CN109742166A - 一种五结太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种(AlxGa1‑x)yIn1‑yP/AlzGa1‑zAs/GaAs/GamIn1‑mAs/GanIn1‑nAs五结太阳电池及其制备方法，五结太阳电池包括双面抛光的GaAs衬底，GaAs衬底的上表面上由上至下依次设置(AlxGa1‑x)yIn1‑yP子电池和AlzGa1‑zAs子电池，GaAs衬底的下表面上由上至下依次设置GamIn1‑mAs子电池和GanIn1‑nAs子电池。该五结太阳电池及制备方法通过在GaAs衬底上下表面双面生长的方法，获得由(AlxGa1‑x)yIn1‑yP子电池、AlzGa1‑zAs子电池、GaAs子电池、GamIn1‑mAs(1.0eV)和GanIn1‑nAs(0.7eV)子电池组成的五结叠层太阳电池，电池的带隙结构达到与太阳光谱的最佳匹配，且可避免生长稀氮化合物等制备较为困难的材料和键合技术等复杂技术工艺。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种五结太阳电池及其制备方法。
背景技术
由于具备高效率和高可靠性等优点，III-V族多结太阳电池被广泛应用于空间电源系统和地面聚光光伏发电系统。且随着子电池数目的增加，多结太阳电池的转换效率逐步提升。目前，典型带隙结构为1.9/1.42/1.02/0.75eV的四结太阳电池在AM0光谱下的效率已达到34％。而带隙结构为2.05/1.7/1.4/1.0/0.7eV的五结太阳电池在AM0光谱下的效率也已可达到36％。
当前制备五结太阳电池的技术途径主要有正向生长晶格匹配五结太阳电池(AlGaInP/alGaAs/GaInAs/GaInAsN/Ge)和采用键合技术制备的五结太阳电池两种。其中正向生长晶格匹配五结太阳电池需要采用稀氮化合物GaInAsN作为1.0eV子电池，但目前金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长的GaInAsN材料晶体质量差，导致太阳电池效率低下，而分子束外延(MBE)虽然可以制备较高晶体质量的GaInAsN材料，但制备成本高昂。而键合技术涉及两种制备方法，一种是半导体键合方法，即分别在GaAs衬底上反向生长AlGaInP(2.05eV)/AlGaInAs(1.7eV)/GaInAs(1.4eV)三结电池和在InP衬底上正向生长GaInAs(0.75eV)/GaInAsP(1.05eV)两结电池，再通过半导体键合工艺将这两部分子电池键合到一起构成五结太阳电池，另一种是金属键和方法，即在GaAs衬底上先依次反向生长AlGaInP(2.05eV)、AlGaInAs(1.7eV)、GaAs(1.42eV)、GaInAs(1.0eV)、GaInAs(0.75eV)子电池，再将其整体键合到诸如Si等支撑衬底上，最后腐蚀掉GaAs衬底得到五结太阳电池，上述两种方法涉及键合技术和外延层转移等技术，工艺复杂会导致电池成本的增加。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种五结太阳电池及其制备方法，通过在GaAs衬底上下表面双面生长的方法，获得由(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池、AlzGa1-zAs子电池、GaAs子电池、GamIn1-mAs(1.0eV)和GanIn1-nAs(0.7eV)子电池组成的五结叠层太阳电池，电池的带隙结构达到与太阳光谱的最佳匹配，且可避免生长稀氮化合物等制备较为困难的材料和键合技术等复杂技术工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种五结太阳电池，包括双面抛光的GaAs衬底，GaAs衬底的上表面上由上至下依次设置(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池和AlzGa1- zAs子电池，GaAs衬底的下表面上由上至下依次设置GamIn1-mAs子电池和GanIn1-nAs子电池；
优选的，GaAs衬底的上表面上由上至下依次设置(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池、第四隧道结、AlzGa1-zAs子电池、第三隧道结、GaAs子电池窗口层和GaAs子电池发射区层，GaAs衬底的下表面上由上至下依次设置GaAs子电池背场层、第二隧道结、AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层、GamIn1-mAs子电池、第一隧道结、AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层和GanIn1-nAs子电池。
技术方案中，优选的，(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池、AlzGa1-zAs子电池、GaAs子电池窗口层、GaAs子电池发射区层和GaAs子电池背场层的晶格常数与GaAs衬底的晶格常数匹配。
技术方案中，优选的，AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层中In组分比例由0逐渐增加至1-m，晶格常数由与GaAs匹配渐变至与GamIn1-mAs匹配。
技术方案中，优选的，AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层中In组分比例由1-m逐渐增加至1-n，晶格常数由与GamIn1-mAs匹配渐变至与GanIn1-nAs匹配。
技术方案中，优选的，(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池叠层结构由上至下依次包括第一窗口层、(AlxGa1-x)yIn1-yP发射区、(AlxGa1-x)yIn1-yP基区和第一背场层，优选的，y为0.5，x为0-0.5，优选的，(AlxGa1-x)yIn1-yP材料的带隙在1.85eV～2.23eV区间内。
技术方案中，优选的，AlzGa1-zAs子电池叠层结构由上至下依次包括第二窗口层、AlzGa1-zAs发射区、AlzGa1-zAs基区和第二背场层，优选的，z为0.06-0.3，优选的，AlzGa1-zAs材料带隙在1.5eV～1.8eV区间内。
技术方案中，优选的，GamIn1-mAs子电池叠层结构由上至下依次包括第三窗口层、GamIn1-mAs发射区、GamIn1-mAs基区和第三背场层，优选的，m为0.58-0.83，优选的，GamIn1-mAs材料带隙在0.9eV～1.2eV区间内。
技术方案中，优选的，GanIn1-nAs子电池叠层结构由上至下依次包括第四窗口层、GanIn1-nAs发射区、GanIn1-nAs基区和第四背场层，优选的，n为0.3-0.5，优选的，GanIn1-nAs材料带隙在0.6eV～0.8eV区间内。
本发明的另一目的是提供一种制备上述五结太阳电池的方法，包括：在GaAs衬底的上表面依次生长AlzGa1-zAs子电池和(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池；在GaAs衬底的下表面依次生长GamIn1-mAs子电池和GanIn1-nAs子电池；
优选的，该方法包括：在GaAs衬底的上表面依次生长GaAs发射区层、GaInP窗口层、第三隧道结、AlzGa1-zAs子电池、第四隧道结和(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池；在GaAs衬底的下表面依次生长GaInP背场层、第二隧道结、AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层、GamIn1-mAs子电池、第一隧道结、AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层和GanIn1-nAs子电池。
技术方案中，在GaAs衬底的上表面和下表面生长各子电池层可使用化学气相沉积法、分子束外延法或化学束外延发等方法均可。
本发明具有的优点和积极效果是：该五结太阳电池GaAs双面衬底同时作为支撑衬底和GaAs子电池基区层，并在GaAs衬底的上表面设置(AlxGa1-x)yIn1-yP和AlzGa1-zAs子电池，GaAs子电池窗口层和GaAs发射区层，在其下表面设置GaAs子电池背场层，GamIn1-mAs和GanIn1-nAs子电池，最终得到带隙组合为2.05/1.7/1.42/1.0/0.7eV的(AlxGa1-x)yIn1-yP/AlzGa1-zAs/GaAs/GamIn1-mAs/GanIn1-nAs五结电池，可以使电池的带隙结构实现与太阳光谱匹配，提高多结电池的开路电压和填充因子，继而提高电池的光电转换效率；该制备方法采用双面抛光的GaAs衬底，在GaAs衬底上表面先制备AlGaInP，AlGaAs和GaAs子电池，再在下表面制备GamIn1-mAs(1.0eV)和GanIn1-nAs(0.7eV)子电池，可以避免生长稀氮化合物等制备较为困难的材料和键合技术等复杂技术工艺，有利于降低电池的制备难度和成本。
附图说明
图1是本发明实施例的五结太阳电池的结构示意图。
图中：
1、(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池 2、第四隧道结 3、AlzGa1-zAs子电池
4、第三隧道结 5、GaAs子电池窗口层 6、GaAs子电池发射区层
7、GaAs子电池基区层 8、GaAs子电池背场层 9、第二隧道结
10、AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层 11、GamIn1-mAs子电池 12、第一隧道结
13、AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层 14、GanIn1-nAs子电池
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步介绍：
如图1所示，本实施例所述的一种五结太阳电池，包括双面抛光的GaAs衬底，可以根据其他各层材料的导电类型选择N型GaAs衬底或P型GaAs衬底，GaAs衬底同时作为GaAs子电池的基层区，GaAs衬底的上表面按照叠层结构由上至下依次设置有(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池、第四隧道结、AlzGa1-zAs子电池、第三隧道结、GaAs子电池窗口层和GaAs子电池发射区层，GaAs衬底的下表面上由上至下依次设置GaAs子电池背场层、第二隧道结、AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层、GamIn1-mAs子电池、第一隧道结、AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层和GanIn1- nAs子电池。
其中，优选的，(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池、AlzGa1-zAs子电池、GaAs子电池窗口层、GaAs子电池发射区层和GaAs子电池背场层的晶格常数与GaAs衬底的晶格常数匹配。
优选的，AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层中In组分比例由0逐渐增加至1-m，晶格常数由与GaAs匹配渐变至与GamIn1-mAs匹配。
优选的，AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层中In组分比例由1-m逐渐增加至1-n，晶格常数由与GamIn1-mAs匹配渐变至与GanIn1-nAs匹配。
优选的，(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池叠层结构由上至下依次包括窗口层、(AlxGa1-x)yIn1-yP发射区、(AlxGa1-x)yIn1-yP基区和背场层，其中，y为0.5，x在0-0.5的区间内，优选的，(AlxGa1-x)yIn1-yP材料的带隙在1.85eV～2.23eV区间内。
技术方案中，优选的，AlzGa1-zAs子电池叠层结构由上至下依次包括窗口层、AlzGa1-zAs发射区、AlzGa1-zAs基区和背场层，优选的，z为0.06-0.3，优选的，AlzGa1-zAs材料带隙在1.5eV～1.8eV区间内。
技术方案中，优选的，GamIn1-mAs子电池叠层结构由上至下依次包括窗口层、GamIn1-mAs发射区、GamIn1-mAs基区和背场层，优选的，m为0.58-0.83，优选的，GamIn1-mAs材料带隙在0.9eV～1.2eV区间内。
技术方案中，优选的，GanIn1-nAs子电池叠层结构由上至下依次包括窗口层、GanIn1-nAs发射区、GanIn1-nAs基区和背场层，优选的，n为0.3-0.5，优选的，GanIn1-nAs材料带隙在0.6eV～0.8eV区间内。
该五结太阳电池的制备方法，具体如下：
一、以4英寸双面抛光的P型GaAs单晶片为衬底，采用金属有机化学气相沉积的方法在GaAs衬底的上表面依次生长N型GaAs发射区层、N型GaInP窗口层、第三隧道结、AlzGa1- zAs子电池、第四隧道结和(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池；
二、将GaAs衬底翻转180°，在GaAs衬底的下表面依次生长P型GaInP背场层、第二隧道结、AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层、GamIn1-mAs子电池、第一隧道结、AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层和GanIn1-nAs子电池。
本实施例所述的一种(AlxGa1-x)yIn1-yP/AlzGa1-zAs/GaAs/GamIn1-mAs/GanIn1-nAs五结太阳电池，利用双面抛光的GaAs衬底，在GaAs衬底上表面设置有带隙为2.05eV的(AlxGa1-x)yIn1-yP，1.7eV的AlzGa1-zAs子电池，在下表面设置带隙为1.0eV的GamIn1-mAs子电池和0.7eV的GanIn1-nAs子电池，并将GaInP窗口层，GaAs发射区层，GaAs衬底和GaInP背场层构成带隙为1.42eV的GaAs子电池，最终得到带隙结构为2.05/1.7/1.42/1.0/0.7eV的(AlxGa1-x)yIn1-yP/AlzGa1-zAs/GaAs/GamIn1-mAs/GanIn1-nAs五结太阳电池，可以使电池的带隙结构实现与太阳光谱匹配，提高多结电池的开路电压和填充因子，继而提高电池的光电转换效率；该制备方法采用双面抛光的GaAs衬底，在GaAs衬底上表面先制备AlGaInP，AlGaAs和GaAs子电池，再在下表面制备GamIn1-mAs(1.0eV)和GanIn1-nAs(0.7eV)子电池，可以避免生长稀氮化合物等制备较为困难的材料和键合技术等复杂技术工艺，有利于降低电池的制备难度和成本。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种(AlxGa1-x)yIn1-yP/AlzGa1-zAs/GaAs/GamIn1-mAs/GanIn1-nAs五结太阳电池，其特征在于：包括双面抛光的GaAs衬底，所述GaAs衬底的上表面上由上至下依次设置(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池和AlzGa1-zAs子电池，所述GaAs衬底的下表面上由上至下依次设置GamIn1-mAs子电池和GanIn1-nAs子电池；
优选的，所述GaAs衬底的上表面上由上至下依次设置(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池、第四隧道结、AlzGa1-zAs子电池、第三隧道结、GaAs子电池窗口层和GaAs子电池发射区层，所述GaAs衬底的下表面上由上至下依次设置GaAs子电池背场层、第二隧道结、AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层、GamIn1-mAs子电池、第一隧道结、AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层和GanIn1-nAs子电池。
2.根据权利要求1所述的五结太阳电池，其特征在于：所述(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池、所述AlzGa1-zAs子电池、所述GaAs子电池窗口层、所述GaAs子电池发射区层和所述GaAs子电池背场层的晶格常数与所述GaAs衬底的晶格常数匹配。
3.根据权利要求1或2所述的五结太阳电池，其特征在于：所述AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层中In组分比例由0逐渐增加至1-m，晶格常数由与GaAs匹配渐变至与GamIn1-mAs匹配。
4.根据权利要求1-3任一所述的五结太阳电池，其特征在于：所述AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层中In组分比例由1-m逐渐增加至1-n，晶格常数由与GamIn1-mAs匹配渐变至与GanIn1-nAs匹配。
5.根据权利要求1-4任一所述的五结太阳电池，其特征在于：所述(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池叠层结构由上至下依次包括第一窗口层、(AlxGa1-x)yIn1-yP发射区、(AlxGa1-x)yIn1-yP基区和第一背场层，优选的，y为0.5，x为0-0.5，优选的，(AlxGa1-x)yIn1-yP材料的带隙在1.85eV～2.23eV区间内。
6.根据权利要求1-5任一所述的五结太阳电池，其特征在于：所述AlzGa1-zAs子电池叠层结构由上至下依次包括第二窗口层、AlzGa1-zAs发射区、AlzGa1-zAs基区和第二背场层，优选的，z为0.06-0.3，优选的，AlzGa1-zAs材料带隙在1.5eV～1.8eV区间内。
7.根据权利要求1-6任一所述的五结太阳电池，其特征在于：所述GamIn1-mAs子电池叠层结构由上至下依次包括第三窗口层、GamIn1-mAs发射区、GamIn1-mAs基区和第三背场层，优选的，m为0.58-0.83，优选的，GamIn1-mAs材料带隙在0.9eV～1.2eV区间内。
8.根据权利要求1-7任一所述的五结太阳电池，其特征在于：所述GanIn1-nAs子电池叠层结构由上至下依次包括第四窗口层、GanIn1-nAs发射区、GanIn1-nAs基区和第四背场层，优选的，n为0.3-0.5，优选的，GanIn1-nAs材料带隙在0.6eV～0.8eV区间内。
9.一种制备如权利要求1-8任一所述的五结太阳电池的方法，其特征在于：
包括：在所述GaAs衬底的上表面依次生长所述AlzGa1-zAs子电池和所述(AlxGa1-x)yIn1- yP子电池；在所述GaAs衬底的下表面依次生长所述GamIn1-mAs子电池和所述GanIn1-nAs子电池。
10.根据权利要求9所述的五结太阳电池的方法，其特征在于：
包括：在所述GaAs衬底的上表面依次生长所述GaAs发射区层、所述GaInP窗口层、所述第三隧道结、所述AlzGa1-zAs子电池、所述第四隧道结和所述(AlxGa1-x)yIn1-yP子电池；在所述GaAs衬底的下表面依次生长所述GaInP背场层、所述第二隧道结、所述AlGaInAs第一晶格渐变缓冲层、所述GamIn1-mAs子电池、所述第一隧道结、所述AlGaInAs第二晶格渐变缓冲层和所述GanIn1-nAs子电池。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190510 |