CN204315590U - 一种双面生长的硅基四结太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双面生长的硅基四结太阳电池，包括作为衬底的Si子电池，位于衬底上表面的GaAsxP1-x、GaInxP1-x子电池，以及位于衬底下表面的Ge子电池，所述GaAsxP1-x和GaInxP1-x子电池通过GaAsxP1-x组分渐变缓冲层与Si子电池连接，所述Ge子电池通过SixGe1-x组分渐变缓冲层与Si子电池连接，所述GaInxP1-x和GaAsxP1-x子电池之间、GaAsxP1-x子电池和Si子电池之间、Si子电池与Ge子电池之间通过隧穿结连接。本实用新型利用Si衬底制备级联的四结电池，带隙组合在1.95/1.5/1.12/0.67eV左右，可以在降低成本的同时，提高该电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能光伏的技术领域，尤其是指一种双面生长的硅基四结太阳电池。
背景技术
当前，晶格匹配性的砷化镓多结太阳电池因其转换效率明显高于晶硅电池而被广泛地应用于聚光光伏发电(CPV)系统和空间电源系统。砷化镓多结电池的主流结构是由GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的三结太阳电池，电池结构上保持晶格匹配，带隙组合在1.85/1.40/0.67eV左右。此外，为获得更高效率，还有部分多结太阳能电池采用晶格失配的材料进行生长，如无定形结构的GaInP/GaInAs/Ge电池，为弥补晶格失配带来的应力和材料质量等问题，通过在Ge衬底上生长一个组分渐变GaInAs缓冲层，并增加GaInP、GaInAs电池中的In组分来实现1.8/1.3/0.67eV的带隙组合。此外，还有的机构在GaAs衬底上，生个两个不同组分的GaInAs电池，并用两个组分渐变缓冲层来衔接，实现1.85/1.3/0.9eV的带隙组合。
迄今为止，以上电池在效率方面均取得了一定突破，达到了40％甚至更高水平。但是，当这类电池被应用到对成本敏感的地面聚光电站中时，其昂贵的成本往往使得聚光电站的造价提升，竞争力下降。而Ge基、GaAs基多结电池成本高的一个主要原因在于衬底所采用的Ge或者Ga、As在地壳中含量很少，且很难直接提取和加工，因此成本高，使得仅衬底就占电池成本的1/3～1/2，不利于多结电池的大规模推广利用。
而硅衬底由于经历IC产业和光伏产业数十年的开发和规模生产，具有非常明显的成本优势，已被消费品和能源市场广泛接受。但由Si直接做成晶硅电池，由于硅晶格常数为与GaAs系列的存在4％的晶格失配度，一直以来只以单结电池结构出现，受电池结数和吸收谱限制，其理论效率仅为27％，而晶硅单结电池的实际产品效率一直在15～20％区间徘徊，很难进一步提升。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种双面生长的硅基四结太阳电池，通过组分渐变缓冲层，在作为衬底的Si电池的两面分别生长Ge电池和GaAsxP1-x/GaxIn1-xP电池，不仅可以有效提升电池的光电转换效率，还可充分利用硅的成本优势，具有良好的产业化前景。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种双面生长的硅基四结太阳电池，包括作为衬底的Si子电池，在所述Si子电池的上表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaInxP1-x子电池、GaAsxP1-x子电池、GaAsxP1-x组分渐变缓冲层；在所述Si子电池的下表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有SixGe1-x组分渐变缓冲层和Ge子电池；其中，所述GaInxP1-x子电池和GaAsxP1-x子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAsxP1-x子电池和Si子电池之间通过位于GaAsxP1-x组分渐变缓冲层之上的第二隧道结连接，所述Si子电池和Ge子电池之间通过位于SixGe1-x组分渐变缓冲层之上的第一隧道结连接；所述GaInxP1-x子电池和GaAsxP1-x子电池晶格匹配。
所述GaInxP1-x子电池的内部结构从上至下依次包括有晶格匹配的n型AlGaInP或AlInP窗口层，n型GaInxP1-x发射区，p型GaInxP1-x基区，p型AlGaInP或AlInP背场层；其中，所述GaInxP1-x子电池中，x值在0.5～0.65区间内，对应GaInxP1-x材料带隙在1.85eV～2.05eV区间内。
所述GaAsxP1-x子电池的内部结构从上至下依次包括有晶格匹配的n型GaInP窗口层，n型GaInP或GaAsxP1-x发射区，p型GaAsxP1-x基区，p型GaInP背场层；其中，所述GaInxP1-x子电池中，x值在0.85～1区间内，对应GaAsxP1-x材料带隙在1.42eV～1.6eV区间内。
所述GaAsxP1-x组分渐变缓冲层，从上往下其x值在1～0区间渐变，对应的晶格常数从与GaAsxP1-x匹配渐变为与Si匹配，亦即是在区间的渐变。
所述SixGe1-x组分渐变缓冲层，从上往下其x值在1～0区间渐变，对应的晶格常数从与GaAsxP1-x匹配渐变为与Si匹配，亦即是在区间的渐变。
所述Si子电池从上到下依次包括有窗口层、n型P扩散层、p型层、背场层，作为衬底使用前需进行双面抛光处理。
所述Ge子电池从上到下依次包括有窗口层、n型层、p型层、背场层。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
利用Si子电池作为双面衬底，并引入组分渐变缓冲层，在Si衬底之上设置有GaInxP1-x和GaAsxP1-x子电池，在Si衬底之下设置带隙约0.67eV的Ge子电池，最终可得到带隙结构在1.95/1.5/1.12/0.67eV左右的GaInxP1-x/GaAsxP1-x/Si/Ge四结电池，不仅可满足太阳光谱下的四结电池最佳带隙组合，有望得到较高的电池效率，还可显著降低电池的制造成本，为高效率电池的广泛应用创造了条件。
附图说明
图1为本实用新型所述双面生长的硅基四结太阳电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实施例所述的双面生长的硅基四结太阳电池，包括有作为衬底的Si子电池，在所述Si子电池的上表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaInxP1-x子电池、GaAsxP1-x子电池、GaAsxP1-x组分渐变缓冲层，在所述Si子电池的下表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有SixGe1-x组分渐变缓冲层和Ge子电池；所述GaInxP1-x子电池和GaAsxP1-x子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAsxP1-x子电池和Si子电池之间通过位于GaAsxP1-x组分渐变缓冲层之上的第二隧道结连接，所述Si子电池和Ge子电池之间通过位于SixGe1-x组分渐变缓冲层之上的第一隧道结连接；所述GaInxP1-x子电池和GaAsxP1-x子电池晶格匹配。
所述Si子电池，从上到下依次包括有窗口层、n型P扩散层、p型层、背场层，作为衬底使用前需进行双面抛光处理。
所述GaInxP1-x子电池的内部结构从上至下依次包括有晶格匹配的n型AlGaInP或AlInP窗口层(在本实施例中，具体选择n型AlGaInP窗口层)，n型GaInxP1-x发射区，p型GaInxP1-x基区，p型AlGaInP或AlInP背场层(在本实施例中，具体选择p型AlGaInP背场层)；其中，所述GaInxP1-x子电池中，x值在0.5～0.65区间内，对应GaInxP1-x材料带隙在1.85eV～2.05eV区间内，而在本实施例中，x值取0.59，对应GaInxP1-x材料带隙在1.95eV左右，晶格常数约为5.62。
所述GaAsxP1-x子电池的内部结构从上至下依次包括有晶格匹配的n型GaInP窗口层，n型GaInP或GaAsxP1-x发射区(在本实施例中，具体选择n型GaInP)，p型GaAsxP1-x基区，p型GaInP背场层；其中，所述GaInxP1-x子电池中，x值在0.85～1区间内，对应GaAsxP1-x材料带隙在1.42eV～1.6eV区间内，而在本实施例中，x值取0.85，对应GaAsxP1-x材料带隙在1.59eV左右，晶格常数约为5.62，与GaInxP1-x子电池晶格匹配。
所述GaAsxP1-x组分渐变缓冲层，从上往下其x值在1～0区间渐变，对应的晶格常数从与GaAsxP1-x匹配渐变为与Si匹配，亦即是在区间的渐变，在渐变完成后保持x＝0生长2um的GaP，作为Si子电池的窗口层，并起到成核过渡作用。
所述SixGe1-x组分渐变缓冲层，从上往下其x值在1～0区间渐变，对应的晶格常数从与GaAsxP1-x匹配渐变为与Si匹配，亦即是在区间的渐变。
所述Ge子电池从上到下依次包括有窗口层、n型层、p型层、背场层。
下面为本实施例上述双面生长的硅基四结太阳电池的具体制备过程，其情况如下：
首先，对一个双面抛光的4英寸p型Si单晶片进行正面P扩散，形成n型层，初步形成Si子电池；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)在作为衬底的Si子电池的上表面依次生长GaAsxP1-x组分渐变缓冲层、第二隧道结、GaAsxP1-x子电池、第三隧道结和GaInxP1-x子电池；最后将衬底翻转180°，再在作为衬底的Si子电池的下表面依次生长SixGe1-x组分渐变缓冲层和Ge子电池，即可完成双面生长的硅基四结太阳电池的制备。
综上所述，本实用新型利用Si衬底制备级联的四结电池，并引入组分渐变缓冲层，在Si衬底之上设置有GaInxP1-x和GaAsxP1-x子电池，在Si衬底之下设置带隙约0.67eV的Ge子电池，最终可得到带隙结构在1.95/1.5/1.12/0.67eV左右的GaInxP1-x/GaAsxP1-x/Si/Ge四结电池，这样不仅可满足太阳光谱下的四结电池最佳带隙组合，有望得到较高的电池效率，还可显著降低电池的制造成本，为高效率电池的广泛应用创造了条件，值得推广。
以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (7)
1.一种双面生长的硅基四结太阳电池，包括作为衬底的Si子电池，其特征在于：在所述Si子电池的上表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaInxP1-x子电池、GaAsxP1-x子电池、GaAsxP1-x组分渐变缓冲层；在所述Si子电池的下表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有SixGe1-x组分渐变缓冲层和Ge子电池；其中，所述GaInxP1-x子电池和GaAsxP1-x子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAsxP1-x子电池和Si子电池之间通过位于GaAsxP1-x组分渐变缓冲层之上的第二隧道结连接，所述Si子电池和Ge子电池之间通过位于SixGe1-x组分渐变缓冲层之上的第一隧道结连接；所述GaInxP1-x子电池和GaAsxP1-x子电池晶格匹配。
2.根据权利要求1所述的一种双面生长的硅基四结太阳电池，其特征在于：所述GaInxP1-x子电池的内部结构从上至下依次包括有晶格匹配的n型AlGaInP或AlInP窗口层，n型GaInxP1-x发射区，p型GaInxP1-x基区，p型AlGaInP或AlInP背场层；其中，所述GaInxP1-x子电池中，x值在0.5～0.65区间内，对应GaInxP1-x材料带隙在1.85eV～2.05eV区间内。
3.根据权利要求1所述的一种双面生长的硅基四结太阳电池，其特征在于：所述GaAsxP1-x子电池的内部结构从上至下依次包括有晶格匹配的n型GaInP窗口层，n型GaInP或GaAsxP1-x发射区，p型GaAsxP1-x基区，p型GaInP背场层；其中，所述GaInxP1-x子电池中，x值在0.85～1区间内，对应GaAsxP1-x材料带隙在1.42eV～1.6eV区间内。
4.根据权利要求1所述的一种双面生长的硅基四结太阳电池，其特征在于：所述GaAsxP1-x组分渐变缓冲层，从上往下其x值在1～0区间渐变，对应的晶格常数从与GaAsxP1-x匹配渐变为与Si匹配，亦即是在区间的渐变。
5.根据权利要求1所述的一种双面生长的硅基四结太阳电池，其特征在于：所述SixGe1-x组分渐变缓冲层，从上往下其x值在1～0区间渐变，对应的晶格常数从与GaAsxP1-x匹配渐变为与Si匹配，亦即是在区间的渐变。
6.根据权利要求1所述的一种双面生长的硅基四结太阳电池，其特征在于：所述Si子电池从上到下依次包括有窗口层、n型P扩散层、p型层、背场层。
7.根据权利要求1所述的一种双面生长的硅基四结太阳电池，其特征在于：所述Ge子电池从上到下依次包括有窗口层、n型层、p型层、背场层。
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