一種雙面生長的GaAs四結(jié)太陽電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及太陽能光伏的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種雙面生長的GaAs四結(jié)太陽電池。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，傳統(tǒng)的砷化鎵多結(jié)太陽電池因其轉(zhuǎn)換效率明顯高于晶硅電池而被廣泛地應(yīng)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底電池吸收的太陽光譜能量比中電池和頂電池吸收的多出很多，因此Ge電池的短路電流最大可接近中電池和頂電池的兩倍(V.Sabnis, H.Yuen, and M.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，在傳統(tǒng)三結(jié)太陽電池的GaInAs子電池和Ge子電池之間插入一層帶隙接近1.0eV的子電池，形成帶隙結(jié)構(gòu)為1.90/1.43/1.04/0.67eV的四結(jié)太陽電池，其理論效率能達(dá)到58%，結(jié)合實(shí)際因素后的效率極限能達(dá)到47%，遠(yuǎn)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)電池可以提高開路電壓和填充因子。經(jīng)理論研宄與實(shí)驗(yàn)證明，在GaAs材料中同時(shí)摻入少量的In和N形成Gai_xInxNyASl_y四元合金材料，當(dāng)x:y = 2.8、0〈y〈0.06時(shí)，Ga1-JnxNyAs1I材料晶格常數(shù)與GaAs (或Ge)基本匹配，且?guī)对?.8eV— 1.4eV之間變化，而當(dāng)0.02〈y〈0.03時(shí)，其帶隙為1.0eV—1.1eV之間。因此，針對目前傳統(tǒng)的GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)電池結(jié)構(gòu)，在GaInAs和Ge子電池之間插入一節(jié)帶隙接近1.0eV的GaInNAs子電池形成四結(jié)電池則可大大提高電池轉(zhuǎn)換效率。
[0004]然而，在制備GaInNAs子電池過程中，需要結(jié)合高溫退火過程才能提高GaInNAs電池的光電性能，如果基于Ge襯底制備，則高溫退火同時(shí)會(huì)對Ge子電池結(jié)構(gòu)造成影響，使其開路電壓降低。因此，如果采用雙面拋光的GaAs襯底，在GaAs襯底的上表面先制備GalnP、GaAs和GaInNAs子電池，經(jīng)過高溫退火后，再在其下表面制備帶隙約0.7eV的GaInAs子電池，最終形成帶隙結(jié)構(gòu)為 1.9/1.42/1.04/0.7eV 的 GalnP/GaAs/GalnNAs/GalnAs 四結(jié)電池，則可最大程度地體現(xiàn)出四結(jié)電池的優(yōu)勢，明顯提高GaAs多結(jié)太陽電池的開路電壓和整體光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提供一種雙面生長的GaAs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，同時(shí)發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢，提高GaAs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。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案為:一種雙面生長的GaAs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、GaInNAs子電池和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GaxIrvxP漸變層和GaxIrvxAs子電池；所述GaInP子電池與GaAs子電池之間通過第三隧道結(jié)連接，所述GaAs子電池與GaInNAs子電池之間通過第二隧道結(jié)連接，所述GaInNAs子電池與GaAs緩沖層之間通過第一隧道結(jié)連接。
[0007]所述GaInNAs子電池按照層狀結(jié)構(gòu)從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層，η型GahInxNyAs1^層或 η 型 GaAs 層，ρ 型 Ga ^xInxNyAs1I層，P 型 AlGaAs 背場層；其中 x:y =2.8:1,0.02<y<0.03，GahlnJASh材料帶隙為 1.0eV—1.leV。
[0008]所述GaxIrvxAs子電池按照層狀結(jié)構(gòu)從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層，η型 GaxIrvxAs 層或 η 型 GaAs 層，ρ 型 GaxIn1^As 層，ρ 型 AlGaAs 背場層;其中 0.4〈χ〈0.5，材料帶隙為0.7eV—0.8eVo
[0009]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0010]利用GaAs雙面襯底，在GaAs襯底的上表面設(shè)置有GaInP、GaAs和GaInNAs子電池，在其下表面設(shè)置帶隙約0.7eV的GaInAs子電池，最終得到帶隙結(jié)構(gòu)為
1.9/1.42/1.04/0.7eV的GalnP/GaAs/GalnNAs/GalnAs四結(jié)電池，不僅滿足太陽光譜下的四結(jié)電池最佳帶隙組合，而且避免了 GaInNAs電池對其它子電池的影響，可最大程度發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢，顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說明】
[0011]圖1為本實(shí)用新型所述雙面生長的GaAs四結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0013]如圖1所示，本實(shí)施例所述的雙面生長的GaAs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、GaInNAs子電池和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GaxIrvxP漸變層和GaxIrvxAs子電池；所述GaInP子電池與GaAs子電池之間通過第三隧道結(jié)連接，所述GaAs子電池與GaInNAs子電池之間通過第二隧道結(jié)連接，所述GaInNAs子電池與GaAs緩沖層之間通過第一隧道結(jié)連接。
[0014]所述GaInNAs子電池按照層狀結(jié)構(gòu)從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層，η型GahInxNyAs1^層或 η 型 GaAs 層，ρ 型 Ga ^xInxNyAs1I層，P 型 AlGaAs 背場層；其中 x:y =
2.8:1,0.02<y<0.03，GahlnJASh材料帶隙為 1.0eV—1.leV。
[0015]所述GaxIrvxAs子電池按照層狀結(jié)構(gòu)從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層，η型 GaxIrvxAs 層或 η 型 GaAs 層，ρ 型 GaxIn1^As 層，ρ 型 AlGaAs 背場層;其中 0.4〈χ〈0.5，材料帶隙為0.7eV—0.8eVo
[0016]下面為本實(shí)施例上述雙面生長的GaAs四結(jié)太陽電池的具體制備過程，其情況如下:
[0017]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GaAs緩沖層、第一隧道結(jié)、GaInNAs子電池、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GaxIrvxP漸變層和GaxIrvxAs子電池，即可完成雙面生長的GaAs四結(jié)太陽電池的制備。
[0018]綜上所述，本實(shí)用新型在GaAs襯底的上表面設(shè)置有GaInP、GaAs和GaInNAs子電池，在其下表面設(shè)置帶隙約0.7eV的GaInAs子電池，最終得到帶隙結(jié)構(gòu)為
1.9/1.42/1.04/0.7eV 的 GalnP/GaAs/GalnNAs/GalnAs 四結(jié)電池，這樣不僅滿足了太陽光譜下的四結(jié)電池最佳帶隙組合，而且也避免了 GaInNAs電池對其它子電池的影響，可最大程度發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢，顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率?？傊?，本實(shí)用新型可以更加充分地利用太陽光能量，提高GaAs多結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，值得推廣。
[0019]以上所述之實(shí)施例子只為本實(shí)用新型之較佳實(shí)施例，并非以此限制本實(shí)用新型的實(shí)施范圍，故凡依本實(shí)用新型之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙面生長的GaAs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、GaInNAs子電池和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GaxIrvxP漸變層和GaxIrvxAs子電池；所述GaInP子電池與GaAs子電池之間通過第三隧道結(jié)連接，所述GaAs子電池與GaInNAs子電池之間通過第二隧道結(jié)連接，所述GaInNAs子電池與GaAs緩沖層之間通過第一隧道結(jié)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙面生長的GaAs四結(jié)太陽電池，其特征在于:所述GaInNAs子電池按照層狀結(jié)構(gòu)從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層，η型Ga1-JnxNyAs1I層或 η 型 GaAs 層，ρ 型 Ga1-JnxNyAs1I 層，P 型 AlGaAs 背場層；其中 x:y = 2.8:1，0.02<y<0.03，GahInxNyAs1I材料帶隙為 1.0eV—1.1eVo
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙面生長的GaAs四結(jié)太陽電池，其特征在于:所述GaxIn1^xAs子電池按照層狀結(jié)構(gòu)從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層，η型GaxIrvxAs層或η型GaAs層，ρ型GaxIrvxAs層，ρ型AlGaAs背場層；其中0.4〈χ〈0.5，材料帶隙為0.7eV一0.8eVo
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種雙面生長的GaAs四結(jié)太陽電池，包括GaAs襯底，其中，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、GaInNAs子電池和GaAs緩沖層，在所述GaAs襯底的下表面設(shè)置有GaxIn1-xP漸變層和GaxIn1-xAs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GaInNAs子電池之間通過第二隧道結(jié)連接，所述GaInNAs子電池與GaAs緩沖層之間通過第一隧道結(jié)連接。本實(shí)用新型可以更加充分地利用太陽光能量，提高GaAs多結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【IPC分類】H01L31-0687, H01L31-0693
【公開號(hào)】CN204315605
【申請?zhí)枴緾N201420746164
【發(fā)明人】張小賓, 王雷, 陳丙振, 潘旭, 張露, 張楊, 楊翠柏
【申請人】瑞德興陽新能源技術(shù)有限公司
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年11月28日