CN101533863B - 一种高效单片式四结太阳电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高效单片式四结太阳电池，第一结电池是Ge电池，第三结电池是GaInAs电池，第四结电池是GaInP电池，Ge电池和GaInAs电池之间设有第二结电池是应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池；上述四个子电池由三个AlGaAs/GaInP隧穿结连接构成单片式串联结构，各子电池及其之间的隧穿结均与衬底实现晶格匹配，第一、第二和第三结子电池短路电流相等，第四结电池短路电流大于前三结电池的短路电流。通过在Ge电池和GaAs电池中插入应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池，在不改变多结电池光电流密度的情况下增加一结电池，且多结电池的各子电池电流更加匹配，使得电池的光电转换效率大大提高。

Description

一种高效单片式四结太阳电池

技术领域

本发明涉及半导体光电领域的太阳能电池，特别是一种高效单片式四结太阳电池。

背景技术

对太阳电池来说，可利用的太阳光谱波长为300～1000nm，单结的太阳电池只能覆盖及利用某一波长范围的阳光，为了充分利用太阳光不同波段的光子能量，提高太阳电池的光电转换效率，一般设法将多种不同带隙的半导体材料搭配，组成多结太阳电池。理论计算表明，叠层电池的各子电池短路电流越接近(匹配程度越高)，对光谱的利用程度也就越高，对于叠层电池的数量等于或高于三结时，最高效率材料组合均需要带隙在1.0eV附近的材料来满足电流匹配条件，遗憾的是迄今为止未找到同时满足晶格匹配和电流匹配的多结太阳电池组合。

目前，美国波音公司子公司Spectrolab研制的晶格匹配GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池在无聚光条件下光电转换效率最大达32％(AM1.5D，25℃)，已接近实验所能达到的最高效率。在晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池中，Ge底电池带隙为0.661，AM1.5D条件下，由细致平衡理论计算表明，若考虑实际工作状态(即：Ge电池厚度～170μm，仅能吸收能量小于1.42eV的光子)，则其光电流密度J_ph≈27.0mA/cm²，为GaInP/GaAs/Ge三结叠层太阳电池光电流的两倍，而多结电池的工作电流由各子电池中短路电流最小的电池决定，因此电流不匹配使得Ge底电池效率降低。

发明内容

为解决现有三结太阳电池对太阳光谱利用效率不高的缺点，本发明旨在提出一种高效单片式四结太阳电池，通过在Ge电池和GaAs电池中插入应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池，在不改变多结电池光电流密度的情况下增加一结电池，使得电池的光电转换效率大大提高，且多结电池的各子电池电流更加匹配。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种高效单片式四结太阳电池，第一结电池是Ge电池，第三结电池是GaInAs电池，第四结电池是GaInP电池，其特征是：Ge电池和GaInAs电池之间设有第二结电池是应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池；上述四个子电池由三个AlGaAs/GaInP隧穿结连接构成单片式串联结构，各子电池及其之间的隧穿结均与衬底实现晶格匹配，第一、第二和第三结子电池短路电流相等，第四结电池短路电流大于前三结电池的短路电流。

本发明的应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池的等效晶格常数为5.65

～5.66

优选值为5.658等效带隙为0.9eV～1.1eV，优选值为1.02eV。应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格势垒层GaAsP的厚度为3～6nm。GaInAs电池的In组份为0～0.013，优选值为0.01。GaInP电池的带隙大于1.86eV。

本发明提供的高效率单片式四结太阳电池，具体它包括四结子电池以及连接各子电池的隧穿结，所述第一结电池是Ge p-n结电池，所述第二结电池是p-i-n应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池，所述第三结电池是GaInAs p-n电池，所述第四结电池是GaInP p-n电池，所述隧穿结为AlGaAs/6aInP隧穿结，各子电池及其间的隧穿结直接在Ge衬底上在MOVPE系统中生长而成。

上述第一结Ge电池构建在p型Ge衬底上，p-Ge基区掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，n型发射区通过MOPVE系统PH₃中的P扩散获得，发射区厚度约为0.3μm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁹cm^-3。

上述四结子电池之间都有一层p型高掺杂的AlGaAs和n型高掺杂的GaInP组成的隧穿结，隧穿结各层厚度为10～15nm，掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3。

上述第一结电池和隧穿结之间有一层n型GaAs缓冲层。

上述中间电池生长在n型GaAs缓冲层之上，中间电池的基区由与GaAs缓冲层应变补偿的GaAsP/GaInAs超晶格组成，GaAsP/GaInAs超晶格的有效带隙根据GaInAs中In的组分调整在1.02eV附近，确定了GaInAs的组分和厚度之后，通过选择GaAsP势垒的组分和厚度可以使得整个超晶格等效晶格常数<a>与GaAs匹配。室温下GaInAs的带隙与In的组分的关系、以及上述等效晶格常数的计算公式如下：

E_GaInAs＝1.42-1.49x_In+0.43x_In ²(eV)                            (1)

$<a>=\frac{2t_b{a}_{\mathrm{GaAsP}}+t_w{a}_{\mathrm{GaInAs}}}{2t_b+t_w}---\left(2\right)$

其中，E_GaInAs为GaInAs带隙，x_In为In的组分，t_w和a_GaInAs分别为GaInAs量子阱的厚度和晶格常数，t_b和a_GaAsP分别为GaAsP势垒厚度和晶格常数。GaInAs的晶格常数a_GaInAs随In组分的变化关系，以及GaAsP的晶格常数a_GaAsP随As组分的变化关系计算公式如下(单位

)：

a_GaInAs＝5.6533+0.405x_In                                     (3)

a_GaAsP＝5.4505+0.20275x_As                                    (4)

中电池基区由p型GaAsP/GaInAs超晶格组成，掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3；中电池发射区由n型GaAs组成，掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁸m^-3。

上述第三结电池是GaInAs电池，GaInAs中的In组分在0.08～0.013之间，优选值为0.01，p型GaInAs基区掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～6×10¹⁷cm^-3，n型GaInAs发射区掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3～3×10¹⁸cm^-3。

上述第四结电池是GaInP电池，GaInP电池的带隙为1.86eV～1.9eV，p型GaInP基区掺杂浓度为1×10¹⁶m^-3～1×10¹⁷cm^-3，n型GaInP发射区掺杂浓度5×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3。

上述第二结电池、第三结电池和第四结电池的材料结构和带隙可根据电池工作条件调整以便满足晶格匹配和电流匹配条件。例如在AMI.5D，25℃条件下，由细致平衡理论计算可得，当第二结电池基区由5.2nm厚的GaAs_0.75P_0.25和5nm厚的Ga_0.7In_0.3As超晶格组成时，有效带隙约为1.02eV；第三结电池选用Ga_0.99In_0.01As带隙为1.405eV；顶电池GaInP带隙选用1.86eV，这时四结电池的短路光电流密度J_ph为13.55mA/cm²，在AM1.5D光谱下的理想效率达45％。

本发明使用应变补偿或超晶格结构构造晶格匹配、电流匹配程度较高的四结太阳电池；本发明的四结太阳电池具有更高光电转换效率，在AM1.5D，25℃条件下，由细致平衡理论计算可得晶格匹配、电流匹配三结太阳电池理想效率为45％，而目前广泛研究的晶格匹配GaInP/GaInAs/Ge三结叠层太阳电池，相同条件下计算得到的理想效率仅为40％。

附图说明

图1是本发明单片式四结太阳电池的结构示意图。

图中：

100：锗衬底；                    110：第一结锗电池；

200：缓冲层；                    210：第一和第二结电池的隧穿结；

300：第二结超晶格电池；          400：第二和第三结电池的隧穿结；

500：第三结GaInAs电池；          600：第三和第四结电池的隧穿结；

700：GaAs盖帽层；                    800：减反射膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1所示的一种高效单片式四结太阳电池，第一结电池是Ge电池，第三结电池是GaInAs电池，第四结电池是GaInP电池，Ge电池和GaInAs电池之间设有第二结电池是应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池；上述四个子电池由三个AlGaAs/GaInP隧穿结连接构成单片式串联结构，各子电池及其之间的隧穿结均与衬底实现晶格匹配，第一、第二和第三结子电池短路电流相等，第四结电池短路电流大于前三结电池的短路电流

本发明的一种高效单片式四结太阳电池，其制备主要包括下列步骤：

采用p型掺杂的单晶锗衬底100，厚度为150μm、掺杂浓度为6×10¹⁷cm^-3，作为第一结电池的基区。

进入MOCVD生长，在锗衬底100上构造第一结锗电池110，锗电池110具有n型锗发射层和GaInP₂窗口层，n型锗发射层通过磷扩散得到，其厚度为0.25μm、掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3；n型GaInP₂窗口层厚度0.3μm，其晶格常数与GaAs匹配，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

生长0.5μm厚的n型GaAs缓冲层200，为后续电池生长做准备，缓冲层掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

生长第一结电池和第二结电池的隧穿结210，隧穿结210包括简并n型掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015μm的GaInP₂层和p型掺杂为5×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015μm的Al_0.3Ga_0.3As层。

生长0.05μm厚、p型掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3的Al_0.3Ga_0.7As层300，作为中间电池的背场，阻止中电池基区的光生电子扩散到底电池。

生长100周期p型掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3的应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格310，构成中间电池的基区；紧接着生长0.2μm厚、n型掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的GaAs层作为第二结电池发射区320，从而获得第二结电池。

生长0.06微米厚的n型AlInP₂层330，作为第二结电池的窗口层，AlInP₂窗口层晶格常数与Ge匹配，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

生长第二结电池和第三结电池的隧穿结400，隧穿结400包括简并n型掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015μm的GaInP₂层和p型掺杂为5×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015μm的Al_0.3Ga_0.3As层。

生长第三结电池500，第三结电池500具有背场层，电池基区层、发射层和窗口层。背场层是Al_0.3Ga_0.7As层，厚度0.05μm、p型掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；第三结电池基区是Ga_0.99In_0.01As层，厚度3μm、p型掺杂浓度为2×10¹⁷cm^-3的；第三结电池发射区是GaAs层，厚度0.1μm、n型掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3；第三结电池的窗口层是AlInP₂层，厚度0.06μm，n型掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，晶格常数与Ge匹配。

生长第三结电池和第四结电池的隧穿结600，隧穿结600包括简并n型掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015μm的GaInP₂层和p型掺杂为5×10¹⁹cm^-3、厚度为0.015μm的Al_0.3Ga_0.3As层。

生长第四结电池，第四结电池具有背场层，电池基区层、发射层和窗口层。第四结电池背场层是AlGaInP层，厚度为0.07μm、p型掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；第四结电池基区是GaInP₂层，厚度0.7μm、p型掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3的；第四结电池发射区是GaInP₂层，厚度0.1μm、n型掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；第四结电池的窗口层是AlInP₂层，厚度0.06μm，n型掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，晶格常数与Ge匹配。

生长0.5μm厚、n型为5×10¹⁸cm^-3的GaAs盖帽层700，作为欧姆接触层。

蒸镀减反射膜800并进行后续电池芯片制作。

Claims (7)

1.一种高效单片式四结太阳电池，第一结电池是Ge电池，第三结电池是GaInAs电池，第四结电池是GaInP电池，其特征是：Ge电池和GaInAs电池之间设有第二结电池是应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池；上述四个子电池由三个AlGaAs/GaInP隧穿结连接构成单片式串联结构，各子电池及其之间的隧穿结均与衬底实现晶格匹配，第一、第二和第三结子电池短路电流相等，第四结电池短路电流大于前三结电池的短路电流。

2.如权利要求1所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于：应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池的等效晶格常数为5.65

～5.66

等效带隙为0.9eV～1.1eV。

3.如权利要求1所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于：应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格势垒层GaAsP的厚度为3～6nm。

4.如权利要求2或3所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于：应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池的等效晶格常数为5.658

等效带隙为1.02eV。

5.如权利要求1所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于：GaInAs电池的In组份为0～0.013。

6.如权利要求1所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于：GaInAs电池的In组份优选值为0.01。

7.如权利要求1所述的一种高效单片式四结太阳电池，其特征在于：GaInP电池的带隙大于1.86eV。

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