[发明专利]一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池及其制备方法，包括一个p型衬底以及三个或三个以上串联设置的子电池，且在所有的子电池中至少有一个子电池为含嵌入式背场结构的GaInNAs子电池，该GaInNAs子电池包括由下至上按层状结构叠加的p型背场、非有意掺杂的GaInNAs基区、n型发射区、n型窗口层，所述非有意掺杂的GaInNAs基区在靠近p型背场方向含有嵌入式背场结构，该嵌入式背场结构为与p型背场所用材料及掺杂条件一致的圆柱阵列，该圆柱阵列为远离空间电荷区而无法被有效收集的少子提供势垒，将少子反射回空间电荷区，从而提高少子收集效率，进而提高短路电流密度和多结电池的光电转换效率。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

由于太阳光光谱的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比其禁带宽度值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池被背电极金属吸收，转变成热能；而高能光子超出禁带宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效电能。基于III-V族化合物半导体材料制备而成的高效多结太阳能电池是利用MBE或MOCVD技术从下至上连续生长具有不同禁带宽度的p-n结子电池，并在各子电池之间插入超薄隧穿结，让波长最短的光被最上边的宽带隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄禁带宽度材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，其转换效率远远超过了目前已知的其他各种光伏电池。

提高叠层太阳电池转换效率的方法主要有两种：一种是增加子电池的结数，尽量使每结子电池吸收的太阳光光谱接近实际太阳光的光谱，从而增加输出电压；另一种方法是使每一结子电池的输出电流达到匹配，并使限流结的电流尽量达到最高。近年来，很多机构也在开发新型结构的多结太阳电池以改善多个子电池之间的电流匹配，提升效率。这些新型结构的多结太阳电池针对其电流分配不合理的880～1800nm波段进行电池带隙的重新分配和组合，以便更加合理的利用长波波段太阳能光谱，从而到更高的光电转换效率。稀氮化合物GaInNAs材料能够通过控制材料中In原子与N原子的含量，可在GaAs或Ge基底上晶格匹配外延生长，并实现禁带宽度在0.8～1.4eV之间连续可调，是提升新一代叠层太阳电池效率最有潜力的材料之一。基于稀氮化合物的晶格匹配材料体系太阳电池，可实现电池全结构的晶格匹配一次生长，提高太阳电池外延片质量的同时降低了器件工艺的难度与复杂度。

MOCVD具有低成本，高产量的优点，适用于规模化生产，是目前太阳电池外延片的主要生产手段。然而，利用MOCVD技术制备GaInNAs材料的过程中主要的问题在于：由于GaInNAs需要低温生长才能保证N原子的有效并入，材料中会同时引入大量的C原子，GaInNAs材料中过多的缺陷以及p型GaInNAs掺杂问题将造成材料载流子寿命较短、迁移率低，电池内部光生载流子的分离能力与输运收集受到极大的制约，这导致GaInNAs子电池成为多结电池中的限流结。此时，若GaInNAs材料层太厚，并不能形成对光生载流子的有效收集；若GaInNAs材料太薄则造成电池吸收率太低，不能将相应波段的光子完全吸收。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种含嵌入式背场结构的多结太阳能电池及其制备方法，通过在加厚的GaInNAs子电池中引入嵌入式背场结构，在远离空间电荷区的基区内部形成势垒产生一个辅助电场，将少子反射回去，从而提高GaInNAs子电池的短路电流密度。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：