專利名稱：三結(jié)級聯(lián)太陽電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽電池領(lǐng)域，尤其涉及一種采用含硼化物和鉍化物的四元材料BInGaAs和GaNAsBi，并且具有優(yōu)化帯隙組合的GaAs基正裝三結(jié)級聯(lián)太陽電池及其制備方法，該三結(jié)太陽電池可實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，并且滿足各個子電池電流匹配，具有較高的電池效率。
背景技術(shù)：
在II1- V族化合物半導(dǎo)體太陽電池的研制過程中，為了提高電池的轉(zhuǎn)換效率，需要對太陽光譜進行劃分，采用與之相匹配的不同禁帶寬度子電池進行串聯(lián)，以達到充分利用太陽光的目的。在三結(jié)太陽電池中，目前研究較為成熟的體系是晶格匹配生長的GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.7eV)三結(jié)電池，然而該體系帯隙組合并未優(yōu)化，其最高轉(zhuǎn)換效率為32-33%(—個太陽)。計算表明具有1.93eV/l.39eV/0.94eV帯隙組合的三結(jié)太陽電池的效率大于51%(100倍聚光)，然而由于晶格常數(shù)對材料的限制，具有該理想帯隙組合且與襯底晶格匹配的材料選擇較少。—種能實現(xiàn)該帯隙組合的材料為AlInAs/InGaAsP/InGaAs,然而該材料的晶格常數(shù)與GaAs襯底有約2.1%的失配，目前尚缺乏與上述材料組合晶格常數(shù)匹配的襯底。為了得到L 93eV/l.39eV/0.94eV帯隙組合的AlInAs/InGaAsP/InGaAs材料，一種常用方法是利用晶格異變技術(shù)在GaAs襯底上生長與其晶格失配的晶格異變緩沖層，然而該技術(shù)增加了生產(chǎn)成本，并對生長技術(shù)提出了更高的要求，同時緩沖層的引入也帶來了較多的缺陷，影響了電池的性能。如何實現(xiàn)多結(jié)太陽電池合理的帶隙組合，減小電流失配同時而又不提高電池制作成本和技術(shù)難度成為當前太陽電池亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種三結(jié)級聯(lián)太陽電池及其制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中為了獲得高效三結(jié)電池會增加電池的制作成本以及制作工藝復(fù)雜度的問題。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種三結(jié)級聯(lián)太陽電池，包括分別采用AlGaInP材料、BInGaAs材料以及GaNAsBi材料制成的三結(jié)子電池，所有子電池的晶格常數(shù)均與GaAs襯底匹配。進一步，所述三結(jié)子電池分別為GaNAsBi底電池、BInGaAs中間電池以及AlGaInP頂電池,所述太陽電池包括依次連接的GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、BInGaAs中間電池、第二隧道結(jié)以及AlGaInP頂電池，所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上分別設(shè)有電極。進一步，所述GaNAsBi底電池中N的組分范圍為1.40%-1.50%, Bi的組分范圍為
2.51%-2.61%，所述GaNAsBi底電池的帶隙寬度為 0.94 eV。 進一步，所述BInGaAs中間電池中B的組分范圍為1.45%-1.55%，In的組分范圍為
2.95%-3.05%，所述BInGaAs中間電池的帶隙寬度為 1.39 eV。
進一步，所述AlGaInP頂電池中Al的組分范圍為3.65%_3.75%，In的組分范圍為48.95%-49.05%，所述AlGaInP頂電池的帶隙寬度為 1.93 eV。為了解決上述問題，本發(fā)明還提了一種本發(fā)明所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法，包括步驟:1)在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、BInGaAs中間電池、第二隧道結(jié)、AlGaInP頂電池以及歐姆接觸層；2)分別在所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。進一步，所述三結(jié)級聯(lián)太陽電池采用MOCVD法或MBE法生長形成。本發(fā)明提供的三結(jié)級聯(lián)太陽電池及其制備方法，優(yōu)點在于:
1.具有理想的帶隙組合廣1.93 eV^l.39 eV、、.94eV，具有較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，具有較高的電池效率；
2.所有子電池晶格常數(shù)與GaAs襯底匹配，避免了晶格異變技術(shù)中要求生長較厚的緩沖層對材料的浪費，降低了生產(chǎn)成本；
3.采用正裝生長方法生長，制備工藝簡單，避免了倒置生長電池結(jié)構(gòu)需要先與其它支撐襯底材料鍵合再去除GaAs襯底的復(fù)雜工藝，降低了電池的制作難度。


圖1所示為本發(fā)明一具體實施方式
提供的三結(jié)級聯(lián)太陽電池采用正裝方式生長的結(jié)構(gòu)不意 圖2為圖1所示的三結(jié)級聯(lián)太陽電池制成品的結(jié)構(gòu)示意 圖3所示為本發(fā)明一具體實施方式
提供的三結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法步驟流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的三結(jié)級聯(lián)太陽電池及其制備方法做詳細說明。首先結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述三結(jié)級聯(lián)太陽電池的具體實施方式
。參考附圖1、2所示，其中，圖1是本具體實施方式
提供的三結(jié)級聯(lián)太陽電池采用正裝方式生長的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1所示的三結(jié)級聯(lián)太陽電池制成品的結(jié)構(gòu)示意圖，接下來對附圖1、2所示的結(jié)構(gòu)做詳細說明。在對GaAs材料的研究中發(fā)現(xiàn),通過調(diào)節(jié)四元材料BInGaAs和GaNAsBi組分可以使四元材料具有理想的帶寬和合適的晶格常數(shù)，這使BInGaAs材料和GaNAsBi材料能與GaAs襯底匹配并能實現(xiàn)理想帯隙組合。本具體實施方式
提供一種三結(jié)級聯(lián)太陽電池，包括分別采用AlGaInP材料、BInGaAs材料以及GaNAsBi材料制成的三結(jié)子電池，所有子電池的晶格常數(shù)均與GaAs襯底匹配，可實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，得到較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，提高了電池效率。本具體實施方式
中所述三結(jié)子電池分別為GaNAsBi底電池17、BInGaAs中間電池15以及AlGaInP頂電池13，所述太陽電池包括在GaAs襯底18上依次連接的GaNAsBi底電池17、第一隧道結(jié)16、BInGaAs中間電池15、第二隧道結(jié)14以及AlGaInP頂電池13，所述AlGaInP頂電池13和所述GaAs襯底18上分別設(shè)有電極(如圖2所示上電極12、下電極19)。所述太陽電池具有理想的帯隙組合，其帶隙組合為 1.93 eV^l.39 eV、、.94eV。
所述GaNAsBi底電池17的帶隙寬度為 0.94 eV，其包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設(shè)置的材料為GaNAsBi的基區(qū)01，以及在基區(qū)01上設(shè)置的發(fā)射區(qū)02。其中，所述GaNAsBi底電池17中N的組分范圍為1.40%-1.50%，優(yōu)選為1.45% ；Bi的組分范圍為2.51%-2.61%，優(yōu)選為 2.56%ο所述第一隧道結(jié)16包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設(shè)置的GaInP或(In)GaAs 重慘層 03 以及(Al) GaAs 重慘層 04。其中，(In) GaAs 表不 InGaAs 或 GaAs, (Al) GaAs表不 AlGaAs 或 GaAs。所述BInGaAs中間電池15的帶隙寬度為 1.39 eV，其包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設(shè)置的材料為BInGaAs的基區(qū)05，以及在基區(qū)05上設(shè)置的發(fā)射區(qū)06。其中，所述BInGaAs中間電池15中B的組分范圍為1.45%-1.55%，優(yōu)選為1.5% ；In的組分范圍為
2.95%-3.05%，優(yōu)選為 3%ο所述第二隧道結(jié)14包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設(shè)置的GaInP重摻層07以及AlGaAs重摻層08。所述AlGaInP頂電池13帶隙寬度為 1.93 eV,其包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底18方向設(shè)置的材料為AlGaInP的基區(qū)09以及發(fā)射區(qū)10。其中，所述AlGaInP頂電池13中Al的組分范圍為3.65%-3.75%，優(yōu)選為3.7% ；In的組分范圍為48.95%_49.05%,優(yōu)選為
49%。在本具體實施方式
中，在AlGaInP頂電池13上還設(shè)有GaAs層作為歐姆接觸層11。所述三結(jié)級聯(lián)太陽電池在所述AlGaInP頂電池13和GaAs襯底18上分別設(shè)有電極。在本具體實施方式
中，AlGaInP頂電池13上設(shè)有上電極12，上電極12位于歐姆接觸層11的上表面；GaAs襯底18上設(shè)有下電極19,下電極19位于GaAs襯底18的背面,從而獲得所需的太陽電池。本發(fā)明提供的三結(jié)級聯(lián)太陽電池所有子電池晶格與GaAs襯底匹配，避免了晶格異變技術(shù)中要求生長較厚的緩沖層對材料的浪費，降低了生產(chǎn)成本，制備工藝簡單。且所述三結(jié)級聯(lián)太陽電池的帶隙組合為 1.93 eV^l.39 eV、、.94eV，具有較高的開路電壓，各個子電池的電流匹配，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，可實現(xiàn)對太陽光譜的充分利用，提高了電池效率。接下來結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述三結(jié)級聯(lián)太陽電池制備方法的具體實施方式
。參考附圖3，本具體實施方式
提供的三結(jié)級聯(lián)太陽電池制備方法的流程圖，接下來對附圖3所示的步驟做詳細說明。步驟S301，在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、BInGaAs中間電池、第二隧道結(jié)、AlGaInP頂電池以及歐姆接觸層。在GaAs襯底上生長GaNAsBi底電池，所述GaNAsBi底電池的帶隙寬度為94eV，包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向生長的材料為GaNAsBi的底電池基區(qū)，以及在基區(qū)上生長的底電池發(fā)射區(qū)。其中，所述GaNAsBi底電池17中N的組分范圍為1.40%-1.50%，優(yōu)選為1.45% ；Bi的組分范圍為2.51%-2.61%，優(yōu)選為2.56%。在GaNAsBi底電池上生長第一隧道結(jié)，所述第一隧道結(jié)包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設(shè)置的GaInP或(In)GaAs重摻層以及(Al)GaAs重摻層。在第一隧道結(jié)上生長BInGaAs中間電池， 所述BInGaAs中間電池的帶隙寬度為 1.39 eV,包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設(shè)置的材料為BInGaAs的中間電池基區(qū)，以及在基區(qū)上設(shè)置的中間電池發(fā)射區(qū)。其中，所述BInGaAs中間電池中B的組分范圍為
1.45%-1.55%，優(yōu)選為1.5% ；In的組分范圍為2.95%-3.05%，優(yōu)選為3%。在BInGaAs中間電池上生長第二隧道結(jié)，所述第二隧道結(jié)包括依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設(shè)置的GaInP重摻層以及AlGaAs重摻層。在第二隧道結(jié)上生長AlGaInP頂電池，所述AlGaInP頂電池帶隙寬度為 1.93eV，包含依次按照逐漸遠離GaAs襯底方向設(shè)置的AlGaInP的頂電池基區(qū)以及發(fā)射區(qū)。其中，所述AlGaInP頂電池中Al的組分范圍為3.65%_3.75%，優(yōu)選為3.7% ；In的組分范圍為48.95%-49.05%，優(yōu)選為 49%。在本具體實施方式
中，在AlGaInP頂電池上還生長GaAs層作為歐姆接觸層。步驟S302，分別在所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。將生長的AlGalnP/BInGaAs/GaNAsBi三結(jié)級聯(lián)太陽電池在AlGaInP頂電池上的歐姆接觸層的表面制備上電極(例如N電極)，在GaAs襯底背面制備下電極(例如P電極)，從而獲得所需的太陽電池。上述三結(jié)級聯(lián)太陽電池外延生長制備過程可采用MOCVD (Metal OrganicChemical Vapor Deposition，金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀)或MBE (Molecular BeamEpitaxy,分子束外延)方式生長。本發(fā)明提供的三結(jié)級聯(lián)太陽電池制備方法采用正裝生長，避免了倒置生長電池結(jié)構(gòu)需要先與其它支撐襯底 材料鍵合再去除GaAs襯底的復(fù)雜工藝，降低了電池的制作難度。接下來結(jié)合附圖1、2給出本發(fā)明一優(yōu)選實施例，對本發(fā)明提供的技術(shù)方案作進一步說明，本優(yōu)選實施例采用MOCVD方法生長本發(fā)明所述三結(jié)級聯(lián)太陽電池。(1)在P型GaAs襯底18上生長P型摻雜約3 X1017cm_3、厚度3.0微米的GaNAsBi重摻層作為GaNAsBi底電池的基區(qū)01，再生長N型摻雜約2X1018 cm_3、厚度0.2微米的GaNAsBi重摻層作為GaNAsBi底電池的發(fā)射區(qū)02。(2)生長N型摻雜濃度大于I X1019cm_3、厚度0.015微米的GaInP或(In) GaAs重摻層03，然后生長P型摻雜濃度大于IX IO19 cm_3、厚度0.015微米的(Al)GaAs重摻層04，形成第一隧道結(jié)16。(3)生長P型摻雜濃度約3XlO17 cm_3、厚度3.0微米的BInGaAs重摻層作為BInGaAs中間電池15的基區(qū)05，再生長N型摻雜濃度約2X1018 cm_3、厚度0.2微米的BInGaAs重摻層作為BInGaAs中間電池15的發(fā)射區(qū)06。(4)生長N型摻雜濃度大于I X1019cm_3、厚度0.015微米的GaInP重摻層07，然后生長P型摻雜濃度大于I X IO19 cm_3以上、厚度0.015微米的AlGaAs重摻層08，形成第二隧道結(jié)14。(5)生長P型摻雜濃度約為IXlO17 cm_3、厚度0.5微米的AlGaInP重摻層作為AlGaInP頂電池13的基區(qū)09，再生長N型摻雜濃度約為2X1018 cm_3、厚度0.2微米的AlGaInP重摻層作為AlGaInP頂電池13的發(fā)射區(qū)10。(6)然后生長N型摻雜濃度約為6 X IO18 cm_3、厚度0.5微米的GaAs層作為AlGaInP頂電池13的歐姆接觸層11。
用MOCVD方法正裝生長獲得的AlGalnP/BInGaAs/GaNAsBi三結(jié)級聯(lián)太陽電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。太陽電池的電極制備工藝:在P型GaAs襯底18的背面制備P型下電極19，在N型歐姆接觸層11的表面制備N型上電極12，獲得所需的太陽電池，其結(jié)構(gòu)如附圖2所示。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍 。
權(quán)利要求
1.一種三結(jié)級聯(lián)太陽電池，其特征在于，包括分別采用AlGaInP材料、BInGaAs材料以及GaNAsBi材料制成的三結(jié)子電池，所有子電池的晶格常數(shù)均與GaAs襯底匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池，其特征在于，所述三結(jié)子電池分別為GaNAsBi底電池、BInGaAs中間電池以及AlGaInP頂電池，所述太陽電池包括依次連接的GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、BInGaAs中間電池、第二隧道結(jié)以及AlGaInP頂電池，所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上分別設(shè)有電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池，其特征在于，所述GaNAsBi底電池中N的組分范圍為1.40%-1.50%,Bi的組分范圍為2.51%-2.61%，所述GaNAsBi底電池的帶隙寬度為 0.94 eVo
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池，其特征在于，所述BInGaAs中間電池中B的組分范圍為1.45%-1.55%，In的組分范圍為2.95%_3.05%，所述BInGaAs中間電池的帶隙寬度為 1.39 eV。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池，其特征在于，所述AlGaInP頂電池中Al的組分范圍為3.65%-3.75%，In的組分范圍為48.95%_49.05%，所述AlGaInP頂電池的帶隙寬度為 1.93 eV。
6.一種權(quán)利要求1所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法，其特征在于，包括步驟: I)在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、BInGaAs中間電池、第二隧道結(jié)、AlGaInP頂電池以及歐姆接觸層； 2)分別在所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法，其特征在于，所述三結(jié)級聯(lián)太陽電池采用MOCVD法或MBE法生長形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法，其特征在于，所述GaNAsBi底電池中N的組分范圍為1.40%-1.50%, Bi的組分范圍為2.51%_2.61%。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法，其特征在于，所述BInGaAs中間電池中B的組分范圍為1.45%-1.55%, In的組分范圍為2.95%-3.05%。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法，其特征在于，所述AlGaInP頂電池中Al的組分范圍為3.65%-3.75%, In的組分范圍為48.95%-49.05%。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三結(jié)級聯(lián)太陽電池，包括在GaAs襯底上依次連接的GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、BInGaAs中間電池、第二隧道結(jié)以及AlGaInP頂電池，AlGaInP頂電池和GaAs襯底上分別設(shè)有電極。本發(fā)明還提了一種三結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法，包括步驟1)在GaAs襯底上依次生長GaNAsBi底電池、第一隧道結(jié)、BInGaAs中間電池、第二隧道結(jié)、AlGaInP頂電池以及歐姆接觸層；2)分別在所述AlGaInP頂電池和所述GaAs襯底上制備上、下電極，獲得目標太陽電池。本發(fā)明所有子電池晶格常數(shù)與GaAs襯底匹配，降低了生產(chǎn)成本，采用正裝生長方法生長、制備工藝簡單，提高了電池效率。
文檔編號H01L31/18GK103219412SQ20131011464
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者孫玉潤, 董建榮, 李奎龍, 曾徐路, 于淑珍, 趙勇明, 趙春雨, 楊輝 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所