[发明专利]Si衬底的四结级联太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，尤其是一种四结级联太阳能电池的结构及其制备方法。

背景技术

作为一种理想的绿色能源材料，太阳电池成为各国的研究热点，为了促进太阳电池的进一步实用化，提高其光电转换效率是其降低发电成本的一种有效手段。叠层电池采用不同禁带宽度的子电池串联能极大的提高太阳光的利用率，目前研究较多而且技术较为成熟的体系是GaInP/GaAs/Ge三结电池，该材料体系在一个太阳下目前达到的最高转换效率为32-33%。然而该三结电池中Ge底电池覆盖较宽的光谱，其短路电流较大，为了实现与其他子电池的电流匹配必然会降低太阳光利用率。为了进一步提高转换效率，需要对底电池进行拆分，如在GaAs和Ge电池中间插入一带隙为1.00eV的InGaAsN材料，做成四结级联电池，实现光电流匹配，提高电池效率。但目前制备的InGaAsN材料缺陷多、载流子迁移率低，影响了电池性能的提高。因此研究人员积极寻求别的途径来获得高效的太阳能电池，在GaAs衬底失配生长1.0eV的InGaAs被证实是可行的，为了节省过渡层个数，一般采用倒装生长的方法，但器件性能相对正装生长有所降低。由于1.0eV的InGaAs与GaAs存在2.1%的晶格失配，其晶体质量很难提高。如单纯从晶格匹配的角度采用基于GaAs衬底的GaInP/GaAs(1.9eV/1.42eV)和InP衬底的InGaAsP/InGaAs(1.05eV/0.74eV)双结电池的键合，晶片键合电池需要GaAs和InP两个衬底，采用常规的晶片键合技术则需要厚度较大（约350μm）的GaAs和InP两个衬底生长，增加了电池的成本和对环境的污染。

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备成本和难度成为当前Ⅲ-Ⅴ族太阳电池亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种四结级联太阳能电池，包括从下至上依次设置在Si衬底上的第一键合层、InGaAsP/InGaAs双结电池、第二键合层、第三键合层、GaInP/GaAs双结电池，使所述InGaAsP/InGaAs双结电池、GaInP/GaAs双结电池在Si衬底上形成串联。

优选地，所述Si衬底与所述第一键合层成欧姆接触；所述第二键合层、第三键合层之间键合形成第二隧道结。

优选地，所述第一键合层、第二键合层的材质为InP；所述第三键合层的材质为GaAs。

优选地，所述第一键合层的厚度为0.2～10μm；所述第二键合层的厚度为10～50nm；所述第三键合层的厚度为0.2～10μm。

优选地，所述InGaAsP/InGaAs双结电池与所述第一键合层晶格匹配；InGaAsP/InGaAs双结电池与所述第三键合层晶格匹配。

优选地，所述InGaAsP/InGaAs双结电池包括：按照逐渐远离所述第一键合层的方向依次生长的InP缓冲层、InGaAs子电池、第一隧道结、InGaAsP子电池。

优选地，所述InGaAs子电池、InGaAsP子电池的禁带宽度分别为1.0eV、0.73eV。

优选地，所述GaInP/GaAs双结电池包括：按照逐渐远离所述第三键合层的方向依次生长的GaAs缓冲层、GaAs子电池、第三隧道结、GaInP子电池、GaAs接触层。

优选地，所述GaAs子电池、GaInP子电池的禁带宽度分别为1.89eV、1.42eV。

优选地，还包括分别装设在Si衬底底部及所述GaInP/GaAs双结电池顶部的背电极、栅电极，以及蒸镀在所述栅电极上的抗反膜。

本发明还提供所述四结级联太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

步骤A：在Si衬底键合第一键合层，采用金属有机化合物化学气相沉积法或分子束外延从下到上依次在第一键合层上生长InGaAsP/InGaAs双结电池、第二键合层；

步骤B：在所述第二键合层上键合第三键合层，采用金属有机化合物化学气相沉积法或分子束外延从下到上在第三键合层上生长GaInP/GaAs双结电池；

步骤C：在所述Si衬底底部及所述GaInP/GaAs双结电池顶部的GaAs接触层上制备背电极、栅电极，然后在所述栅电极上蒸镀抗反膜。

本发明的优势在于：

1.采用Si衬底作为支撑衬底具有良好的机械强度，