CN114899254A - 一种三结太阳能电池及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三结太阳能电池及其制备方法与应用，该三结太阳能电池依次包括以下各层：依次包括以下各层：图形化砷化镓衬底；应力缓冲层；和子电池组。本发明还公开该太阳能电池制备方法，其包括以下步骤：S1、在砷化镓衬底上刻蚀出台状图形，得所述图形化砷化镓衬底；S2、在图形化砷化镓衬底上生长所述应力缓冲层；S3、在所述应力缓冲层表面生长所述子电池组。本发明提供的太阳能电池提升了电池转换效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种三结太阳能电池及其制备方法与应用。
背景技术
随着商业航天产业的兴起，对空间太阳能电池的成本要求越来越严格，低成本的空间电池芯片是降低卫星造价的重要影响因素。另外一方面，必须有一种空间电池，一方面具备批产可行性，工艺相对简单；一方面材料成本低；另外一方面，具备和现有常规三结电池相近的光电性能以减少后端电源系统设计的复杂度。
高效空间电池目前具备量产潜力的是失配结构空间电池，但该种空间电池技术的一个劣势是位错难以控制，产品性能稳定性难以保障。相关技术中基于锗衬底的 Ge/InGaAs/AlGaInAs/AlGaInP结构失配四结太阳电池光电转换效率高，可达34％(AM0 光谱下)，同时该结构空间电池不需要键合、二次外延等复杂的工艺流程，是一种具备批量生产潜力的新型高效太阳电池产品。但是该结构太阳电池需要外延InGaAs、 AlGaInAs、AlGaInP等失配材料，由于材料失配度大，外延过程中失配应力大，在外延过程中会发生外延片翘曲现象，由于翘曲后引发了温度控制问题，整片外延片出现温度不均匀问题的概率较大，导致外延材料质量不稳定，产品性能不稳定，是实现量产难以解决的问题；另外一方面，基于砷化镓衬底生长的空间电池产品，由于没有锗子电池结，性能低于锗基结构。
基于此，需要开发一种三结太阳能电池及其制作方法，该三结太阳能电池成本低且效率高。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题为：提供一种三结太阳能电池，该电池成本低且效率高。
本发明要解决的第二个技术问题为：提供上述三结太阳能电池的制备方法。
本发明要解决的第三个技术问题为：提供上述三结太阳能电池的应用。
为解决上述第一个技术问题，本发明的提供的技术方案为：一种三结太阳能电池，依次包括以下各层：
砷化镓衬底；
应力缓冲层；
和子电池组。
提供了不同结构的太阳能电池，同时提升了电池转换效率。
根据本发明的一些实施方式，所述图形化砷化镓衬底由若干个台状图形组成。
根据本发明的一些实施方式，所述台状图形的间距为100.0nm～1000.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述台状图形的底部宽度为200.0nm～300.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述台状图形的底部长度为200.0nm～300.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述台状图形的顶部宽度为200.0nm～300.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述台状图形的顶部长度为200.0nm～300.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述台状图形的高度为50.0nm～100.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述图形化砷化镓衬底的厚度为300.0μm～400.0μm。
采用上述尺寸的图形化衬底，可有效提升失配缓冲层的位错阻挡效应，降低外延生长难度，减少生长材料中的位错密度。采用价格低的砷化镓衬底，取代昂贵的锗衬底，可以有效降低材料成本；同时砷化镓储量高，适合于大批量应用。
砷化镓衬底厚度为350.0μm，厚度高于锗衬底(厚度140.0μm)，同时锗衬底生长过程中在大应力作用下，经常发生外延片翘曲，导致生长过程难以控制，均匀性差，最终导致产品的生产良率低，性能稳定性差。选用砷化镓衬底提升了衬底强度，减少了生长材料过程中失配应力导致的翘曲，保证了生长过程中温度控制和均匀性。
根据本发明的一些实施方式，所述初始层包括GaInP材料。
根据本发明的一些实施方式，所述初始层的厚度为10.0nm～30.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述初始层表面生长有缓冲层。
根据本发明的一些实施方式，所述缓冲层包括GaInAs缓冲层。
根据本发明的一些实施方式，所述GaInAs缓冲层的厚度为400.0nm～600.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述缓冲层表面生长有第一隧道结，所述第一隧道结生长于应力缓冲层之下。
根据本发明的一些实施方式，所述第一隧道结包括GaAs-Te材料层和AlGaAs-C材料层Ⅰ。
根据本发明的一些实施方式，所述第一隧道结的厚度为20.0nm～40.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述应力缓冲层包括AlGaInAs材料和GaInP材料中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述应力缓冲层的厚度为2000.0nm～3000.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述应力缓冲层包括7层晶格常数递增的AlGaInAs材料、第一目标层、过冲层和第二目标层。
根据本发明的一些实施方式，所述第一目标层和第二目标层的晶格常数相同。
根据本发明的一些实施方式，所述过冲层的晶格常数高于所述第一目标层的晶格常数。
对于连接上、下两个晶格失配子电池的应力缓冲层，自下而上晶格常数逐渐变化至与上子电池相同(相应地材料组分逐渐变化)，与上子电池晶格常数相同的层称为目标层，进而目标层组分确定。
同时在目标层中间生长一层晶格大于目标层的overshoot层，以达到阻挡穿透位错提升上层材料质量的目的。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInAs材料由下至上分别为AlGaInaAs、AlGaInbAs、AlGaIncAs、AlGaIndAs、AlGaIneAs、AlGaInfAs、AlGaIngAs、AlGaInhAs、 AlGaIniAs和AlGaInhAs，其中，0.04≤a＜b＜c＜d＜e＜f＜g＜h＜i≤0.30。各层晶格常数位于砷化镓衬底的晶格常数与InGaAs子电池材料的晶格常数之间。
根据本发明的一些实施方式，所述过冲层(overshoot层)为AlGaIniAs。
根据本发明的一些实施方式，所述第一目标层为AlGaInhAs。
根据本发明的一些实施方式，所述第二目标层为AlGaInhAs。
根据本发明的一些实施方式，0.04≤a＜0.08。
根据本发明的一些实施方式，0.08≤b＜0.11。
根据本发明的一些实施方式，0.11≤c＜0.14。
根据本发明的一些实施方式，0.14≤d＜0.17。
根据本发明的一些实施方式，0.17≤e＜0.20。
根据本发明的一些实施方式，0.20≤f＜0.23。
根据本发明的一些实施方式，0.23≤g＜0.26。
根据本发明的一些实施方式，0.26≤h＜0.30。
在微晶格失配(晶格失配度小于5％)的半导体材料之间存在一种界面态，该界面态有利于穿透位错由纵向向横向偏转，理想情况下，可实现绝大部分穿透位错在水平方向上释放，避免缺陷延伸至中顶电池，尤其是在有源区形成复合中心降低光电转换效率。
使晶格失配引入的缺陷压制在渐变缓冲层内，提高中顶子电池材料的晶体质量，最终提升电池整体性能。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInaAs层的厚度为150nm～250nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInbAs层的厚度为150nm～250nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaIncAs层的厚度为150nm～250nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaIndAs层的厚度为150nm～250nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaIneAs层的厚度为150nm～250nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInfAs层的厚度为150nm～250nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaIngAs层的厚度为150nm～250nm。
根据本发明的一些实施方式，所述第一目标层的厚度为150nm～250nm。
根据本发明的一些实施方式，所述过冲层的厚度为350nm～450nm。
根据本发明的一些实施方式，所述第二目标层的厚度为450nm～550nm。
通过多层晶格常数递增材料的生长，可有效减少衬底与InGaAs子电池之间由于晶格失配而产生的失配位错，获得高质量的InGaAs子电池。
利用Al原子迁移率高的特点，获得低位错晶面生长的高质量材料。
根据本发明的一些实施方式，所述子电池组包括以下各层：生长于所述应力缓冲层之上的InGaAs子电池；
生长于InGaAs子电池之上的第二隧道结；
生长于第二隧道结之上的AlGaInAs子电池；
生长于AlGaInAs子电池之上的第三隧道结；
生长于第三隧道结上的AlGaInP子电池；
以及生长于AlGaInP子电池之上的接触层。
根据本发明的一些实施方式，所述InGaAs子电池的带隙为1.1eV～1.6eV。
根据本发明的一些实施方式，所述InGaAs子电池的带隙为1.1eV～1.2eV。
根据本发明的一些实施方式，所述InGaAs子电池包括GaIn0.7P层Ⅰ、GaIn0.26As层、GaIn0.7P层Ⅱ和AlIn0.7P层Ⅰ。
根据本发明的一些实施方式，所述InGaAs子电池的厚度为1500.0nm～2000.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述第二隧道结包括GaIn0.7P-Te材料层和AlGaAs-C材料层Ⅱ。
根据本发明的一些实施方式，所述第二隧道结的厚度为20.0nm～40.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInAs子电池的带隙为1.4eV～1.5eV。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInAs子电池的带隙为1.45eV～1.5eV。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInAs子电池的厚度为1500.0nm～2000.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlInGaAs子电池包括AlGaIn0.26P层、AlGaIn0.26As 层Ⅰ、AlGaIn0.26As层Ⅱ和AlIn0.7P层Ⅱ。
根据本发明的一些实施方式，所述第三隧道结包括AlGaIn0.7P-Te材料层和AlGaAs-C材料层Ⅲ。
根据本发明的一些实施方式，所述第三隧道结的厚度为20.0nm～40.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInP子电池的带隙为1.8eV～1.9eV。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInP子电池的带隙为1.85eV～1.9eV。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInP子电池的厚度为500.0nm～1000.0nm。
根据本发明的一些实施方式，所述AlGaInP子电池包括AlIn0.7P层Ⅲ、AlGaIn0.7P层Ⅰ、AlGaIn0.7P层Ⅱ和AlIn0.7P层Ⅳ。
根据本发明的一些实施方式，所述接触层包括GaIn0.26As材料。
根据本发明的一些实施方式，所述接触层的厚度为200.0nm～300.0nm。
子电池的带隙选择依据是对太阳光谱的充分利用，由于多结电池是串联结构，电流被最小电流的子电池所限制，因此需要各个电池的电流在同一水平。考虑到外延生长难度，对太阳光谱在300.0nm～1100.0nm波段各个波长下的太阳光功率与相应波长的光谱响应相乘，再对整个光谱范围所得的电流密度进行积分，从而计算出三个子电池大概的电流值范围，从而确定三个子电池的带隙。
在结构上，采用InGaAs子电池、AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池三结电池结构，开路电压Voc可达3.15V以上，电流密度Jsc可达15.2mA/cm2以上，填充因子FF可达 85％以上，光电转换效率可达30％以上，并且芯片制程工艺与现有空间电池相近，具备量产稳定性的特点。
根据本发明实施方式的三结太阳能电池，至少具备如下有益效果：本发明基于砷化镓衬底外延生长失配空间电池结构，利用了砷化镓衬底易于制作图形的特点，通过采用图形化的砷化镓衬底，并引入了应力缓冲性获取高质量的外延层。
为解决上述第二个技术问题，本发明提供的技术方案为：上述三结太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：
包括以下步骤：
S1、在砷化镓衬底上刻蚀出台状图形，得所述图形化砷化镓衬底；
S2、在图形化砷化镓衬底上生长所述应力缓冲层；
S3、在所述应力缓冲层表面生长所述子电池组。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中所述刻蚀包括湿法刻蚀和干法刻蚀中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S2中还包括以下步骤：
S01、在砷化镓衬底上刻蚀出台状图形，得所述图形化砷化镓衬底；
S02、在所述图形化砷化镓衬底上生长所述初始层；
S03、在所述初始层上外延生长所述缓冲层；
S04、在所述缓冲层表面生长所述第一隧道结。
根据本发明的一些实施方式，步骤S03中所述外延生长包括采用MOCVD法外延生长。
根据本发明的一些实施方式，所述步骤S3中还包括以下步骤：
S001、在所述应力缓冲层表面生长所述InGaAs子电池；
S002、在所述InGaAs子电池表面生长所述第二隧道结；
S003、在所述第二隧道结表面生长所述AlGaInAs子电池；
S004、在所述AlGaInAs子电池表面生长所述第三隧道结；
S005、在所述第三隧道结表面生长所述AlGaInP子电池；
S006、在所述AlGaInP子电池生长所述接触层。
根据本发明实施方式的制备方法，至少具备如下有益效果：该制备方法是一种低成本、高效率的砷化镓太阳电池制作方法，是实现高效砷化镓太阳电池批量生产和应用的有效方法。
为解决上述第三个技术问题，本发明提供的技术方案为：上述三结太阳能电池在航天产业的应用。
根据本发明实施方式的应用，至少具备如下有益效果：本申请的三结电池采用InGaAs子电池、AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池三结电池结构，光电转换效率达到了30％以上，与现有空间电池相近；同时生产成本低，能降低卫星造价。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例一～三的三结太阳能电池结构示意图。
图2为本发明实施例一～三的图形化衬底结构侧视图。
图3为本发明实施方式中太阳能电池负载特性曲线。
附图标记：
10、图形化GaAs层；11、GaInP层；12、GaInAs缓冲层；
13、第一隧道结；130、GaAs-Te材料层；131、AlGaAs-C材料层Ⅰ；
14、应力缓冲层；140、AlGaInAs材料层Ⅰ；141、AlGaInAs材料层Ⅱ；142、AlGaInAs材料层Ⅲ；143、AlGaInAs材料层Ⅳ；144、AlGaInAs材料层Ⅴ；145、AlGaInAs材料层Ⅵ；146、AlGaInAs材料层Ⅶ；147、AlGaInAs材料层Ⅷ；148、AlGaInAs材料层Ⅸ； 149、AlGaInAs材料层Ⅹ；
15、InGaAs子电池；150、GaIn0.7P层Ⅰ；151、GaIn0.26As层；152、GaIn0.7P层Ⅱ； 153、AlIn0.7P层Ⅰ。
16、第二隧道结；160、GaIn0.7P-Te材料层；161、AlGaAs-C材料层Ⅱ；
17、AlInGaAs子电池；170、AlGaIn0.26P层；171、AlGaIn0.26As层Ⅰ；172、AlGaIn0.26As层Ⅱ；173、AlIn0.7P层Ⅱ；
18、第三隧道结；180、AlGaIn0.7P-Te材料层；181、AlGaAs-C材料层Ⅲ；
19、AlGaInP子电池；190、AlIn0.7P层Ⅲ；191、AlGaIn0.7P层Ⅰ；192、AlGaIn0.7P 层Ⅱ；193、AlIn0.7P层Ⅳ；
20、接触层。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
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，例如上、下、前、后、左、右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，若干的含义是一个以上，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，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的实施例一为：一种三结太阳能电池，如图1所示：包括以下各层：
图形化GaAs层10(厚度为350.0μm)；GaInP层11(厚度为20.0nm)；GaInAs缓冲层12(厚度为500.0nm)。
第一隧道结13由GaAs-Te材料层130(厚度为15.0nm)和AlGaAs-C材料层Ⅰ131 组成(厚度为15.0nm)。
应力缓冲层14由AlGaIn0.04As材料层Ⅰ140(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.08As材料层Ⅱ141(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.11As材料层Ⅲ142(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.14As 材料层Ⅳ143(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.17As材料层Ⅴ144(厚度为200.0nm)、 AlGaIn0.20As材料层Ⅵ145(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.23As材料层Ⅶ146(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.26As材料层Ⅷ147(第一目标层，厚度为200.0nm)、AlGaIn0.30As材料层Ⅸ148 (过冲层，厚度为400.0nm)和AlGaIn0.26As材料层Ⅹ149(第二目标层，厚度为500.0nm) 组成，其中第I～Ⅸ层的晶格参数因In组分不同而不同并且依次递增。
InGaAs子电池15由GaIn0.7P层Ⅰ150(厚度为60.0nm)、GaIn0.26As层151(厚度为1500.0nm)、GaIn0.7P层Ⅱ152(厚度为100.0nm)和AlIn0.7P层Ⅰ153(厚度为40.0nm)，其中InGaAs子电池15的带隙为1.1eV。
第二隧道结16由GaIn0.7P-Te材料层160(厚度为15.0nm)和AlGaAs-C材料层Ⅱ 161(厚度为15.0nm)组成。
AlInGaAs子电池17由AlGaIn0.26P层170(厚度为60.0nm)、AlGaIn0.26As层Ⅰ171 (厚度为500.0nm)、AlGaIn0.26As层Ⅱ172(厚度为100.0nm)和AlIn0.7P层Ⅱ173(厚度为40.0nm)组成。其中AlInGaAs子电池17的带隙为1.45eV。
第三隧道结18由AlGaIn0.7P-Te材料层180(厚度为15.0nm)和AlGaAs-C材料层Ⅲ181(厚度为15.0nm)组成。
AlGaInP子电池19由AlIn0.7P层Ⅲ190(厚度为60.0nm)、AlGaIn0.7P层Ⅰ191(厚度为500.0nm)、AlGaIn0.7P层Ⅱ192(厚度为100.0nm)和AlIn0.7P层Ⅳ193(厚度为40.0nm)，其中AlGaInP子电池的带隙为1.8eV。
接触层20由GaIn0.26As材料(厚度为300.0nm)组成。
图形化GaAs层的侧视图如图2所示，由若干个台状图形组成；其中，台状图形的间距为300nm；台状图形的底部宽度为240nm；台状图形的底部长度为240nm；台状图形的顶部宽度为200nm；台状图形的顶部长度为200nm；所述台状图形的高度为80nm。
在光谱分布为AM0条件下，本实施例的开路电压(Voc)为3.135V，电流密度(Jsc)为15.2mA/cm2，填充因子(FF)为86.5％，光电转换效率(Eff)为30.46％。
本实施例中性能测试采用太阳光谱模拟器及测试系统，对模拟太阳光源校准后测试太阳能电池的伏安特性曲线(I-V)，得到Voc、Jsc、FF和ηc(即：Eff)。具体测试原理：
太阳能电池的基本结构就是一个PN结。它是具有光伏效应的光电传感器，能够将光能转换成电能。伏安曲线是太阳能电池的最主要参数。它直接反映出在一定阳光照射下电池的输出功率，该曲线完全由电池的PN结特性和电阻参数确定。本实施例中使用一个等效电路来描述光电池的工作情况(参考图3)，在等效电路中把光电池看成是稳定产生光电流IL的电流源，与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻Rsh，显然，二极管的正向电流ID＝Io{expqv/AkT-1}和旁路电流Ish都是靠IL提供的，剩余的光电流经过一个串联电阻Rs流入负载RL。由等效电路可得流入负载RL的电流I，负载端压为V的计算公式(1,2)：
I＝IL-ID-Ish＝IL-Is[eq(V+IRs)/kT-1]-(V+IRs)/Rsh (1)；
V＝IRL (2)；
式中q为电子电量，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度(即单位为K)，另外，Is是二极管的饱和电流，可以表示为：
式中A为PN结面积，NC、NV分别为导带和价带的有效态密度。NA、ND分别为受主杂质和施主杂质的浓度。Dn、Dp分别为电子和空穴的扩散系数。τn、τp 分别表示电子和空穴的少子寿命。Eg是半导体材料的禁带宽度。
选取合适的太阳光模拟器(AM0、AM1.0或AM1.5光谱，AM0、AM1.0、AM1.5三者的太阳光谱分布不同，同一电池在不同光谱下测得的电性参数不同，具体选取哪种光谱测试，取决于电池的设计用途，例如用于航天器一般选择AM0，用于地面发电一般选择AM1.0或AM1.5)作为测试电池的光源。当负载RL从0连续变化到无穷大的时候就可以根据上式画出光电池的负载特性曲线(伏安特性曲线)，如图3。曲线上的每一点称为工作点，工作点和原点的连线称为负载线，斜率为1/RL，工作点的横坐标和纵坐标即为相应的工作电压和工作电流。若改变负载电阻RL到达某一个特定值Rm，此时在曲线上得到一个点M，对应的工作电流与工作电压之积最大Pm＝ImVm，我们就称这点M 为该光电池的最大功率点，其中，Im为最佳工作电流，Vm为最佳工作电压，Rm为最佳负载电阻，Pm为最大输出功率，Pin为输入功率。从伏安特性曲线可以得到开路电压Voc，短路电流Isc，最佳工作电压Vm，最佳工作电流Im，最大功率Pm，并计算出填充因子FF和电池效率η(见公式4、5)。
本发明的实施例二为：一种三结太阳能电池，如图1所示：包括以下各层：图形化GaAs层10(厚度为300.0μm)；GaInP层11(厚度为20.0nm)；GaInAs缓冲层12(厚度为500.0nm)。
第一隧道结13由GaAs-Te材料层130(厚度为15.0nm)和AlGaAs-C材料层Ⅰ131 组成(厚度为15.0nm)。
应力缓冲层14由AlGaIn0.04As材料层Ⅰ140(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.08As材料层Ⅱ141(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.11As材料层Ⅲ142(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.14As 材料层Ⅳ143(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.17As材料层Ⅴ144(厚度为200.0nm)、 AlGaIn0.20As材料层Ⅵ145(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.23As材料层Ⅶ146(厚度为200.0nm)、 AlGaIn0.26As材料层Ⅷ147(第一目标层，厚度为200.0nm)、AlGaIn0.30As材料层Ⅸ148 (过冲层，厚度为400.0nm)和AlGaIn0.26As材料层Ⅹ149(第二目标层，厚度为500.0nm) 组成，其中第I～Ⅸ层的晶格参数因In组分不同而不同并且依次递增。
InGaAs子电池15由GaIn0.7P层Ⅰ150(厚度为60.0nm)、GaIn0.26As层151(厚度为1500.0nm)、GaIn0.7P层Ⅱ152(厚度为100.0nm)和AlIn0.7P层Ⅰ153(厚度为40.0nm)，其中InGaAs子电池15的带隙为1.1eV。
第二隧道结16由GaIn0.7P-Te材料层160(厚度为15.0nm)和AlGaAs-C材料层Ⅱ 161(厚度为15.0nm)组成。
AlInGaAs子电池17由AlGaIn0.26P层170(厚度为60.0nm)、AlGaIn0.26As层Ⅰ171 (厚度为500.0nm)、AlGaIn0.26As层Ⅱ172(厚度为100.0nm)和AlIn0.7P层Ⅱ173(厚度为40.0nm)组成。其中AlInGaAs子电池17的带隙为1.45eV。
第三隧道结18由AlGaIn0.7P-Te材料层180(厚度为15.0nm)和AlGaAs-C材料层Ⅲ181(厚度为15.0nm)组成。
AlGaInP子电池19由AlIn0.7P层Ⅲ190(厚度为60.0nm)、AlGaIn0.7P层Ⅰ191(厚度为500.0nm)、AlGaIn0.7P层Ⅱ192(厚度为100.0nm)和AlIn0.7P层Ⅳ193(厚度为40.0nm)，其中AlGaInP子电池的带隙为1.8eV。
接触层20由GaIn0.26As材料(厚度为300.0nm)组成。
图形化GaAs层的侧视图如图2所示，其中，台状图形的间距为300nm；台状图形的底部宽度为250nm；台状图形的底部长度为250nm；台状图形的顶部宽度为210nm；台状图形的顶部长度为210nm；所述台状图形的高度为100nm。
在AM0条件下，该实施例的开路电压(Voc)为3.141V，电流密度(Jsc)为15.1mA/cm2，填充因子(FF)约为86.2％，光电转换效率(Eff)为30.22％。
本发明的实施例三为：一种三结太阳能电池，如图1所示：包括以下各层：
图形化GaAs层10(厚度为400.0μm)；GaInP层11(厚度为20.0nm)；GaInAs缓冲层12(厚度为500.0nm)。
第一隧道结13由GaAs-Te材料层130(厚度为15.0nm)和AlGaAs-C材料层Ⅰ131 组成(厚度为15.0nm)。
应力缓冲层14由AlGaIn0.04As材料层Ⅰ140(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.08As材料层Ⅱ141(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.11As材料层Ⅲ142(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.14As 材料层Ⅳ143(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.17As材料层Ⅴ144(厚度为200.0nm)、 AlGaIn0.20As材料层Ⅵ145(厚度为200.0nm)、AlGaIn0.23As材料层Ⅶ146(厚度为200.0nm)、 AlGaIn0.26As材料层Ⅷ147(第一目标层，厚度为200.0nm)、AlGaIn0.30As材料层Ⅸ148 (过冲层，厚度为400.0nm)和AlGaIn0.26As材料层Ⅹ149(第二目标层，厚度为500.0nm) 组成，其中第I～Ⅸ层的晶格参数因In组分不同而不同并且依次递增。
InGaAs子电池15由GaIn0.7P层Ⅰ150(厚度为60.0nm)、GaIn0.26As层151(厚度为1500.0nm)、GaIn0.7P层Ⅱ152(厚度为100.0nm)和AlIn0.7P层Ⅰ153(厚度为40.0nm)，其中InGaAs子电池15的带隙为1.1eV。
第二隧道结16由GaIn0.7P-Te材料层160(厚度为15.0nm)和AlGaAs-C材料层Ⅱ 161(厚度为15.0nm)组成。
AlInGaAs子电池17由AlGaIn0.26P层170(厚度为60.0nm)、AlGaIn0.26As层Ⅰ171 (厚度为500.0nm)、AlGaIn0.26As层Ⅱ172(厚度为100.0nm)和AlIn0.7P层Ⅱ173(厚度为40.0nm)组成。其中AlInGaAs子电池17的带隙为1.45eV。
第三隧道结18由AlGaIn0.7P-Te材料层180(厚度为15.0nm)和AlGaAs-C材料层Ⅲ181(厚度为15.0nm)组成。
AlGaInP子电池19由AlIn0.7P层Ⅲ190(厚度为60.0nm)、AlGaIn0.7P层Ⅰ191(厚度为500.0nm)、AlGaIn0.7P层Ⅱ192(厚度为100.0nm)和AlIn0.7P层Ⅳ193(厚度为40.0nm)，其中AlGaInP子电池的带隙为1.8eV。
接触层20由GaIn0.26As材料(厚度为300.0nm)组成。
图形化GaAs层的侧视图如图2所示，其中，台状图形的间距为500nm；台状图形的底部宽度为300nm；台状图形的底部长度为300nm；台状图形的顶部宽度为200nm；台状图形的顶部长度为200nm；所述台状图形的高度为50nm。
在AM0条件下，本实施例的开路电压(Voc)为3.129V，电流密度(Jsc)为15.3mA/cm2，填充因子(FF)为85.7％，光电转换效率(Eff)为30.32％。
本发明的实施例四为：一种三结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、在GaAs衬底上采用湿法刻蚀出台状图形，得图形化砷化镓衬底；
S2、在上述图形化砷化镓衬底上生长初始层；
S3、在上述初始层上生长缓冲层；
S4、在上述缓冲层表面生长第一隧道结；
S5、在上述第一隧道结表面生长应力缓冲层；
S6、在上述应力缓冲层表面生长InGaAs子电池；
S7、在上述InGaAs子电池表面生长第二隧道结；
S8、在上述第二隧道结表面生长AlGaInAs子电池；
S9、在上述AlGaInAs子电池表面生长第三隧道结；
S10、在上述第三隧道结表面生长AlGaInP子电池；
S11、在上述AlGaInP子电池生长接触层，即得三结太阳能电池。
本发明的实施例五为：一种三结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
S1、在GaAs衬底上采用干法刻蚀出台状图形，得图形化砷化镓衬底；
S2、在上述图形化砷化镓衬底上生长初始层；
S3、在上述初始层上生长缓冲层；
S4、在上述缓冲层表面生长第一隧道结；
S5、在上述第一隧道结表面生长应力缓冲层；
S6、在上述应力缓冲层表面生长InGaAs子电池；
S7、在上述InGaAs子电池表面生长第二隧道结；
S8、在上述第二隧道结表面生长AlGaInAs子电池；
S9、在上述AlGaInAs子电池表面生长第三隧道结；
S10、在上述第三隧道结表面生长AlGaInP子电池；
S11、在上述AlGaInP子电池生长接触层，即得三结太阳能电池。
在本发明实施例四和实施例五中生长过程中未提及的工艺参数，均采用本领域常规技术手段进行参数设置。
采用砷化镓衬底外延生长InGaAs/AlGaInAs/AlGaInP结构失配三结太阳电池，材料带隙实现了优化组合，实现了较GaAs基双结太阳电池光电转换效率的明显提升，同时砷化镓衬底厚度大，有效改善了外延过程中产品翘曲问题，提升了生产过程中外延材料的生长质量和产品的性能稳定性；由于砷化镓衬底价格比锗衬底至少低一半，整体单片外延片成本下降了至少15％，因此提供了一种低成本、高效率的砷化镓太阳电池制作方法，是实现高效砷化镓太阳电池批量生产和应用的有效方法。
采用失配三结电池的优化带隙设计，光电转换效率高，满足了多种应用场景的使用需求。
综上所述，本发明基于砷化镓衬底外延生长失配空间电池结构，利用了砷化镓衬底易于制作图形的特点，通过采用图形化的砷化镓衬底，并引入了应力缓冲性获取高质量的外延层；在结构上，采用InGaAs子电池、AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池三结电池结构，开路电压Voc可达3.15V以上，电流密度Jsc可达15.2mA/cm2以上，填充因子 FF可达85％以上，光电转换效率可达30％以上，并且芯片制程工艺与现有空间电池相近，具备量产稳定性的特点。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (10)
1.一种三结太阳能电池，其特征在于：依次包括以下各层：
图形化砷化镓衬底；
应力缓冲层；
和子电池组。
2.根据权利要求1所述的一种三结太阳能电池，其特征在于：述图形化砷化镓衬底由若干个台状图形组成；更优选地，所述台状图形的间距为100.0nm～1000.0nm；更优选地，所述台状图形的底部宽度为200.0nm～300.0nm；更优选地，所述台状图形的底部长度为200.0nm～300.0nm；更优选地，所述台状图形的顶部宽度为200.0nm～300.0nm；更优选地，所述台状图形的顶部长度为200.0nm～300.0nm；更优选地，所述台状图形的高度为50.0nm～100.0nm。
3.根据权利要求1所述的一种三结太阳能电池，其特征在于：所述图形化砷化镓衬底表面还生长有初始层；优选地，所述初始层表面生长有缓冲层；优选地，所述缓冲层表面生长有第一隧道结，所述第一隧道结生长于应力缓冲层之下；更优选地，所述缓冲层包括AlGaInAs缓冲层；进一步优选地，所述AlGaInAs缓冲层的厚度为10.0nm～30.0nm。
4.根据权利要求1所述的一种三结太阳能电池，其特征在于：所述应力缓冲层包括AlGaInAs材料和GaInP材料；优选地，所述应力缓冲层包括10层晶格常数不同的AlGaInAs材料；进一步优选的，所述10层晶格常数不同的AlGaInAs材料由下至上分别为AlGaInaAs、AlGaInbAs、AlGaIncAs、AlGaIndAs、AlGaIneAs、AlGaInfAs、AlGaIngAs、AlGaInhAs、AlGaIniAs和AlGaInhAs，其中，0.04≤a＜b＜c＜d＜e＜f＜g＜h＜i≤0.30。
5.根据权利要求1所述的一种三结太阳能电池，其特征在于：所述子电池组包括以下各层：生长于所述应力缓冲层之上的InGaAs子电池；
生长于InGaAs子电池之上的第二隧道结；
生长于第二隧道结之上的AlGaInAs子电池；
生长于AlGaInAs子电池之上的第三隧道结；
生长于第三隧道结上的AlGaInP子电池；
以及生长于AlGaInP子电池之上的接触层。
6.根据权利要求5所述的一种三结太阳能电池，其特征在于：所述InGaAs子电池的带隙为1.1eV～1.6eV；优选地，所述InGaAs子电池的带隙为1.1eV～1.2eV；优选地，所述AlGaInAs子电池的带隙为1.4eV～1.5eV；优选地，所述AlGaInAs子电池的带隙为1.45eV～1.5eV；优选地，所述AlGaInP子电池的带隙为1.8eV～1.9eV；优选地，所述AlGaInP子电池的带隙为1.85eV～1.9eV。
7.一种制备如权利要求1至6任一项所述三结太阳能电池的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在砷化镓衬底上刻蚀出台状图形，得所述图形化砷化镓衬底；
S2、在图形化砷化镓衬底上生长所述应力缓冲层；
S3、在所述应力缓冲层表面生长所述子电池组。
8.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中还包括以下步骤：
S01、在砷化镓衬底上刻蚀出台状图形，得所述图形化砷化镓衬底；
S02、在所述图形化砷化镓衬底上生长所述初始层；
S03、在所述初始层上外延生长所述缓冲层；
S04、在所述缓冲层表面生长所述第一隧道结。
9.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中还包括以下步骤：
S001、在所述应力缓冲层表面生长所述InGaAs子电池；
S002、在所述InGaAs子电池表面生长所述第二隧道结；
S003、在所述第二隧道结表面生长所述AlGaInAs子电池；
S004、在所述AlGaInAs子电池表面生长所述第三隧道结；
S005、在所述第三隧道结表面生长所述AlGaInP子电池；
S006、在所述AlGaInP子电池生长所述接触层。
10.一种如权利要求1至8任一项所述三结太阳能电池在航天产业的应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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