一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及太陽能光伏的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，太陽能電池從技術(shù)發(fā)展歷史來看，大體可以分為三大類:第一代晶硅太陽能電池、第二代薄膜太陽能電池和第三代砷化鎵聚光(多結(jié))太陽能電池。砷化鎵多結(jié)太陽能電池因其轉(zhuǎn)換效率明顯高于晶硅電池而被廣泛地應(yīng)用于聚光光伏發(fā)電(CPV)系統(tǒng)和空間電源系統(tǒng)。砷化鎵多結(jié)電池的主流結(jié)構(gòu)是由GaInP、GaInAs和Ge子電池組成的GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)太陽能電池，電池結(jié)構(gòu)上整體保持晶格匹配，帶隙組合為1.85/1.40/0.67eV。然而，對于太陽光光譜，這種三結(jié)電池的帶隙組合并不是最佳的，由于GaInAs子電池和Ge子電池之間較大的帶隙差距，這種結(jié)構(gòu)下Ge底電池的短路電流要比中電池和頂電池的大很多，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流限制原因，這種結(jié)構(gòu)造成了很大一部分光子能量不能被充分轉(zhuǎn)換利用，限制了電池性能的提尚。
[0003]理論分析表明，半導(dǎo)體化合物六結(jié)太陽能電池可以優(yōu)化帶隙組合，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率，但是在材料選擇上必須保持晶格匹配，這樣才能保證外延材料的晶體質(zhì)量。近些年來，研究者發(fā)現(xiàn)GaInNAs四元合金材料中，通過調(diào)節(jié)In和N的組分，并保持In組分約為N組分的3倍，就能使得GaInNAs的光學(xué)帶隙達(dá)到0.9?1.4eV，并且與Ge襯底(或GaAs襯底)晶格匹配。因此，基于 Ge 襯底可以生長得到 AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/Gal-3yIn3yNyAsl_y/Gal-3xIn3xNxAsl_x/Ge六結(jié)太陽能電池，該六結(jié)電池可以通過調(diào)節(jié)各個(gè)子電池的材料參數(shù)保持晶格匹配，并可以將帶隙組合優(yōu)化為2.1/1.7/1.4/1.1/0.9/0.67eV，接近六結(jié)電池的最佳理論帶隙組合，其地面光譜聚光效率極限可達(dá)50%以上，空間光譜極限效率可達(dá)38%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)三結(jié)電池，這主要是因?yàn)榱Y(jié)電池可以更加充分地利用太陽光，提高電池的開路電壓和填充因子。
[0004]然而，在GaInNAs材料的實(shí)際制備過程中，由于GaInNAs需要低溫生長才能保證N原子的有效并入，材料中會同時(shí)引入大量的C原子，造成背景載流子濃度過高，影響少子擴(kuò)散長度。此時(shí)，若GaInNAs材料層太厚，并不能形成對光生載流子的有效收集;若GaInNAs材料層太薄則造成電池吸收率太低，不能將相應(yīng)波段的光子完全吸收。因此，如果在GaInNAs材料層下面插入分布式布拉格反射層(DBR，Distributed Brag Reflector)結(jié)構(gòu)則可以有效解決該問題，降低GaInNAs子電池設(shè)計(jì)厚度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以通過調(diào)節(jié)DBR結(jié)構(gòu)反射相應(yīng)波段的太陽光，使初次沒有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相當(dāng)于變相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解決了少子擴(kuò)散長度較小和吸收厚度要求之間的矛盾。另外，由于提供N原子的N源(一般是二甲基肼源)價(jià)格比一般的有機(jī)源都要高出很多，減小GaInNAs材料層厚度還可以降低電池的生產(chǎn)成本。
[0005]總之，這種包含GaInNAs材料和DBR結(jié)構(gòu)的AlGalnP/AlGalnAs/GalnAs/Gal-3yIn3yNyAsl-y/Gal-3xIn3xNxAsl_x/Ge六結(jié)太陽能電池在保證晶格匹配的基礎(chǔ)上，既可以滿足六結(jié)電池帶隙組合的理論設(shè)計(jì)要求，又能解決實(shí)際制備過程中GaInNAs材料少子擴(kuò)散長度較小的問題，還可以節(jié)約電池的生產(chǎn)成本，可最大程度地發(fā)揮六結(jié)電池的優(yōu)勢，提高電池轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提出一種晶格匹配的高效六結(jié)太陽能電池，可以提高GaInNAs子電池收集效率，增加六結(jié)電池短路電流，還可以減少GaInNAs子電池厚度，節(jié)約生產(chǎn)成本，最終發(fā)揮六結(jié)電池的優(yōu)勢，提高電池整體光電轉(zhuǎn)換效率。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案為:一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，包括有Ge襯底，所述Ge襯底為P型Ge單晶片;在所述Ge襯底上面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)由下至上依次設(shè)置有GalnAs/GalnP緩沖層、AlGaAs/GalnAs DBR、Gai—3xIn3xNxAS1—x子電池、AlAs/AlGaAs DBR、Gai—3yIn3yNyAsi—y子電池、GaInAs子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池;所述GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR之間通過第一隧道結(jié)連接，所述Ga1-3xIn3xNxAS1—x子電池和AlAs/AlGaAs DBR通過第二隧道結(jié)連接，所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池和GaInAs子電池通過第三隧道結(jié)連接，所述GaInAs子電池和AlGaInAs子電池通過第四隧道結(jié)連接，所述AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池通過第五隧道結(jié)連接；其中，所述AlGaAs/GaInAs DBR用于反射長波光子，所述AlAs/AlGaAs DBR用于反射中長波光子。
[0008]所述AlGaAs/GalnAsDBR的反射波長為 1250?1350nm，該AlGaAs/GalnAsDBR中AlGaAs/GalnAs組合層的對數(shù)為10?30對。
[0009]所述Ga1-3xIn3xNxAS1—X 子電池中 Ga1-3xIn3xNxAS1—X 材料的光學(xué)帶隙為 0.90 ?0.95eV。
[0010]所述AlAs/AlGaAsDBR的反射波長為900?llOOnm，該AlAs/AlGaAs DBR中AlAs/AlGaAs組合層的對數(shù)為10?30對。
[0011 ]所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池中Ga1-3yIn3yNyAS1—y材料的光學(xué)帶隙為I.10?I.15eV。
[0012]所述GaInAs子電池中GaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.4eV。
[0013]所述AlGaInAs子電池中AlGaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.70?1.75eV。
[0014]所述AlGaInP子電池中AlGaInP材料的光學(xué)帶隙為2.10?2.15eV。
[0015]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0016]本實(shí)用新型的關(guān)鍵在于將GaInNAs材料和DBR結(jié)構(gòu)引入到六結(jié)太陽能電池中，采用GaInNAs材料可以保持電池整體上的晶格匹配，而在GanInsxNxAs1-x子電池和Ga1-3yIn3yNyAsi—y子電池下方分別插入AlGaAs/GalnAs DBR和AlAs/AlGaAsDBR，通過調(diào)節(jié)DBR結(jié)構(gòu)參數(shù)，使初次沒有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相當(dāng)于變相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解決了GaInNAs材料少子擴(kuò)散長度較小和吸收厚度要求之間的矛盾。該電池結(jié)構(gòu)既可以達(dá)到六結(jié)電池的晶格匹配要求，又可以滿足六結(jié)電池帶隙組合的理論設(shè)計(jì)要求，又能解決實(shí)際制備過程中GaInNAs材料少子擴(kuò)散長度較小的問題，還可以節(jié)約電池的生產(chǎn)成本，可最大程度地發(fā)揮六結(jié)電池的優(yōu)勢，提高電池效率。
【附圖說明】

[0017]圖1為本實(shí)用新型所述晶格匹配的六結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0019]如圖1所示，本實(shí)施例所述的晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，包括有Ge襯底，所述Ge襯底為P型Ge單晶片；在所述Ge襯底上面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)由下至上依次設(shè)置有GaInAs/GaInP緩沖層、AlGaAs/GalnAs DBR、Ga1-3xIn3xNxAs1-x子電池、AlAs/AlGaAs DBR、Gai—3yIn3yNyAsi—y子電池、GaInAs 子電池、AlGaInAs 子電池和 AlGaInP子電池;所述 GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR之間通過第一隧道結(jié)連接，所述Ga1-3xIn3xNxAS1—x子電池和AlAs/AlGaAs DBR通過第二隧道結(jié)連接，所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池和GaInAs子電池通過第三隧道結(jié)連接，所述GaInAs子電池和AlGa InAs子電池通過第四隧道結(jié)連接，所述AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池通過第五隧道結(jié)連接。
[0020]所述AlGaAs/GalnAs DBR用于反射長波光子，其反射波長為1250?1350nm，該AlGaAs/GalnAs DBR中AlGaAs/GalnAs組合層的對數(shù)為 10?30對。
[0021 ]所述 Ga1-3xIn3xNxAS1—X 子電池中 Ga1-3xIn3xNxAS1—X 材料的光學(xué)帶隙為 0.90 ?0.95eV。
[0022]所述AlAs/AlGaAs DBR用于反射中長波光子，其反射波長為900?I10nm，該AlAs/AlGaAs DBR中AlAs/AlGaAs組合層的對數(shù)為10?30對。
[0023]所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池中Ga1-3yIn3yNyAS1—y材料的光學(xué)帶隙為I.10?I.15eV。
[0024]所述GaInAs子電池中GaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.4eV。
[0025]所述AlGaInAs子電池中AlGaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.70?1.75eV。
[0026]所述AlGaInP子電池中AlGaInP材料的光學(xué)帶隙為2.10?2.15eV。
[0027]下面為本實(shí)施例上述晶格匹配的六結(jié)太陽能電池的具體制備過程，其情況如下:
[0028]首先，以4英寸P型Ge單晶片為襯底，然后采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD)或分子束外延生長技術(shù)(MBE)在Ge襯底的上表面依次生長GalnAs/GalnP緩沖層、第一隧道結(jié)、AlGaAs/GalnAs DBR、Gai—3xIn3xNxAsi—x子電池、第二隧道結(jié)、AlAs/AlGaAs DBR、Gai—3yIn3yNyAsi—y子電池、第三隧道結(jié)、GaInAs子電池、第四隧道結(jié)、AlGaInAs子電池、第五隧道結(jié)和AlGaInP子電池，即可完成晶格匹配的高效六結(jié)太陽能電池的制備。
[0029]綜上所述，本實(shí)用新型結(jié)合GaInNAs材料自身特點(diǎn)，并利用DBR反射層結(jié)構(gòu)，在六結(jié)太陽能電池的6&1 — 3/1113/仏厶81—/子電池和6&1 — 3丫1113丫化厶81—丫子電池下方分別插入厶16&八8/GaInAs DBR和AlAs/AlGaAs DBR，通過調(diào)節(jié)DBR結(jié)構(gòu)參數(shù)，使初次沒有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相當(dāng)于變相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，這不僅可以達(dá)到晶格匹配的要求，又可以滿足六結(jié)電池帶隙組合的理論設(shè)計(jì)要求，還能解決實(shí)際制備過程中GaInNAs材料少子擴(kuò)散長度較小的問題，并且可以節(jié)約電池的生產(chǎn)成本，可最大程度地發(fā)揮六結(jié)電池的優(yōu)勢，顯著提高電池效率?？傊?，本實(shí)用新型可以更加充分地利用太陽光能量，提高多結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，值得推廣。
[0030]以上所述之實(shí)施例子只為本實(shí)用新型之較佳實(shí)施例，并非以此限制本實(shí)用新型的實(shí)施范圍，故凡依本實(shí)用新型之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，包括有Ge襯底，其特征在于:所述Ge襯底為P型Ge單晶片;在所述Ge襯底上面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)由下至上依次設(shè)置有GalnAs/GalnP緩沖層、AlGaAs/GalnAs DBR、Gai—3xIn3xNxAsi—x子電池、AlAs/AlGaAs DBR、Gai—3yIn3yNyAsi—y子電池、GaInAs子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池；所述GaInAs/GaInP緩沖層和AlGaAs/GaInAs DBR之間通過第一隧道結(jié)連接，所述6&1—3χΙη3χΝχΑ81—χ子電池和AlAs/AlGaAs DBR通過第二隧道結(jié)連接，所述Ga1-3yIn3yNyAs1-y子電池和GaInAs子電池通過第三隧道結(jié)連接，所述GaInAs子電池和AlGaInAs子電池通過第四隧道結(jié)連接，所述AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池通過第五隧道結(jié)連接;其中，所述AlGaAs/GalnAs DBR用于反射長波光子，所述AlAs/AlGaAs DBR用于反射中長波光子。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述AlGaAs/GaInAs DBR的反射波長為 1250?1350nm，該AlGaAs/GalnAs DBR中AlGaAs/GalnAs組合層的對數(shù)為1?30對。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述Ga1-3xIn3xNxAS1—X 子電池中 Ga1-3xIn3xNxAS1—X 材料的光學(xué)帶隙為 0.90 ?0.95eV。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述AlAs/AlGaAs DBR的反射波長為900?I10nm，該AlAs/AlGaAs DBR中AlAs/AlGaAs組合層的對數(shù)為10?30對。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池中Ga1-3yIn3yNyAS1—y材料的光學(xué)帶隙為I.10?I.15eV。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述GaInAs子電池中GaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.4eV。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述AlGaInAs子電池中AlGaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.70?1.75eV。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述AlGaInP子電池中AlGaInP材料的光學(xué)帶隙為2.10?2.15eV。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種晶格匹配的六結(jié)太陽能電池，該電池以p型Ge單晶片為襯底，在Ge襯底上依次設(shè)置有GaInAs/GaInP緩沖層、AlGaAs/GaInAs DBR、Ga1-3xIn3xNxAs1-x子電池、AlAs/AlGaAs DBR、Ga1-3yIn3yNyAs1-y子電池、GaInAs子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池，其中AlGaAs/GaInAs DBR用于反射長波光子，AlAs/AlGaAs DBR用于反射中長波光子。本實(shí)用新型可以使光子被子電池二次吸收利用，提高子電池收集效率，從而提高六結(jié)太陽能電池整體的光電轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)，本實(shí)用新型還可以減小子電池厚度，降低電池生產(chǎn)成本。
【IPC分類】H01L31/074, H01L31/0304, H01L31/052, H01L31/0725
【公開號】CN205385028
【申請?zhí)枴緾N201520934228
【發(fā)明人】張小賓, 王雷, 馬滌非, 劉雪珍, 劉建慶, 張楊, 楊翠柏
【申請人】中山德華芯片技術(shù)有限公司
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2015年11月19日