilizando un método de recocido térmico rápido;
(8) Un recubrimiento antirreflectante de doble capa de TiO2 de 43 nm/SiO2 de 102 nm 52 se evapora sobre la superficie receptora de luz usando un agente de recubrimiento óptico;
(9) la película antirreflectante en las almohadillas de unión de cables fuera de la superficie circular receptora de luz a modo de fotolitografía, y la capa de metal queda expuesta para la unión de cables; (10) los chips de células fotovoltaicas láser se escinden o trocean para completar el procesamiento de células fotovoltaicas láser, y refiérase a la FIG. 3 para la estructura del producto terminado del dispositivo de célula fotovoltaica láser en tándem de seis uniones de AlGaAs.
Debe entenderse que lo anterior es solo un ejemplo de realización preferido de esta solicitud, y no impone ninguna limitación en el alcance de la protección de la presente solicitud, tal como se define en el asunto objeto de las reivindicaciones.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Una célula fotovoltaica láser en tándem multiunión para una luz incidente que tiene una longitud de onda en el rango de 650 a 830 nm, que comprende un apilamiento de células fotovoltaicas y un electrodo inferior (51) y un electrodo superior (50) conectados eléctricamente a una parte inferior y una parte superior del apilamiento de células fotovoltaicas, respectivamente, en la que el apilamiento de células fotovoltaicas comprende N subcélulas de unión PN de AlGaAs apiladas (03, 05, 07, 09, 11, 13), y subcélulas adyacentes están conectadas en serie a través de una unión de túnel (02, 04, 06, 08, 10, 12), en la que N>2,
en la que una capa absorbente de luz en cada una de las subcélulas de unión PN de AlGaAs comprende una región base A ^ G a ^ A s de tipo P (31) y una región emisora A ^ G a ^ A s de tipo N (32), en la que x1 tiene un valor tal que la longitud de onda de la luz incidente es menor o igual que el límite de longitud de onda larga de absorción de Alx1Ga1-x1As, y el x1 es 0,02 a 0,38,
en la que la parte inferior de apilamiento de células fotovoltaicas está conectada eléctricamente al electrodo inferior a través de un sustrato conductor (01),
en la que el apilamiento de células fotovoltaicas está formado sobre el sustrato conductor, caracterizado porque cada una de las subcélulas de AlGaAs comprende una capa de campo de superficie posterior A ^ G a ^ A s de tipo P, una región base A ^ G a ^ A s de tipo P, una región emisora Alx1Ga1-x1As de tipo N, una capa de ventana Alx3Ga1-x3As de tipo N dispuesta secuencialmente en una dirección que se aleja del sustrato conductor, en la que el x2 y el x3 tienen un valor tal que A ^ G a ^ A s y A ^ G a ^ A s no absorben la luz incidente.
2. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el sustrato conductor es un sustrato monocristalino conductor; preferiblemente, el material del sustrato monocristalino conductor comprende GaAs o Ge.
3. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con la reivindicación 2, en la que el sustrato conductor utiliza un sustrato monocristalino conductor de GaAs, y el Alx2Ga1-x2As de tipo P en la capa de campo de superficie posterior está emparejado en estructura cristalina con GaAs.
4. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el apilamiento de células fotovoltaicas está provisto secuencialmente de una capa de difusión de corriente (14) y una capa de contacto óhmico (15), la capa de contacto óhmico está conectada eléctricamente al electrodo superior, la capa de difusión de corriente no absorbe la luz incidente; preferiblemente, el material de la capa de contacto óhmico comprende GaAs.
5. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el sustrato conductor utiliza un sustrato de tipo N, y el apilamiento de células fotovoltaicas comprende una primera unión de túnel, una primera subcélula de AlGaAs a una N-ésima unión de túnel, y una N-ésima subcélula de AlGaAs formada secuencialmente sobre el sustrato conductor, en el que las uniones de túnel y la subcélula están dispuestas alternativamente, y ninguna de la primera unión de túnel a la N-ésima unión de túnel absorbe la luz incidente.
6. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con la reivindicación 5, en la que la primera unión de túnel comprende una capa de Ga0,52ln0,48P de tipo (N+) o (AI)GaAs de tipo (N+) (20) y una capa de GaAs (Al) de tipo (P+) (21) dispuestas en una dirección que se aleja del sustrato conductor, y cualesquiera de la segunda unión de túnel a la N-ésima unión de túnel comprende una capa de Ga0,51ln0,4gP de tipo (N+) o AUGa1_x4As(x4>x1) de tipo (N+) (40) y una capa de Alx5Ga1-x5As(x5>x1) de tipo (P+) (41) dispuesta en una dirección que se aleja del sustrato conductor, en la que el x4 y el x5 tienen valores tales que A U G a ^ A s y A ^ G a ^ A s no absorben la luz incidente.
7. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con la reivindicación 5, en la que la N-ésima subcélula AlGaAs está formada además con una capa de difusión de corriente Ga0,51ln0,49P de tipo N o una Alx6Ga1-x6As de tipo N y una capa de contacto óhmico de GaAs de tipo (N+), en la que el x6 tiene un valor tal que la capa de difusión de corriente no absorbe la luz incidente.
8. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el sustrato conductor utiliza un sustrato de tipo P, y el apilamiento de células fotovoltaicas comprende una primera subcélula de AlGaAs, una primera unión de túnel a una (N-1)ésima subcélula de AlGaAs, una (N-1 )ésima unión de túnel y una N-ésima subcélula de AlGaAs formada secuencialmente en el sustrato conductor, en la que las uniones de túnel y las subcélulas están dispuestas alternativamente, y ninguna de la primera unión de túnel hasta la (N-1)ésima unión de túnel absorbe la luz incidente.
9. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con la reivindicación 8, en la que una cualquiera de la primera unión de túnel a la (N-1)ésima unión de túnel comprende una capa de Ga0,52ln0,48P de tipo (N+) o A U G a ^ A s de tipo (N+) y una capa de A U G a ^ A s de tipo (P+) dispuestas secuencialmente en una dirección que se aleja del sustrato conductor, en la que x4>x1, x5>x1, y el x4 y el x5 tienen valores tales que A U G a ^ A s y A U G a i^A s no absorben la luz incidente.
10. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con la reivindicación 8, en la que la N-ésima subcélula AlGaAs está formada además con una capa de difusión de corriente Ga0,52In0,48P de tipo N o AUGa1-x6As de tipo N y una capa de contacto óhmico de GaAs de tipo (N+), en la que x6 > x1, y el x6 tiene un valor tal que la capa de difusión de corriente no absorbe la luz incidente.
11. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 6, 7, 9, 10, en la que el grosor de cada una de las subcélulas de unión PN de AlGaAs en el apilamiento de células fotovoltaicas es tal que cada una de las subcélulas de unión PN de AlGaAs produce la misma fotocorriente cuando absorbe suficientemente la energía del láser incidente.
12. La célula fotovoltaica láser en tándem multiunión de acuerdo con la reivindicación 1, en la que una superficie receptora de luz (62) de la célula fotovoltaica láser en tándem multiunión está provista además de una película antirreflectante (52); preferiblemente, la superficie receptora de luz se distribuye sobre la superficie superior de la célula fotovoltaica láser en tándem multiunión.
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