CN106531836A - 四结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种四结太阳能电池，其包括GaAs衬底，所述GaAs衬底为双面抛光的n型GaAs单晶片，在所述GaAs衬底的上表面设置有GaInP子电池、GaAs子电池、InGaNAsBi子电池和第一GaAs缓冲层，在所述GaAs衬底的下表面设置有第二GaAs缓冲层、量子点结构子电池，所述GaInP子电池和GaAs子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAs子电池与InGaNAsBi子电池之间通过第二隧道结连接，所述InGaNAsBi子电池与第一GaAs缓冲层之间通过第一隧道结连接。本发明可以提高太阳电池对太阳光谱的利用率，从而提高多结太阳电池的光电转换效率。

Description

四结太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能光伏的技术领域，尤其是指一种含有量子点结构子电池的四结太阳能电池。
背景技术
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池作为一种高效的能源材料成为各国的研究热点，为了促进太阳能电池的进一步实用化，提高其光电转换效率是其降低发电成本的一种有效手段。高效的太阳能电池需要对太阳光谱进行划分，采用与之相匹配的不同带隙宽度子电池进行串联，以达到充分利用太阳光的目的。目前研究较为成熟的体系是晶格匹配生长的GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.7eV)三结电池，其最高转换效率为32-33％(一个太阳)。然而该三结电池中Ge底电池覆盖较宽的光谱，其短路电流较大，为了实现与其他子电池的电流匹配必然会降低太阳光利用率。
理论分析表明，带隙结构为1.90/1.43/1.04/0.67eV的四结太阳电池理论效率能达到58％，结合实际因素后的效率极限达47％，远高于传统三结42％的极限效率(R.R.King,D.C.Law,K.M.Edmondson et al.,Advances in OptoElectronics，2007(2007)29523)，这主要是因为相比于三结电池，四结电池可以减少热损失，提高电池对太阳光谱的利用率，同时提高开路电压和填充因子。如何实现多结太阳能电池合理的带隙组合，减小电流失配同时而又不提高电池制作成本和难度成为当前Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种量子点结构子电池的四结太阳能电池，可以使电池的带隙结构与太阳光谱更加匹配，充分发挥四结电池的优势，提高电池对太阳光谱的利用率，提高多结电池的整体开路电压和填充因子，并最终提高电池的光电转换效率。
为实现上述目的，本发明提出的一种四结太阳能电池，包括有GaAs衬底，所述GaAs衬底为双面抛光的n型GaAs单晶片，在所述GaAs衬底的上表面设置有GaInP子电池、GaAs子电池、InGaNAsBi子电池和第一GaAs缓冲层，在所述GaAs衬底的下表面设置有第二GaAs缓冲层、量子点结构子电池，所述GaInP子电池和GaAs子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAs子电池与InGaNAsBi子电池之间通过第二隧道结连接，所述InGaNAsBi子电池与第一GaAs缓冲层之间通过第一隧道结连接。
作为优选，所述量子点结构子电池为p-i-n结构的InGaAs/GaAs量子点太阳电池，从上至下依次包括有n型AlGaAs窗口层、n型GaAs层、非掺杂的InxGa1-xAs/GaAs量子点结构层、p型GaAs层、p型AlGaAs背场层；其中0.8〈x〈0.95，InxGa1-xAs/GaAs量子点结构层光学带隙为0.65eV—0.75eV。
作为优选，所述InGaNAsBi子电池包含材料为InGaNAsBi的基区，以及在所述基区上设置的材料为InGaNAsBi的发射区。
作为优选，所述GaInP子电池和所述量子点结构子电池上分别设有电极。
作为优选，所述四结太阳能电池的带隙组合为1.90eV、1.42eV、1.00eV、0.70eV。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
利用GaAs双面生长衬底，并结合量子点结构材料的自身特点，在GaAs衬底的上表面设置有GaInP子电池、GaAs子电池以及InGaNAsBi子电池，在其下表面设置带隙约0.65eV—0.75eV的量子点结构子电池，最终得到带隙组合结构接近1.9/1.42/1.04/0.7eV的四结太阳电池，达到太阳光谱下四结电池最佳带隙组合，最大程度发挥四结电池的优势，提高电池对太阳光谱的利用率，显著提高电池的光电转换效率。
附图说明
图1是本发明的四结太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所述的一种四结太阳能电池，包括有GaAs衬底1，所述GaAs衬底1为双面抛光的n型GaAs单晶片，在所述GaAs衬底1的上表面设置有GaInP子电池8、GaAs子电池6、InGaNAsBi子电池4和第一GaAs缓冲层2，在所述GaAs衬底1的下表面设置有第二GaAs缓冲层9、量子点结构子电池10，所述GaInP子电池8和GaAs子电池6之间通过第三隧道结7连接，所述GaAs子电池6与InGaNAsBi子电池4之间通过第二隧道结5连接，所述InGaNAsBi子电池4与第一GaAs缓冲层2之间通过第一隧道结3连接，所述InGaNAsBi子电池4包含材料为InGaNAsBi的基区，以及在所述基区上设置的材料为InGaNAsBi的发射区，所述GaInP子电池8和所述量子点结构子电池10上分别设有电极，所述四结太阳能电池的带隙组合可以为1.90eV、1.42eV、1.00eV、0.70eV。
所述量子点结构子电池10为p-i-n结构的InGaAs/GaAs量子点太阳电池，从上至下依次包括有n型AlGaAs窗口层、n型GaAs层、非掺杂的InxGa1-xAs/GaAs量子点结构层、p型GaAs层、p型AlGaAs背场层；其中0.8〈x〈0.95，InxGa1-xAs/GaAs量子点结构层光学带隙为0.65eV—0.75eV。
下面为本实施例上述四结太阳能电池的具体制备过程，其情况如下：
首先，以4英寸双面抛光的n型GaAs单晶片为衬底，然后采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)或分子束外延生长技术(MBE)在GaAs衬底的上表面依次生长第一GaAs缓冲层2、第一隧道结3、InGaNAsBi子电池4、第二隧道结5、GaAs子电池6、第三隧道结7和GaInP子电池8，最后将GaAs衬底翻转180°，再在GaAs衬底的下表面依次生长第二GaAs缓冲层9和量子点结构子电池，即可完成四结太阳能电池的制备。
综上所述，本发明利用GaAs双面生长衬底，并结合量子点结构材料的自身特点，在GaAs衬底的上表面设置有GaInP子电池、GaAs子电池以及InGaNAsBi子电池，在其下表面设置带隙约0.65eV—0.75eV的量子点结构子电池，最终得到带隙组合结构接近1.9/1.42/1.04/0.7eV的四结太阳电池，达到太阳光谱下四结电池最佳带隙组合，最大程度发挥四结电池的优势，提高电池对太阳光谱的利用率，从而尽可能提高多结太阳电池的光电转换效率，值得推广。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种四结太阳能电池，包括有GaAs衬底，其特征在于：所述GaAs衬底为双面抛光的n型GaAs单晶片，在所述GaAs衬底的上表面设置有GaInP子电池、GaAs子电池、InGaNAsBi子电池和第一GaAs缓冲层，在所述GaAs衬底的下表面设置有第二GaAs缓冲层、量子点结构子电池，所述GaInP子电池和GaAs子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAs子电池与InGaNAsBi子电池之间通过第二隧道结连接，所述InGaNAsBi子电池与第一GaAs缓冲层之间通过第一隧道结连接。
2.根据权利要求1所述的一种四结太阳能电池，其特征在于：所述量子点结构子电池为p-i-n结构的InGaAs/GaAs量子点太阳电池，从上至下依次包括有n型AlGaAs窗口层、n型GaAs层、非掺杂的InxGa1-xAs/GaAs量子点结构层、p型GaAs层、p型AlGaAs背场层；其中0.8〈x〈0.95，InxGa1-xAs/GaAs量子点结构层光学带隙为0.65eV—0.75eV。
3.根据权利要求1所述的一种四结太阳能电池，其特征在于：所述InGaNAsBi子电池包含材料为InGaNAsBi的基区，以及在所述基区上设置的材料为InGaNAsBi的发射区。
4.根据权利要求1所述的一种四结太阳能电池，其特征在于：所述GaInP子电池和所述量子点结构子电池上分别设有电极。
5.根据权利要求1所述的一种四结太阳能电池，其特征在于：所述四结太阳能电池的带隙组合为1.90eV、1.42eV、1.00eV、0.70eV。
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