CN104779313B - 四结级联的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种四结级联的太阳能电池，包括依次设置的GaInP子电池、GaAs子电池、InGaAlAs子电池以及InGaAs子电池，其中，所述GaAs子电池和InGaAlAs子电池之间设有一由InxGa1‑x‑yAlyAs材料形成的渐变过渡层，所述渐变过渡层的带隙大于GaAs子电池的带隙。该四结级联的太阳能电池，通过分别具有1.90eV、1.42eV、1.00eV和0.73eV带隙的GaInP子电池、GaAs子电池、InGaAlAs子电池和InGaAs子电池，降低各子电池之间的电流失配，从而减小光电转换过程中的热能损失，提高太阳能电池的转换效率；同时，该太阳能电池通过一次生长并与第二衬底键合的方式形成，不仅降低了太阳能电池的制备难度，同时也降低了该太阳能电池的制备成本。

Description

四结级联的太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电元件领域，尤其涉及太阳能电池领域。
背景技术
环境和能源的要求，使得包括太阳能高效发电在内的新能源技术越发重要。而太阳能电池以其较小的体积和较轻的重量得到了重视。太阳能高效发电技术作为支撑我国国民经济可持续发展的前瞻性、战略性的新型清洁能源技术在国家中长期科学和技术发展规划中被列为重点支持和优先发展的方向。相比于硅太阳电池，多结III-V化合物半导体太阳电池以多种带隙宽度不同的半导体材料吸收与其带隙宽度相匹配的那部分太阳光，从而实现对太阳光的宽光谱吸收，目前研究较多而且技术较为成熟的体系是GaInP/GaAs/Ge三结电池，该三结电池中Ge电池覆盖较宽的光谱，其短路电流最大可达到两结电池的2倍，其转换效率可到达32-33%。
然而GaInP/GaAs/Ge体系的太阳能电池仍然受晶格匹配的制约，使Ge电池对应的太阳光谱的能量没有被充分转换利用，所以该三结电池的效率还有进一步改善的空间。一种最直观的想法是在GaAs和Ge电池中间插入一带隙约为1.00eV的InGaAsN或GaAsNBi材料，这样可以在保持短路电流不变的情况下，将开路电压提高约0.60V，从而使该四结电池的转换效率提高到43%。但是少子寿命足够长的InGaAsN或GaAsNBi材料的制备非常困难，而当InGaAsN或GaAsNBi材料的少子寿命较短时，吸收太阳光产生的电子-空穴对将没有足够的时间被分离和收集，从而使得太阳能电池难以具有较高的转换效率。
另一种常用的获取高效太阳能转换效率的方法是：采用晶片键合的方法将晶格失配的具有合理带隙组合的电池键合在一起，从而实现电流匹配。然而，晶片键合电池往往存在两个主要问题：以GaInP/GaAs和InGaAlAs/InGaAs双结电池的键合为例，晶片键合电池需要GaAs和InP两个衬底，这大大增加了电池的制作成本；二是晶片键合电池的键合部分需要良好的欧姆接触和良好的透光率，这给工艺带来很大的挑战，增加了电池的制作难度。
发明内容
为解决上述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有较高转换效率的太阳能电池。
为了实现上述目的，本发明提供的一种四结级联的太阳能电池，包括依次设置的GaInP子电池、GaAs子电池、InGaAlAs子电池以及InGaAs子电池。
优选地，所述GaAs子电池和InGaAlAs子电池之间设有由InxGa1-x-yAlyAs材料形成的渐变过渡层，所述渐变过渡层的带隙大于GaAs子电池的带隙。
优选地，所述InxGa1-x-yAlyAs材料中，x=0.05～0.53，y=0.12～0.48，x和y的值沿远离GaAs子电池的方向逐渐增大。
优选地，所述太阳能电池进一步包括设置在GaInP子电池和GaAs子电池之间的第一隧道结、GaAs子电池和渐变过渡层之间的第二隧道结以及InGaAlAs子电池和InGaAs子电池之间的第三隧道结。
优选地，所述GaInP子电池包含依次设置的材料为GaAs的第一接触层、Al(Ga)InP的第一窗口层、GaInP的第一发射极、GaInP的第一基极和(Al)GaInP或AlGaAs的第一背场；
所述第一隧道结包含按照逐渐远离GaInP子电池方向依次设置的材料为(Al)GaAs的第一P型隧道层、AlGaAs或Al(Ga)InP的第一N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第一N型势垒层；
所述GaAs子电池包含按照逐渐远离第一隧道结方向依次设置的材料为AlGaAs的第二窗口层、GaAs的第二发射极、GaAs的第二基极以及(Al)GaAs或(Al)GaInP的第二背场；
所述第二隧道结包含按照逐渐远离GaAs子电池方向依次设置的材料为(Al)GaAs的第二P型隧道层、GaInP或GaAs的第二N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第二N型势垒层；
所述InGaAlAs子电池包含按照逐渐远离第二隧道结方向依次设置的材料为InP或In(Ga)AlAs的第三窗口层、InGaAlAs的第三发射极、InGaAlAs的第三基极以及InP的第三背场；
所述第三隧道结包含按照逐渐远离InGaAlAs子电池方向依次设置的材料为InGaAs的第三P型隧道层和InGaAs的第三N型隧道层；
所述InGaAs子电池包含按照逐渐远离第三隧道结方向依次设置的材料为InP的第四窗口层、InGaAs的第四发射极、InGaAs的第四基极以及InP的第四背场。
优选地，所述太阳能电池还包括与所述InGaAs子电池键合的第二衬底，所述第二衬底为Si衬底、金属片、陶瓷片或玻璃片。
本发明的另一目的是提供一种四结级联的太阳能电池的制备方法，制备如上所述的太阳能电池，包括步骤：提供第一衬底，在第一衬底上依次生长GaInP子电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、InxGa1-x-yAlyAs渐变过渡层、InGaAlAs子电池、第三隧道结以及InGaAs子电池，其中GaInP子电池、GaAs子电池、InGaAlAs子电池和InGaAs子电池为倒置生长。
优选地，所述制备方法具体包括：
a）提供材料为GaAs或Ge的第一衬底，在所述第一衬底上生长材料为AlGaAs或(Al)GaInP的牺牲层；
b）生长GaInP子电池：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为GaAs的第一接触层、Al(Ga)InP的第一窗口层、GaInP的第一发射极、GaInP的第一基极和(Al)GaInP或AlGaAs的第一背场；
c）生长第一隧道结：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为(Al)GaAs的第一P型隧道层、AlGaAs或Al(Ga)InP的第一N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第一N型势垒层；
d）生长GaAs子电池：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为AlGaAs的第二窗口层、GaAs的第二发射极、GaAs的第二基极以及(Al)GaAs或(Al)GaInP的第二背场；
e）生长第二隧道结：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为(Al)GaAs的第二P型隧道层、GaInP或GaAs的第二N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第二N型势垒层；
f）生长InxGa1-x-yAlyAs渐变过渡层，其中，x=0.05～0.53，y=0.12～0.48，x和y的值沿远离第一衬底的方向逐渐增大；
g）生长InGaAlAs子电池：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为InP或In(Ga)AlAs的第三窗口层、InGaAlAs的第三发射极、InGaAlAs的第三基极以及InP的第三背场；
h）生长第三隧道结：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为InGaAs的第三P型隧道层和InGaAs的第三N型隧道层；
i）生长InGaAs子电池：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为InP的第四窗口层、InGaAs的第四发射极、InGaAs的第四基极以及InP的第四背场；
优选地，所述制备方法还包括：将如权利要求8所述的太阳能电池的第四背场键合到第二衬底上，并除去第一衬底；在GaInP子电池和第二衬底上分别制备顶电极和底电极。
优选地，采用MOCVD法或MBE法生长形成所述太阳能电池。
有益效果：
本发明提供的四结级联的太阳能电池，通过分别具有1.90eV、1.42eV、1.00eV和0.73eV带隙的GaInP子电池、GaAs子电池、InGaAlAs子电池和InGaAs子电池，降低各子电池之间的电流失配，从而减小光电转换过程中的热能损失，提高太阳能电池的转换效率；同时，该太阳能电池通过一次生长并与第二衬底键合的方式形成，不仅降低了太阳能电池的制备难度，同时也降低了该太阳能电池的制备成本。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地阐述本发明的技术特点和结构，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。
参阅图1，为本实施例提供的太阳能结构示意图，该太阳能电池包括从上到下依次设置的顶电极120、GaInP子电池310、第一隧道结410、GaAs子电池320、第二隧道结420、渐变过渡层500、InGaAlAs子电池330、第三隧道结430、InGaAs子电池340、第二衬底200以及底电极110。其中，渐变过渡层500选用带隙大于GaAs子电池的带隙的InxGa1-x-yAlyAs材料，在本实施例中，x=0.05～0.53，y=0.12～0.48，x和y的值沿远离顶电极120的方向逐渐增大。优选地，GaInP子电池310、GaAs子电池320、InGaAlAs子电池330以及InGaAs子电池340分别具有1.90eV、1.42eV、1.00eV和0.73eV的带隙。
进一步地，GaInP子电池310包含按照逐渐远离顶电极120的方向依次设置的材料为GaAs的第一接触层315、Al(Ga)InP的第一窗口层311、GaInP的第一发射极312、GaInP的第一基极313和(Al)GaInP的第一背场314。或者，第一背场314也可以选用AlGaAs材料。
第一隧道结410包含按照逐渐远离顶电极120方向依次设置的材料为(Al)GaAs的第一P型隧道层411、AlGaAs的第一N型隧道层412以及Al(Ga)InP的第一N型势垒层413。当然，第一N型隧道层412也可以选用Al(Ga)InP材料，第一N型势垒层413也可以选用AlGaAs材料。
GaAs子电池320包含按照逐渐远离顶电极120方向依次设置的材料为AlGaAs的第二窗口层321、GaAs的第二发射极322、GaAs的第二基极323以及(Al)GaAs的第二背场324。或者，第二背场324也可以选用(Al)GaInP材料。
第二隧道结420包含按照逐渐远离顶电极120方向依次设置的材料为(Al)GaAs的第二P型隧道层421、GaInP的第二N型隧道层422以及Al(Ga)InP的第二N型势垒层423。或者，第二N型隧道层422也可以选用GaAs材料，第二N型势垒层423也可以选用AlGaAs材料。
InGaAlAs子电池330包含按照逐渐远离顶电极120方向依次设置的材料为InP的第三窗口层331、InGaAlAs的第三发射极332、InGaAlAs的第三基极333以及InP的第三背场334。或者第三窗口层331也可以选用In(Ga)AlAs材料。
第三隧道结430包含按照逐渐远离顶电极120方向依次设置的材料为InGaAs的第三P型隧道层431和InGaAs的第三N型隧道层432。
InGaAs子电池340包含按照逐渐远离顶电极120方向依次设置的材料为InP的第四窗口层341、InGaAs的第四发射极342、InGaAs的第四基极343以及InP的第四背场344。
第二衬底200为Si衬底，这样不仅可以降低该太阳能电池的成本，而且其制备工艺也更加简单。当然，在其他实施例中，第二衬底200也可以为金属片、陶瓷片或者玻璃片。
基于同一发明构思，本实施例还提供了如上所述的太阳能电池的制备方法，包括步骤：
1）生长太阳能电池：提供第一衬底，在第一衬底上依次生长GaInP子电池310、第一隧道结410、GaAs子电池320、第二隧道结420、渐变过渡层500、InGaAlAs子电池330、第三隧道结430以及InGaAs子电池340。
2）制备太阳能电池：将生长完成的太阳电池的InGaAs子电池340键合到第二衬底200上，并除去第一衬底；在GaInP子电池310和第二衬底200上分别制备顶电极120和底电极110。
其中，步骤1）采用MOCVD法进行生长，N型掺杂原子为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子为Zn、Mg或C。当然，在其他实施例中，步骤1）也可以采用MBE法进行生长，此时，N型掺杂原子为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子为Be、Mg或C。
下面以用MOCVD生长法为例来对该太阳能电池的制备方法进行详细说明。其中，步骤1）包括以下步骤：
a）提供第一衬底，在本实施例中，第一衬底为GaAs，当然，在其他实施例中也可以为Ge衬底。在第一衬底上生长0.3微米的AlGaAs或(Al)GaInP牺牲层。
b）生长GaInP子电池310：在牺牲层上生长0.5微米的N型高掺杂的GaAs作为第一接触层315；生长0.02微米的N型掺杂的Al(Ga)InP作为第一窗口层311，优选地，其掺杂浓度为1×1017cm-3；生长0.07微米的N型掺杂的GaInP作为第一发射极312，优选地，其掺杂浓度为1×1018cm-3；生长0.7微米的P型掺杂的GaInP作为第一基极313，优选地，其掺杂浓度为1×1017cm-3；生长0.03微米的P型掺杂的(Al)GaInP或AlGaAs作为第一背场314，优选地，其掺杂浓度为1×1018cm-3，其中，该第一背场314同时也作为第一P型势垒层，用于阻止第一基极313产生的光生电子向底电极110的方向扩散。
c）生长第一隧道结410：在GaInP子电池310上生长0.015微米的P型掺杂的(Al)GaAs作为第一P型隧道层411，其掺杂浓度大于1×1019cm-3；生长0.015微米的N型掺杂的GaInP或GaAs作为第一N型隧道层412，其掺杂浓度大于1×1019cm-3；生长0.05微米的N型掺杂的AlGaAs或Al(Ga)InP作为第一N型势垒层413，其掺杂浓度为1×1018cm-3。
d）生长GaAs子电池320：在第一隧道结410上生长0.01微米的N型掺杂的AlGaAs或AlGaInP作为第二窗口层321，其掺杂浓度为1×1018cm-3，该第二窗口层321用于防止光生空穴向顶电极120的方向扩散；生长0.1微米的N型掺杂的GaAs作为第二发射极322，其掺杂浓度为1×1018cm-3；生长2.8微米的P型掺杂的GaAs作为第二基极323，其掺杂浓度为1×1017cm-3；生长0.1微米的P型掺杂的(Al)GaAs或(Al)GaInP作为第二背场324，其掺杂浓度为1×1018cm-3，该第二背场324用于减小光生电子的复合，同时该第二背场324也作为第二P型势垒层。
e）生长第二隧道结420：在GaAs子电池320上生长0.015微米的P型掺杂的(Al)GaAs作为第二P型隧道层421，其掺杂浓度大于1×1019cm-3；生长0.015微米的N型掺杂的GaInP或GaAs作为第二N型隧道层422，其掺杂浓度大于1×1019cm-3；生长0.05微米的N型掺杂的AlGaAs或Al(Ga)InP作为第二N型势垒层423，其掺杂浓度为1×1018cm-3。
f）生长渐变过渡层500：在第二隧道结420上生长0.1微米的GaAs；生长2.5微米的N型掺杂的InxGa1-x-yAlyAs作为渐变过渡层，其中In的组分由0.05渐变到0.53，Al的组分由0.12渐变到0.48，直到与InP的晶格匹配，优选地，其掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3；最后生长0.2微米的N型掺杂的In0.53Ga0.29Al0.18As层，优选地，其掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3。在一种优选的方案中，InxGa1-x-yAlyAs渐变过渡层采用In组分和Al组分线性渐进的方法生长，这样可以使应力释放从而抑制错向角的产生。当然，在其他实施例中，InxGa1-x-yAlyAs渐变过渡层可以采用In组分和Al组分步进的方法生长，这样可以通过形成多个界面促进应力释放从而抑制穿透位错到达有源区。或者，InxGa1-x-yAlyAs渐变过渡层可以采用In组分和Al线性渐进和步进相结合的方法生长使应力释放，从而减小错向角的同时抑制穿透位错到达有源区。
g）生长InGaAlAs子电池330：在渐变过渡层500上生长0.05微米的N型掺杂的InP或In(Ga)AlAs作为第三窗口层331，其掺杂浓度为1×1018cm-3；生长0.4微米的N型掺杂的InGaAlAs作为第三发射极332，其掺杂浓度为1×1018cm-3；生长2.5微米的P型掺杂的InGaAlAs作为第三基极333，其掺杂浓度为1×1017cm-3；生长0.1微米的P型掺杂的InP作为第三背场334，其掺杂浓度为1×1018cm-3，同时该第二背场324也作为第三P型势垒层。
h）生长第三隧道结430：在InGaAlAs子电池330上生长0.02微米的P型掺杂的InGaAs作为第三P型隧道层431，其掺杂浓度大于1×1019cm-3；生长0.02微米的N型掺杂的InGaAs作为第三N型隧道层432，其掺杂浓度大于1×1019cm-3。
i）生长InGaAs子电池340：在第三隧道结430上生长0.1微米的N型掺杂的InP作为第四窗口层341，其掺杂浓度为2×1018cm-3；生长0.2微米的N型掺杂的InGaAs作为第四发射极342，其掺杂浓度为2×1018cm-3；生长2.5微米的P型掺杂的InGaAs作为第四基极343，其掺杂浓度为2×1017cm-3；生长0.3微米的P型掺杂的InP作为第四背场344，其掺杂浓度为1×1018cm-3。
步骤2）包括如下步骤：
j）提供第二衬底200，在本实施例中，第二衬底200为硅衬底，因为硅衬底具有较低的价格，从而可以降低该太阳能电池的成本；同时，硅衬底键合技术较为成熟，因此可降低该太阳能电池的制备工艺要求。当然，在其他实施例中，第二衬底200也可以为金属片、陶瓷片或者玻璃片。将如上所述的太阳能电池的的第四背场344键合到第二衬底200上，并将第一衬底减薄剥离。
k）分别在GaInP子电池310和第二衬底200上生长顶电极120和底电极110。
综上所述，通过分别具有1.90eV、1.42eV、1.00eV和0.73eV带隙的GaInP子电池、GaAs子电池、InGaAlAs子电池和InGaAs子电池，降低各子电池之间的电流失配，从而减小光电转换过程中的热能损失，提高太阳能电池的转换效率；同时，该太阳能电池通过一次生长并与第二衬底键合的方式形成，不仅降低了太阳能电池的制备难度，同时也降低了该太阳能电池的制备成本。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (6)

1.一种四结级联的太阳能电池，其特征在于，包括依次设置的GaInP子电池、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、渐变过渡层、InGaAlAs子电池、第三隧道结以及InGaAs子电池；所述渐变过渡层是由InxGa1-x-yAlyAs材料形成的，所述渐变过渡层的带隙大于GaAs子电池的带隙；
其中，所述GaInP子电池包含依次设置的材料为GaAs的第一接触层、Al(Ga)InP的第一窗口层、GaInP的第一发射极、GaInP的第一基极和(Al)GaInP或AlGaAs的第一背场；
所述第一隧道结包含按照逐渐远离GaInP子电池方向依次设置的材料为(Al)GaAs的第一P型隧道层、AlGaAs或Al(Ga)InP的第一N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第一N型势垒层；
所述GaAs子电池包含按照逐渐远离第一隧道结方向依次设置的材料为AlGaAs的第二窗口层、GaAs的第二发射极、GaAs的第二基极以及(Al)GaAs或(Al)GaInP的第二背场；
所述第二隧道结包含按照逐渐远离GaAs子电池方向依次设置的材料为(Al)GaAs的第二P型隧道层、GaInP或GaAs的第二N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第二N型势垒层；
所述InGaAlAs子电池包含按照逐渐远离第二隧道结方向依次设置的材料为InP或In(Ga)AlAs的第三窗口层、InGaAlAs的第三发射极、InGaAlAs的第三基极以及InP的第三背场；
所述第三隧道结包含按照逐渐远离InGaAlAs子电池方向依次设置的材料为InGaAs的第三P型隧道层和InGaAs的第三N型隧道层；
所述InGaAs子电池包含按照逐渐远离第三隧道结方向依次设置的材料为InP的第四窗口层、InGaAs的第四发射极、InGaAs的第四基极以及InP的第四背场。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述InxGa1-x-yAlyAs材料中，x＝0.05～0.53，y＝0.12～0.48，x和y的值沿远离GaAs子电池的方向逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池还包括与所述InGaAs子电池键合的第二衬底，所述第二衬底为Si衬底、金属片、陶瓷片或玻璃片。
4.一种四结级联的太阳能电池的制备方法，其特征在于，制备如权利要求1所述的太阳能电池，包括步骤：
a)提供材料为GaAs或Ge的第一衬底，在所述第一衬底上生长材料为AlGaAs或(Al)GaInP的牺牲层；
b)生长GaInP子电池：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为GaAs的第一接触层、Al(Ga)InP的第一窗口层、GaInP的第一发射极、GaInP的第一基极和(Al)GaInP或AlGaAs的第一背场；
c)生长第一隧道结：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为(Al)GaAs的第一P型隧道层、AlGaAs或Al(Ga)InP的第一N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第一N型势垒层；
d)生长GaAs子电池：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为AlGaAs的第二窗口层、GaAs的第二发射极、GaAs的第二基极以及(Al)GaAs或(Al)GaInP的第二背场；
e)生长第二隧道结：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为(Al)GaAs的第二P型隧道层、GaInP或GaAs的第二N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第二N型势垒层；
f)生长InxGa1-x-yAlyAs渐变过渡层，其中，x＝0.05～0.53，y＝0.12～0.48，x和y的值沿远离第一衬底的方向逐渐增大；
g)生长InGaAlAs子电池：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为InP或In(Ga)AlAs的第三窗口层、InGaAlAs的第三发射极、InGaAlAs的第三基极以及InP的第三背场；
h)生长第三隧道结：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为InGaAs的第三P型隧道层和InGaAs的第三N型隧道层；
i)生长InGaAs子电池：按照逐渐远离第一衬底方向依次生长材料为InP的第四窗口层、InGaAs的第四发射极、InGaAs的第四基极以及InP的第四背场。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：将如权利要求4所述的太阳能电池的第四背场键合到第二衬底上，并除去第一衬底；在GaInP子电池和第二衬底上分别制备顶电极和底电极。
6.根据权利要求4、5所述的制备方法，其特征在于，采用MOCVD法或MBE法生长形成所述太阳能电池。
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