[发明专利]一种高效四结太阳能电池及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于化合物半导体太阳能电池的外延生长领域，具体涉及一种四结太阳能电池的结构及其制造方法。

背景技术

由于煤、石油等不可再生能源的逐渐枯竭及其不断造成的环境恶化，人类迫切需要使用绿色能源为人们解决所面临的巨大问题。利用光电转换技术制造的太阳能电池可将太阳能直接转换为电能，这在很大程度上减少了人们生产生活对煤炭、石油及天然气的依赖，成为利用绿色能源的最有效方式之一。虽然在大规模应用和工业生产中硅基太阳能电池占据主导地位，然而单结太阳电池只能吸收特定光谱范围的太阳光，其转换效率不高。如果用不同带隙宽度E_g的材料制备成多结太阳电池，并将这些材料按E_g大小从上到下叠合起来，就构成多结叠层太阳电池。让它们分别选择性地吸收和转换太阳光谱的不同子域，就可以大幅度提高太阳电池的光电转换效率。目前世界上研究最广泛和最深入的是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体基多结太阳电池，它同时具有耐高温性能、抗辐射能力强、温度特性好等优点，早已经成为对价格不敏感的空间光伏电源的主流技术。近些年来，随着聚光光伏技术的发展，Ⅲ-Ⅴ族合物半导体太阳能电池因其高光电转换效率而越来越受到关注。聚光光伏技术通过将一块面积较大的太阳光进行高倍率聚光、浓缩后照射到一个面积比较小的太阳能光伏电池上发电，从而大规模节约太阳能电池晶片。该装置利用大面积、便宜的聚光装置来代替昂贵而且供应紧张的电池芯片，进而达到大幅度降低太阳能光伏发电成本的目的，使太阳能光伏发电具有跟常规能源竞争的能力。因此基于III-V族化合物半导体多结太阳能电池的聚光光伏技术已经成为很有市场前景的光伏技术。

对于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体领域来言，在Ge衬底上外延生长晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge 三结太阳能电池是一项比较成熟的技术，其转换效率已达41%。对于上述三结太阳能电池来说，GaInP顶电池吸收光子能量大于1.83eV的太阳光，即波长λ₁<670nm的光谱短波区；GaAs中电池吸收光子能量大于1.42eV的太阳光，即波长λ₂<873nm的光谱中波区； Ge底电池吸收光子能量大于0.66eV的太阳光，即波长λ₃<1879nm的光谱中长波区。该三结太阳能电池的Ge底电池处产生的光电流要远大于顶电池和中电池，而对于叠层电池，各个子电池的电流相等时效率才会最高，电流不匹配会带来电流的复合损失，降低效率。目前解决这个问题的一个主要方法之一是在中电池和底电池之间再插入一结与Ge衬底和GaAs材料晶格匹配，带隙为1.0eV左右的InGaNAs子电池，从而获得InGaP/GaAs/InGaNAs/Ge四结太阳能电池，这样可以使电流比三结电池时更加匹配，并且结数的增加可以更加细分太阳光谱，增加效率。然而由于N原子在InGaAs材料中的固溶度很低，存在高缺陷密度，光生载流子的寿命和扩散长度过短，难以达到太阳能电池所需的高质量要求， 导致InGaP/GaAs/InGaNAs/Ge四结太阳能电池的效率反而要远低于三结电池。由于InGaNAs的晶体质量受到该材料本身的限制，除非在材料生长上取得突破，InGaP/GaAs/InGaNAs/Ge四结太阳能电池才有可能获得成功，因此发展一种可以替代InGaP/GaAs/InGaNAs/Ge四结太阳能电池的新型四结太阳能电池器件成为进一步提高Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池效率的关键。

专利申请号为CN200910223615.X专利申请公开案提出了在GaAs衬底上生长倒装结构的四结太阳能电池，具体为使用GaAs或Ge衬底；在所述衬底上形成与衬底晶格匹配，带隙为1,9eV附近的InGaP第一子电池；在所述的第一子电池上形成与衬底晶格匹配，带隙为1.35-1.45 eV附近的GaAs第二子电池；在所述的第二子电池上形成组分渐变的第一经分级夹层；在所述第一经分级夹层上形成晶格常数大于衬底，带隙为0.9-1.1eV附近的InGaAs第三子电池；在所述的第三子电池上形成组分渐变的第二经分级夹层；在所述第二经分级夹层上形成晶格常数大于第三子电池材料，带隙为0.6-0.8eV附近的InGaAs第四子电池。该四结太阳能电池结构由于采用了倒装生长方式，后续的器件制备需要剥离衬底，这增加了器件制备的难度，并导致较低的良率，另外该四结太阳能电池中有两结子电池的晶格与衬底是不匹配的，这不可避免地会在这两结子电池中引入穿透位错，降低整体电池的效率，另外两层渐变层的使用也过多地增加了生长时间，大大提高生产成本。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种四结太阳能电池的结构和制造方法。