[发明专利]一种高电流密度晶格失配太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高电流密度晶格失配太阳能电池及其制备方法，采用外延生长技术，在最接近衬底的那个子电池的基区与发射区之间生长具有一定带隙组合的应变补偿量子阱结构。该量子阱所采用的材料光学带隙低于与其毗邻的基区和发射区材料光学带隙，势阱材料和势垒材料厚度均小于临界厚度，同时，与毗邻材料晶格常数失配度不超过10％。此设计方案可以将电子或空穴存储于量子阱内，提高少数载流子收集效率，进而提高光电转换效率；同时，采用应变补偿结构的量子阱，可有效释放应力；另外，利用GaInNAs材料的特有性质，发挥位错阻挡层的作用，降低后续生长的材料中的穿透位错密度，提高材料晶体质量，最终提升电池转换效率。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种高电流密度晶格失配太阳能电池及其制备方法。

背景技术

历史上，能源问题一直是引发国际争端的焦点问题，直到现在传统的煤、石油等不可再生能源仍占有重要的地位，但其带来的环境问题已经到了不容小觑的程度。特别是近期，国际油价持续上涨，大众出行的消费成本明显增加，依此趋势，人们的生活成本和压力会越来越大。考虑人类和自然的长足发展，能源问题亟待解决。目前已经进入开发甚至应用的新能源方案有核能、风能、潮汐能和太阳能等清洁能源。但是，核能的危险系数高，风能和潮汐能有地域的局限性，而这些却都是太阳能的优势。此外，太阳光能量巨大，从太阳发出来的光经过1.5亿公里的距离穿过大气层到达地球表面的能量换算成电力，高达～10¹⁴KW，约为全球平均电力的10万倍。如果这些能量能够被有效利用，达到取代传统能源的程度，则上述问题得以迎刃而解。目前，世界范围内已开展了大量太阳能光伏科技领域的研究项目。

太阳能电池种类很多，按照材料大致可分为：硅太阳能电池、无机化合物(Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族)半导体太阳能电池、有机高分子染料电池等几大类。目前，砷化镓多结太阳电池作为Ⅲ-Ⅴ族材料太阳能电池的一种，由于其光电转换效率明显高于晶硅电池，因而被广泛地应用于聚光光伏发电(CPV)系统和空间电源系统。砷化镓多结电池的主流结构是晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，相应的带隙结构为1.85/1.40/0.67eV，其在500倍聚光条件下，光电转换效率已超过40％，远高于其它类太阳能电池。然而，由于其发电成本过高，成为Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池产业大规模应用的主要制约因素。而降低成本的关键之一就在于进一步提高电池的光电转换效率。

研究表明，生长具有晶格渐变缓冲层的MM(Metamorphic)结构太阳能电池，即将传统GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池带隙组合调整为(1.7～1.95)/(1.1～1.35)/0.67eV，可更好地与太阳光谱匹配，AM0条件下，其实际效率可达34％以上，远高于晶格匹配带隙结构的转换效率。但是，目前暂未发现自然界中存在满足上述带隙同时又与市场上可选择的衬底的晶格匹配的材料，这说明带隙的调整会带来晶格常数的不匹配，而晶格失配会导致大量的位错产生，很多文献中也采用了晶格渐变缓冲层、超晶格等设计来释放应力和过滤缺陷，但TEM测试结果表明仍有部分穿透位错会延伸至中、顶子电池，成为电子空穴对的复合中心，降低少子扩散长度和光子利用效率，最终导致电池性能不能达到应有的提升程度。