[发明专利]三结级联太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及三结级联太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在太阳能电池领域，研究较多且技术较为成熟的体系是晶格匹配生长的GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.7eV)三结电池，目前其最高转换效率为32%-33%(一个太阳)。由于该三结电池中Ge底电池覆盖较宽的光谱，其短路电流最大可达到另外两结电池的2倍，使Ge底电池对应的太阳光谱的能量没有被充分转换利用，限制了该三结电池效率的提高。

为了解决这一问题，科学家们提出了一些解决方案，如利用应力补偿量子阱或中间带结构提高GaAs中间电池的光电流密度；在GaAs和Ge电池中间插入一带隙为1.00 eV的InGaAsN材料，以降低Ge底电池的光电流密度；最终实现光电流匹配，提高电池效率。前一方案在物理上提出了提高三结电池效率方法。第二种方案中四结电池在保持短路电流不变的情况下，将电池开路电压提高约0.60 V，转换效率可望达到约39%(一个太阳)。但InGaAsN材料本身的特点决定使用其制作高效太阳能电池的技术难度很大。因此研究人员积极寻求别的途径来获得高效的太阳能电池，如采用晶片键合的方法将晶格失配的具有合理带隙组合的电池键合在一起，实现电流匹配，提高电池效率。

但是晶片键合电池往往存在两个主要问题：以GaInP/GaAs(1.9/1.42eV)和InGaAsP/InGaAs(1.05/0.74eV)双结电池的键合为例，晶片键合电池需要GaAs和InP两个衬底，这大大增加了电池的制作成本；二是晶片键合电池的键合部分需要良好的欧姆接触和良好的透光率，这给工艺带来很大的挑战，增加了电池的制作难度。 

如何实现多结太阳能电池合理的带隙组合，减小电流失配同时而又不提高电池制作成本和难度成为当前Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供三结级联太阳能电池及其制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种三结级联太阳能电池，包括GaAs或Ge的衬底，以及在所述衬底上依次设置的第一渐变过渡层、InGaAs子电池、第二渐变过渡层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结、GaInP子电池和GaAs接触层。

所述GaAs或Ge的衬底和InGaAs子电池之间进一步包括第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层和第三势垒层，所述第三势垒层为AlGaAs或Al(Ga)InP。

所述第一渐变过渡层和第二渐变过渡层的材料均为 Al_yGa_1-x-yIn_xAs，第一渐变过渡层x的范围为0至0.27，y的范围为0至0.4；第二渐变过渡层的x的范围为0.27至0，y的范围为0.4至0。所述第二渐变过渡层的带隙大于GaAs子电池的带隙。

所述InGaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的材料为AlGaInAs的第一背场层、InGaAs的第一基区、InGaAs的第一发射区和第一窗口层，所述第一窗口层的材料为GaInP、InGaAlAs与AlInP中任意一种。

所述第一隧道结包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层和第一势垒层，所述第一势垒层的材料为AlGaAs或Al(Ga)InP。

所述GaAs子电池包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的材料为GaInP的第二背场层、GaAs的第二基区、GaAs的第二发射区和Al(Ga)InP的第二窗口层。

所述第二隧道结包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的GaInP或GaAs层和(Al)GaAs层。

所述GaInP子电池包含依次按照逐渐远离衬底的方向设置的材料为Al(Ga)InP的第三背场层、GaInP的第三基区、GaInP的第三发射区和AlInP的第三窗口层。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种如上述的三结级联太阳能电池的制备方法，步骤为在衬底上依次生长第一渐变过渡层、InGaAs子电池、第二渐变过渡层、第一隧道结、GaAs子电池、第二隧道结和GaInP子电池和GaAs接触层。

在所述衬底上生长第一渐变过渡层的步骤之前，进一步包括步骤：在所述衬底上生长第三隧道结，所述第三隧道结包含依次按照逐渐远离衬底方向设置的GaInP或GaAs层、(Al)GaAs层、第三势垒层，所述第三势垒层的材料为AlGaAs或Al(Ga)InP。