[发明专利]一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池设计领域，具体涉及一种含GaInNAs材料的多结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳电池是利用半导体材料的光伏效应，收集太阳光谱中的光子并将其能量转化为电能的物理器件。太阳光谱是连续、不均匀分布的，高效光电转换的基本原则是保证不同波长的光子都能够被吸收且转化为电流，从而确保了光子数量，同时采用多种禁带宽度不同的材料有针对性地来吸收光子，保证不同波长的光子能量损耗小。基于III-V族化合物半导体材料制备而成的高效多结太阳能电池的转换效率远远超过了目前已知的其他各种光伏电池，目前最成熟的高效多结电池为晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，其带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。然而，这种三结电池的带隙组合并不是最佳的，由于中电池GaInAs材料及底电池Ge材料的带隙差异较大，造成Ge子电池的短路电流密度远高于GaInP子电池及GaInAs子电池，由于串联结构的电流限制原因，在工作时底电池产生的很大一部分载流子不能被有效利用，造成了不必要的能量损失，限制了太阳电池的光电转换效率进一步提高。

近年来，很多机构也在开发新型结构的多结太阳电池以改善多个子电池之间的电流匹配，提升效率。这些新型结构的多结太阳电池针对其电流分配不合理的880～1800nm波段进行电池带隙的重新分配和组合，能够更加合理地利用太阳光谱，以达到更高的光电转换效率，但这些多结太阳电池的禁带分布对太阳电池材料提出新的要求，特别是用于吸收低能光子的窄禁带半导体材料。

稀氮化合物GaInNAs材料是一种极具潜力的多元化合物半导体材料。通过控制材料中In原子与N原子的含量，GaInNAs材料可在GaAs或Ge基底上晶格匹配外延生长，并实现禁带宽度在0.8～1.4eV之间连续可调。基于稀氮化合物的晶格匹配材料体系太阳电池，可实现电池全结构的晶格匹配一次生长，提高太阳电池外延片质量的同时降低了器件工艺的难度与复杂度。通过调整GaInNAs材料的禁带宽度，太阳电池的禁带分布可实现进一步优化，更接近理想的光谱匹配。这为光谱匹配程度更高的三结太阳电池、以及更高效率的多结太阳电池的生产与研制提供了极大便利。

实际上，GaInNAs体系自1996年以来，科研人员便在这一领域进行了如火如荼的研究。MOCVD具有低成本，高产量的优点，适用于规模化生产，是目前太阳电池外延片的主要生产手段。例如，Wu等人制备了p-GaAs/i-GaInNAs/n-GaAs结构的双异质结单结太阳能电池，经过氮气气氛下550℃退火1小时后，GaInNAs的晶体质量提高，EQE响应明显提高，获得的GaInNAs单电池在全波段的Jsc从2.82mA/cm2提升到14.4mA/cm2，Voc从0.35V提升到0.50V，但在设计的1000nm吸收峰附近，其外量子效率仍不到35％，这是由于GaInNAs电池的少子扩散长度较小导致电池的长波响应较低，使得优化后的单电池效率也仅为4.46％(“Characterization of the post-thermal annealing effect for p-GaAs/i-InGaAsN/n-GaAs hetero-junction solar cells”，Solar Energy Materials&Solar Cells.2012,107:344-347)。类似地，韩国的Youngjo Kim等人生长并制备GaInNAsSb/Ge(1.14/0.67eV)双结太阳能电池，受限于GaInNAsSb材料的少子扩散长度及低量子效率，短路电流密度受GaInNAsSb子电池的限制仅为13.14mA/cm2，双结电池的转换效率为9.05％(“InGaAsNSb/Ge double-junction solar cells grown by metalorganic chemical vapor deposition”，Solar Energy,2014,102:126-130)。