[发明专利]一种含量子阱结构的三结太阳能电池有效

专利信息
申请号: 201410479799.7 申请日: 2014-09-18
公开(公告)号: CN104241416B 公开(公告)日: 2017-01-25
发明(设计)人: 杨翠柏;陈丙振;张杨;张小宾;张露;王雷 申请(专利权)人: 瑞德兴阳新能源技术有限公司
主分类号: H01L31/0352 分类号: H01L31/0352;H01L31/078
代理公司: 广州市华学知识产权代理有限公司44245 代理人: 黄磊
地址: 528437 广东省中*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 一种 量子 结构 太阳能电池
【说明书】:

技术领域

发明涉及太阳能光伏的技术领域,尤其是指一种含量子阱结构的三结太阳能电池。

背景技术

在光伏领域,效率最高的电池当属高效多结太阳能电池,根据法国Soitec公司2014年的报道,其研发的高效四结电池在聚光下效率可达44.7%,创下了新的世界纪录。究其原理而言,高效多结太阳能电池是指由两个或两个以上子电池叠加而成的光伏电池,其主流是基于III-V族化合物半导体材料并利用晶体生长方式制备而成的。这类电池的主要原理就是利用电池中带宽匹配的各子电池,分别对太阳光谱的不同波段进行吸收,实现对太阳光谱的全光谱细分高效利用。基于此,高效多结太阳能电池的光电转换效率在聚光下可达40%以上,1倍太阳光下其效率也在30%左右,远远超过了目前已知的其他各种光伏电池,在空间和地面具有广阔的应用前景。由于其还具有良好的抗辐射性能和高温特性,目前,高效多结太阳能电池已经成为了太空各类飞行器的主要电池,在地面应用领域,各类基于高效多结电池的聚光光伏发电项目也已崭露头角。

目前,最成熟的高效多结太阳能电池为Ge/GaInAs/GaInP三结电池结构,能带隙分别为0.67eV/1.4eV/1.85eV,其光电转换效率普遍在39~40%左右。但是这种结构由于GaInAs子电池与Ge子电池的能带隙差ΔEg2(约0.73eV)远大于GaInP子电池和GaInAs子电池的能带隙差ΔEg1(约0.45eV),造成Ge子电池的电流远高于GaInP子电池和GaInAs子电池,使相当一部分能量因为电流之间的不匹配而被浪费掉。其结果是,Ge/GaInAs/GaInP三结电池的电流只能取三个子电池中电流最小的一个,整体电流水平并不高,并制约了效率的进一步提升。

针对此,人们也在开发新类型的电池结构以改善多个子电池之间的电流匹配,提升效率。目前较为常见的几种办法分别为:在Ge衬底上生长高In组分的GaInAs和GaInP子电池,通过In组分的提升来降低GaInAs和GaInP子电池的能带隙,提升以上两结子电池的电流,进而提升效率。但是,这种方法必然带来以上两结子电池晶格常数的增大,使得以上两结子电池无法保持与Ge衬底的晶格匹配,为此,必须采用晶格渐变缓冲层来解决晶格不匹配的问题,不仅增加生长复杂度,还会影响晶体质量。此外,还有在Ge和GaInAs子电池之间新增加一个1eV左右子电池的方法,这种方法的好处是不必对GaInAs和GaInP子电池进行改变,只需将Ge多余的光谱及对应电流分配给这个新增的1eV电池即可。但是,1eV的电池选择空间并不多,除了高In组分GaInAs外,还有N组分约为2%~3%的GaInNAs材料(又称稀氮材料),高In组分的GaInAs由于In组分较高,与其他三个子电池的晶格适配度很大,即使采用晶格渐变缓冲层也较难生长;而GaInNAs材料中,由于N会引入一些深能级复合中心和背景掺杂,因此,直接生长的GaInNAs子电池往往效率不高。

综上所述,要获得电流匹配度高的高效三结或四结太阳能电池,目前采用的各种方式或存在晶格不匹配的情况,或存在电池材料质量不高的情况,均不同程度的影响了太阳能电池的效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点,为了在晶格匹配的基础上实现各子电池之间的电流匹配,获得效率更高的太阳能电池,提供一种含量子阱结构的三结太阳能电池。

为实现上述目的,本发明所提供的技术方案为:一种含量子阱结构的三结太阳能电池,从下至上依次包括有作为衬底的第一子电池、第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结、第三子电池,所述三个子电池之间晶格匹配且通过隧穿结进行连接,其中,所述第一子电池为Ge电池,所述第二子电池为InxGa1-xNyAs1-y/GaAs量子阱电池,所述第三子电池为GaInP电池。

所述第一子电池通过在p型Ge衬底的表面上进行n型磷扩散,获得n型扩散层,藉此形成了第一子电池的pn结,并通过在n型扩散层上面生长GaInP层和晶格匹配的GaInAs层,起到Ge和GaAs这两种异质材料生长中的成核过渡作用,并可作为Ge电池的窗口层,增强对载流子的反射能力,有助于收集载流子。

所述第一隧穿结为n型GaAs和p型AlGaAs的材料组合或n型GaInP和p型AlGaAs的材料组合。

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