CN113013275B - 一种失配结构的太阳能多结电池及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种失配结构的太阳能多结电池及制作方法，至少包括依次叠层设置的第一太阳能电池组、晶硅衬底以及第二太阳能电池组，晶硅衬底的上表面设置有第一结合结构以及晶硅衬底的下表面设置有第二结合结构，第一结合结构和第二结合结构均包括多个间隔设置的凸柱，晶硅衬底的上表面通过第一结合结构与第一太阳能电池组结合，晶硅衬底的下表面通过第二结合结构与第二太阳能电池组结合，凸柱顶端受到应力施压，可以存在一定程度的弯曲变形，应力得到释放，防止晶硅衬底、第一太阳能电池组或者第二太阳能电池组因应力作用而发生翘曲的情况发生，降低了位错等缺陷的发生，结构稳定，具有较高的能源转化效率。

Description

一种失配结构的太阳能多结电池及制作方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种失配结构的太阳能多结电池及制作方法。
背景技术
在太阳能电池中，III-V族化合物多结太阳电池具有较高的转换效率，然而由于化合物多结电池的制作成本较高，难以广泛应用。
在对太阳能电池的生产前需要进行叠层设计，叠层设计需要注意获得高晶体质量的外延材料和各子电池电流匹配，设计晶格失配的太阳能电池，可以打破传统晶格匹配的太阳能电池对材料选择上的束缚，材料选择范围得到拓宽，设计过程中只需要着重设计各子电池的半导体材料组分，使其带隙满足电流匹配的要求，但是，设计晶格失配的太阳能电池会存在以下问题，例如：位错等缺陷导致的材料质量变差，外延部位翘曲等。
目前，降低晶格失配而导致的应力和缺陷问题的方法主要是在两种晶格失配的材料之间生长晶格渐变缓冲层，但晶格渐变缓冲层一般要生长出一定厚度才能起到效果，其厚度约占整个外延层厚度的1/6～1/3，不利于成本控制和产能提升。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种失配结构的太阳能多结电池，具有较高的能源转化效率，结构稳定。
本发明还提出一种失配结构的太阳能多结电池的制作方法，降低生产成本，提高电池生产的良品率。
根据本发明的第一方面实施例的一种失配结构的太阳能多结电池，至少包括依次叠层设置的第一太阳能电池组、晶硅衬底以及第二太阳能电池组，所述晶硅衬底的上表面设置有第一结合结构以及所述晶硅衬底的下表面设置有第二结合结构，所述第一结合结构和所述第二结合结构均包括多个间隔设置的凸柱，所述晶硅衬底的上表面通过所述第一结合结构与所述第一太阳能电池组结合，所述晶硅衬底的下表面通过所述第二结合结构与所述第二太阳能电池组结合。
根据本发明实施例的一种失配结构的太阳能多结电池，至少具有如下有益效果：
本发明太阳能多结电池，采用失配结构，可以适当调整材料的带隙，优化电流匹配，使得太阳能多结电池可以充分吸收太阳光，提升电池的转化效率，对晶硅衬底加工能够形成多个间隔设置的凸柱构成的第一结合结构和第二结合结构，无论是第一太阳能电池组还是第二太阳能电池组，在晶硅衬底上生成时，第一太阳能电池组或第二太阳能电池组的材料会包覆于凸柱上，凸柱顶端受到应力施压，可以存在一定程度的弯曲变形，应力得到释放，从而缓解第一太阳能电池组或第二太阳能电池组与晶硅衬底结合时的应力，防止晶硅衬底、第一太阳能电池组或者第二太阳能电池组因应力作用而发生翘曲的情况发生，降低了位错等缺陷的发生，结构稳定，具有较高的能源转化效率。
根据本发明的一些实施例，所述第一太阳能电池组包括从下至上依次叠层设置的Si子电池层、第一二维材料层、GaAs子电池层、第二二维材料层、AlGaAs子电池层、第三二维材料层以及AlGaInP子电池层，所述晶硅衬底的上表面通过所述第一结合结构与所述Si子电池层结合。
根据本发明的一些实施例，所述晶硅衬底为P型单晶硅层，所述Si子电池层为N型GaP层。
根据本发明的一些实施例，所述第一二维材料层由多层石墨烯层构成。
根据本发明的一些实施例，所述第二太阳能电池组包括从上至下依次叠层设置的第四二维材料层、Ga1-xInxAs子电池层、第五二维材料层以及Ga1-yInyAs子电池层，所述晶硅衬底的下表面通过所述第二结合结构与所述第四二维材料层结合。
根据本发明第二方面实施例的一种失配结构的太阳能多结电池的制作方法，包括：S1、在晶硅衬底的上表面和下表面各自蚀刻多个间隔设置的凸柱以分别形成第一结合结构和第二结合结构；S2、在晶硅衬底的上表面上生长形成第一太阳能电池组；S3、将晶硅衬底翻转，在晶硅衬底的下表面上生长形成第二太阳能电池组。
根据本发明实施例的一种失配结构的太阳能多结电池的制作方法，至少具有如下有益效果：
本发明的失配结构的太阳能多结电池的制作方法，利用蚀刻工艺于晶硅衬底的上表面和下表面各自设置多个间隔设置的凸柱的第一结合结构和第二结合结构，并且于晶硅衬底上依次生成第一太阳能电池组和第二太阳能电池组，第一太阳能电池组和第二太阳能电池组相互晶格失配，通过晶硅衬底以及其上的第一结合结构和第二结合结构结合，对太阳能电池的设计上，材料选择范围得到拓宽，并且只需要着重设计各子电池的半导体材料组分，使其带隙满足电流匹配的要求，凸柱顶端受到应力施压，可以存在一定程度的弯曲变形，应力得到释放，从而缓解第一太阳能电池组或第二太阳能电池组与晶硅衬底结合时的应力，防止晶硅衬底、第一太阳能电池组或者第二太阳能电池组因应力作用而发生翘曲的情况发生，降低了位错等缺陷的发生，使得研发成本和生产成本降低，提高电池生产的良品率。
根据本发明的一些实施例，在S2中，在晶硅衬底的上表面上依次生长Si子电池层、第一二维材料层、GaAs子电池层、第二二维材料层、AlGaAs子电池层、第三二维材料层以及AlGaInP子电池层以形成第一太阳能电池组。
根据本发明的一些实施例，所述晶硅衬底采用P型单晶硅层，在S2中，在晶硅衬底的上表面生长N型的GaP层以形成Si子电池层，N型的GaP层与P型单晶硅层通过磷扩散形成PN结。
根据本发明的一些实施例，N型的GaP层厚度范围为10-20nm，凸柱的高度范围为1-2μm，所述第一二维材料层由多层石墨烯层构成，所述第一二维材料层的厚度范围为5-20nm。
根据本发明的一些实施例，在S3中，在晶硅衬底的下表面上依次生长第四二维材料层、Ga1-xInxAs子电池层、第五二维材料层以及Ga1-yInyAs子电池层以形成第二太阳能电池组。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明太阳能多结电池的其中一种实施例的结构示意图；
图2为本发明太阳能多结电池的制作方法的其中一种实施例的流程图；
图3为本发明太阳能多结电池的制作方法的其中一种实施例的晶硅衬底的结构示意图；
图4为本发明太阳能多结电池的制作方法的其中一种实施例的生长过程示意图。
附图标记：
第一太阳能电池组100、第二太阳能电池组200、晶硅衬底300、第一结合结构400、第二结合结构500、凸柱600、第一二维材料层710、第二二维材料层720、第三二维材料层730、第四二维材料层740、第五二维材料层750、Si子电池层800。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-4所示，根据本发明的第一方面实施例的一种失配结构的太阳能多结电池，至少包括依次叠层设置的第一太阳能电池组100、晶硅衬底300以及第二太阳能电池组200，晶硅衬底300的上表面设置有第一结合结构400以及晶硅衬底300的下表面设置有第二结合结构500，第一结合结构400和第二结合结构500均包括多个间隔设置的凸柱600，晶硅衬底300的上表面通过第一结合结构400与第一太阳能电池组100结合，晶硅衬底300的下表面通过第二结合结构500与第二太阳能电池组200结合。
本发明太阳能多结电池，采用失配结构，可以适当调整材料的带隙，优化电流匹配，使得太阳能多结电池可以充分吸收太阳光，提升电池的转化效率，对晶硅衬底300加工能够形成多个间隔设置的凸柱600构成的第一结合结构400和第二结合结构500，无论是第一太阳能电池组100还是第二太阳能电池组200，在晶硅衬底300上生成时，第一太阳能电池组100或第二太阳能电池组200的材料会包覆于凸柱600上，凸柱600顶端受到应力施压，可以存在一定程度的弯曲变形，应力得到释放，从而缓解第一太阳能电池组100或第二太阳能电池组200与晶硅衬底300结合时的应力，防止晶硅衬底300、第一太阳能电池组100或者第二太阳能电池组200因应力作用而发生翘曲的情况发生，降低了位错等缺陷的发生，结构稳定，具有较高的能源转化效率。
在本发明的一些实施例中，第一太阳能电池组100包括从下至上依次叠层设置的Si子电池层800、第一二维材料层710、GaAs子电池层、第二二维材料层720、AlGaAs子电池层、第三二维材料层730以及AlGaInP子电池层，晶硅衬底300的上表面通过第一结合结构400与Si子电池层800结合。
其中，Si子电池层800、GaAs子电池层、AlGaAs子电池层以及AlGaInP子电池层的光学带隙分别为1.1eV、1.4eV、1.7eV和2.2eV。
在本发明的一些实施例中，晶硅衬底300为P型单晶硅层，Si子电池层800为N型GaP层，N型GaP层能够在P型单晶硅层磷扩散形成PN结，具有较好的导电性能，并且可以避免生长温度、气流、掺杂源等切换，有利于提高产能，降低成本。
在本发明的一些实施例中，第一二维材料层710由多层石墨烯层构成。
采用二维材料的石墨烯层，可以对Si子电池的表面进行晶格修复和重建，有利于提高后续外延层的晶体质量。
在本发明的一些实施例中，第二太阳能电池组200包括从上至下依次叠层设置的第四二维材料层740、Ga1-xInxAs子电池层、第五二维材料层750以及Ga1-yInyAs子电池层，晶硅衬底300的下表面通过第二结合结构500与第四二维材料层740结合。
Ga1-xInxAs子电池层和Ga1-yInyAs子电池层光学带隙分别为0.9和0.7eV。
具体地，在本发明的一些实施例中，第二二维材料层720、第三二维材料层730、第四二维材料层740以及第五二维材料层750均可以是由多层石墨烯层构成。
根据本发明第二方面实施例的一种失配结构的太阳能多结电池的制作方法，包括：S1、在晶硅衬底300的上表面和下表面各自蚀刻多个间隔设置的凸柱600以分别形成第一结合结构400和第二结合结构500；S2、在晶硅衬底300的上表面上生长形成第一太阳能电池组100；S3、将晶硅衬底300翻转，在晶硅衬底300的下表面上生长形成第二太阳能电池组200。
本发明的失配结构的太阳能多结电池的制作方法，如图2-4所示，利用蚀刻工艺于晶硅衬底300的上表面和下表面各自设置多个间隔设置的凸柱600的第一结合结构400和第二结合结构500，并且于晶硅衬底300上依次生成第一太阳能电池组100和第二太阳能电池组200，第一太阳能电池组100和第二太阳能电池组200相互晶格失配，通过晶硅衬底300以及其上的第一结合结构400和第二结合结构500结合，对太阳能电池的设计上，材料选择范围得到拓宽，并且只需要着重设计各子电池的半导体材料组分，使其带隙满足电流匹配的要求，凸柱600顶端受到应力施压，可以存在一定程度的弯曲变形，应力得到释放，从而缓解第一太阳能电池组100或第二太阳能电池组200与晶硅衬底300结合时的应力，防止晶硅衬底300、第一太阳能电池组100或者第二太阳能电池组200因应力作用而发生翘曲的情况发生，降低了位错等缺陷的发生，使得研发成本和生产成本降低，提高电池生产的良品率。
其中，在S1中，可以对厚度200μm的单晶硅双面抛光，以单晶硅作为衬底，降低多结电池的生产成本，从而显著降低光伏电站度电成本。
在本发明的一些实施例中，第一太阳能电池组100包括从下至上依次叠层设置的Si子电池层800、第一二维材料层710、GaAs子电池层、第二二维材料层720、AlGaAs子电池层、第三二维材料层730以及AlGaInP子电池层，具体地，在S2中，在晶硅衬底300的上表面上采用金属有机化合物气相沉积技术(MOCVD)或分子束外延技术(MBE)依次生长Si子电池层800、第一二维材料层710、GaAs子电池层、第二二维材料层720、AlGaAs子电池层、第三二维材料层730以及AlGaInP子电池层以形成第一太阳能电池组100。
在本发明的一些实施例中，晶硅衬底300采用P型单晶硅层，在S2中，在晶硅衬底300的上表面生长N型的GaP层以形成Si子电池层800，N型的GaP层与P型单晶硅层通过磷扩散形成PN结，具有较好的导电性能，并且可以避免生长温度、气流、掺杂源等切换，有利于提高产能，降低成本。
在本发明的一些实施例中，在S3中，在晶硅衬底300的下表面上依次生长第四二维材料层740、Ga1-xInxAs子电池层、第五二维材料层750以及Ga1-yInyAs子电池层以形成第二太阳能电池组200。
具体地，N型的GaP层厚度范围为10-20nm，凸柱600的高度范围为1-2μm，其中，第一二维材料层710、第二二维材料层720、第三二维材料层730、第四二维材料层740以及第五二维材料层750均可以由多层石墨烯层构成，并且厚度范围为5-20nm，其中，第一二维材料层710的厚度可以为10nm。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种失配结构的太阳能多结电池，其特征在于，至少包括依次叠层设置的第一太阳能电池组、晶硅衬底以及第二太阳能电池组，所述晶硅衬底的上表面设置有第一结合结构以及所述晶硅衬底的下表面设置有第二结合结构，所述第一结合结构和所述第二结合结构均包括多个间隔设置的凸柱，所述晶硅衬底的上表面通过所述第一结合结构与所述第一太阳能电池组结合，所述晶硅衬底的下表面通过所述第二结合结构与所述第二太阳能电池组结合；
所述第一太阳能电池组包括从下至上依次叠层设置的Si子电池层、第一二维材料层、GaAs子电池层、第二二维材料层、AlGaAs子电池层、第三二维材料层以及AlGaInP子电池层，所述晶硅衬底的上表面通过所述第一结合结构与所述Si子电池层结合；
所述晶硅衬底为P型单晶硅层，所述Si子电池层为N型GaP层。
2.根据权利要求1所述的一种失配结构的太阳能多结电池，其特征在于：所述第一二维材料层由多层石墨烯层构成。
3.根据权利要求1所述的一种失配结构的太阳能多结电池，其特征在于：所述第二太阳能电池组包括从上至下依次叠层设置的第四二维材料层、Ga1-xInxAs子电池层、第五二维材料层以及Ga1-yInyAs子电池层，所述晶硅衬底的下表面通过所述第二结合结构与所述第四二维材料层结合。
4.一种如权利要求1至3任意一项所述失配结构的太阳能多结电池的制作方法，其特征在于，包括：
S1、在晶硅衬底的上表面和下表面各自蚀刻多个间隔设置的凸柱以分别形成第一结合结构和第二结合结构；
S2、在晶硅衬底的上表面上生长形成第一太阳能电池组；
S3、将晶硅衬底翻转，在晶硅衬底的下表面上生长形成第二太阳能电池组；
在S3中，在晶硅衬底的下表面上依次生长第四二维材料层、Ga1-xInxAs子电池层、第五二维材料层以及Ga1-yInyAs子电池层以形成第二太阳能电池组。
5.根据权利要求4所述的一种失配结构的太阳能多结电池的制作方法，其特征在于：在S2中，在晶硅衬底的上表面上依次生长Si子电池层、第一二维材料层、GaAs子电池层、第二二维材料层、AlGaAs子电池层、第三二维材料层以及AlGaInP子电池层以形成第一太阳能电池组。
6.根据权利要求5所述的一种失配结构的太阳能多结电池的制作方法，其特征在于：所述晶硅衬底采用P型单晶硅层，在S2中，在晶硅衬底的上表面生长N型的GaP层以形成Si子电池层，N型的GaP层与P型单晶硅层通过磷扩散形成PN结。
7.根据权利要求6所述的一种失配结构的太阳能多结电池的制作方法，其特征在于：N型的GaP层厚度范围为10-20nm，凸柱的高度范围为1-2μm，所述第一二维材料层由多层石墨烯层构成，所述第一二维材料层的厚度范围为5-20 nm。
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