本發(fā)明涉及太陽能光伏技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池以及該電池的制備方法。

背景技術(shù)：
在太陽電池領(lǐng)域，目前研究較多而且技術(shù)較為成熟的體系是GaInP/GaAs/Ge三結(jié)電池，該材料體系在太陽電池領(lǐng)域中目前達到的最高轉(zhuǎn)換效率為32-33%。但是該體系仍然存在一個主要問題是受晶格匹配的制約，該三結(jié)電池中Ge電池覆蓋較寬的光譜，其短路電流最大可達到兩結(jié)電池的2倍，由于受三結(jié)電池串聯(lián)的制約，Ge電池對應(yīng)的太陽光譜的能量沒有被充分轉(zhuǎn)換利用，所以該三結(jié)電池的效率還有改進的空間。最直觀的想法是在GaAs和Ge電池中間插入一帶隙為～1.00eV的InGaAsN材料，在保持短路電流不變的情況下，將開路電壓提高約0.60V，將原來三結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率提高約20%，四結(jié)電池可望達到約39%的轉(zhuǎn)換效率。但是，由于很難制備少子壽命足夠長的InGaAsN材料，吸收太陽光產(chǎn)生的電子-空穴對沒有足夠的時間被分離和收集從而產(chǎn)生有效的電流輸出，使得用InGaAsN制作的高效太陽電池的技術(shù)難度很大。研究人員在尋求別的途徑來獲得高效太陽能轉(zhuǎn)換，一種方法是采用晶片鍵合的方法將晶格失配的具有合理帶隙組合的電池鍵合在一起，實現(xiàn)電流匹配，提高電池效率。但是晶片鍵合電池往往存在兩個主要問題：以GaInP/GaAs和InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池的鍵合為例，晶片鍵合電池需要GaAs和InP兩個襯底，這大大增加了電池的制作成本；二是晶片鍵合電池的鍵合部分需要良好的歐姆接觸和良好的透光率，這給工藝帶來很大的挑戰(zhàn)，增加了電池的制作難度。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難度成為當(dāng)前Ⅲ-Ⅴ族太陽電池亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池，該四結(jié)級聯(lián)太陽電池帶隙組合為1.90eV，1.42eV，～1.03eV，0.73eV，各個子電池的電流失配小，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，提高了電池效率。為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：一種GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池，包括GaAs襯底以及GaInP/GaAs雙結(jié)電池和InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池，其中，所述GaAs襯底具有雙面生長結(jié)構(gòu);所述GaAs襯底的第一面設(shè)置有GaInP/GaAs雙結(jié)電池，第二面設(shè)置有一漸變過渡層，并通過該漸變過渡層與所述InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池級聯(lián)。優(yōu)選地，所述漸變過渡層包括AlxIn1-xAs漸變過渡層，其中x=1～0.48；所述AlxIn1-xAs漸變過渡層的帶隙大于1.42eV。優(yōu)選地，所述GaAs襯底與所述漸變過渡層之間設(shè)置有第二隧道結(jié)，所述第二隧道結(jié)包括按照遠離GaAs襯底方向依次連接的P++GaAs材料層和N++GaAs材料層。優(yōu)選地，所述InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池包括按照遠離所述漸變過渡層的方向依次連接InGaAsP子電池、第一隧道結(jié)以及InGaAs子電池；所述InGaAsP子電池包括按照遠離所述漸變過渡層的方向依次連接的N++InP或In(Ga)AlAs窗口層、N-InGaAsP發(fā)射區(qū)、P-InGaAsP基區(qū)以及P++InGaAsP背場；所述第一隧道結(jié)包括按照遠離所述InGaAsP子電池的方向依次連接的P++InGaAs材料層和N++InGaAs材料層；所述InGaAs子電池包括按照遠離所述第一隧道結(jié)的方向依次連接的N++InP或InGaAsP窗口層、N-InGaAs發(fā)射區(qū)、P-InGaAs基區(qū)、P++InGaAsP背場以及P+InGaAs接觸層。優(yōu)選地，所述GaInP/GaAs雙結(jié)電池包括按照遠離所述GaAs襯底的方向依次連接GaAs子電池、第三隧道結(jié)以及GaInP子電池；所述GaAs子電池包括按照遠離所述GaAs襯底的方向依次連接的GaAs緩沖層、P++AlGaAs背場、P-GaAs基區(qū)、N-GaAs發(fā)射區(qū)以及N++AlInP窗口層；所述第三隧道結(jié)包括按照遠離所述GaAs子電池的方向依次連接的N++GaInP材料層和P++AlGaAs材料層；所述GaInP子電池包括按照遠離所述第三隧道結(jié)的方向依次連接的P++AlGaInP背場、P-GaInP基區(qū)、N-GaInP發(fā)射區(qū)、N++AlInP窗口層以及N+GaAs接觸層。在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述GaAs子電池包括設(shè)置于所述GaAs襯底第二面的P++AlGaAs背場，按照遠離所述GaAs襯底第一面的依次連接的N-GaAs發(fā)射區(qū)和N++AlInP窗口層；所述GaAs襯底形成所述GaAs子電池的基區(qū)。本發(fā)明的另一個目的是提供如上所述的四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法，該方法具體為，采用具有雙面生長結(jié)構(gòu)的GaAs襯底作為襯底，首先，在所述GaAs襯底的第二面生長一漸變過渡層；然后在所述漸變過渡層上生長InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池；最后在所述GaAs襯底的第一面生長GaInP/GaAs雙結(jié)電池，獲得所述GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池。優(yōu)選地，所述漸變過渡層包括AlxIn1-xAs漸變過渡層，其中x=1～0.48；所述AlxIn1-xAs漸變過渡層的帶隙大于1.42eV；所述AlxIn1-xAs漸變過渡層采用In組分線性漸進和/或In組分步進的方法生長。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：1)該四結(jié)級聯(lián)太陽電池帶隙組合為1.90eV，1.42eV，～1.03eV，0.73eV，各個子電池的電流失配小，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，提高了電池效率；2)該四結(jié)級聯(lián)太陽電池采用雙面拋光的GaAs襯底，通過雙面生長的方式制作太陽電池，降低了電池生長的難度，節(jié)省了電池生長的時間，也降低了太陽電池因長時間退火造成的性能衰退;3)該四結(jié)級聯(lián)太陽電池可以在GaAs襯底上實現(xiàn)GaAs子電池，充分利用了GaAs支撐襯底，節(jié)約了電池的制作成本。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例1制備獲得的四結(jié)級聯(lián)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例2制備獲得的四結(jié)級聯(lián)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式下面將對結(jié)合附圖用實施例對本發(fā)明做進一步說明。如前所述，鑒于目前太陽電池領(lǐng)域存在的客觀困難，本發(fā)明的其中一個目的是提供一種GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池，包括GaAs襯底以及GaInP/GaAs雙結(jié)電池和InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池，其中，所述GaAs襯底具有雙面生長結(jié)構(gòu);所述GaAs襯底的第一面設(shè)置有GaInP/GaAs雙結(jié)電池，第二面設(shè)置有一漸變過渡層，并通過該漸變過渡層與所述InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池級聯(lián)。該四結(jié)級聯(lián)太陽電池帶隙組合為1.90eV，1.42eV，～1.03eV，0.73eV，各個子電池的電流失配小，減小了光電轉(zhuǎn)換過程中的熱能損失，提高了電池效率。本發(fā)明的另一個目的是提供如上所述的四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制作方法，該方法具體為，采用具有雙面生長結(jié)構(gòu)的GaAs襯底作為襯底，首先，在所述GaAs襯底的第二面生長一漸變過渡層；然后在所述漸變過渡層上生長InGaAsP/InGaAs雙結(jié)電池；最后在所述GaAs襯底的第一面生長GaInP/GaAs雙結(jié)電池，最終獲得帶隙組合為1.90eV，1.42eV，～1.03eV，0.73eV的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池。該四結(jié)級聯(lián)太陽電池采用雙面拋光的GaAs襯底，通過雙面生長的方式制作太陽電池，降低了電池生長的難度，節(jié)省了電池生長的時間，也降低了太陽電池因長時間退火造成的性能衰退。實施例1參閱圖1，該四結(jié)級聯(lián)太陽電池包括具有雙面生長結(jié)構(gòu)的GaAs襯底15；所述GaAs襯底15的第二面設(shè)置有一漸變過渡層12，按照遠離所述漸變過渡層12的方向，依次連接有InGaAsP子電池30、第一隧道結(jié)29以及InGaAs子電池28；所述InGaAsP子電池30包括按照遠離所述漸變過渡層的方向依次連接的N++InP或In(Ga)AlAs窗口層11、N-InGaAsP發(fā)射區(qū)10、P-InGaAsP基區(qū)09以及P++InGaAsP背場08；所述第一隧道結(jié)29包括按照遠離所述InGaAsP子電池30的方向依次連接的P++InGaAs材料層07和N++InGaAs材料層06；所述InGaAs子電池28包括按照遠離所述第一隧道結(jié)29的方向依次連接的N++InP或InGaAsP窗口層05、N-InGaAs發(fā)射區(qū)04、P-InGaAs基區(qū)03、P++InGaAsP背場02以及P+InGaAs接觸層01；所述GaAs襯底15與所述漸變過渡層12之間設(shè)置有第二隧道結(jié)31，所述第二隧道結(jié)31包括按照遠離GaAs襯底15方向依次連接的P++GaAs材料層14和N++GaAs材料層13；所述GaAs襯底15的第一面按照遠離該襯底的方向，依次連接有GaAs子電池32、第三隧道結(jié)33以及GaInP子電池34；所述GaAs子電池32包括按照遠離所述GaAs襯底15的方向依次連接的GaAs緩沖層16、P++AlGaAs背場17、P-GaAs基區(qū)18、N-GaAs發(fā)射區(qū)19以及N++AlInP窗口層20；所述第三隧道結(jié)33包括按照遠離所述GaAs子電池32的方向依次連接的N++GaInP材料層21和P++AlGaAs材料層22；所述GaInP子電池34包括按照遠離所述第三隧道結(jié)33的方向依次連接的P++AlGaInP背場23、P-GaInP基區(qū)24、N-GaInP發(fā)射區(qū)25、N++AlInP窗口層26以及N+GaAs接觸層27。下面介紹如上所述的四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法，該方法具體包括步驟：S101：采用雙面拋光的P型GaAs襯底15，在其中的第二面生長第二隧道結(jié)31；所述第二隧道結(jié)31包括按照遠離GaAs襯底15方向依次連接的P++GaAs材料層14和N++GaAs材料層13；S102：在所述的第二隧道結(jié)31上生長高摻雜的AlxIn1-xAs漸變過渡層12，其中Al的組分由1.00變化至0.48，從而使其由GaAs晶格常數(shù)過渡到InP晶格常數(shù)，Al的組分采用臺階的方式自1.0降低至0.48，采用10個過渡層過渡，每層厚度200nm，最后生長約500nm的高摻雜Al0.48In0.52As過渡層；S103：在所述的AlxIn1-xAs漸變過渡層12上依次生長InGaAsP子電池30、第一隧道結(jié)29以及InGaAs子電池28；所述InGaAsP子電池30包括按照遠離所述漸變過渡層的方向依次連接的0.05μm的N++InP或In(Ga)AlAs窗口層11、0.4μm的N-InGaAsP發(fā)射區(qū)10、2.5μm的P-InGaAsP基區(qū)09以及0.3μm的P++InGaAsP背場08；所述第一隧道結(jié)29包括按照遠離所述InGaAsP子電池30的方向依次連接的15～30nm的P++InGaAs材料層07和10～30nm的N++InGaAs材料層06；所述InGaAs子電池28包括按照遠離所述第一隧道結(jié)29的方向依次連接的0.1μm的N++InP或InGaAsP窗口層05、0.2μm的N-InGaAs發(fā)射區(qū)04、2.5μm的P-InGaAs基區(qū)03、0.3μm的P++InGaAsP背場02以及500nm的P+InGaAs接觸層01；S104：在所述GaAs襯底15的第一面，按照遠離GaAs襯底15的方向依次生長GaAs子電池32、第三隧道結(jié)33以及GaInP子電池34；所述GaAs子電池32包括按照遠離所述GaAs襯底15的方向依次連接的200nm的GaAs緩沖層16、50nm的P++AlGaAs背場17、2.0μm的P-GaAs基區(qū)18、0.1μm的N-GaAs發(fā)射區(qū)19以及0.1μm的N++AlInP窗口層20；所述第三隧道結(jié)33包括按照遠離所述GaAs子電池32的方向依次連接的15～30nm的N++GaInP材料層21和10～30nm的P++AlGaAs材料層22；所述GaInP子電池34包括按照遠離所述第三隧道結(jié)33的方向依次連接的50nm的P++AlGaInP背場23、0.8μm的P-GaInP基區(qū)24、0.1μm的N-GaInP發(fā)射區(qū)25、0.05μm的N++AlInP窗口層26以及500nm的N+GaAs接觸層27；得到如圖1所示的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池。接下來進行電池的工藝過程：在電池的表面分別制作正負電極和減反膜，最終形成目標(biāo)太陽能電池。實施例2參閱圖2，該四結(jié)級聯(lián)太陽電池包括具有雙面生長結(jié)構(gòu)的GaAs襯底15；所述GaAs襯底15的第二面設(shè)置有一漸變過渡層12，按照遠離所述漸變過渡層12的方向，依次連接有InGaAsP子電池30、第一隧道結(jié)29以及InGaAs子電池28；所述InGaAsP子電池30包括按照遠離所述漸變過渡層的方向依次連接的N++InP或In(Ga)AlAs窗口層11、N-InGaAsP發(fā)射區(qū)10、P-InGaAsP基區(qū)09以及P++InGaAsP背場08；所述第一隧道結(jié)29包括按照遠離所述InGaAsP子電池30的方向依次連接的P++InGaAs材料層07和N++InGaAs材料層06；所述InGaAs子電池28包括按照遠離所述第一隧道結(jié)29的方向依次連接的N++InP或InGaAsP窗口層05、N-InGaAs發(fā)射區(qū)04、P-InGaAs基區(qū)03、P++InGaAsP背場02以及P+InGaAs接觸層01；所述GaAs襯底15與所述漸變過渡層12之間設(shè)置有第二隧道結(jié)31，所述第二隧道結(jié)31包括按照遠離GaAs襯底15方向依次連接的P++GaAs材料層14和N++GaAs材料層13；在本實施例中，所述GaAs襯底15的第二面與所述第二隧道結(jié)31之間設(shè)置有P++AlGaAs背場17；所述GaAs襯底15的第一面按照遠離該襯底的方向，依次連接GaAs子電池32的N-GaAs發(fā)射區(qū)19和N++AlInP窗口層20、第三隧道結(jié)33以及GaInP子電池34；所述第三隧道結(jié)33包括按照遠離所述GaAs子電池32的方向依次連接的N++GaInP材料層21和P++AlGaAs材料層22；所述GaInP子電池34包括按照遠離所述第三隧道結(jié)33的方向依次連接的P++AlGaInP背場23、P-GaInP基區(qū)24、N-GaInP發(fā)射區(qū)25、N++AlInP窗口層26以及N+GaAs接觸層27；在本實施例中，所述GaAs子電池32包括設(shè)置于所述GaAs襯底15第二面的P++AlGaAs背場17，按照遠離所述GaAs襯底15第一面的依次連接的N-GaAs發(fā)射區(qū)19和N++AlInP窗口層20；所述GaAs襯底15形成所述GaAs子電池32的基區(qū)。下面介紹如上所述的四結(jié)級聯(lián)太陽電池的制備方法，該方法具體包括步驟：S101：采用雙面拋光的P型GaAs襯底15，在其中的第二面生長高摻雜GaAs子電池的P++AlGaAs背場17；S102：在所述P++AlGaAs背場17上生長第二隧道結(jié)31；所述第二隧道結(jié)31包括按照遠離GaAs襯底15方向依次連接的P++GaAs材料層14和N++GaAs材料層13；S103：在所述的第二隧道結(jié)31上生長高摻雜的AlxIn1-xAs漸變過渡層12，其中Al的組分由1.00變化至0.48，從而使其由GaAs晶格常數(shù)過渡到InP晶格常數(shù)，Al的組分采用線性漸變的方式自1.0降低至0.48，，最后生長高摻雜Al0.48In0.52As過渡層；S104：在所述的AlxIn1-xAs漸變過渡層12上依次生長InGaAsP子電池30、第一隧道結(jié)29以及InGaAs子電池28；所述InGaAsP子電池30包括按照遠離所述漸變過渡層的方向依次連接的0.05μm的N++InP或In(Ga)AlAs窗口層11、0.4μm的N-InGaAsP發(fā)射區(qū)10、2.5μm的P-InGaAsP基區(qū)09以及0.3μm的P++InGaAsP背場08；所述第一隧道結(jié)29包括按照遠離所述InGaAsP子電池30的方向依次連接的15～30nm的P++InGaAs材料層07和10～30nm的N++InGaAs材料層06；所述InGaAs子電池28包括按照遠離所述第一隧道結(jié)29的方向依次連接的0.1μm的N++InP或InGaAsP窗口層05、0.2μm的N-InGaAs發(fā)射區(qū)04、2.5μm的P-InGaAs基區(qū)03、0.3μm的P++InGaAsP背場02以及500nm的P+InGaAs接觸層01；S105：在所述GaAs襯底15的第一面，按照遠離GaAs襯底15的方向依次生長GaAs子電池32的0.1μm的N-GaAs發(fā)射區(qū)19以及0.1μm的N++AlInP窗口層20，并依次生長第三隧道結(jié)33以及GaInP子電池34；所述第三隧道結(jié)33包括按照遠離所述GaAs子電池32的方向依次連接的15～30nm的N++GaInP材料層21和10～30nm的P++AlGaAs材料層22；所述GaInP子電池34包括按照遠離所述第三隧道結(jié)33的方向依次連接的50nm的P++AlGaInP背場23、0.8μm的P-GaInP基區(qū)24、0.1μm的N-GaInP發(fā)射區(qū)25、0.05μm的N++AlInP窗口層26以及500nm的N+GaAs接觸層27；得到如圖2所示的GaInP/GaAs/InGaAsP/InGaAs四結(jié)級聯(lián)太陽電池。接下來進行電池的工藝過程：在電池的表面分別制作正負電極和減反膜，最終形成目標(biāo)太陽能電池。按照本實施例制作的四結(jié)級聯(lián)太陽電池，可以在GaAs襯底上實現(xiàn)GaAs子電池，充分利用了GaAs支撐襯底，節(jié)約了電池的制作成本。上述施例中N、N+、N++分別表示摻雜濃度為～1.0×1017-1.0×1018/cm2、～1.0×1018-9.0×1018/cm2、～9.0×1018-1.0×1020/cm2；P-、P++分別表示摻雜濃度為～1.0×1015-1.0×1018/cm2、～9.0×1018-1.0×1020/cm2。上述實施例中的各個步驟均采用MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀)或MBE(MolecularBeamEpitaxy，分子束外延)方式生長。若采用MOCVD法，則各層N型摻雜原子為Si、Se、S或Te，P型摻雜原子為Zn、Mg或C；若采用MBE法，則各層N型摻雜原子為Si、Se、S、Sn或Te，P型摻雜原子為Be、Mg或C。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。以上所述僅是本申請的具體實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本申請的保護范圍。