[发明专利]一种含超晶格结构的硅基氮化物五结太阳电池

说明书

本发明公开了一种含超晶格结构的硅基氮化物五结太阳电池，包括Si衬底，为双面抛光的p型或n型Si单晶片；在Si衬底的上表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaNP子电池、GaNAsP子电池、GaNAs/GaNP超晶格子电池和Si子电池；在Si衬底的下表面设置有GaNAs子电池；GaNP子电池和GaNAsP子电池之间通过第四隧道结连接，GaNAsP子电池和GaNAs/GaNP超晶格子电池之间通过第三隧道结连接，GaNAs/GaNP超晶格子电池和Si子电池之间通过第二隧道结连接，Si衬底和GaNAs子电池之间通过第一隧道结连接。本发明在降低五结电池生产成本的同时，利用五结电池结构可以更加充分地利用太阳光谱，提升电池的光电转换效率。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏的技术领域，尤其是指一种含超晶格结构的硅基氮化物五结太阳电池。

背景技术

太阳能作为一种可再生绿色能源一直被人们所关注，在太阳能利用方面主要分为光热利用技术和光伏发电技术。其中，光伏发电技术的发展日新月异，太阳电池的光电转换效率越来越高。以砷化镓等化合物半导体材料为主的多结太阳电池技术发展迅速，其转换效率可以达到30％以上，远远高于普通的晶硅电池。传统砷化镓多结电池的主流结构是由GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，电池结构上整体保持晶格匹配，带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。然而这种电池存在着两个主要问题，一方面是该多结电池需要以价格昂贵的Ge单晶材料为衬底来制备，总体制作成本较高，难以大规模使用；另一方面是该电池结构中GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，造成Ge子电池的短路电流远大于其它两个子电池(V.Sabnis,H.Yuen and M.Wiemer,AIP ConferenceProceedings 1477(1),14-19(2012))，由于串联结构的电流限制原因，会造成很大一部分太阳光能量不能被充分转换利用，从而限制了电池性能的提高。

单晶硅太阳电池由于成本低廉，在地面大规模电站上已经成熟应用，但是硅材料一直没有有效地应用于高效多结电池。如果能够基于Si衬底制备得到多结太阳电池，就可以获得一种低成本高效率的多结电池，在地面大规模光伏电站中将会有巨大的应用前景。

同时理论分析表明，采用三结以上的多结太阳电池可以优化带隙组合，提高电池的光电转换效率，但是为了保证电池的材料质量必须使所有子电池与衬底保持晶格匹配。GaP材料与Si的晶格常数非常接近，然而GaP的光学带隙为2.26eV，由于其带隙较高应用于多结电池时会造成整体电流偏低。研究者发现在GaP材料中掺入少量的N原子形成GaNP材料后，不仅晶格常数与Si更加匹配，而且材料光学带隙还能降低至1.95-2.05eV之间(W.Shan,W.Walukiewicz,K.M.Yu,et al.,Applied Physics Letters 76(22),3251-3253(2000))，比GaP材料更加适合应用于多结电池。

如果在GaAsP合金中掺入少量的N可形成GaN_1-x-yAs_xP_y四元合金，当满足y＝0.98-1.214x条件时即可使得GaN_1-x-yAs_xP_y材料的晶格常数与Si材料完美匹配。同时根据GaN_1-x-yAs_xP_y材料的带隙计算公式，当x为0.08-0.12时，GaN_1-x-yAs_xP_y的光学带隙为1.65-1.75eV之间(R.Kudrawiec,Journal of Applied Physics 101(11),116101(2007))。