[发明专利]三结级联太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳电池领域，尤其涉及一种含铋化物的GaAs基三结级联太阳电池及其制备方法，该三结太阳电池具有优化帯隙组合，可实现对太阳光谱的充分利用，具有较高的电池效率。

背景技术

在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳电池的研制过程中，为了提高电池的转换效率，需要对太阳光谱进行划分，采用与之相匹配的不同带隙宽度子电池进行串联，以达到充分利用太阳光的目的。在三结太阳电池中，目前研究较为成熟的体系是晶格匹配生长的GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.7eV)三结电池，然而该体系帯隙组合并未优化，其最高转换效率为32-33%(一个太阳)。计算表明具有1.93eV/1.39eV/0.94eV帯隙组合的三结太阳电池的效率大于51%(100倍聚光)，然而由于晶格常数对材料的限制，具有该理想帯隙组合且与衬底晶格匹配的材料选择较少，一种能实现该帯隙组合的材料为AlInAs/InGaAsP/InGaAs，然而该材料的晶格常数与GaAs衬底有约2.1%的失配，目前尚缺乏与上述材料组合晶格常数匹配的衬底。

为了得到1.93eV/1.39eV/0.94eV帯隙组合的AlInAs/InGaAsP/InGaAs材料，一种常用方法是利用晶格异变技术在GaAs衬底上生长与其晶格失配的晶格异变缓冲层，然而该技术增加了生产成本，并对生长技术提出了更高的要求，同时缓冲层的引入也带来了较多的缺陷，影响了电池的性能。

如何实现多结太阳电池合理的带隙组合，减小电流失配同时而又不提高电池制作成本和难度成为当前太阳电池亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种三结级联太阳电池及其制备方法，解决现有技术中为了获得高效三结电池会增加电池的制作成本以及制作工艺复杂度的问题。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种三结级联太阳电池，包括GaAs衬底以及采用GaNAsBi材料制作的两结子电池，所述两结子电池的晶格常数均与所述GaAs衬底晶格匹配。

进一步，所述两结子电池分别为GaNAsBi底电池以及GaNAsBi中间电池，所述太阳电池包括在GaAs衬底上依次连接的GaNAsBi底电池、第一隧道结、GaNAsBi中间电池、第二隧道结以及AlGaAs顶电池，所述 AlGaAs顶电池和所述GaAs衬底上分别设有电极。

进一步，所述GaNAsBi底电池中N的组分为1.45%，Bi的组分为2.56%，所述GaNAsBi底电池的带隙宽度约为0.94 eV。

进一步，所述GaNAsBi中间电池中N的组分为0.058%，Bi的组分为0.1%，所述GaNAsBi中间电池的带隙宽度约为1.39 eV。

进一步，所述AlGaAs顶电池中Al的组分为40.6%，所述AlGaAs顶电池的带隙宽度约为1.93 eV。

进一步，所述太阳电池的带隙组合为1.93 eV、~1.39 eV、~0.94eV。

为了解决上述问题，本发明还提了一种本发明所述的三结级联太阳电池的制备方法，包括步骤：1）在GaAs衬底上依次生长GaNAsBi底电池、第一隧道结、GaNAsBi中间电池、第二隧道结、AlGaAs顶电池以及欧姆接触层；2）分别在所述AlGaAs顶电池和所述GaAs衬底上制备上、下电极，获得目标太阳电池。

进一步，所述三结级联太阳电池外延采用MOCVD法或MBE法生长形成。

本发明提供的三结级联太阳电池及其制备方法，优点在于：

1. 具有理想的带隙组合：~1.93 eV、~1.39 eV、~0.94eV，具有较高的开路电压，各个子电池的电流匹配，减小了光电转换过程中的热能损失，提高了电池效率。

2. 所有子电池晶格常数与GaAs衬底匹配，避免了晶格异变技术中要求生长较厚的缓冲层对材料的浪费，降低了生产成本，制备工艺简单。

3. 采用正装生长方法生长，避免了倒置生长电池结构需要先与其它支撑衬底材料键合再去除GaAs衬底的复杂工艺，降低了电池的制作难度。

附图说明

图1所示为本发明一具体实施方式提供的三结级联太阳电池采用正装方式生长的结构示意图；

图2为图1所示的三结级联太阳电池制成品的结构示意图；

图3所示为本发明一具体实施方式提供的三结级联太阳电池的制备方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的三结级联太阳电池及其制备方法做详细说明。