一种双面生长的高效六结太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双面生长的高效六结太阳能电池及其制备方法，采用金属有机物化学气相沉积技术，以双面抛光的n型GaAs单晶片为衬底，在GaAs衬底的第一面自下而上依次设置有GaAs缓冲层、GaAs子电池、AlGaAs子电池和AlGaInP子电池，在GaAs衬底的第二面自上而下依次设置有第一GaInNAs子电池、第二GaInNAs子电池、GaxIn1‑xP渐变过渡层和GaxIn1‑xAs子电池，各子电池之间通过隧道结连接。该六结太阳电池带隙组合为2.2eV，1.7eV，1.42eV，1.1eV，0.9eV，0.7eV，各个子电池的电流失配小，减少光电转换过程中的热能损失并增大电池开路电压，提高光电转换效率。

An efficient six-junction solar cell grown on both sides and its preparation method

The invention discloses a high-efficiency six-junction solar cell with two-sided growth and its preparation method. Using metal-organic chemical vapor deposition technology, a double-sided polished n-type GaAs monolithic wafer as the substrate, a GaAs buffer layer, a GaAs sub-battery, an AlGaAs sub-battery and an AlGaInP sub-battery are arranged from bottom to top on the first side of the GaAs substrate, and a GaAs sub-battery is arranged from top to bottom on the second side of the GaAs substrate. The first GaInNAs sub-battery, the second GaInNAs sub-battery, the GaxIn1 xP transition layer and the GaxIn1 xAs sub-battery are arranged, and the sub-batteries are connected through a tunnel junction. The bandgap combination of the six-junction solar cells is 2.2eV, 1.7eV, 1.42eV, 1.1eV, 0.9eV and 0.7eV. The current mismatch of each sub-cell is small, which reduces the thermal energy loss in the photoelectric conversion process and increases the open-circuit voltage of the cell and improves the photoelectric conversion efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种双面生长的高效六结太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳能光伏发电的
，尤其是指一种双面生长的高效六结太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
从光伏发电技术的发展来看，大体可以将太阳能电池分为三大类：第一代晶硅太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池和第三代砷化镓多结太阳能电池。目前，砷化镓多结太阳能电池因其转换效率明显高于晶硅电池而被广泛地应用于聚光光伏系统和空间电源系统。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三结太阳能电池，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，对于太阳光光谱，这种多结电池的结构并不是最佳的，由于GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，这种结构下Ge底电池的短路电流最大可接近中电池和顶电池的两倍，由于串联结构的电流限制原因，这种结构造成了很大一部分太阳光能量不能被充分转换利用，限制了电池性能的提高。因此，针对目前传统的GaInP/GaInAs/Ge三结电池结构，在GaInAs和Ge子电池之间插入一节带隙接近1.0eV的GaInNAs子电池形成四结电池则可大大提高电池转换效率。理论分析表明，双面生长的高效六结太阳能电池可以优化带隙组合，提高电池的光电转换效率，但是在材料选择上必须保持晶格匹配，这样才能保证外延材料的晶体质量。近些年来，研究者在GaAs材料中同时掺入少量的In和N形成Ga1-xInxNyAs1-y四元合金材料，当x:y＝2.8:1，0<y<0.06时，Ga1-xInxNyAs1-y材料晶格常数与GaAs(或Ge)基本匹配，且带隙在0.9～1.4eV之间变化，而当0.02<y<0.03时，其带隙为1.0～1.1eV之间，并且与GaAs衬底(或Ge衬底)晶格匹配。因此，基于GaAs衬底双面生长可以得到AlGaInP/AlGaAs/GaAs/GaInNAs/GaInNAs/GaxIn1-xAs的六结太阳能电池，该六结太阳能电池的带隙组合可以调节为2.2/1.7/1.42/1.1/0.9/0.7eV，接近六结电池的最佳带隙组合，其地面光谱聚光效率极限可达50％，空间光谱极限效率可达36％，远高于传统三结电池，这主要是因为六结电池可以更加充分地利用太阳光，提高电池的开路电压和填充因子。然而，在制备GaInNAs子电池过程中，需要结合高温退火过程才能提高GaInNAs电池的光电性能，如果基于Ge衬底制备，则高温退火同时会对Ge子电池结构造成影响，使其开路电压降低。因此，如果采用双面抛光的GaAs衬底，在GaAs衬底的上表面先制备GaAs、AlGaAs和AlGaInP子电池，经过高温退火后，再在其下表面分别制备带隙约1.1eV和0.9eV的GaInNAs子电池以及0.7eV的GaxIn1-xAs子电池，最终形成带隙结构为2.2/1.7/1.42/1.1/0.9/0.7eV的AlGaInP/AlGaAs/GaAs/GaInNAs/GaInNAs/GaxIn1-xAs的六结太阳能电池，则可最大程度地体现出六结电池的优势，明显提高GaAs多结太阳电池的开路电压和整体光电转换效率。在GaxIn1-xAs子电池的实际制备过程中，由于GaxIn1-xAs材料晶格常数与GaAs材料的晶格常数不匹配，故在第二GaInNAs子电池与GaxIn1-xAs子电池之间的第五隧道结之后生长GaxIn1-xP渐变过渡层，使GaAs材料的晶格常数向GaxIn1-xAs材料晶格常数渐变，通过采用GaxIn1-xP渐变过渡层，克服了GaxIn1-xAs子电池与其余外延结构之间的晶格失配，避免了晶格失配所带来的穿透位错、应力的影响，改善外延材料体内所产生位错、缺陷以及表面起伏，从而优化器件的性能，提高光电转换效率低。在结构设计中，可以通过调节GaxIn1-xP的In组分以解决GaAs材料与GaxIn1-xAs材料的晶格失配问题。另外，采用GaxIn1-xP渐变过渡层可以保证外延材料的晶体质量。综上，这种AlGaInP/AlGaAs/GaAs/GaInNAs/GaInNAs/GaxIn1-xAs六结太阳能电池既可以满足六结电池的晶格匹配要求，又能提供更加接近太阳光光谱的带隙组合，且各个子电池的电流失配小，减少光电转换过程中的热能损失并增大电池开路电压，可最大程度地发挥六结电池的优势，提高电池效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种双面生长的高效六结太阳能电池及其制备方法，优化晶格匹配太阳电池的能带匹配体系，保证晶体质量的同时，实现太阳光全光谱的吸收利用，提高GaAs多结电池的整体开路电压和填充因子，优化电池的光电流匹配，增加电池的整体短路电流，最终发挥六结电池的优势，提高电池整体光电转换效率。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案，如下：一种双面生长的高效六结太阳能电池，包括有GaAs衬底，所述GaAs衬底为双面抛光的n型GaAs单晶片；在所述GaAs衬底第一面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaAs缓冲层、GaAs子电池、AlGaAs子电池和AlGaInP子电池；在所述GaAs衬底第二面按照层状叠加结构由上至下依次设置有第一GaInNAs子电池、第二GaInNAs子电池、GaxIn1-xP渐变过渡层和GaxIn1-xAs子电池；所述GaAs缓冲层和GaAs子电池之间通过第一隧道结连接，所述GaAs子电池和AlGaAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述AlGaAs子电池和AlGaInP子电池之间通过第三隧道结连接，所述第一GaInNAs子电池和第二GaInNAs子电池之间通过第四隧道结连接，所述第二GaInNAs子电池和GaxIn1-xP渐变过渡层之间通过第五隧道结连接。所述GaAs缓冲层、GaAs子电池、AlGaAs子电池、AlGaInP子电池、第一GaInNAs子电池和第二GaInNAs子电池的所有材料层均与GaAs衬底保持晶格匹配。所述GaxIn1-xP渐变过渡层中的x的范围为0.42～0.52，组分渐变方式为连续渐变或步进渐变，最终层的晶格常数与GaxIn1-xAs子电池相同；所述GaAs缓冲层厚度为500～1500nm，其n型掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1019/cm3。所述GaAs子电池带隙为1.42eV，厚度为1000～2000nm，从上至下依次包括有n型窗口层、n型GaAs层或GaInP层、p型GaAs层及p型背场层。所述AlGaAs子电池带隙为1.7eV，厚度为1500～2500nm，从上至下依次包括有n型窗口层、n型AlGaAs层、p型AlGaAs层及p型背场层。所述AlGaInP子电池带隙为2.2eV，厚度为400～1000nm，从上至下依次包括有n型窗口层、n型AlGaInP层或GaInP层、p型AlGaInP层及p型背场层。所述第一GaInNAs子电池带隙为1.1eV，厚度为1000～3000nm，所述第二GaInNAs子电池带隙为0.9eV，厚度为1000～3000nm，所述第一GaInNAs子电池和所述第二GaInNAs子电池均从上至下依次包括有n型窗口层、n型Ga1-x本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双面生长的高效六结太阳能电池，包括有GaAs衬底，其特征在于：所述GaAs衬底为双面抛光的n型GaAs单晶片；在所述GaAs衬底第一面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaAs缓冲层、GaAs子电池、AlGaAs子电池和AlGaInP子电池；在所述GaAs衬底第二面按照层状叠加结构由上至下依次设置有第一GaInNAs子电池、第二GaInNAs子电池、GaxIn1‑xP渐变过渡层和GaxIn1‑xAs子电池；所述GaAs缓冲层和GaAs子电池之间通过第一隧道结连接，所述GaAs子电池和AlGaAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述AlGaAs子电池和AlGaInP子电池之间通过第三隧道结连接，所述第一GaInNAs子电池和第二GaInNAs子电池之间通过第四隧道结连接，所述第二GaInNAs子电池和GaxIn1‑xP渐变过渡层之间通过第五隧道结连接。

【技术特征摘要】
1.一种双面生长的高效六结太阳能电池，包括有GaAs衬底，其特征在于：所述GaAs衬底为双面抛光的n型GaAs单晶片；在所述GaAs衬底第一面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaAs缓冲层、GaAs子电池、AlGaAs子电池和AlGaInP子电池；在所述GaAs衬底第二面按照层状叠加结构由上至下依次设置有第一GaInNAs子电池、第二GaInNAs子电池、GaxIn1-xP渐变过渡层和GaxIn1-xAs子电池；所述GaAs缓冲层和GaAs子电池之间通过第一隧道结连接，所述GaAs子电池和AlGaAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述AlGaAs子电池和AlGaInP子电池之间通过第三隧道结连接，所述第一GaInNAs子电池和第二GaInNAs子电池之间通过第四隧道结连接，所述第二GaInNAs子电池和GaxIn1-xP渐变过渡层之间通过第五隧道结连接。2.根据权利要求1所述的一种双面生长的高效六结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs缓冲层、GaAs子电池、AlGaAs子电池、AlGaInP子电池、第一GaInNAs子电池和第二GaInNAs子电池的所有材料层均与GaAs衬底保持晶格匹配。3.根据权利要求1所述的一种双面生长的高效六结太阳能电池，其特征在于：所述GaxIn1-xP渐变过渡层中的x的范围为0.42～0.52，组分渐变方式为连续渐变或步进渐变，最终层的晶格常数与GaxIn1-xAs子电池相同；所述GaAs缓冲层厚度为500～1500nm，其n型掺杂浓度为1×1018/cm3～1×1019/cm3。4.根据权利要求1所述的一种双面生长的高效六结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs子电池带隙为1.42eV，厚度为1000～2000nm，从上至下依次包括有n型窗口层、n型GaAs层或GaInP层、p型GaAs层及p型背场层。5.根据权利要求1所述的一种双面生长的高效六结太阳能电池，其特征在于：所述AlGaAs子电池带隙为1.7eV，厚度为1500～2500nm，从上至下依次包括有n型窗口层、n型AlGaAs层、p型AlGaAs层及p型背场层。6.根据权利要求1所述的一种双面生长的高效六结太阳能电池，其特征在于：所述AlGaInP子电池带隙为2.2eV，厚度为400～1000nm，从上至下依次包括有n型窗口层、n型AlGaInP层或GaInP层、p型AlGaInP层及p型背场层。7.根据权利要求1所述的一种双面生长的高效六结太阳能电池，其特征在于：所述第一GaInNAs子电池带隙为1.1eV，厚度为1000～3000nm，所述第二GaInNAs子电池带隙为0.9eV，厚度为1000～3000nm，所述第一GaInNAs子电池和所述第二GaInNAs子电池均从上至下依次包括有n型窗口层、n型Ga1-xInxNyAs1-y层或n型GaAs层、p型Ga1-xInxNyAs1-y层及p型背场层；其中x:y＝2.8:1，0.02<y<0.03。8.根据权利要求1所述的一种双面生长的高效六结太阳能电池，其特征在于：所述GaxIn1-xAs子电池带隙为0.7eV，厚度为1500～5500nm，从上至下依次包括有n型窗口层、n型GaxIn1-xAs层、p型GaxIn1-xAs层及p型背场层；其中0.4<x<0.5。9.根据权利要求1所述的一种双面生长的高效六结太阳能电池，其特征在于：所述第一隧道结为n++AlGaAs/p++GaAs结构，其中n++AlGaAs和p++GaAs的厚度均为6～60nm；所述第二隧道结为n++AlGaAs/p++GaInP结构，其中n++AlGaAs和p++GaInP的厚度均为6～60nm；所述第三隧道结为n++AlGaAs/p++AlGaInP结构，其中n++AlGaAs和p++AlGaInP的厚度均为10～100nm；所述第四隧道结为p++GaAs/n++GaAs结构，其中p++GaAs和n++GaAs的厚度均为5～80nm；所述第五隧道结为p++GaAs/n++GaAs结构，其中p++GaAs和n++GaAs的厚度均为5～80nm。10.一种权利要求1所述的双面生长的高效六结太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用金属有机物化学气相沉积技术，在双面抛光的n型GaAs单晶片其中的一面生长一层GaAs缓冲层；该GaAs缓冲层生长温度为550～650℃；该GaAs缓冲层的生长速率为60～300nm/min；该GaAs缓冲层用于减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在GaAs缓冲层之上生长第一隧道结；所述第一隧道结包括按照远离GaAs缓冲层方向依次连接的n++AlGaAs材料层和p++GaAs材料层；该第一隧道结生长温度为450～600℃；该第一隧道结的生长速率为10～60nm/min；步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在第一隧道结之上生长GaAs子电池，所述GaAs子电池包括按照远离第一隧道结方向依次连接的p型背场层、p型GaAs层、n型GaAs层或n型...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄辉廉，黄珊珊，张小宾，潘旭，刘建庆，彭娜，
申请(专利权)人：中山德华芯片技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44