CN206282866U - 一种五结叠层太阳电池 - Google Patents

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张恒
孙强
刘如彬
张启明
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Abstract

本实用新型涉及太阳电池技术领域，提供一种五结叠层太阳电池，所述五结叠层太阳电池包括三结电池结构和双结电池结构；三结电池结构依次包括GaAs帽层、AlGaInP子电池、第一隧穿结、AlGaAs子电池、第二隧穿结、GaAs子电池、第三隧穿结和第一键合层；双结电池结构依次包括Ge衬底、窗口层、第四隧穿结、(AlGa)yIn1‑yAs晶格渐变缓冲层、GaxIn1‑xAs子电池和第二键合层；第一键合层和第二键合层的键合将三结电池结构和双结电池结构结合，实现使电池的带隙结构达到与太阳光谱的有效匹配，发挥III‑V族叠层太阳电池的优势，并提高电池的开路电压和填充因子，提高电池的光电转换效率。

Description

一种五结叠层太阳电池
技术领域
本实用新型属于太阳电池技术领域，尤其涉及一种五结叠层太阳电池。
背景技术
由于具有高效率、长寿命和高可靠性的优点，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。技术最为成熟、应用最为广泛的III-V族多结太阳电池为GaInP/Ga(In)As/Ge三结太阳电池，其在AM0光谱下的光电转换效率已经达到30％。为了继续提高太阳电池的效率，以实现对太阳光谱的有效吸收利用，III-V族太阳电池向着更多结的方向发展。四结太阳电池技术，其典型的带隙结构为1.9/1.42/1.02/0.75eV，在AM0光谱下的效率可以达到33-34％。但是，若要进一步提高叠层太阳电池的光电转换效率，需要继续增加子电池结数。理论上来说，叠层太阳电池的结数越多，太阳光谱的划分更细致，电池的带隙分布与太阳光谱的能量也更加匹配，因此光生载流子的热化损耗会降低，相应的效率就会提高。因此，效率能够达到36％以上的五结太阳电池将成为下一代多结太阳电池研发的方向，受到越来越多的重视。
当前实现五结太阳电池的技术途径主要有采用稀氮化合物GaInAsN作为1.0eV子电池制备匹配五结太阳电池和半导体键合技术两种。其中采用稀氮化合物GaInAsN作为1.0eV子电池材料的方法是通过在锗衬底(Ge子电池：0.67eV)上依次外延生长GaInAsN(1.0eV)子电池，GaInAs(1.4eV)子电池，AlGaInAs(1.7eV)子电池和AlGaInP(2.05eV)子电池来构成叠层电池结构，但以目前的技术手段生长的GaInAsN外延材料晶体质量较差，使得1.0eV子电池性能较低，从而导致叠层电池整体效率低下。而半导体键合技术涉及两种制备方法，一种是在GaAs衬底上先依次反向生长AlGaInP(2.05eV)子电池，AlGaInAs(1.7eV)子电池、GaAs(1.42eV)、GaInAs(1.0eV)和GaInAs(0.75eV)子电池，再将其键合到诸如Si等支撑衬底上，最后腐蚀掉GaAs衬底得到五结太阳电池，但该方法需要生长两个晶格失配渐变缓冲层，先将晶格常数过渡至1.0eV GaInAs后，再过渡至0.7eV GaInAs，由于0.7eV GaInAs与GaAs衬底的晶格失配较大，导致生长高质量0.7eV GaInAs子电池较困难，且键合界面表面状况差，影响键合的成品率。另一种是分别在GaAs衬底上反向生长AlGaInP(2.05eV)子电池，AlGaInAs(1.7eV)子电池和GaInAs(1.4eV)子电池和在InP衬底上正向生长GaInAs(0.75eV)子电池和GaInAsP(1.05eV)子电池，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，但该方法涉及的InP衬底价格昂贵将导致电池成本高昂。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种可与太阳光谱有效匹配、提高光电转换效率的五结叠层太阳电池。
本实用新型是这样实现的，一种五结叠层太阳电池，所述五结叠层太阳电池包括由GaAs衬底反向生成形成的三结电池结构和由Ge衬底正向生长形成的双结电池结构；
所述三结电池结构依次包括GaAs帽层、AlGaInP子电池、第一隧穿结、AlGaAs子电池、第二隧穿结、GaAs子电池、第三隧穿结和第一键合层；
所述双结电池结构依次包括Ge衬底、窗口层、第四隧穿结、(AlGa)yIn1-yAs晶格渐变缓冲层、GaxIn1-xAs子电池和第二键合层；
所述第一键合层和第二键合层的键合将所述三结电池结构和双结电池结构结合。
作为一种改进的方案，所述三结电池结构的带隙组合为2.05/1.78/1.42eV。
作为一种改进的方案，所述双结电池结构的带隙组合为1.0/0.67eV。
作为一种改进的方案，所述(AlGa)yIn1-yAs晶格渐变缓冲层中的晶格常数从与所述Ge衬底匹配渐变为与所述GaxIn1-xAs子电池匹配。
在本实用新型实施例中，五结叠层太阳电池包括由GaAs衬底反向生成形成的三结电池结构和由Ge衬底正向生长形成的双结电池结构；三结电池结构依次包括GaAs帽层、AlGaInP子电池、第一隧穿结、AlGaAs子电池、第二隧穿结、GaAs子电池、第三隧穿结和第一键合层；双结电池结构依次包括Ge衬底、窗口层、第四隧穿结、(AlGa)yIn1-yAs晶格渐变缓冲层、GaxIn1-xAs子电池和第二键合层；第一键合层和第二键合层的键合将三结电池结构和双结电池结构结合，实现使电池的带隙结构达到与太阳光谱的有效匹配，发挥III-V族叠层太阳电池的优势，并提高电池的开路电压和填充因子，提高电池的光电转换效率。
附图说明
图1是本实用新型提供的五结叠层太阳电池的结构示意图。
图中：1、GaAs帽层；2、AlGalnP子电池；3、第一隧穿结；4、AlGaAs子电池；5、第二隧穿结；6、GaAs子电池；7、第三隧穿结；8、第一键合层；9、第二键合层；10、Gaxln1-xAs子电池；11、(AlGa)yln1-yAs晶格渐变缓冲层；12、第四隧穿结；13、窗口层；14、Ge衬底。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
图1示出了本实用新型提供的五结叠层太阳电池的结构示意图，为了便于说明，图中仅给出了与本实用新型相关的部分。
五结叠层太阳电池包括由GaAs衬底反向生成形成的三结电池结构和由Ge衬底14正向生长形成的双结电池结构；
所述三结电池结构依次包括GaAs帽层1、AlGaInP子电池2、第一隧穿结3、AlGaAs子电池4、第二隧穿结5、GaAs子电池6、第三隧穿结7和第一键合层8；
所述双结电池结构依次包括Ge衬底14、窗口层13、第四隧穿结12、(AlGa)yIn1-yAs晶格渐变缓冲层11、GaxIn1-xAs子电池10和第二键合层9；
所述第一键合层8和第二键合层9的键合将所述三结电池结构和双结电池结构结合。
其中，由GaAs衬底反向生成形成的三结电池结构的过程为：利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在GaAs衬底上反向生长晶格匹配的AlGaInP/AlGaAs/GaAs三结太阳电池外延片，其带隙组合为2.05/1.78/1.42eV。其中生长顺序依次为GaAs帽层1，AlGaInP子电池2，第一隧穿结3，AlGaAs子电池4，第二隧穿结5，GaAs子电池6，第三隧穿结7和第一键合层8；
由Ge衬底14正向生长形成的双结电池结构的过程为：利用MOCVD技术，首先在P型Ge衬底14上生长晶格匹配的GaInP或GaInAs窗口层13，通过窗口层13中的V族原子(P或As原子)向Ge衬底14中扩散形成Ge子电池。然后依次生长第四隧穿结12和(AlGa)yIn1-yAs晶格渐变缓冲层11，其中y值从下至上在0.99～x区间渐变，对应的晶格常数从与Ge匹配渐变为与GaxIn1-xAs匹配。最后生长GaxIn1-xAs子电池10和键合层2。获得的GaxIn1-xAs/Ge双结电池的带隙组合为1.0/0.67eV。所述1.0eV的GaxIn1-xAs子电池10的组分x可以为0.7。
在本实用新型实施例中，三结电池结构的带隙组合为2.05/1.78/1.42eV，双结电池结构的带隙组合为1.0/0.67eV；
将所述三结电池结构和双结电池结构结合在一起后，形成五结叠层太阳电池，其带隙组合结构为：2.05/1.78/1.42/1.0/0.67eV，这种带隙结构实现与太阳光谱的最佳匹配。
在本实用新型实施例中，通过将在GaAs衬底上反向生长的AlGaInP/AlGaAs/GaAs三结电池结构与Ge衬底14上正向生长的GaxIn1-xAs/Ge双结电池结构以半导体键合方式集成为AlGaInP/AlGaAs/GaAs/GaxIn1-xAs/Ge五结太阳电池。首先该电池的带隙结构组合为2.05/1.78/1.42/1.0/0.67eV可以达到与太阳光谱的最佳匹配，提高多结电池的开路电压继而提高电池的光电转换效率。其次，该电池采用价格较为便宜的Ge衬底14替代昂贵的InP衬底，不仅有利于降低电池的成本，而且Ge衬底14的机械性能优于InP衬底，可以采用超薄衬底或与后期减薄工艺相结合减薄衬底厚度，降低电池重量，提高电池重量比功率。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种五结叠层太阳电池，其特征在于，所述五结叠层太阳电池包括由GaAs衬底反向生成形成的三结电池结构和由Ge衬底正向生长形成的双结电池结构；
所述三结电池结构依次包括GaAs帽层、AlGaInP子电池、第一隧穿结、AlGaAs子电池、第二隧穿结、GaAs子电池、第三隧穿结和第一键合层；
所述双结电池结构依次包括Ge衬底、窗口层、第四隧穿结、(AlGa)yIn1-yAs晶格渐变缓冲层、GaxIn1-xAs子电池和第二键合层；
所述第一键合层和第二键合层的键合将所述三结电池结构和双结电池结构结合。
2.根据权利要求1所述的五结叠层太阳电池，其特征在于，所述三结电池结构的带隙组合为2.05/1.78/1.42eV。
3.根据权利要求1或2所述的五结叠层太阳电池，其特征在于，所述双结电池结构的带隙组合为1.0/0.67eV。
4.根据权利要求1所述的五结叠层太阳电池，其特征在于，所述(AlGa)yIn1-yAs晶格渐变缓冲层中的晶格常数从与所述Ge衬底匹配渐变为与所述GaxIn1-xAs子电池匹配。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106252451A (zh) * 2016-09-27 2016-12-21 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种五结叠层太阳电池及其制备方法
CN110634984A (zh) * 2019-09-04 2019-12-31 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种正向失配五结太阳电池
CN111092127A (zh) * 2019-11-26 2020-05-01 中国电子科技集团公司第十八研究所 一种正向晶格失配三结太阳电池

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