[发明专利]一种锗多结太阳能电池及其制备方法

说明书

公开了一种锗多结太阳能电池及其制造方法。所述锗多结太阳能电池包括：顺序层叠设置的Ge子电池、InGaAs子电池、InGaAsP子电池和InAlGaP子电池。本公开的锗多结太阳能电池及其制造方法，可以降低锗多结太阳能电池的制造成本，提高锗多结太阳能电池的光电转换效率，并实现锗多结太阳能电池的薄膜化和柔性化。

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种锗多结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

锗多结太阳能电池因其高效率、高稳定性、高抗辐照能力等诸多优势，受到人们越来越多的关注。但是，锗多结太阳能电池产品成本一直很高，目前基本仅用于航天航空领域。现有的锗多结太阳能电池产品都是使用锗衬底，通过在锗衬底上磷扩散得到锗结后再外延其它多结电池结构。但是，锗元素全球保有储量仅约为8600金属吨，黄金全球保有量也有8.6万吨，锗元素从储量稀有程度上比黄金还稀缺。因此，衬底成本一直是制约锗多结太阳能电池进一步发展和向民用发展的最重要因素之一。

现在已有一些通过Si作为衬底外延III-V族电池的情况。例如：专利号CN102779865A中描述了一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池，设有Si底电池，GaAs中电池和GaInP顶电池，降低了衬底成本，但是各结的禁带宽度非最优化结果。专利号CN103077981B中描述了一种柔性衬底硅基多结叠层薄膜太阳能电池，采用在柔性衬底上一次沉积多结叠层太阳能电池，采用等离子体辅助不可避免地会造成热损伤和离子损伤。专利号US20060021565A1描述了一种InGaP/GaAs/Si的三结电池，通过GaAs衬底上外延InGaP/GaAs双结剥离后键合到Si电池上，形成InGaP/GaAs/Si三结电池，实现有效的降低衬底成本，该电池转换效率会高于Si电池但是低于一般的GaAs三结电池结构。这三个专利使用了Si基作为衬底，但是还是把Si结电池作为一结子电池，可以做到降低成本，但是光电转换效率非最佳。

目前的多结太阳能电池中，Ge/GaInAs/InGaP三结太阳能电池因其光电转化效率高而得到越来越多的应用，特别是在空间高效电池行业中得到了广泛的应用。但是Ge/GaInAs/InGaP三结太阳能电池电流并不匹配，Ge底电池的电流是其他两结电池的两倍左右，造成了极大的浪费，制约了电池效率的进一步提高。因此，由三结向四结、五结甚至更高结开发是一个重要方向。因为相比较于三结电池，四结电池可以减少热损失，提高太阳能电池对太阳光谱的利用率，同时提高开压和填充因子，得到更高的转化效率。

现有的Ge基三结电池Ge/GaInAs/InGaP中的Ge子电池，是通过向p型Ge衬底表面扩散磷或者砷来形成n型Ge层，和p型Ge衬底一起构成pn结，从而产生光伏效应。这种工艺的缺点是Ge子电池没有背电场层，会造成Ge子电池的开路电压偏低。

现有的锗四结太阳能电池通常是在锗衬底上正装外延生长得到，其中锗衬底厚度约为140微米左右，为刚性。现有的技术是对衬底进行研磨来减薄整个电池的厚度，实现电池薄膜化。在使用衬底研磨工艺减薄锗基多结太阳能电池的过程中，通常手段是将锗衬底背面贴在发泡胶或者石蜡上后进行研磨，但是由于发泡胶或者石蜡厚度均匀性以及锗衬底和发泡胶界面厚度均匀性较差，从而导致减薄后锗衬底厚度均匀性差异大于30微米，使得研磨后薄膜化的锗多结太阳能电池均匀性很差，到电池组件封装的时候会存在问题。

专利号CN102790119A中描述了一种GaInP/GaAs/Ge/Ge四结太阳能电池，通过2个Ge电池来优化电流匹配问题。专利号CN107871799A中描述了一种AlGaInP/InGaAs/InGaAs/Ge正向失配四结太阳能电池，这两个专利都提供了一种四结太阳能电池，可以有效提升光电转换效率。但是这两个专利中禁带宽度设计存在许多局限，特别是在四结电池最佳禁带宽度组合1.90eV、1.4eV、1.00eV、0.67eV要求下，是难以实现的。