[发明专利]一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，尤其是涉及一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池。

背景技术

Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池作为第三代太阳能电池，因其高的能量转换效率及抗辐射性能，成为了太空中应用最广泛的电源，已经引起人们日常生活的巨大变革。目前，GaInP/GaAs/Ge三结电池在在无聚光的条件下效率已达到32%。([1]R.R.King,C.M.Fetzer,Lattice-matched and metamorphic GaInP/GaInAs/Ge concentrator solar cells,Presented at the 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion,2003)但有待进一步提高的转换效率以及较高的制造成本，仍极大地限制了其在地面上的大规模应用。

首先，GaInP/GaAs/Ge三结太阳能电池电流并不匹配，Ge底电池的电流是其他两节电池的两倍，造成了极大的浪费，制约了电池效率的进一步提高；其次，目前Ⅲ-Ⅴ族多结电池多使用昂贵的Ge衬底，成本始终居高不下，其中衬底的成本约占总成本的四分之一。于是如何在提高太阳能电池效率的同时又能降低成本，实现地面应用的普及成为人们的梦想。

Si材料作为Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池的底电池较目前占统治地位的Ge具有明显的优越性。其价格低，晶圆尺寸大，材料容易获取，极大地降低了电池成本，使地面大规模应用成为可能。此外，其优势还表现在如下几个方面：⑴重量轻、机械强度高，可大大降低空间发射成本；⑵耐高温、热导率高，将更适合地面大面积聚光；⑶能与Si工艺兼容，实现Si基光电集成。

然而Si基GaAs结构也面临着如下问题：（1）Si与GaAs的晶格失配高达4.2%，给Si基上外延高质量的Ⅲ-Ⅴ族材料带来了极大的挑战；（2）Ⅲ-Ⅴ族材料是极性材料，而Si是非极性材料，当GaAs生长在Si上时，将形成反向畴，导致表面形貌粗化，电池电学和光学性能变差。

发明内容

本发明的目的在于为了解决上述Si底电池与Ⅲ-Ⅴ族子电池在外延上晶格不匹配以及具有反相畴等问题，提供一种以锗为隧穿结的硅基三结太阳能电池。

本发明设有Si底电池、Ge隧穿结、GaAs中间电池、AlGaAs/InGaP隧穿结、InGaP顶电池和接触层，所述Si底电池构建在P型Si衬底上，Ge隧穿结连接Si底电池与GaAs中间电池，AlGaAs/InGaP隧穿结连接GaAs中间电池与InGaP顶电池，接触层设于InGaP顶电池上。

所述P型Si衬底的厚度可为100～600μm；掺杂浓度可为1×10¹⁵～5×10¹⁷cm^-3。

所述Si底电池的发射区厚度可为0.05～1μm，掺杂浓度可为1×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3。

所述InGaP顶电池自下而上包括：背电场层、InGaP基区、InGaP发射区以及窗口层。InGaP顶电池的禁带宽度最好大于1.85eV。

所述GaAs中间电池自下而上包括：背电场层、GaAs基区、GaAs发射区以及窗口层。

连接InGaP顶电池和GaAs中间电池的隧穿结，可采用GaAs、InGaP、Al_0.3Ga_0.7As或其他半导体材料，掺杂浓度高达1×10¹⁹～5×10²⁰cm^-3以上。

本发明的结构主要包括：Si底电池、Ge隧穿结、GaAs中间电池、连接顶中电池的隧穿结、InGaP顶电池，各子电池及其之间的隧穿结利用MOCVD、MBE、UHVCVD系统或其他外延设备在Si衬底上生长而成。本发明采用低温缓冲层技术在Si上直接生长高质量的Ge隧穿结，并将其作为连接Si底电池与GaAs中间电池的连接结构。