[发明专利]四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，尤其涉及一种采用GaNAsBi材料的GaInP/GaAs/GaNAsBi/Ge四结级联太阳能电池及其制备方法。

背景技术

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池作为一种高效的能源材料成为各国的研究热点，为了促进太阳能电池的进一步实用化，提高其光电转换效率是其降低发电成本的一种有效手段。高效的太阳能电池需要对太阳光谱进行划分，采用与之相匹配的不同带隙宽度子电池进行串联，以达到充分利用太阳光的目的。目前研究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，其最高转换效率为32-33%(一个太阳)。然而该三结电池中Ge底电池覆盖较宽的光谱，其短路电流较大，为了实现与其他子电池的电流匹配必然会降低太阳光利用率。

为了进一步提高转换效率，需要对底电池进行拆分，计算表明在GaAs和Ge底电池中间插入一带隙为1.00eV的材料，做成四结电池，可以实现光电流匹配，提高电池效率。然而目前与Ge衬底晶格匹配具有1.00eV的材料较少，研究人员往往通过在Ge底电池上生长晶格异变的1.00eV的InGaAs子电池达到上述目的，然而该技术需要生长较厚的晶格异变缓冲层，增加了生产成本，并对生长技术提出了更高的要求。

获得高效四结电池的另一途径是采用晶片键合的方法，将晶格失配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。但是晶片键合一般需要两个衬底，增加了电池的制作成本，同时键合部分也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，提供一种四结级联太阳能电池及其制备方法，解决现有技术中为了获得高效四结电池会增加电池的制作成本以及制作工艺复杂度的问题。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种四结级联太阳能电池，包括依次设置的Ge底电池、第一隧道结、GaNAsBi子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池以及GaAs接触层；其中，所述Ge底电池包括Ge衬底以及在所述Ge衬底上通过扩散形成或生长的Ge底电池的发射区；所述GaNAsBi子电池与Ge衬底晶格匹配。

进一步，所述GaNAsBi子电池包含材料为GaNAsBi的基区，以及在所述基区上设置的材料为GaNAsBi的发射区。

进一步，所述GaNAsBi子电池中N的组分为1.30%，Bi的组分为2.23%，所述GaNAsBi子电池的带隙宽度为1.00eV。

进一步，所述 GaInP子电池和所述Ge衬底上分别设有电极。

进一步，所述四结级联太阳能电池带隙组合为1.90 eV、1.42 eV、1.00 eV、0.67eV。

为了解决上述问题，本发明还提了一种本发明所述的四结级联太阳能电池的制备方法，包括步骤：1）在Ge衬底上扩散形成或生长Ge底电池；2）在所述Ge底电池表面依次生长第一隧道结、GaNAsBi子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池以及GaAs接触层；3）在所述GaInP子电池和所述Ge衬底上分别制备上、下电极，获得目标太阳能电池芯片。

进一步，所述四结级联太阳能电池外延是采用MOCVD法或MBE法生长形成。

本发明提供的四结级联太阳能电池及其制备方法，优点在于：

1. 所有子电池晶格与Ge衬底匹配，避免了晶格异变技术中要求生长较厚的缓冲层对材料的浪费，降低了生产成本，制备工艺简单。

2. 带隙组合为1.90eV、1.42eV、约1.00eV、0.67eV，具有较高的开路电压，可实现对太阳光谱的充分利用，各个子电池的电流匹配，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率。 

3. 采用正装生长方法生长，避免了倒置生长电池结构需要先与其它支撑衬底材料键合再去除GaAs或Ge衬底的复杂工艺，降低了电池的制作难度。

附图说明

图1所示为本发明一具体实施方式提供的四结级联太阳能电池采用正装方式生长的结构示意图；

图2为图1所示的四结级联太阳能电池制成品的结构示意图；

图3所示为本发明一具体实施方式提供的四结级联太阳能电池的制备方法步骤流程图。

具体实施方式