[发明专利]基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池，包括有源区，该有源区包括第一i‑GaAs层、第一GaNAs/InGaAs超晶格结构、第二InGaAs超晶格结构、第二i‑GaAs层，其中第二InGaAs超晶格结构设于第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面。第一i‑GaAs层与第二i‑GaAs层厚度相同，第一GaNAs/InGaAs超晶格结构与第二InGaAs超晶格结构中的InGaAs层厚度不同，第二InGaAs超晶格结构中掺入量子点，且其InGaAs层中掺杂其他元素。本发明提供上述电池制备方法，利用MOCVD或MBE技术依次制备电池的各层结构。本发明技术能够优化太阳能电池性能、提高转换效率。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏电池技术领域，具体是一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

作为当今世界最具发展前景的一种能源，太阳能具有取之不尽、功率巨大、使用安全等优点。但是，目前太阳能电池的发展和利用中遇到的主要问题是光电转换效率较低，太阳能电池的性价比不高。

虽然近年来备受人们关注的GaInP/GaInAs/Ge三结电池，已成功应用于空间和地面光伏领域，但进一步提升转换效率却遇到瓶颈。为进一步提高多结太阳能电池的转换效率，将太阳光谱进一步细化是主要的手段。使用与GaAs或Ge衬底晶格匹配的0.8～1.4eV带隙电池替代Ge电池可显著提升电池的转换效率，而且未来可结合Ge衬底研究四结甚至五结的超高效率晶格匹配电池。

GaInNAs被认为是GaAs基系高效太阳电池中第三子结电池的理想材料。目前，GaInNAs电池已研制成功，但转换效率并不高。这是因为GaInNAs具有很差的固熔点、N组元增加引起的合金相分离或In团簇、In和N组元共存时会导致应变和成分起伏、高的背景浓度以及N元素有关的深能级复合中心-本征点缺陷等问题，仍然限制了GaInNAs材料在多结电池中的进一步应用，这些问题引起的较短载流子寿命和低的迁移率将最终导致电池的效率下降，所以还需要深入的研究，以便找出更好的解决办法。

量子点太阳电池不仅是第三代太阳电池，也是目前最尖端的太阳电池之一，通过在p-i-n型太阳电池的i层中引入量子点超晶格结构，只要改变量子点的大小，可吸收光波的波长也会相应的改变，以此来拓宽吸收太阳光谱的范围。其中，最简单的就是量子点中间带隙电池，根据理论预测，其极限效率高达63.2％。

专利CN 101752444A公开了一种p-i-n型InGaN量子点太阳能电池结构及其制作方法，通过调整工艺参数严格控制生长条件，制备出一种具有非掺杂i层In_xGa_1-yN量子点结构的太阳能电池，结合In_xGa_1-yN合金材料的带宽可调节和量子点超晶格结构的特点，在理论上提高太阳能电池的转换效率。但是如前文所述，In、N共存生长容易产生应变与组分起伏，反而影响转换效率。同时，由于采用单一结构的超晶格，为了获得足够的有源区，在生长过程中易导致失配位错和界面缺陷，最终影响电池的性能，使得实际效率远不及理论效率。因此，在太阳电池结构设计中，研究人员试图寻找其他有效方法突破这个技术难关。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池及其制备方法，用于提高太阳能电池的转换效率。

本发明提供一种基于量子点超晶格结构的太阳能电池，所述太阳能电池包括有源区，所述有源区包括第一i-GaAs层、第一GaNAs/InGaAs超晶格结构、第二InGaAs超晶格结构、第二i-GaAs层，其中所述第二InGaAs超晶格结构设置于所述第一GaNAs/InGaAs超晶格结构表面。

其中，第一GaNAs/InGaAs超晶格结构是指同时包括GaNAs层和InGaAs层的超晶格结构，在该结构中GaNAs层与InGaAs层交替周期性生长，例如在一层GaNAs层上生长一层InGaAs层，在该InGaAs层上再生长一层GaNAs层，如此周期性交替重复。