一種含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池，包括GaAs襯底，所述GaAs襯底為雙面拋光的n型GaAs單晶片，在所述GaAs襯底的上表面設(shè)置有GaInP子電池、GaAs子電池和第一GaAs緩沖層，在所述GaAs襯底的下表面設(shè)置有第二GaAs緩沖層、第一量子點(diǎn)子電池和第二量子點(diǎn)子電池，所述GaInP子電池和GaAs子電池之間通過第三隧道結(jié)連接，所述GaAs子電池與第一GaAs緩沖層之間通過第二隧道結(jié)連接，所述第一量子點(diǎn)子電池與第二量子點(diǎn)子電池之間通過第一隧道結(jié)連接。本發(fā)明可以提高太陽電池對(duì)太陽光譜的利用率，從而提高多結(jié)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】 —種含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能光伏的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池。

【背景技術(shù)】
[0002]光伏電池技術(shù)從材料類型來區(qū)分，主要可以分為三種:一是以晶硅電池為代表的第一代太陽電池，主要包括單晶硅電池和多晶硅電池等，目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟，效率接近理論極限，提升空間不大；一是以薄膜電池為代表的第二代太陽電池，成本較低，然后轉(zhuǎn)換效率不高；最后一種是砷化鎵多結(jié)太陽電池，轉(zhuǎn)換效率較高，還有很大發(fā)展空間，可用于聚光光伏發(fā)電(CPV)系統(tǒng)和空間電源系統(tǒng)。砷化鎵多結(jié)電池的主流結(jié)構(gòu)是由GalnP、GaInAs和Ge子電池組成的GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)太陽電池，電池結(jié)構(gòu)上整體保持晶格匹配，帶隙結(jié)構(gòu)為1.85/1.40/0.67eV。然而，對(duì)于太陽光光譜，由于GaInAs子電池和Ge子電池之間較大的帶隙差距，這種三結(jié)電池的帶隙組合并不是最佳的，這種結(jié)構(gòu)下Ge底電池的短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中電池和頂電池(V.Sabnis, H.Yuen, and Μ.Wiemer, AIP Conf.Proc.1477(2012) 14)，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流限制原因，這種結(jié)構(gòu)造成了很大一部分光譜能量不能被充分轉(zhuǎn)換利用，限制了電池性能的提高。
[0003]理論分析表明，帶隙結(jié)構(gòu)為1.90/1.43/1.04/0.67eV的四結(jié)太陽電池理論效率能達(dá)到58%，結(jié)合實(shí)際因素后的效率極限達(dá)47%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)三結(jié)42%的極限效率(R.R.King, D.C.Law, K.M.Edmondson et al.，Advances in OptoElectronics,2007(2007)29523)，這主要是因?yàn)橄啾扔谌Y(jié)電池，四結(jié)電池可以減少熱損失，提高電池對(duì)太陽光譜的利用率，同時(shí)提高開路電壓和填充因子。經(jīng)理論研究與實(shí)驗(yàn)證明，InxGahAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層可以調(diào)節(jié)材料的吸收帶隙，當(dāng)0.4〈x〈l.0時(shí),通過調(diào)節(jié)InxGapxAs量子點(diǎn)的周期、尺寸等參數(shù)，利用量子點(diǎn)超晶格結(jié)構(gòu)的微帶效應(yīng)可以將InxGai_xAS/GaAS量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層的光學(xué)帶隙調(diào)節(jié)為1.0eV—1.1eV之間；同樣，當(dāng)0.7〈x〈l.0時(shí)，可以將其光學(xué)帶隙調(diào)節(jié)為0.6eV—0.SeV之間。因此，基于GaAs雙面生長襯底引入量子結(jié)構(gòu)后可形成理想的四結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)，能大大提高電池轉(zhuǎn)換效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提供一種含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池，可以使電池的帶隙結(jié)構(gòu)與太陽光譜更加匹配，充分發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)，提高電池對(duì)太陽光譜的利用率，提高多結(jié)電池的整體開路電壓和填充因子，并最終提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:一種含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池,包括有GaAs襯底,所述GaAs襯底為雙面拋光的η型GaAs單晶片；在所述GaAs襯底的上表面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)從上至下依次設(shè)置有GaInP子電池、GaAs子電池和第一 GaAs緩沖層；在所述GaAs襯底的下表面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)從上至下依次設(shè)置有第二 GaAs緩沖層、第一量子點(diǎn)子電池和第二量子點(diǎn)子電池；所述GaInP子電池和GaAs子電池之間通過第三隧道結(jié)連接，所述GaAs子電池與第一 GaAs緩沖層之間通過第二隧道結(jié)連接，所述第一量子點(diǎn)子電池與第二量子點(diǎn)子電池之間通過第一隧道結(jié)連接。
[0006]所述第一量子點(diǎn)子電池為p-1-n結(jié)構(gòu)的InGaAs/GaAs量子點(diǎn)太陽電池,從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非慘雜的Ir^GahAs/GaAs ?子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層、ρ型GaAs層、ρ型AlGaAs背場層；其中0.4〈χ〈1.0, InxGa1^xAsZGaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層光學(xué)帶隙為 1.0eV—1.1eV0
[0007]所述第二量子點(diǎn)子電池為p-1-n結(jié)構(gòu)的InGaAs/GaAs量子點(diǎn)太陽電池,從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非慘雜的Ir^GahAs/GaAs ?子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層、ρ型GaAs層、ρ型AlGaAs背場層；其中0.7〈χ〈1.0, In.Ga^.As/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層光學(xué)帶隙為 0.6eV—0.8eV0
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0009]利用GaAs雙面生長襯底，并結(jié)合量子結(jié)構(gòu)材料的自身特點(diǎn)，在GaAs襯底的上表面設(shè)置有GalnP、GaAs子電池，在其下表面設(shè)置帶隙約1.0eV — 1.1eV的第一量子點(diǎn)子電池和帶隙約0.6eV-0.8eV的第二量子點(diǎn)子電池，最終得到帶隙組合結(jié)構(gòu)接近
1.9/1.42/1.04/0.7eV的四結(jié)太陽電池，達(dá)到太陽光譜下四結(jié)電池最佳帶隙組合，最大程度發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)，提高電池對(duì)太陽光譜的利用率，顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明所述含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0012]如圖1所示,本實(shí)施例所述的含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池,包括有GaAs襯底，所述GaAs襯底為雙面拋光的η型GaAs單晶片；在所述GaAs襯底的上表面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)從上至下依次設(shè)置有GaInP子電池、GaAs子電池和第一 GaAs緩沖層；在所述GaAs襯底的下表面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)從上至下依次設(shè)置有第二 GaAs緩沖層、第一量子點(diǎn)子電池和第二量子點(diǎn)子電池；所述GaInP子電池和GaAs子電池之間通過第三隧道結(jié)連接，所述GaAs子電池與第一 GaAs緩沖層之間通過第二隧道結(jié)連接，所述第一量子點(diǎn)子電池與第二量子點(diǎn)子電池之間通過第一隧道結(jié)連接。
[0013]所述第一量子點(diǎn)子電池為p-1-n結(jié)構(gòu)的InGaAs/GaAs量子點(diǎn)太陽電池,從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非慘雜的Ir^GahAs/GaAs ?子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層、ρ型GaAs層、ρ型AlGaAs背場層；其中0.4〈χ〈1.0, InxGa1^xAsZGaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層光學(xué)帶隙為 1.0eV—1.1eV0
[0014]所述第二量子點(diǎn)子電池為p-1-n結(jié)構(gòu)的InGaAs/GaAs量子點(diǎn)太陽電池,從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非慘雜的Ir^GahAs/GaAs ?子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層、ρ型GaAs層、ρ型AlGaAs背場層；其中0.7〈χ〈1.0, In.Ga^.As/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層光學(xué)帶隙為 0.6eV—0.8eV0
[0015]下面為本實(shí)施例上述含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池的具體制備過程，其情況如下:
[0016]首先，以4英寸雙面拋光的η型GaAs單晶片為襯底，然后采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD)或分子束外延生長技術(shù)(MBE)在GaAs襯底的上表面依次生長第一GaAs緩沖層、第二隧道結(jié)、GaAs子電池、第三隧道結(jié)和GaInP子電池,最后將GaAs襯底翻轉(zhuǎn)180°，再在GaAs襯底的下表面依次生長第二 GaAs緩沖層、第一量子點(diǎn)子電池、第一隧道結(jié)和第二量子點(diǎn)子電池，即可完成含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池的制備。
[0017]綜上所述，本發(fā)明利用GaAs雙面生長襯底，并結(jié)合量子結(jié)構(gòu)材料的自身特點(diǎn)，在GaAs襯底的上表面設(shè)置有GaInP、GaAs子電池，在其下表面設(shè)置帶隙約1.0eV—1.1eV的第一量子點(diǎn)子電池和帶隙約0.6eV — 0.SeV的第二量子點(diǎn)子電池，最終得到帶隙組合結(jié)構(gòu)接近1.9/1.42/1.04/0.7eV的四結(jié)太陽電池，達(dá)到太陽光譜下四結(jié)電池最佳帶隙組合，最大程度發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)，提高電池對(duì)太陽光譜的利用率，顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。總之，本發(fā)明可以提高太陽電池對(duì)太陽光譜的利用率，從而盡可能提高多結(jié)太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，值得推廣。
[0018]以上所述之實(shí)施例子只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池，包括有GaAs襯底，其特征在于:所述GaAs襯底為雙面拋光的η型GaAs單晶片；在所述GaAs襯底的上表面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)從上至下依次設(shè)置有GaInP子電池、GaAs子電池和第一 GaAs緩沖層；在所述GaAs襯底的下表面按照層狀疊加結(jié)構(gòu)從上至下依次設(shè)置有第二 GaAs緩沖層、第一量子點(diǎn)子電池和第二量子點(diǎn)子電池；所述GaInP子電池和GaAs子電池之間通過第三隧道結(jié)連接，所述GaAs子電池與第一 GaAs緩沖層之間通過第二隧道結(jié)連接，所述第一量子點(diǎn)子電池與第二量子點(diǎn)子電池之間通過第一隧道結(jié)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池，其特征在于:所述第一量子點(diǎn)子電池為p-1-n結(jié)構(gòu)的InGaAs/GaAs量子點(diǎn)太陽電池，從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非摻雜的InfahAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層、p型GaAs層、p型AlGaAs背場層；其中0.4<χ<1.0, In.Ga^.As/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層光學(xué)帶隙為1.0eV—1.1eV0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含量子結(jié)構(gòu)的雙面生長四結(jié)太陽電池，其特征在于:所述第二量子點(diǎn)子電池為P-1-n結(jié)構(gòu)的InGaAs/GaAs量子點(diǎn)太陽電池，從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非摻雜的InfahAs/GaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層、p型GaAs層、p型AlGaAs背場層；其中0.7<χ<1.0, InxGa1^xAsZGaAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層光學(xué)帶隙為0.6eV — 0.8eV。
【文檔編號(hào)】H01L31/0352GK104465846SQ201410705349
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】張小賓, 陳丙振, 楊翠柏 申請(qǐng)人:瑞德興陽新能源技術(shù)有限公司