專利名稱：正裝四結(jié)太陽電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽電池領(lǐng)域，尤其涉及一種含鉍化物的GaAs基正裝四結(jié)太陽電池及其制備方法，該四結(jié)太陽電池可實(shí)現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，具有較高的電池效率。
背景技術(shù)：
在GaAs基太陽電池的研制過程中，為了提高電池的轉(zhuǎn)換效率，需要對太陽光譜進(jìn)行劃分，采用與之相匹配的不同帶隙寬度子電池進(jìn)行串聯(lián)，以達(dá)到充分利用太陽光的目的。由于晶格常數(shù)對材料的限制，與GaAs襯底晶格匹配且具有理想帯隙的材料選擇較少，目前研究較為成熟的是晶格匹配生長的雙結(jié)電池，主要包括GalnP/GaAs體系和AlGaAs/GaAs體系，其最高轉(zhuǎn)換效率為采用AlGaAs/GaAs體系的32.6% (1026倍聚光)。然而該雙結(jié)電池由于本身具有較寬的帯隙，難以吸收長波長的太陽光譜部分，降低了對太陽光的利用率。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，需要插入窄帯隙材料做成子電池，以吸收光譜的長波長部分。為了達(dá)到上述目的，研究人員往往利用晶格異變技術(shù)在GaAs襯底上生長與其晶格失配的窄帯隙的InGaAs子電池，然而該技術(shù)需要生長較厚的晶格異變緩沖層，增加了生產(chǎn)成本，并對生長技術(shù)提出了更高的要求。獲得窄帯隙子電池的另一途徑是采用晶片鍵合的方法，將晶格失配具有合理帶隙組合的電池鍵合在一起，實(shí)現(xiàn)電流匹配，提高電池效率。但是晶片鍵合一般需要兩個(gè)襯底，不僅增加了電池的制作成本，而且鍵合部分也給工藝帶來很大的挑戰(zhàn)，增加了電池的制作難度。如何實(shí)現(xiàn)多結(jié)太陽電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時(shí)而又不提高電池制作成本和難度成為當(dāng)前太陽電池亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種正裝四結(jié)太陽電池及其制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中為了獲得高效四結(jié)電池會(huì)增加電池的制作成本以及制作工藝復(fù)雜度的問題。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種正裝四結(jié)太陽電池，包括GaAs襯底以及采用GaNAsBi材料制作的兩結(jié)子電池，所述兩結(jié)子電池的晶格常數(shù)均與所述GaAs襯底匹配。進(jìn)一步，所述兩結(jié)子電池分別為GaNAsBi底電池以及GaNAsBi中間電池，所述太陽電池包括在GaAs襯底上依次連接的GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、GaNAsBi中間電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)以及GaInP頂電池，所述GaInP頂電池和所述GaAs襯底上分別設(shè)有電極。進(jìn)一步，所述GaNAsBi底電池中N的組分為2.40%, Bi的組分為4.18%，所述GaNAsBi底電池的帶隙寬度約為0.7eV。進(jìn)一步，所述GaNAsBi中間電池中N的組分為1.30%, Bi的組分為2.23%，所述GaNAsBi中間電池的帶隙寬度約為1.0OeV。進(jìn)一步，所述太陽電池的帶隙組合為1.90 eV、1.42 eV、 1.00 eV、 0.7eV。
為了解決上述問題，本發(fā)明還提了一種本發(fā)明所述的正裝四結(jié)太陽電池的制備方法，包括步驟:1)在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、GaNAsBi中間電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP頂電池以及歐姆接觸層；2)分別在所述GaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標(biāo)太陽電池。進(jìn)一步，所述正裝四結(jié)太陽電池外延采用MOCVD法或MBE法生長形成。本發(fā)明提供的正裝四結(jié)太陽電池及其制備方法，優(yōu)點(diǎn)在于:
1.所有子電池晶格常數(shù)與GaAs襯底匹配，避免了晶格異變技術(shù)中要求生長較厚的緩沖層對材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本，制備工藝簡單。2.帶隙組合為1.9(^￥、1.426￥、約1.0(^￥、約0.76￥，具有較高的開路電壓，各個(gè)子電池的電流匹配，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，提高了電池效率。3.采用正裝生長方法生長，避免了倒置生長電池結(jié)構(gòu)需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的復(fù)雜工藝，降低了電池的制作難度。


圖1所示為本發(fā)明一具體實(shí)施方式
提供的正裝四結(jié)太陽電池采用正裝方式生長的結(jié)構(gòu)不意 圖2為圖1所示的正裝四結(jié)太陽電池制成品的結(jié)構(gòu)示意 圖3所示為本發(fā)明一具體實(shí)施方式
提供的正裝四結(jié)太陽電池的制備方法步驟流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對 本發(fā)明提供的正裝四結(jié)太陽電池及其制備方法做詳細(xì)說明。首先結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述正裝四結(jié)太陽電池的具體實(shí)施方式
。參考附圖1、2所示，其中，圖1是本具體實(shí)施方式
提供的正裝四結(jié)太陽電池采用正裝方式生長的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1所示的正裝四結(jié)太陽電池制成品的結(jié)構(gòu)示意圖，接下來對附圖1、2所示的結(jié)構(gòu)做詳細(xì)說明。在對GaAs材料的研究中發(fā)現(xiàn)N和Bi的摻入可以調(diào)節(jié)材料的帶寬和晶格常數(shù)，因此通過選擇合適N和Bi的組分可以使GaNAsBi四元材料具有理想的帶寬和合適的晶格常數(shù)，這使GaNAsBi材料成為與GaAs襯底匹配的窄帶隙子電池的理想材料。 本具體實(shí)施方式
提供一種采用正裝方式生長的四結(jié)太陽電池，其中兩結(jié)子電池采用GaNAsBi材料制作而成，所述兩結(jié)子電池的晶格常數(shù)均與太陽電池的GaAs襯底匹配，可實(shí)現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，得到較高的開路電壓，減小電流失配。本具體實(shí)施方式
中所述兩結(jié)子電池分別為GaNAsBi底電池23以及GaNAsBi中間電池21。所述太陽電池包括在GaAs襯底24上依次連接的GaNAsBi底電池23、第一隧道結(jié)22,GaNAsBi中間電池21、第二隧道結(jié)20、GaAs子電池19、第三隧道結(jié)18以及GaInP頂電池17，所述GaInP頂電池17和所述GaAs襯底24上分別設(shè)有電極(如圖2所示電極16、25)。所述正裝四結(jié)太陽電池的帶隙組合為1.90eV、1.42eV、約l.0OeV、約0.7eV，具有較高的開路電壓，各個(gè)子電池的電流匹配，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，提高了電池效率。所述GaNAsBi底電池23的晶格常數(shù)與GaAs襯底24匹配。所述GaNAsBi底電池23包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底24方向設(shè)置的材料為GaNAsBi的底電池基區(qū)01，以及在基區(qū)Ol上設(shè)置的材料為GaNAsBi的底電池發(fā)射區(qū)02。其中，所述GaNAsBi底電池23中N和Bi的組分分別約為2.40%,4.18%，其帶隙寬度約為0.7eV。所述第一隧道結(jié)22包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底24方向設(shè)置的GaInP或(In)GaAs 重慘層 03 以及(Al) GaAs 重慘層 04。其中，(In) GaAs 表不 InGaAs 或 GaAs, (Al) GaAs表不 AlGaAs 或 GaAs。所述GaNAsBi中間電池21的晶格常數(shù)與GaAs襯底24匹配。所述GaNAsBi中間電池21包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底24方向設(shè)置的材料為GaNAsBi的中間電池基區(qū)05，以及在基區(qū)05上設(shè)置的材料為GaNAsBi的中間電池發(fā)射區(qū)06。其中，所述的GaNAsBi中間電池21中N和Bi的組分分別約為1.30%,2.23%，其帶隙寬度約為1.0OeV。所述第二隧道結(jié)20包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底24方向設(shè)置的GaInP或GaAs重?fù)綄?7以及GaAs重?fù)綄?8。所述GaAs子電池19包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底24方向設(shè)置的GaAs基區(qū)09以及GaAs發(fā)射區(qū)10。所述第三隧道結(jié)18包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底24方向設(shè)置的GaInP或GaAs重?fù)綄?1以及(Al)GaAs重?fù)綄?2 ;其中，(Al)GaAs表示AlGaAs或GaAs。所述GaInP頂電池17包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底24方向設(shè)置的GaInP基區(qū)13以及GaInP發(fā)射區(qū)14。在本具體實(shí)施方式
中，在GaInP頂電池17上還設(shè)有GaAs層作為歐姆接觸層15，其摻雜類型為N型。所述正裝四結(jié)太陽電池在所述GaInP頂電池17和GaAs襯底24上分別設(shè)有電極。在本具體實(shí)施方式
中，GaInP頂電池17上設(shè)有電極16，電極16位于歐姆接觸層15上表面；GaAs襯底24上設(shè)有電極25，電極25位于GaAs襯底24的背面，從而獲得所需的太陽電池。本發(fā)明提供的正裝四結(jié)太陽電池所有子電池晶格與GaAs襯底匹配，避免了晶格異變技術(shù)中要求生長較厚的緩沖層對材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本，制備工藝簡單。且所述正裝四結(jié)太陽電池的帶隙組合為1.90eV、1.42eV、約l.0OeV、約0.7eV，具有較高的開路電壓，各個(gè)子電池的電流匹配，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，可實(shí)現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，提聞了電池效率。接下來結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述正裝四結(jié)太陽電池制備方法的具體實(shí)施方式
。參考附圖3，本具體實(shí)施方式
提供的正裝四結(jié)太陽電池制備方法的流程圖，接下來對附圖3所示的步驟做詳細(xì)說明。步驟S301，在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、GaNAsBi中間電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP頂電池以及歐姆接觸層。在GaAs襯底上生長GaNAsBi底電池，所述GaNAsBi底電池包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向生長的材料為GaNAsBi的底電池基區(qū)，以及在基區(qū)上生長的材料為GaNAsBi的底電池發(fā)射區(qū)。其中，所述GaNAsBi底電池中N和Bi的組分分別約為2.40%,4.18%，其帶隙寬度約為0.7eV。在GaNAsBi底電池上生長第一隧道結(jié)，所述第一隧道結(jié)包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的GaInP或(In)GaAs重?fù)綄右约?Al)GaAs重?fù)綄?。在第一隧道結(jié)上生長GaNAsBi中間電池，所述GaNAsBi中間電池包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的材料為GaNAsBi的中間電池基區(qū)，以及在基區(qū)上設(shè)置的材料為GaNAsBi的中間電池發(fā)射區(qū)。其中，所述的GaNAsBi中間電池中N和Bi的組分分別約為
1.30%、2.23%，其帶隙寬度約為1.0OeV。在GaNAsBi中間電池上生長第二隧道結(jié)，所述第二隧道結(jié)包括依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的GaInP或GaAs重?fù)綄右约癎aAs重?fù)綄?。在第二隧道結(jié)上生長GaAs子電池，所述GaAs子電池包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的GaAs基區(qū)以及GaAs發(fā)射區(qū)。在GaAs子電池上生長第三隧道結(jié)，所述第三隧道結(jié)包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的GaInP或GaAs重?fù)綄右约?Al)GaAs重?fù)綄?。在第三隧道結(jié)上生長GaInP頂電池，所述GaInP頂電池包含依次按照逐漸遠(yuǎn)離GaAs襯底方向設(shè)置的GaInP基區(qū)以及GaInP發(fā)射區(qū)。在本具體實(shí)施方式
中，在GaInP頂電池上還生長GaAs層作為歐姆接觸層，其摻雜類型為N型。步驟S302，分別在所述GaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標(biāo)太陽電池。將生長的GalnP/GaAs/GaNAsBi/GaNAsBi正裝四結(jié)太陽電池在GaInP頂電池上的歐姆接觸層的表面制備上電極(例如N電極)，在GaAs襯底背面制備下電極(例如P電極)，從而獲得所需的太陽電池。上述生長過程可米用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition ,金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)或MBE (Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)方式生長。本發(fā)明提供的正裝四結(jié)太陽電池制備方法采用正裝生長，避免了倒置生長電池結(jié)構(gòu)需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的復(fù)雜工藝，降低了電池的制作難度。接下來結(jié)合附圖1、2給出本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，對本發(fā)明提供的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明，本優(yōu)選實(shí)施例采用MOCVD方法生長本發(fā)明所述正裝四結(jié)太陽電池。(I)在P型GaAs襯底24上生長P型摻雜約3 X 1017cnT3、厚度3.0微米的GaNAsBi重?fù)綄幼鳛镚aNAsBi底電池的基區(qū)01，再生長N型摻雜約2X1018 cm_3、厚度0.2微米的GaNAsBi重?fù)綄幼鳛镚aNAsBi底電池的發(fā)射區(qū)02。(2)生長N型摻雜濃度大于IX IO19 cm_3、厚度0.015微米的GaInP或(In)GaAs重?fù)綄?3，然后生長P型摻雜濃度大于IX IO19 cm_3、厚度0.015微米的(Al)GaAs重?fù)綄?4，形成第一隧道結(jié)22。(3)生長P型摻雜濃度約3X IO17 cm_3、厚度3.0微米的GaNAsBi重?fù)綄幼鳛镚aNAsBi中間電池21的基區(qū)05，再生長N型摻雜濃度約2X IO18 cm_3、厚度0.2微米的GaNAsBi重?fù)綄幼鳛镚aNAsBi中間電池21的發(fā)射區(qū)06。(4)生長N型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的GaInP或GaAs重?fù)綄?7，然后生長P型摻雜濃度大于IXlO19 cm_3、厚度0.015微米的GaAs重?fù)綄?8，形成第二隧道結(jié)20。(5)生長P型摻雜濃度約I X IO17 cm_3、厚度約3微米的GaAs重?fù)綄幼鳛镚aAs子電池19的基區(qū)09，生長N型摻雜濃度約2 X IO18 cm_3、厚度0.15微米的GaAs重?fù)綄幼鳛镚aAs子電池19的發(fā)射區(qū)10。
(6)生長N型摻雜濃度大于I X IO19 cm'厚度0.015微米的GaInP或GaAs重?fù)綄?1，生長P型摻雜濃度大于IXlO19 cm_3以上、厚度0.015微米的(Al)GaAs重?fù)綄?2，形成第三隧道結(jié)18。(7)生長P型摻雜濃度約為I X IO17 cm_3、厚度0.5微米的GaInP重?fù)綄幼鳛镚aInP頂電池17的基區(qū)13，再生長N型摻雜濃度約為2 X IO18 cm_3、厚度0.2微米的GaInP重?fù)綄幼鳛镚aInP頂電池17的發(fā)射區(qū)14。(8)然后生長N型摻雜濃度約為6 X IO18 cm_3、厚度0.5微米的GaAs層作為GaInP頂電池17的歐姆接觸層15。用MOCVD方法生長獲得的GalnP/GaAs/GaNAsBi/GaNAsBi正裝四結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。太陽電池的電極制備工藝:在P型GaAs襯底24的背面制備P電極24，在N型歐姆接觸層15的表面制備N電極16，獲得所需的太陽電池，其結(jié)構(gòu)如附圖2所示。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種正裝四結(jié)太陽電池，包括GaAs襯底，其特征在于，還包括采用GaNAsBi材料制作的兩結(jié)子電池，所述兩結(jié)子電池的晶格常數(shù)均與所述GaAs襯底匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正裝四結(jié)太陽電池，其特征在于，所述兩結(jié)子電池分別為GaNAsBi底電池以及GaNAsBi中間電池，所述太陽電池包括在GaAs襯底上依次連接的GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、GaNAsBi中間電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)以及GaInP頂電池，所述GaInP頂電池和所述GaAs襯底上分別設(shè)有電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的正裝四結(jié)太陽電池，其特征在于，所述GaNAsBi底電池中N的組分為2.40%, Bi的組分為4.18%，所述GaNAsBi底電池的帶隙寬度約為0.7eV。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的正裝四結(jié)太陽電池，其特征在于，所述GaNAsBi中間電池中N的組分為1.30%, Bi的組分為2.23%，所述GaNAsBi中間電池的帶隙寬度約為1.0OeV。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的正裝四結(jié)太陽電池，其特征在于，所述太陽電池的帶隙組合為 1.90 eVU.42 eV、 1.00 eV、 0.7eV。
6.一種權(quán)利要求1所述的正裝四結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，包括步驟:I)在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、GaNAsBi中間電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP頂電池以及歐姆接觸層；2)分別在所述GaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標(biāo)太陽電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的正裝四結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，所述正裝四結(jié)太陽電池外延采用MOCVD法或MBE法生長形成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種正裝四結(jié)太陽電池，包括在GaAs襯底上依次連接的GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、GaNAsBi中間電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)以及GaInP頂電池，所述GaInP頂電池和所述GaAs襯底上分別設(shè)有電極。本發(fā)明所有子電池晶格常數(shù)與GaAs襯底匹配，降低了生產(chǎn)成本，制備工藝簡單。帶隙組合為1.90eV、1.42eV、約1.00eV、約0.7eV，具有較高的開路電壓，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，提高了電池效率。采用正裝生長方法生長，避免了倒置生長電池結(jié)構(gòu)需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的復(fù)雜工藝，降低了電池的制作難度。
文檔編號H01L31/18GK103199130SQ201310082859
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者孫玉潤, 董建榮, 李奎龍, 曾徐路, 于淑珍, 趙勇明, 趙春雨, 楊輝 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所