[发明专利]四结级联的太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电元件领域，尤其涉及太阳能电池领域。

背景技术

环境和能源的要求，使得包括太阳能高效发电在内的新能源技术越发重要。而太阳能电池以其较小的体积和较轻的重量得到了重视。太阳能高效发电技术作为支撑我国国民经济可持续发展的前瞻性、战略性的新型清洁能源技术在国家中长期科学和技术发展规划中被列为重点支持和优先发展的方向。相比于硅太阳电池，多结III-V化合物半导体太阳电池以多种带隙宽度不同的半导体材料吸收与其带隙宽度相匹配的那部分太阳光，从而实现对太阳光的宽光谱吸收，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，该三结电池中Ge电池覆盖较宽的光谱，其短路电流最大可达到两结电池的2倍，其转换效率可到达32-33%。

然而GaInP/GaAs/Ge体系的太阳能电池仍然受晶格匹配的制约，使Ge电池对应的太阳光谱的能量没有被充分转换利用，所以该三结电池的效率还有进一步改善的空间。一种最直观的想法是在GaAs和Ge电池中间插入一带隙约为1.00eV的InGaAsN或GaAsNBi材料，这样可以在保持短路电流不变的情况下，将开路电压提高约0.60V，从而使该四结电池的转换效率提高到43%。但是少子寿命足够长的InGaAsN或GaAsNBi材料的制备非常困难，而当InGaAsN或GaAsNBi材料的少子寿命较短时，吸收太阳光产生的电子-空穴对将没有足够的时间被分离和收集，从而使得太阳能电池难以具有较高的转换效率。

另一种常用的获取高效太阳能转换效率的方法是：采用晶片键合的方法将晶格失配的具有合理带隙组合的电池键合在一起，从而实现电流匹配。然而，晶片键合电池往往存在两个主要问题：以GaInP/GaAs和InGaAlAs/InGaAs双结电池的键合为例，晶片键合电池需要GaAs和InP两个衬底，这大大增加了电池的制作成本；二是晶片键合电池的键合部分需要良好的欧姆接触和良好的透光率，这给工艺带来很大的挑战，增加了电池的制作难度。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有较高转换效率的太阳能电池。

为了实现上述目的，本发明提供的一种四结级联的太阳能电池，包括依次设置的GaInP子电池、GaAs子电池、InGaAlAs子电池以及InGaAs子电池。

优选地，所述GaAs子电池和InGaAlAs子电池之间设有由In_xGa_1-x-yAl_yAs材料形成的渐变过渡层，所述渐变过渡层的带隙大于GaAs子电池的带隙。

优选地，所述In_xGa_1-x-yAl_yAs材料中，x=0.05～0.53，y=0.12～0.48，x和y的值沿远离GaAs子电池的方向逐渐增大。

优选地，所述太阳能电池进一步包括设置在GaInP子电池和GaAs子电池之间的第一隧道结、GaAs子电池和渐变过渡层之间的第二隧道结以及InGaAlAs子电池和InGaAs子电池之间的第三隧道结。

优选地，所述GaInP子电池包含依次设置的材料为GaAs的第一接触层、Al(Ga)InP的第一窗口层、GaInP的第一发射极、GaInP的第一基极和(Al)GaInP或AlGaAs的第一背场；

所述第一隧道结包含按照逐渐远离GaInP子电池方向依次设置的材料为(Al)GaAs的第一P型隧道层、AlGaAs或Al(Ga)InP的第一N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第一N型势垒层；

所述GaAs子电池包含按照逐渐远离第一隧道结方向依次设置的材料为AlGaAs的第二窗口层、GaAs的第二发射极、GaAs的第二基极以及(Al)GaAs或(Al)GaInP的第二背场；

所述第二隧道结包含按照逐渐远离GaAs子电池方向依次设置的材料为(Al)GaAs的第二P型隧道层、GaInP或GaAs的第二N型隧道层以及Al(Ga)InP或AlGaAs的第二N型势垒层；

所述InGaAlAs子电池包含按照逐渐远离第二隧道结方向依次设置的材料为InP或In(Ga)AlAs的第三窗口层、InGaAlAs的第三发射极、InGaAlAs的第三基极以及InP的第三背场；

所述第三隧道结包含按照逐渐远离InGaAlAs子电池方向依次设置的材料为InGaAs的第三P型隧道层和InGaAs的第三N型隧道层；