本實(shí)用新型涉及太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種晶格匹配的五結(jié)太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
從光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，大體可以將太陽(yáng)能電池分為三大類：第一代晶硅太陽(yáng)能電池、第二代薄膜太陽(yáng)能電池和第三代砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)能電池。目前，砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)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)用于聚光光伏系統(tǒng)和空間電源系統(tǒng)。傳統(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GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)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(duì)于太陽(yáng)光光譜，這種多結(jié)電池的結(jié)構(gòu)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底電池的短路電流最大可接近中電池和頂電池的兩倍，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流限制原因，這種結(jié)構(gòu)造成了很大一部分太陽(yáng)光能量不能被充分轉(zhuǎn)換利用，限制了電池性能的提高。
理論分析表明，五結(jié)太陽(yáng)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(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)GaInNAs四元合金材料中，通過(guò)調(diào)節(jié)In和N的組分，并保持In組分約為N組分的3倍，就能得到光學(xué)帶隙在0.9～1.4eV之間的GaInNAs材料，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(zhǎng)得到AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五結(jié)太陽(yáng)能電池，該五結(jié)電池的帶隙組合可調(diào)節(jié)為2.0～2.2/1.6～1.8/1.4/1.0～1.2/0.67eV，接近五結(jié)電池的最佳帶隙組合，其地面光譜聚光效率極限可達(dá)50％，空間光譜極限效率可達(dá)36％，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)三結(jié)電池，這主要是因?yàn)槲褰Y(jié)電池可以更加充分地利用太陽(yáng)光，提高電池的開(kāi)路電壓和填充因子。
在GaInNAs子電池的實(shí)際制備過(guò)程中，由于GaInNAs材料的背景載流子濃度過(guò)高，會(huì)減小材料的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度。此時(shí)，若GaInNAs材料層太厚，并不能形成對(duì)光生載流子的有效收集；若GaInNAs材料層太薄則不能將相應(yīng)波段的光子完全吸收。因此，在GaInNAs子電池下面設(shè)置布拉格反射層(DBR)可以有效解決該問(wèn)題，有效降低GaInNAs電池設(shè)計(jì)厚度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)DBR結(jié)構(gòu)反射相應(yīng)波段的太陽(yáng)光，使第一次沒(méi)有被GaInNAs材料所吸收的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(zhǎng)度較小和吸收厚度要求之間的矛盾，提高了電池的短路電流。另外，由于提供N原子的有機(jī)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。
綜上，這種AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五結(jié)太陽(yáng)能電池既可以滿足五結(jié)電池的晶格匹配要求，又能解決實(shí)際制備過(guò)程中GaInNAs材料少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較小的問(wèn)題，還可以節(jié)約電池的生產(chǎn)成本，可最大程度地發(fā)揮五結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)，提高電池效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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五結(jié)太陽(yáng)能電池，可以提高GaInNAs子電池收集效率，增加五結(jié)電池的整體短路電流，而且可以減少GaInNAs子電池厚度，節(jié)約生產(chǎn)成本，最終發(fā)揮五結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)，提高電池整體光電轉(zhuǎn)換效率。
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：一種晶格匹配的五結(jié)太陽(yáng)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GaInP成核層、GaInAs緩沖層、AlGaAs/GaInAs DBR反射層、GaInNAs子電池、GaInAs子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池；所述AlGaAs/GaInAs DBR反射層和GaInNAs子電池之間通過(guò)第一隧道結(jié)連接，所述GaInNAs子電池和GaInAs子電池之間通過(guò)第二隧道結(jié)連接，所述GaInAs子電池和AlGaInAs子電池通過(guò)第三隧道結(jié)連接，所述AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池通過(guò)第四隧道結(jié)連接。
所述GaInP成核層、GaInAs緩沖層、AlGaAs/GaInAs DBR反射層、GaInNAs子電池、GaInAs子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池的所有材料層與Ge襯底保持晶格匹配。
所述GaInP成核層為n型摻雜層，電子濃度為1×18/cm3～1×19/cm3,厚度為5～20nm；所述GaInAs緩沖層為n型摻雜層，電子濃度為5×17/cm3～1×19/cm3,厚度為500～1500nm；所述AlGaAs/GaInAs DBR的反射波長(zhǎng)為900～1200nm，其中AlGaAs/GaInAs組合層的對(duì)數(shù)為10～30對(duì)。
所述第一隧道結(jié)為p-GaInNAs/n-GaInNAs結(jié)構(gòu)，其中p-GaInNAs和n-GaInNAs的厚度均為6～60nm；所述第二隧道結(jié)為p-GaAs/n-GaAs結(jié)構(gòu)，其中p-GaAs和n-GaAs的厚度均為8～80nm；所述第三隧道結(jié)為p-AlGaAs/n-AlGaAs結(jié)構(gòu)，其中p-AlGaAs和n-AlGaAs的厚度均為10～100nm；所述第四隧道結(jié)為p-AlGaInP/n-AlGaInP結(jié)構(gòu)，其中p-AlGaInP和n-AlGaInP的厚度均為10～100nm。
所述GaInNAs子電池中電池總厚度為1500～3000nm，GaInNAs材料的光學(xué)帶隙為1.0～1.2eV。
所述GaInAs子電池中電池總厚度為1500～3000nm，GaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.38～1.42eV。
所述AlGaInAs子電池中電池總厚度為1500～2500nm，AlGaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.6～1.8eV。
所述AlGaInP子電池中電池總厚度為400～1000nm，AlGaInP材料的光學(xué)帶隙為2.0～2.2eV。
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：
本實(shí)用新型的關(guān)鍵是在保持五結(jié)太陽(yáng)能電池所有材料層的整體晶格匹配的條件下，將DBR反射層引入到五結(jié)電池結(jié)構(gòu)中，在GaInNAs子電池下方插入AlGaAs/GaInAs DBR反射層，通過(guò)調(diào)節(jié)DBR結(jié)構(gòu)參數(shù)，使第一次沒(méi)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(zhǎng)度較小和吸收厚度要求之間的矛盾。該電池結(jié)構(gòu)既可以滿足五結(jié)電池的晶格匹配要求，又能解決實(shí)際制備過(guò)程中GaInNAs材料少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較小的問(wèn)題，還可以節(jié)約電池的生產(chǎn)成本，可最大程度地發(fā)揮五結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)，提高電池效率。
采用本實(shí)用新型制作的五結(jié)太陽(yáng)能電池能夠在電池材料整體上保持晶格匹配，并通過(guò)引入DBR反射層增加GaInNAs子電池電流，使得GaInNAs子電池的短路電流不再限制五結(jié)電池整體的電流，五結(jié)電池整體上保持電流匹配，提高電池的光電轉(zhuǎn)換性能。根據(jù)分析，在AM0空間光譜下，相比沒(méi)有DBR反射層結(jié)構(gòu)的五結(jié)電池，本實(shí)用新型制作的五結(jié)電池短路電流Jsc可以達(dá)到12mA/cm2，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到35％，光電性能得到明顯提高。
采用本實(shí)用新型制作的五結(jié)太陽(yáng)能電池能夠在電池材料整體上保持晶格匹配，減少材料缺陷，提高電池的開(kāi)路電壓。根據(jù)分析，采用高帶隙材料的AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五結(jié)電池在開(kāi)路電壓可達(dá)到4.7V以上，從而可以明顯提高電池轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)電池在AM0光譜下的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到30％，而經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，本實(shí)用新型所述的晶格匹配的五結(jié)太陽(yáng)能電池在AM0光譜下的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到35％，可大大提高空間電源的輸出功率。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)用新型的五結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示，本實(shí)施例所述的晶格匹配的五結(jié)太陽(yáng)能電池，包括有Ge襯底1，所述Ge襯底1為p型Ge單晶片；在所述Ge襯底1上面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)由下至上依次設(shè)置有GaInP成核層2、GaInAs緩沖層3、AlGaAs/GaInAs DBR反射層4、GaInNAs子電池5、GaInAs子電池6、AlGaInAs子電池7和AlGaInP子電池8；所述AlGaAs/GaInAs DBR反射層4和GaInNAs子電池5之間通過(guò)第一隧道結(jié)9連接，所述GaInNAs子電池5和GaInAs子電池6之間通過(guò)第二隧道結(jié)10連接，所述GaInAs子電池6和AlGaInAs子電池7通過(guò)第三隧道結(jié)11連接，所述AlGaInAs子電池7和AlGaInP子電池8通過(guò)第四隧道結(jié)12連接。
所述GaInP成核層2、GaInAs緩沖層3、AlGaAs/GaInAs DBR反射層4、GaInNAs子電池5、GaInAs子電池6、AlGaInAs子電池7和AlGaInP子電池8的所有材料層與Ge襯底1保持晶格匹配。
所述GaInP成核層2為n型摻雜層，電子濃度為1×18/cm3～1×19/cm3,優(yōu)選3×18/cm3,厚度為5～20nm，優(yōu)選5nm。
所述GaInAs緩沖層3為n型摻雜層，電子濃度為5×17/cm3～1×19/cm3,優(yōu)選2×18/cm3,厚度為500～1500nm，優(yōu)選500nm。
所述AlGaAs/GaInAs DBR的反射波長(zhǎng)為900～1200nm，其中AlGaAs/GaInAs 組合層的對(duì)數(shù)為10～30對(duì)，優(yōu)選10對(duì)。
所述第一隧道結(jié)9為p-GaInNAs/n-GaInNAs結(jié)構(gòu)，其中p-GaInNAs和n-GaInNAs的厚度均為6～60nm，優(yōu)選6nm。
所述GaInNAs子電池5中電池總厚度為1500～3000nm，優(yōu)選1500nm，GaInNAs材料的光學(xué)帶隙為1.0～1.2eV，優(yōu)選1.0eV。
所述第二隧道結(jié)10為p-GaAs/n-GaAs結(jié)構(gòu)，其中p-GaAs和n-GaAs的厚度均為8～80nm，優(yōu)選8nm。
所述GaInAs子電池6中電池總厚度為1500～3000nm，優(yōu)選1500nm，GaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.38～1.42eV，優(yōu)選1.40eV。
所述第三隧道結(jié)11為p-AlGaAs/n-AlGaAs結(jié)構(gòu)，其中p-AlGaAs和n-AlGaAs的厚度均為10～100nm，優(yōu)選10nm。
所述AlGaInAs子電池7中電池總厚度為1500～2500nm，優(yōu)選1500nm，AlGaInAs材料的光學(xué)帶隙為1.6～1.8eV，優(yōu)選1.7eV。
所述第四隧道結(jié)12為p-AlGaInP/n-AlGaInP結(jié)構(gòu)，其中p-AlGaInP和n-AlGaInP的厚度均為10～100nm，優(yōu)選10nm。
所述AlGaInP子電池8中電池總厚度為400～1000nm，優(yōu)選400nm，AlGaInP材料的光學(xué)帶隙為2.0～2.2eV，優(yōu)選2.1eV。
下面為本實(shí)施例上述晶格匹配的五結(jié)太陽(yáng)能電池的具體制作方法，該方法包括但不局限于金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)、分子束外延技術(shù)和氣相外延技術(shù)，優(yōu)先采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，該方法具體包括以下步驟：
步驟1：選擇一襯底，該襯底為p型Ge襯底。
步驟2：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在p型Ge襯底上生長(zhǎng)一層低溫的GaInP成核層，生長(zhǎng)溫度為500～600℃，優(yōu)選范圍為500～550℃；該低溫GaInP成核層的生長(zhǎng)速率為6～40nm/min，優(yōu)選范圍為6～20nm/min；該低溫GaInP成核層用于增加襯底表面的成核密度。
步驟3：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在GaInP成核層上生長(zhǎng)GaInAs緩沖層；該緩沖層生長(zhǎng)溫度為550～650℃，優(yōu)選范圍為600～650℃；該緩沖層的生長(zhǎng)速率為60～300nm/min，優(yōu)選范圍為100～200nm/min；該緩沖層用于減少外延層的缺陷密度，提高晶體質(zhì)量。
步驟4：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在GaInAs緩沖層上生長(zhǎng)AlGaAs/GaInAs DBR反射層；該DBR反射層生長(zhǎng)溫度為500～700℃，優(yōu)選范圍為600～700℃；該DBR反射層的生長(zhǎng)速率為10～60nm/min，優(yōu)選范圍為10～40nm/min；該DBR反射層用于反射長(zhǎng)波范圍的光子。
步驟5：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在AlGaAs/GaInAs DBR反射層上生長(zhǎng)第一隧道結(jié)；該隧道結(jié)生長(zhǎng)溫度為450～600℃，優(yōu)選范圍為500～550℃；該隧道結(jié)的生長(zhǎng)速率為10～60nm/min，優(yōu)選范圍為10～30nm/min；該隧道結(jié)是五結(jié)太陽(yáng)能電池的一部分。
步驟6：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在第一隧道結(jié)上生長(zhǎng)GaInNAs子電池；該子電池生長(zhǎng)溫度為450～600℃，優(yōu)選范圍為450～550℃；該子電池的生長(zhǎng)速率為10～100nm/min，優(yōu)選范圍為10～50nm/min；該子電池是五結(jié)太陽(yáng)能電池的一部分。
步驟7：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在GaInNAs子電池上生長(zhǎng)第二隧道結(jié)；該隧道結(jié)生長(zhǎng)溫度為500～600℃，優(yōu)選范圍為550～600℃；該隧道結(jié)的生長(zhǎng)速率為15～50nm/min，優(yōu)選范圍為15～30nm/min；該隧道結(jié)是五結(jié)太陽(yáng)能電池的一部分。
步驟8：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在第二隧道結(jié)上生長(zhǎng)GaInAs子電池；該子電池生長(zhǎng)溫度為600～700℃，優(yōu)選范圍為600～650℃；該子電池的生長(zhǎng)速率為60～300nm/min，優(yōu)選范圍為100～200nm/min；該子電池是五結(jié)太陽(yáng)能電池的一部分。
步驟9：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在GaInAs子電池上生長(zhǎng)第三隧道結(jié)；該隧道結(jié)生長(zhǎng)溫度為400～600℃，優(yōu)選范圍為450～550℃；該隧道結(jié)的生長(zhǎng)速率為15～60nm/min，優(yōu)選范圍為15～30nm/min；該隧道結(jié)是五結(jié)太陽(yáng)能電池的一部分。
步驟10：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在第三隧道結(jié)上生長(zhǎng)AlGaInAs子電池；該子電池生長(zhǎng)溫度為600～800℃，優(yōu)選范圍為700～800℃；該子電池的生長(zhǎng)速率為40～300nm/min，優(yōu)選范圍為150～300nm/min；該子電池是五結(jié)太陽(yáng)能電池的一部分。
步驟11：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在AlGaInAs子電池上生長(zhǎng)第四隧道結(jié)；該隧道結(jié)生長(zhǎng)溫度為400～600℃，優(yōu)選范圍為500～600℃；該隧道結(jié)的生長(zhǎng)速率為10～40nm/min，優(yōu)選范圍為10～20nm/min；該隧道結(jié)是五結(jié)太陽(yáng)能電池的一部分。
步驟12：采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，改變生長(zhǎng)條件，在第四隧道結(jié)上生長(zhǎng)AlGaInP子電池；該子電池生長(zhǎng)溫度為600～800℃，優(yōu)選范圍為700～800℃；該子電池的生長(zhǎng)速率為15～80nm/min，優(yōu)選范圍為15～40nm/min；該子電池是五結(jié)太陽(yáng)能電池的一部分。
綜上所述，本實(shí)用新型的關(guān)鍵是在保持五結(jié)太陽(yáng)能電池所有材料層的整體晶格匹配的條件下，將DBR反射層引入到五結(jié)電池結(jié)構(gòu)中，在GaInNAs子電池下方插入AlGaAs/GaInAs DBR反射層，通過(guò)調(diào)節(jié)DBR結(jié)構(gòu)參數(shù)，使第一次沒(méi)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(zhǎng)度較小和吸收厚度要求之間的矛盾。該電池結(jié)構(gòu)既可以滿足五結(jié)電池的晶格匹配要求，又能解決實(shí)際制備過(guò)程中GaInNAs材料少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較小的問(wèn)題，還可以節(jié)約電池的生產(chǎn)成本，可最大程度地發(fā)揮五結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)，提高電池效率。
采用本實(shí)用新型制作的五結(jié)太陽(yáng)能電池能夠在電池材料整體上保持晶格匹配，并通過(guò)引入DBR反射層增加GaInNAs子電池電流，使得GaInNAs子電池的短路電流不再限制五結(jié)電池整體的電流，五結(jié)電池整體上保持電流匹配，提高電池的光電轉(zhuǎn)換性能。根據(jù)分析，在AM0空間光譜下，相比沒(méi)有DBR反射層結(jié)構(gòu)的五結(jié)電池，本實(shí)用新型制作的五結(jié)電池短路電流Jsc可以達(dá)到12mA/cm2，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到35％，光電性能得到明顯提高，如下表1所示。
表1無(wú)DBR反射層和有DBR反射層結(jié)構(gòu)的五結(jié)太陽(yáng)能電池在AM0光電性能分析
采用本實(shí)用新型制作的五結(jié)太陽(yáng)能電池能夠在電池材料整體上保持晶格匹配，減少材料缺陷，提高電池的開(kāi)路電壓。根據(jù)分析，采用高帶隙材料的AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五結(jié)電池在開(kāi)路電壓可達(dá)到4.7V以上，從而可以明顯提高電池轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)電池在AM0光譜下的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到30％，而經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，本實(shí)用新型所述的晶格匹配的五結(jié)太陽(yáng)能電池在AM0光譜下的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到35％，可大大提高空間電源的輸出功率，如下表2所示。
表2傳統(tǒng)三結(jié)電池和晶格匹配五結(jié)電池在AM0空間光譜下的光電性能分析
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)。