專利名稱：四結(jié)級聯(lián)太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池領(lǐng)域,尤其涉及一種采用GaNAsBi材料的GalnP/GaAs/GaNAsBi/Ge四結(jié)級聯(lián)太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
II1- V族化合物半導體太陽能電池作為一種高效的能源材料成為各國的研究熱點，為了促進太陽能電池的進一步實用化，提高其光電轉(zhuǎn)換效率是其降低發(fā)電成本的一種有效手段。高效的太陽能電池需要對太陽光譜進行劃分，采用與之相匹配的不同帶隙寬度子電池進行串聯(lián)，以達到充分利用太陽光的目的。目前研究較為成熟的體系是晶格匹配生長的GaInP/GaAs/Ge(l.9/1.42/0.7eV)三結(jié)電池，其最高轉(zhuǎn)換效率為32-33%( —個太陽)。然而該三結(jié)電池中Ge底電池覆蓋較寬的光譜，其短路電流較大，為了實現(xiàn)與其他子電池的電流匹配必然會降低太陽光利用率。為了進一步提高轉(zhuǎn)換效率，需要對底電池進行拆分，計算表明在GaAs和Ge底電池中間插入一帶隙為1.0OeV的材料，做成四結(jié)電池，可以實現(xiàn)光電流匹配，提高電池效率。然而目如與Ge襯底晶格匹配具有1.0OeV的材料較少，研究人員往往通過在Ge底電池上生長晶格異變的1.0OeV的InGaAs子電池達到上述目的，然而該技術(shù)需要生長較厚的晶格異變緩沖層,增加了生產(chǎn)成本,并對生長技術(shù)提出了更高的要求。獲得高效四結(jié)電池的另一途徑是采用晶片鍵合的方法，將晶格失配具有合理帶隙組合的電池鍵合在一起，實現(xiàn)電流匹配，提高電池效率。但是晶片鍵合一般需要兩個襯底，增加了電池的制作成本，同時鍵合部分也給工藝帶來很大的挑戰(zhàn)，增加了電池的制作難度。如何實現(xiàn)多結(jié)太陽能電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時而又不提高電池制作成本和難度成為當前II1- V族太陽能電池亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種四結(jié)級聯(lián)太陽能電池及其制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中為了獲得高效四結(jié)電池會增加電池的制作成本以及制作工藝復雜度的問題。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種四結(jié)級聯(lián)太陽能電池，包括依次設(shè)置的Ge底電池、第一隧道結(jié)、GaNAsBi子電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP子電池以及GaAs接觸層；其中，所述Ge底電池包括Ge襯底以及在所述Ge襯底上通過擴散形成或生長的Ge底電池的發(fā)射區(qū)；所述GaNAsBi子電池與Ge襯底晶格匹配。進一步，所述GaNAsBi子電池包含材料為GaNAsBi的基區(qū)，以及在所述基區(qū)上設(shè)置的材料為GaNAsBi的發(fā)射區(qū)。進一步，所述GaNAsBi子電池中N的組分為1.30%, Bi的組分為2.23%，所述GaNAsBi子電池的帶隙寬度為1.0OeV。進一步，所述GaInP子電池和所述Ge襯底上分別設(shè)有電極。進一步，所述四結(jié)級聯(lián)太陽能電池帶隙組合為1.90 eVU.42 eVU.00 eV、0.67eV。為了解決上述問題，本發(fā)明還提了一種本發(fā)明所述的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池的制備方法，包括步驟:1)在Ge襯底上擴散形成或生長Ge底電池；2)在所述Ge底電池表面依次生長第一隧道結(jié)、GaNAsBi子電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP子電池以及GaAs接觸層；3)在所述GaInP子電池和所述Ge襯底上分別制備上、下電極，獲得目標太陽能電池芯片。進一步，所述四結(jié)級聯(lián)太陽能電池外延是采用MOCVD法或MBE法生長形成。本發(fā)明提供的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池及其制備方法，優(yōu)點在于:
1.所有子電池晶格與Ge襯底匹配，避免了晶格異變技術(shù)中要求生長較厚的緩沖層對材料的浪費，降低了生產(chǎn)成本，制備工藝簡單。2.帶隙組合為1.90eV、L 42eV、約L OOeV.0.67eV，具有較高的開路電壓，可實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，各個子電池的電流匹配，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，提高了電池效率。3.采用正裝生長方法生長，避免了倒置生長電池結(jié)構(gòu)需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs或Ge襯底的復雜工藝，降低了電池的制作難度。


圖1所示為本發(fā)明一具體實施方式
提供的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池采用正裝方式生長的結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖1所示的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池制成品的結(jié)構(gòu)示意 圖3所示為本發(fā)明一具體實施方式
提供的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池的制備方法步驟流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池及其制備方法做詳細說明。首先結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述四結(jié)級聯(lián)太陽能電池的具體實施方式
。參考附圖1、2所示，其中，圖1是本具體實施方式
提供的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池采用正裝方式生長的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1所示的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池制成品的結(jié)構(gòu)示意圖，接下來對附圖1、2所示的結(jié)構(gòu)做詳細說明。在對GaAs材料的研究中發(fā)現(xiàn)N和Bi的摻入可以調(diào)節(jié)材料的帶寬和晶格常數(shù)，因此通過選擇合適N和Bi的組分可以使GaNAsBi四元材料具有理想的帶寬和合適的晶格常數(shù)，這使GaNAsBi材料成為與Ge襯底匹配的1.0OeV電池的理想材料。本具體實施方式
提供一種采用正裝方式生長的GalnP/GaAs/GaNAsBi/Ge四結(jié)級聯(lián)太陽能電池，帶隙組合為1.90eV、l.42eV、約1.00eV、0.67eV，具有較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，提高了電池效率
所述四結(jié)級聯(lián)太陽能電池包括依次設(shè)置的Ge底電池23、第一隧道結(jié)22、GaNAsBi子電池21、第二隧道結(jié)20、GaAs子電池19、第三隧道結(jié)18、GaInP子電池17以及GaAs接觸層15。在P型Ge襯底OI上通過擴散形成或生長所述Ge底電池23。在本實施方式中，所述Ge底電池23包括Ge襯底Ol (也即材料為Ge的基區(qū))，以及在基區(qū)上設(shè)置的材料為Ge的N型Ge發(fā)射區(qū)02。所述第一隧道結(jié)22包含依次按照逐漸遠離Ge底電池23方向設(shè)置的N型GaInP或(In)GaAs 重摻層 03，P 型(Al) GaAs 重摻層 04。其中，(In) GaAs 表示 InGaAs 或 GaAs，(Al)GaAs 表不 AlGaAs 或 GaAs。所述GaNAsBi子電池21包含依次按照逐漸遠離Ge底電池23方向設(shè)置的材料為GaNAsBi的GaNAsBi基區(qū)05以及GaNAsBi發(fā)射區(qū)06。其中，所述GaNAsBi子電池21與Ge襯底晶格匹配。在本實施方式中，所述GaNAsBi子電池21中N和Bi的組分分別為約1.30%、
2.23%，所述GaNAsBi子電池21的帶隙寬度約為1.0OeV。所述第二隧道結(jié)20包含依次按照逐漸遠離Ge底電池23方向設(shè)置的N型GaInP或GaAs重摻層07，P型GaAs重摻層08。所述GaAs子電池19包含依次按照逐漸遠離Ge底電池23方向設(shè)置的GaAs基區(qū)09，GaAs 發(fā)射區(qū) 10 ；
所述第三隧道結(jié)18包含依次按照逐漸遠離Ge底電池23方向設(shè)置的N型GaInP或GaAs 重摻層 11，P 型(Al)GaAs 重摻層 12 ;其中，(Al)GaAs 表示 AlGaAs 或 GaAs。所述GaInP子電池17包含依次按照逐漸遠離Ge底電池23方向設(shè)置的GaInP基區(qū)13，GaInP發(fā)射區(qū)14。其中，所述GaInP子電池17與所述GaAs子電池19晶格匹配。在本實施方式中，按照遠離Ge底電池23方向設(shè)置的所述GaAs接觸層15作為歐姆接觸層，其摻雜類型為N型。所述四結(jié)級聯(lián)太陽能電池在所述GaInP子電池17和Ge襯底01上分別設(shè)有電極。在本實施方式中，GaInP子電池17上設(shè)有N電極16，N電極16位于GaAs接觸層15表面；Ge襯底01上設(shè)有P電極24，P電極24位于Ge底電池23的背面(即在P型Ge襯底01的背面制備P電極24)從而獲得所需的太陽能電池。本發(fā)明提供的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池所有子電池晶格與Ge襯底匹配，避免了晶格異變技術(shù)中要求生長較厚的緩沖層對材料的浪費，降低了生產(chǎn)成本，制備工藝簡單。接下來結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述四結(jié)級聯(lián)太陽能電池制備方法的具體實施方式
。參考附圖3，本具體實施方式
提供的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池制備方法的流程圖，接下來對附圖3所示的步驟做詳細說明。步驟S301，在Ge襯底上擴散形成或生長Ge底電池。步驟S302，在所述Ge底電池表面依次生長第一隧道結(jié)、GaNAsBi子電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP子電池以及GaAs接觸層。在P型Ge襯底上擴散形成或生長Ge底電池后，生長第一隧道結(jié)，所述第一隧道結(jié)包括沿逐漸遠離Ge電池的方向依次設(shè)置的N型GaInP或(In) GaAs重摻層，P型(Al) GaAs重摻層；生長GaNAsBi子電池；生長第二隧道結(jié)，所述第二隧道結(jié)包括沿逐漸遠離GaNAsBi子電池的方向依次設(shè)置的N型GaInP或GaAs重摻層，P型GaAs重摻層；生長GaAs子電池；生長第三隧道結(jié)，所述第三隧道結(jié)包括沿逐漸遠離GaAs子電池的方向依次設(shè)置的N型GaInP或GaAs重摻層，P型(Al)GaAs重摻層；生長GaInP子電池；生長N型GaAs接觸層作為歐姆接觸層。步驟S303，在所述GaInP子電池和所述Ge襯底上分別制備上、下電極，獲得目標太陽能電池。將生長的GalnP/GaAs/GaNAsBi/Ge四結(jié)級聯(lián)太陽能電池分別在GaInP子電池和Ge襯底上制備上、下電極；即在P型Ge襯底的背面制備下電極即P電極，在N型GaAs接觸層的表面制備上電極即N電極，從而獲得所需的太陽能電池。上述步驟可米用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化合物化學氣相沉淀)或MBE (Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)方式生長。本發(fā)明提供的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池制備方法采用正裝生長，避免了倒置生長電池結(jié)構(gòu)需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs或Ge襯底的復雜工藝，降低了電池的制作難度。接下來結(jié)合附圖1、2給出本發(fā)明一優(yōu)選實施例，對本發(fā)明提供的技術(shù)方案作進一步說明，本優(yōu)選實施例采用MOCVD方法生長本發(fā)明所述四結(jié)級聯(lián)太陽能電池。用MOCVD方法生長的GalnP/GaAs/GaNAsBi/Ge四結(jié)級聯(lián)太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。(I)在P型Ge襯底01通過擴散形成或生長N型摻雜約2 X IO18 CnT3的Ge電池23的發(fā)射區(qū)02。(2)生長N型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3以上、厚度0.015微米的GaInP或(In)GaAs重摻層03，然后生長P型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的(Al) GaAs重摻層04，形成第一隧道結(jié)22。(3)生長P型摻雜濃度約3X IO17 cm_3、厚度3.0微米的GaNAsBi重摻層作為GaNAsBi電池21的基區(qū)05，再生長N型摻雜濃度約2 X IO18 cm_3、厚度0.2微米的GaNAsBi重摻層作為GaNAsBi電池21的發(fā)射區(qū)06。(4)生長N型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的GaInP或GaAs重摻層07，然后生長P型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的GaAs重摻層08，形成第二隧道結(jié)20。(5)生長P型摻雜濃度約I X IO17 cnT3、厚度約3微米的GaAs重摻層作為GaAs子電池19的基區(qū)09，生長N型摻雜濃度約2 X IO18 cm_3、厚度0.15微米的GaAs重摻層作為GaAs子電池19的發(fā)射區(qū)10。(6)生長N型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3、厚度0.015微米的GaInP或GaAs重摻層11，生長P型摻雜濃度大于IXlO19 cm_3以上、厚度0.015微米的(Al)GaAs重摻層12，形成第三隧道結(jié)18。(7)生長P型摻雜濃度約為I X IO17 cm_3、厚度0.5微米的GaInP重摻層作為GaInP子電池17的基區(qū)13，再生長N型摻雜濃度約為2 X IO18 cm_3、厚度0.2微米的GaInP重摻層作為GaInP子電池17的發(fā)射區(qū)14。(8)然后生長N型摻雜濃度約為6 X IO18 cm_3、厚度0.5微米的GaAs接觸層15，作為GaInP子電池17的歐姆接觸層。太陽能電池的電極制備工藝:在P型Ge襯底01的背面制備P電極24，在N型GaAs接觸層15的表面制備N電極16，獲得所需的太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如附圖2所示。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種四結(jié)級聯(lián)太陽能電池，其特征在于，包括依次設(shè)置的Ge底電池、第一隧道結(jié)、GaNAsBi子電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP子電池以及GaAs接觸層；其中，所述Ge底電池包括Ge襯底以及設(shè)置在所述Ge襯底上的Ge底電池的發(fā)射區(qū)；所述GaNAsBi子電池與Ge襯底晶格匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池，其特征在于，所述GaNAsBi子電池包含材料為GaNAsBi的基區(qū)，以及在所述基區(qū)上設(shè)置的材料為GaNAsBi的發(fā)射區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池，其特征在于，所述GaNAsBi子電池中N的組分為1.30%, Bi的組分為2.23%，所述GaNAsBi子電池的帶隙寬度為1.0OeV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池，其特征在于，所述GaInP子電池和所述Ge襯底上分別設(shè)有電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池，其特征在于，所述四結(jié)級聯(lián)太陽能電池的帶隙組合為 1.90 eV、L42 eVU.00 eV、0.67eV。
6.一種權(quán)利要求1所述的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括步驟:I)在Ge襯底上擴散形成或生長Ge底電池；2)在所述Ge底電池表面依次生長第一隧道結(jié)、GaNAsBi子電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP子電池以及GaAs接觸層；3)在所述GaInP子電池和所述Ge襯底上分別制備上、下電極，獲得目標太陽能電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的四結(jié)級聯(lián)太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述四結(jié)級聯(lián)太陽能電池外延是采用MOCVD法或MBE法生長形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種四結(jié)級聯(lián)太陽能電池，包括依次設(shè)置的Ge底電池、第一隧道結(jié)、GaNAsBi子電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP子電池以及GaAs接觸層；Ge底電池包括Ge襯底以及設(shè)置在Ge襯底上的Ge底電池的發(fā)射區(qū)；GaNAsBi子電池與Ge襯底晶格匹配。本發(fā)明還提供一種四結(jié)級聯(lián)太陽能電池的制備方法，包括步驟1)在Ge襯底上擴散形成或生長Ge底電池；2)在Ge底電池表面依次生長第一隧道結(jié)、GaNAsBi子電池、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP子電池以及GaAs接觸層；3)在GaInP子電池和Ge襯底上分別制備上、下電極，獲得目標太陽能電池。
文檔編號H01L31/078GK103199141SQ201310082880
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者孫玉潤, 董建榮, 李奎龍, 曾徐路, 于淑珍, 趙勇明, 趙春雨, 楊輝 申請人:中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所