CN106299011B - 基于InP衬底的五结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于InP衬底的五结太阳能电池，包括InP衬底，以及在所述InP衬底上依次设置的InGaAsP第一子电池、第一隧道结、InGaAsP第二子电池、第二隧道结、InGaAsP第三子电池、渐变缓冲层、第三隧道结、InGaP第四子电池、第四隧道结、InAlGaP第五子电池和InGaAs接触层。本发明还公开了如上五结太阳能电池的制备方法。本发明提供的五结太阳能电池前三结子电池与InP衬底晶格匹配，后两结In(Al)GaP子电池晶格异变，通过合理的带宽选择实现子电池间的电流匹配，从而达到较高的光电转换效率。

Description

基于InP衬底的五结太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏技术领域，尤其涉及一种基于InP衬底的五结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

V/III族多结太阳能电池能将太阳光谱分成多个能量段分别吸收，转换效率在所有太阳能电池技术中最高，目前最为成熟的技术是基于晶格匹配的InGaP/GaAs/Ge三结电池，其大规模生产的平均转换效率在40％左右。但是，在InGaP/GaAs/Ge三结电池中，由于最下结的Ge子电池几乎产生了两倍于InGaP和GaAs子电池的电流，并非最佳能带组合，许多公司和科研机构都在如何实现电流匹配和提高电池效率上加大了研发力度。例如，2012年美国Solar Junction公司采用1eV左右的晶格匹配的InGaAsNSb代替Ge电池，达到了44％的效率。2013年日本Sharp公司采用1eV的晶格异变的InGaAs子电池达到了44.4％的效率，是目前三结电池的最高效率。

从基本原理上讲，增加更多的子电池可以更均匀的划分太阳光谱而产生更高的转换效率。但是对于四结和四结以上的太阳能电池，很难找到同时拥有理想带宽和优良光电质量的材料组合。目前较为成功的一个方向是基于GaAs衬底上的InGaP/GaAs/InGaAs/InGaAs(1.89/1.42/1/0.7eV)四结电池，其中两个InGaAs子电池使用了两个渐变缓冲层。美国国家可再生能源实验室(NREL)使用该结构于2014年实现了45.7％的高效率。另一种较直接的方法是在GaAs衬底和InP衬底上分别生长高质量的InGaP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池，然后用晶片键合的方法，将InGaP/GaAs双结电池和InGaAsP/InGaAs双结电池键合形成InGaP/GaAs/InGaAsP/InGaAs(1.89/1.42/1.05/0.74eV)四结电池。2014年底德国的Fraunhofer太阳能研究所用该方法实现了46％的超高效率，是当前所有太阳能电池技术中的最高效率。但以上这两种方法都有各自的缺点。前者需要两次晶格异变的生长，生长难度极高，若控制不当产生的穿透位错可能会严重降低器件性能，而且电池需要从衬底上剥离出来，增加了工艺难度。后者涉及两个衬底的生长，增加了生产成本，而且必须进行晶片键合和衬底移除，键合界面的光电损失、良率、可靠性等也值得考虑。

中国专利申请(申请号：CN201110219051.X)公开了一种在InP衬底上的四结太阳能电池结构，具体包括使用InP衬底；具有第一能带隙，晶格常数与衬底晶格匹配的InGaAs第一子电池(0.72～0.76eV)；具有比第一能带隙大的第二能带隙，晶格常数与衬底晶格匹配的InGaAsP第二子电池(0.9～1.1eV)；具有比第二能带隙大的第三能带隙，晶格常数与衬底晶格匹配的InP第三子电池(1.31eV)；形成于第三子电池上，且具有比第三能带隙大的第四能带隙的AlAsSb组分渐变层；形成于组分渐变层上，且具有比所述第三能带隙大的第五能带隙，晶格常数与衬底晶格失配的InGaP第四子电池(1.8～2.0eV)。该四结电池结构能带宽度并不是最理想组合，第三子电池带宽太小容易产生过多电流而不能达到电流匹配，降低了电池性能；而且InGaP第四子电池与InP衬底的失配度超过3.6％，容易产生位错和裂纹，影响了InGaP第四子电池的性能以及四结电池的整体性能。

总之，对于四结和四结以上的太阳能电池，如何在不增加材料生长和器件制作难度的前提下寻找到合适的材料带宽组合实现高效率是目前V/III多结太阳能电池研究和生产亟需解决的问题。

发明内容

鉴于目前多结太阳能电池多是基于GaAs材料体系，存在材料选择不灵活的问题，本发明提出了一种基于InP衬底的晶格异变的五结太阳能电池，其中包括晶格匹配的三结子电池和晶格异变的两结子电池，通过合理的带宽选择实现子电池间的电流匹配，从而达到较高的光电转换效率。另外，本发明提供的五结太阳能电池只需一次外延生长，而且器件制备过程简单，不需要做晶片键合和衬底移除，非常适合于大规模生产。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于InP衬底的五结太阳能电池，包括InP衬底，还包括：在所述InP衬底上依次设置的InGaAsP第一子电池、第一隧道结、InGaAsP第二子电池、第二隧道结、InGaAsP第三子电池、渐变缓冲层、第三隧道结、InGaP第四子电池、第四隧道结、InAlGaP第五子电池和InGaAs接触层。

其中，所述InGaAsP第一子电池、InGaAsP第二子电池和InGaAsP第三子电池之间晶格匹配，且与所述InP衬底晶格匹配；所述InGaP第四子电池和所述InAlGaP第五子电池晶格匹配，且与所述InP衬底之间晶格异变。

其中，所述InGaAsP第一子电池的带宽为0.74eV～0.78eV，所述InGaAsP第二子电池的带宽为0.9eV～1.1eV，所述InGaAsP第三子电池的带宽为1.2eV～1.35eV，所述InGaP第四子电池的带宽为1.55eV～1.65eV，所述InAlGaP第五子电池的带宽为1.55eV～2.15eV。

其中，所述InGaAsP第一子电池包括沿逐渐远离所述InP衬底的方向依次设置的p型InP第一背场层、p型InGaAsP第一基区、n型InGaAsP第一发射区以及n型InAlGaAs或n型InP第一窗口层；其中，所述p型InGaAsP第一基区和n型InGaAsP第一发射区与所述InP衬底晶格匹配，所述p型InGaAsP第一基区和n型InGaAsP第一发射区的材料中，P组分为0％～8％。

其中，所述InGaAsP第二子电池包括沿逐渐远离所述第一隧道结的方向依次设置的p型InAlGaAs或p型InP第二背场层、p型InGaAsP第二基区、n型InGaAsP第二发射区以及n型InAlGaAs或n型InP第二窗口层；其中，所述p型InGaAsP第二基区和n型InGaAsP第二发射区与所述InP衬底晶格匹配。

其中，所述InGaAsP第三子电池包括沿逐渐远离所述第二隧道结的方向依次设置的p型InAlGaAs或p型InP第三背场层、p型InGaAsP第三基区、n型InGaAsP第三发射区以及n型InAlP第三窗口层；其中，所述p型InGaAsP第三基区和n型InGaAsP第三发射区与所述InP衬底晶格匹配，所述n型InAlP第三窗口层为共格应变层，其中Al的组分为1％～10％。

其中，所述第一隧道结包括沿逐渐远离所述InGaAsP第一子电池的方向依次设置的n型InAlGaAs或n型InP重掺层以及p型InAlGaAs或者p型InP重掺层；所述第二隧道结包括沿逐渐远离所述InGaAsP第二子电池的方向依次设置的n型InAlGaAs或n型InP重掺层以及p型InAlGaAs或者p型InP重掺层。

其中，所述渐变缓冲层的材料为n型InAlAs或者n型InAlP，其带宽大于所述InGaP第四子电池的带宽。

其中，所述InGaP第四子电池包括沿逐渐远离所述第三隧道结的方向依次设置的p型InAlAs或p型InAlP第四背场层、p型InGaP第四基区、n型InGaP第四发射区以及n型InAlAs或n型InAlP第四窗口层；其中，所述p型InGaP第四基区和n型InGaP第四发射区具有与所述InP衬底不同的晶格常数。

其中，所述InAlGaP第五子电池包括沿逐渐远离所述第四隧道结的方向依次设置的p型InAlAs或p型InAlP第五背场层、p型InAlGaP第五基区、n型InAlGaP第五发射区以及n型InAlP第五窗口层；其中，所述p型InAlGaP第五基区和n型InAlGaP第五发射区具有与所述p型InGaP第四基区和n型InGaP第四发射区相同的晶格常数，所述p型InAlGaP第五基区和n型InAlGaP第五发射区的材料中，Al的组分为0％～30％。

其中，所述第三隧道结包括沿逐渐远离所述渐变缓冲层的方向依次设置的n型InAlAs或n型InAlP重掺层以及p型InAlAs或p型InAlP重掺层；所述第四隧道结包括沿逐渐远离所述InGaP第四子电池的方向依次设置的n型InAlAs或n型InAlP重掺层以及p型InAlAs或p型InAlP重掺层。

其中，所述InGaAs接触层具有与所述p型InGaP第四基区和n型InGaP第四发射区相同的晶格常数，其带宽范围为0.9eV～1.1eV。

如上所述的五结太阳能电池的制备方法，采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延工艺，在InP衬底上依次生长InGaAsP第一子电池、第一隧道结、InGaAsP第二子电池、第二隧道结、InGaAsP第三子电池、渐变缓冲层、第三隧道结、InGaP第四子电池、第四隧道结、InAlGaP第五子电池和InGaAs接触层，然后分别在InGaAs接触层和InP衬底上制作上电极和下电极。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)、该五结太阳能电池基于InP材料体系，充分利用了InP体系中InGaAsP材料优异的光学电学性质，非常适合于制备光伏电池。

(2)、该五结太阳能电池通过晶格匹配和晶格异变结合的方式，可以灵活选择合理的带宽组合，实现各子电池间的电流匹配，相对于三结电池和四结电池，其对太阳光谱划分更加细致，从而充分有效的利用太阳光谱，提高电池转换效率。

(3)、该五结太阳能电池能够实现高电压低电流输出，减小了电阻损耗，有利于在聚光条件下的工作。

(4)、该五结太阳能电池只需要一次晶格异变的生长，而且晶格失配度为2％左右，保证了材料质量和可行性。

(5)、该五结太阳能电池只需一次外延生长，而且为垂直结构，即宽能带电池的在上，窄能带电池的在下，无需做衬底移除，简化了制备工艺，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的五结太阳能电池的结构示意图。

图2是一些V/III族半导体材料的晶格常数和带宽的关系图。

图3是本发明实施例提供的五结太阳能电池的结构示意图；图中还示出了各个子电池的结构示意图。

具体实施方式

如前所述，本发明主要解决的问题是：如何在不增加材料生长和器件制作难度的前提下，寻找到合适的材料带宽组合以实现高效率的多结太阳能电池。

为此，如图1所示，本实施例提供了一种基于InP衬底的五结太阳能电池，其包括InP衬底001以及在所述InP衬底001上依次设置的InGaAsP第一子电池10、第一隧道结60、InGaAsP第二子电池20、第二隧道结70、InGaAsP第三子电池30、渐变缓冲层002、第三隧道结80、InGaP第四子电池40、第四隧道结90、InAlGaP第五子电池50以及InGaAs接触层003。其中，InGaAs接触层003上还连接有上电极004，InP衬底001上还连接有下电极005。

图2是一些V/III族半导体材料的晶格常数和能带宽度的关系图，其中本发明技术路线中使用的材料用圆圈标出，设置顺序用虚线和箭头标出。可以清楚的看到本发明所述的五结太阳能电池中，其中有三结子电池(InGaAsP第一子电池10、InGaAsP第二子电池20和InGaAsP第三子电池30)由晶格匹配的InGaAsP构成；两结子电池(InGaP第四子电池40和InAlGaP第五子电池50)由晶格异变的In(Al)GaP构成，且该两结子电池的晶格常数相同。进一步地，晶格匹配的三结子电池指该三结子电池与所述InP衬底001之间的晶格参数相同，晶格异变的两结子电池是指该两结子电池与所述InP衬底001之间的晶格参数不同。更具体地，晶格匹配的三结子电池与晶格异变的两结子电池之间通过渐变缓冲层002连接。

进一步地，所述InGaAsP第一子电池10的带宽为0.74eV～0.78eV，所述InGaAsP第二子电池20的带宽为0.9eV～1.1eV，所述InGaAsP第三子电池30的带宽为1.2eV～1.35eV，所述InGaP第四子电池40的带宽为1.55eV～1.65eV，所述InAlGaP第五子电池50的带宽为1.55eV～2.15eV。

更具体地，如图3所示，本实施例提供了五结太阳能电池中：

其中，所述InGaAsP第一子电池10包括沿逐渐远离所述InP衬底001的方向依次设置的p型InP第一背场层101、p型InGaAsP第一基区102、n型InGaAsP第一发射区103以及n型InAlGaAs或n型InP第一窗口层104。进一步地，所述p型InGaAsP第一基区102和n型InGaAsP第一发射区103与所述InP衬底001晶格匹配，所述p型InGaAsP第一基区102和n型InGaAsP第一发射区103的材料中，P组分为0％～8％。

其中，所述第一隧道结60包括沿逐渐远离所述InGaAsP第一子电池10的方向依次设置的n型InAlGaAs或n型InP重掺层601以及p型InAlGaAs或者p型InP重掺层602。

其中，所述InGaAsP第二子电池20包括沿逐渐远离所述第一隧道结60的方向依次设置的p型InAlGaAs或p型InP第二背场层201、p型InGaAsP第二基区202、n型InGaAsP第二发射区203以及n型InAlGaAs或n型InP第二窗口层204。其中，所述p型InGaAsP第二基区202和n型InGaAsP第二发射区203与所述InP衬底001晶格匹配。

其中，所述第二隧道结70包括沿逐渐远离所述InGaAsP第二子电池20的方向依次设置的n型InAlGaAs或n型InP重掺层701以及p型InAlGaAs或者p型InP重掺层702。

其中，所述InGaAsP第三子电池30包括沿逐渐远离所述第二隧道结70的方向依次设置的p型InAlGaAs或p型InP第三背场层301、p型InGaAsP第三基区302、n型InGaAsP第三发射区303以及n型InAlP第三窗口层304。其中，所述p型InGaAsP第三基区302和n型InGaAsP第三发射区303与所述InP衬底001晶格匹配，所述n型InAlP第三窗口层304为共格应变层，其中Al的组分为1％～10％。

其中，所述渐变缓冲层002的材料为n型InAlAs或者n型InAlP，其带宽大于所述InGaP第四子电池40的带宽。

其中，所述第三隧道结80包括沿逐渐远离所述渐变缓冲层002的方向依次设置的n型InAlAs或n型InAlP重掺层801以及p型InAlAs或p型InAlP重掺层802。

其中，所述InGaP第四子电池40包括沿逐渐远离所述第三隧道结80的方向依次设置的p型InAlAs或p型InAlP第四背场层401、p型InGaP第四基区402、n型InGaP第四发射区403以及n型InAlAs或n型InAlP第四窗口层404。其中，所述p型InGaP第四基区402和n型InGaP第四发射区403具有与所述InP衬底001不同的晶格常数。

其中，所述第四隧道结90包括沿逐渐远离所述InGaP第四子电池40的方向依次设置的n型InAlAs或n型InAlP重掺层901以及p型InAlAs或p型InAlP重掺层902。

其中，所述InAlGaP第五子电池50包括沿逐渐远离所述第四隧道结90的方向依次设置的p型InAlAs或p型InAlP第五背场层501、p型InAlGaP第五基区502、n型InAlGaP第五发射区503以及n型InAlP第五窗口层504。其中，所述p型InAlGaP第五基区502和n型InAlGaP第五发射区503具有与所述p型InGaP第四基区402和n型InGaP第四发射区403相同的晶格常数，所述p型InAlGaP第五基区502和n型InAlGaP第五发射区503的材料中，Al的组分为0％～30％。

其中，所述InGaAs接触层003具有与所述p型InGaP第四基区402和n型InGaP第四发射区403相同的晶格常数，其带宽范围为0.9eV～1.1eV。

如上提供的五结太阳能电池基于InP材料体系，充分利用了InP体系中InGaAsP材料优异的光学电学性质，非常适合于制备光伏电池。并且，该五结太阳能电池通过晶格匹配和晶格异变结合的方式，可以选择合理的带宽组合，实现各子电池间的电流匹配，相对于三结电池和四结电池，其对太阳光谱划分更加细致，从而充分有效的利用太阳光谱，提高电池转换效率；另外，五结太阳能电池能够实现高电压低电流输出，有利于在聚光条件下的工作。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

实施例1

使用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)作为生长工艺，提供p型InP衬底001，生长源为TMGa、TMAl、TMIn、AsH₃和PH₃，掺杂源n型为Si₂H₆，p型为DEZn和CBr₄。生长温度约650℃，反应室压力为100Torr。在高温处理除去衬底表面杂质后，按照如图3所示的五结太阳能电池结构依次生长各层结构。

(1)、InGaAsP第一子电池10：包括0.2微米厚的掺杂Zn的p型InP(1×10¹⁸cm^-3)第一背场层101、2.5微米厚的掺杂Zn的p型InGaAsP(2×10¹⁷cm^-3)第一基区102、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaAsP(2×10¹⁸cm^-3)第一发射区103和0.05微米厚的掺杂Si的n型InAlGaAs(5×10¹⁸cm^-3)第一窗口层104。其中，所述p型InGaAsP第一基区102和n型InGaAsP第一发射区103与InP衬底001晶格匹配，带宽为0.74eV，也即P组分为0％。

(2)、第一隧道结60：包括0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlGaAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层601和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlGaAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层602。

(3)、InGaAsP第二子电池20：包括0.2微米厚的掺杂C的p型InAlGaAs(1×10¹⁸cm^-3)第二背场层201、2微米厚的掺杂Zn的p型InGaAsP(2×10¹⁷cm^-3)第二基区202、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaAsP(2×10¹⁸cm^-3)第二发射区203和0.05微米厚的掺杂Si的n型InP(5×10¹⁸cm^-3)第二窗口层204，其中，所述p型InGaAsP第二基区202和n型InGaAsP第二发射区203与所述InP衬底001晶格匹配，带宽为0.9eV。

(4)、第二隧道结70：包括0.02微米厚的掺杂Si的n型InP(1×10¹⁹cm^-3)重掺层701和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlGaAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层702。

(5)、InGaAsP第三子电池30：包括0.2微米厚的掺杂C的p型InAlGaAs(1×10¹⁸cm^-3)第三背场层301、2微米厚的掺杂Zn的p型InGaAsP(2×10¹⁷cm^-3)第三基区302、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaAsP(2×10¹⁸cm^-3)第三发射区303和0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(3×10¹⁸cm^-3)第三窗口层304。其中所述InGaAsP第三基区302和InGaAsP第三发射区303与InP衬底001晶格匹配，带宽为1.2eV；所述InAlP第三窗口层304的Al的组分为1％。

(6)、渐变缓冲层002：该结构层为5微米厚的掺杂Si的n型InAlAs(2×10¹⁸cm^-3)，其起始点Al的组分为52％，终止点Al的组分为70％。

(7)、第三隧道结80：包括0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层801和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层802。

(8)、InGaP第四子电池40：包括0.15微米厚的掺杂C的p型InAlAs(1×10¹⁸cm^-3)第四背场层401、2微米厚的掺杂Zn的p型InGaP(2×10¹⁷cm^-3)第四基区402、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaP(2×10¹⁸cm^-3)第四发射区403和0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(3×10¹⁸cm^-3)第四窗口层404。所述p型InGaP第四基区402和n型InGaP第四发射区403具有与所述InP衬底001不同的晶格常数，其带宽为1.55eV，Ga组分为22％。

(9)、第四隧道结90：包括0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(1×10¹⁹cm^-3)重掺层901和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层902。

(10)、InAlGaP第五子电池50：包括0.15微米厚的掺杂C的p型InAlAs(1×10¹⁸cm^-3)第五背场层501、0.15微米厚的掺杂Zn的p型InAlGaP(2×10¹⁷cm^-3)第五基区502、0.05微米厚的掺杂Si的n型InAlGaP(2×10¹⁸cm^-3)第五发射区503和0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(3×10¹⁸cm^-3)第五窗口层504。其中所述InAlGaP第五基区502与InGaP第四基区402的晶格常数相同，带宽为1.55eV，也即Al组分为0％，Ga组分为22％。

(11)、InGaAs接触层003：该结构层为0.15微米厚的掺杂Si的n型InGaAs，带宽为0.9eV。

生长完成后分别在InGaAs接触层003和InP衬底001的裸露表面上制作上电极004和下电极005，裂片封装后完成目标产品。

该实施例使用较为常见的MOCVD生长工艺，五结电池的子电池能带组合为1.55/1.55/1.2/0.9/0.74eV，其中叠加了两个相同的InGaP电池实现电流匹配，能够达到的转换效率约43％,In(Al)GaP子电池和InP衬底的失配度为1.6％，生长比较容易实现。

实施例2

使用MOCVD作为生长方法，提供p型InP衬底001，生长源为TMGa、TMAl、TMIn、AsH₃和PH₃，掺杂源n型为Si₂H₆和DETe，p型为DEZn和CBr₄。生长温度约650℃，反应室压力为100Torr。在高温处理除去衬底表面杂质后，按照如图3所示的五结太阳能电池结构依次生长各层结构。

(1)、InGaAsP第一子电池10：包括0.2微米厚的掺杂Zn的p型InP(1×10¹⁸cm^-3)第一背场层101、2.5微米厚的掺杂Zn的p型InGaAsP(2×10¹⁷cm^-3)第一基区102、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaAsP(2×10¹⁸cm^-3)第一发射区103和0.05微米厚的掺杂Si的n型InP(5×10¹⁸cm^-3)第一窗口层104。其中，所述p型InGaAsP第一基区102和n型InGaAsP第一发射区103与InP衬底001晶格匹配，带宽为0.74eV，也即P组分为0％。

(2)、第一隧道结60：包括0.02微米厚的掺杂Te的n型InP(1×10¹⁹cm^-3)重掺层601和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlGaAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层602。

(3)、InGaAsP第二子电池20：包括0.2微米厚的掺杂Zn的p型InP(1×10¹⁸cm^-3)第二背场层201、2微米厚的掺杂Zn的p型InGaAsP(2×10¹⁷cm^-3)第二基区202、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaAsP(2×10¹⁸cm^-3)第二发射区203和0.05微米厚的掺杂Si的n型InP(5×10¹⁸cm^-3)第二窗口层204。其中，所述p型InGaAsP第二基区202和n型InGaAsP第二发射区203与所述InP衬底001晶格匹配，其带宽为1.01eV。

(4)、第二隧道结70：包括0.02微米厚的掺杂Te的n型InP(1×10¹⁹cm^-3)重掺层701和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlGaAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层702。

(5)、InGaAsP第三子电池30：包括0.2微米厚的掺杂Zn的p型InP(1×10¹⁸cm^-3)第三背场层301、2微米厚的掺杂Zn的p型InGaAsP(2×10¹⁷cm^-3)第三基区302、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaAsP(2×10¹⁸cm^-3)第三发射区303和0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(3×10¹⁸cm^-3)第三窗口层304。所述p型InGaAsP第三基区302和n型InGaAsP第三发射区303与所述InP衬底001晶格匹配，其带宽为1.26eV。所述n型InAlP第三窗口层304为共格应变层，其中Al的组分为5％。

(6)、渐变缓冲层002：该结构层为5微米厚的掺杂Si的n型InAlP(2×10¹⁸cm^-3)，其起始点Al的组分为9％，终止点Al的组分为26％。

(7)、第三隧道结80：包括0.02微米厚的掺杂Te的n型InAlP(1×10¹⁹cm^-3)重掺层801和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层802。

(8)、InGaP第四子电池40：包括0.15微米厚的掺杂Zn的p型InAlP(1×10¹⁸cm^-3)第四背场层401、2微米厚的掺杂Zn的p型InGaP(2×10¹⁷cm^-3)第四基区402、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaP(2×10¹⁸cm^-3)第四发射区403和0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(3×10¹⁸cm^-3)第四窗口层404。其中，所述p型InGaP第四基区402和n型InGaP第四发射区403具有与所述InP衬底001不同的晶格常数，其带宽为1.59eV，Ga组分为25％。

(9)、第四隧道结90：包括0.02微米厚的掺杂Te的n型InAlP(1×10¹⁹cm^-3)重掺层901和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层902。

(10)、InAlGaP第五子电池50：包括0.15微米厚的掺杂Zn的p型InAlP(1×10¹⁸cm^-3)第五背场层501、0.15微米厚的掺杂Zn的p型InAlGaP(2×10¹⁷cm^-3)第五基区502、0.05微米厚的掺杂Si的n型InAlGaP(2×10¹⁸cm^-3)第五发射区503和0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(3×10¹⁸cm^-3)第五窗口层504。其中所述InAlGaP第五基区502与InGaP第四基区402的晶格常数相同，带宽为1.59eV，也即Al组分为0％，Ga组分为25％。

(11)、InGaAs接触层003：该结构层为0.15微米厚的掺杂Te的n型InGaAs，其带宽为1eV。

生长完成后分别在InGaAs接触层003和InP衬底001的裸露表面上制作上电极004和下电极005，裂片封装后完成目标产品。

该实施例也使用较为常见的MOCVD生长工艺，五结电池的子电池能带组合为1.59/1.59/1.26/1.01/0.74eV，能够达到的转换效率约45％,比实施例1的转换效率更高，而In(Al)GaP子电池和InP衬底的失配度为1.8％，制作工艺上难度增加。

实施例3

使用MBE(分子束外延)作为生长工艺，提供p型InP衬底001，生长源为固态单质源Ga、Al、In、As和P，掺杂源n型为Si，p型为Be和C。生长温度约500℃。在衬底除气去杂后按照如图3所示的五结太阳能电池结构依次生长各层结构。

(1)、InGaAsP第一子电池10：包括0.2微米厚的掺杂Be的p型InP(1×10¹⁸cm^-3)第一背场层101、2.5微米厚的掺杂Be的p型InGaAsP(2×10¹⁷cm^-3)第一基区102、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaAsP(2×10¹⁸cm^-3)第一发射区103和0.05微米厚的掺杂Si的n型InAlGaAs(5×10¹⁸cm^-3)第一窗口层104。其中，所述p型InGaAsP第一基区102和n型InGaAsP第一发射区103与InP衬底001晶格匹配，带宽为0.78eV，对应P组分为8％。

(2)、第一隧道结60：包括0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlGaAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层601和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlGaAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层602。

(3)、InGaAsP第二子电池20：包括0.2微米厚的掺杂Be的p型InP(1×10¹⁸cm^-3)第二背场层201、2微米厚的掺杂Be的p型InGaAsP(2×10¹⁷cm^-3)第二基区202、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaAsP(2×10¹⁸cm^-3)第二发射区203和0.05微米厚的掺杂Si的n型InP(5×10¹⁸cm^-3)第二窗口层204。其中，所述p型InGaAsP第二基区202和n型InGaAsP第二发射区203与所述InP衬底001晶格匹配，其带宽为1.1eV。

(4)、第二隧道结70：包括0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlGaAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层701和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlGaAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层702。

(5)、InGaAsP第三子电池30：包括0.2微米厚的掺杂Be的p型InP(1×10¹⁸cm^-3)第三背场层301、2微米厚的掺杂Be的p型InGaAsP(2×10¹⁷cm^-3)第三基区302、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaAsP(2×10¹⁸cm^-3)第三发射区303和0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(3×10¹⁸cm^-3)第三窗口层304。所述p型InGaAsP第三基区302和n型InGaAsP第三发射区303与所述InP衬底001晶格匹配，其带宽为1.35eV，也即Ga和As的组分为0％。所述n型InAlP第三窗口层304为共格应变层，其中Al的组分为10％。

(6)、渐变缓冲层002：该结构层为5微米厚的掺杂Si的n型InAlAs(2×10¹⁸cm^-3)，其起始点Al是组分为55％，终止点Al的组分为79％。

(7)、第三隧道结80：包括0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层801和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层802。

(8)、InGaP第四子电池40：包括0.15微米厚的掺杂Be的p型InAlP(1×10¹⁸cm^-3)第四背场层401、2微米厚的掺杂Be的p型InGaP(2×10¹⁷cm^-3)第四基区402、0.2微米厚的掺杂Si的n型InGaP(2×10¹⁸cm^-3)第四发射区403和0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(3×10¹⁸cm^-3)第四窗口层404。其中，所述p型InGaP第四基区402和n型InGaP第四发射区403具有与所述InP衬底001不同的晶格常数，其带宽为1.65eV，Ga组分为30％。

(9)、第四隧道结90：包括0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(1×10¹⁹cm^-3)重掺层901和0.02微米厚的掺杂C的p型InAlAs(1×10¹⁹cm^-3)重掺层902。

(10)、InAlGaP第五子电池50：包括0.15微米厚的掺杂Be的p型InAlP(1×10¹⁸cm^-3)第五背场层501、1微米厚的掺杂Be的p型InAlGaP(2×10¹⁷cm^-3)第五基区502、0.05微米厚的掺杂Si的n型InAlGaP(2×10¹⁸cm^-3)第五发射区503和0.02微米厚的掺杂Si的n型InAlP(3×10¹⁸cm^-3)第五窗口层504。其中所述InAlGaP第五基区502与InGaP第四基区402的晶格常数相同，带宽为2.1eV，也即Al的组分为30％，Ga的组分为0％。

(11)、InGaAs接触层003：该结构层为0.15微米厚的掺杂Si的n型InGaAs，带宽为1.1eV。

生长完成后分别在InGaAs接触层003和InP衬底001的裸露表面上制作上电极004和下电极005，裂片封装后完成目标产品。

该实施例使用MBE作为制作工艺，能够达到较高的真空度。五结电池的子电池能带组合为2.1/1.65/1.35/1.1/0.78eV，能够实现的转换效率约49％，转换效率极高。而In(Al)GaP子电池和InP衬底的失配度为2.1％，InAlGaP第五子电池的Al组分含量较高，制作工艺难度相对来说也更大。

上述各个具体的实施例中，采用MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)或MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)生长工艺制备本发明中提供的五结太阳能电池。其中，若采用MOCVD法，则各层N型掺杂原子可以为Si、Se、S或Te，P型掺杂原子可以为Zn、Mg或C；若采用MBE法，则各层N型掺杂原子可以为Si、Se、S、Sn或Te，P型掺杂原子可以为Be、Mg或C。

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。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种基于InP衬底的五结太阳能电池，其特征在于，包括InP衬底，还包括：在所述InP衬底上依次设置的InGaAsP第一子电池、第一隧道结、InGaAsP第二子电池、第二隧道结、InGaAsP第三子电池、渐变缓冲层、第三隧道结、InGaP第四子电池、第四隧道结、InAlGaP第五子电池和InGaAs接触层。

2.根据权利要求1所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InGaAsP第一子电池、InGaAsP第二子电池和InGaAsP第三子电池之间晶格匹配，且与所述InP衬底晶格匹配；所述InGaP第四子电池和所述InAlGaP第五子电池晶格匹配，且与所述InP衬底之间晶格异变。

3.根据权利要求1或2所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InGaAsP第一子电池的带宽为0.74eV～0.78eV，所述InGaAsP第二子电池的带宽为0.9eV～1.1eV，所述InGaAsP第三子电池的带宽为1.2eV～1.35eV，所述InGaP第四子电池的带宽为1.55eV～1.65eV，所述InAlGaP第五子电池的带宽为1.55eV～2.15eV。

4.根据权利要求3所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InGaAsP第一子电池包括沿逐渐远离所述InP衬底的方向依次设置的p型InP第一背场层、p型InGaAsP第一基区、n型InGaAsP第一发射区以及n型InAlGaAs或n型InP第一窗口层；其中，所述p型InGaAsP第一基区和n型InGaAsP第一发射区与所述InP衬底晶格匹配，所述p型InGaAsP第一基区和n型InGaAsP第一发射区的材料中，P组分为0％～8％。

5.根据权利要求3所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InGaAsP第二子电池包括沿逐渐远离所述第一隧道结的方向依次设置的p型InAlGaAs或p型InP第二背场层、p型InGaAsP第二基区、n型InGaAsP第二发射区以及n型InAlGaAs或n型InP第二窗口层；其中，所述p型InGaAsP第二基区和n型InGaAsP第二发射区与所述InP衬底晶格匹配。

6.根据权利要求3所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InGaAsP第三子电池包括沿逐渐远离所述第二隧道结的方向依次设置的p型InAlGaAs或p型InP第三背场层、p型InGaAsP第三基区、n型InGaAsP第三发射区以及n型InAlP第三窗口层；其中，所述p型InGaAsP第三基区和n型InGaAsP第三发射区与所述InP衬底晶格匹配，所述n型InAlP第三窗口层为共格应变层，其中Al的组分为1％～10％。

7.根据权利要求3所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述第一隧道结包括沿逐渐远离所述InGaAsP第一子电池的方向依次设置的n型InAlGaAs或n型InP重掺层以及p型InAlGaAs或者p型InP重掺层；所述第二隧道结包括沿逐渐远离所述InGaAsP第二子电池的方向依次设置的n型InAlGaAs或n型InP重掺层以及p型InAlGaAs或者p型InP重掺层。

8.根据权利要求3所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述渐变缓冲层的材料为n型InAlAs或者n型InAlP，其带宽大于所述InGaP第四子电池的带宽。

9.根据权利要求3所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InGaP第四子电池包括沿逐渐远离所述第三隧道结的方向依次设置的p型InAlAs或p型InAlP第四背场层、p型InGaP第四基区、n型InGaP第四发射区以及n型InAlAs或n型InAlP第四窗口层；其中，所述p型InGaP第四基区和n型InGaP第四发射区具有与所述InP衬底不同的晶格常数。

10.根据权利要求3所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InAlGaP第五子电池包括沿逐渐远离所述第四隧道结的方向依次设置的p型InAlAs或p型InAlP第五背场层、p型InAlGaP第五基区、n型InAlGaP第五发射区以及n型InAlP第五窗口层；其中，所述p型InAlGaP第五基区和n型InAlGaP第五发射区具有与所述p型InGaP第四基区和n型InGaP第四发射区相同的晶格常数，所述p型InAlGaP第五基区和n型InAlGaP第五发射区的材料中，Al的组分为0％～30％。

11.根据权利要求3所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述第三隧道结包括沿逐渐远离所述渐变缓冲层的方向依次设置的n型InAlAs或n型InAlP重掺层以及p型InAlAs或p型InAlP重掺层；所述第四隧道结包括沿逐渐远离所述InGaP第四子电池的方向依次设置的n型InAlAs或n型InAlP重掺层以及p型InAlAs或p型InAlP重掺层。

12.根据权利要求9所述的五结太阳能电池，其特征在于，所述InGaAs接触层具有与所述p型InGaP第四基区和n型InGaP第四发射区相同的晶格常数，其带宽范围为0.9eV～1.1eV。

13.如权利要求1-12任一所述的五结太阳能电池的制备方法，其特征在于，采用金属有机物化学气相沉积或分子束外延工艺，在InP衬底上依次生长InGaAsP第一子电池、第一隧道结、InGaAsP第二子电池、第二隧道结、InGaAsP第三子电池、渐变缓冲层、第三隧道结、InGaP第四子电池、第四隧道结、InAlGaP第五子电池和InGaAs接触层，然后分别在InGaAs接触层和InP衬底上制作上电极和下电极。