[实用新型]应用于晶格失配太阳能电池外延生长的晶格渐变缓冲层

说明书

本实用新型公开了一种应用于晶格失配太阳能电池外延生长的晶格渐变缓冲层，位于晶格失配太阳能电池的晶格失配外延材料和衬底(或与衬底晶格常数相同的外延层)之间，由多套具有不同反射波段的复合DBR叠置而成，每套复合DBR由多对叠置在一起的DBR对构成，且相邻DBR对之间的晶格常数呈梯度变化，每对DBR对包含两层半导体材料层，该两层半导体材料层的折射率不同但晶格常数相同或存在能够达到应变补偿的失配。本实用新型将具有宽谱反射的复合DBR有机融合入晶格渐变缓冲层中，既可以大幅降低晶格失配外延材料生长引入的大量位错等缺陷密度，又可以充分发挥反射镜的作用，同时缩减工艺步骤、生长时长和原材料损耗，有利于降低成本。

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种应用于晶格失配太阳能电池外延生长的晶格渐变缓冲层。

背景技术

随着现代工业技术的发展，能源在人类社会生存和发展中已经成为决定社会进步的最为重要的物质基础，随着社会的发展，煤炭、石油、天然气等对环境污染严重并且不可再生能源逐渐减少，因此发展绿色新能源迫在眉睫。太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，因此研究并发展太阳能电池技术将在一定程度上缓解未来能源的短缺。从光伏发电技术的发展历程来看，太阳能电池大体可以分为三大类：第一代晶硅太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池和第三代砷化镓多结太阳能电池。其中，GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池作为传统砷化镓多结电池的主流结构，500倍聚光下转化效率超过41％，远高于晶硅电池，并且具有进一步提升的空间。

传统三结电池结构上整体保持晶格匹配，带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。然而，对于太阳光光谱，这种电池的带隙并不是最佳组合，由于GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，这种结构下底电池电流远大于中电池和顶电池，由于底中顶三结子电池是串联在一起的，根据串联结构的电流机制，电流由三个子电池中电流最小的决定，这种结构造成了很大一部分太阳光能量损失，限制了电池性能的提高。

理论分析表明，为了提高三结电池光电转换效率，需要降低中电池和顶电池吸收区域的带隙，让中电池和顶电池吸收更多的光，从而提高中、顶子电池电流降低底电池电流，最终可以实现电流匹配的三结太阳能电池。据此分析，提出了晶格失配结构的MM(Metamorphic,变质材料)结构太阳能电池，MM结构三结电池最先应用于CPV市场，其转换效率可达42％以上；近些年来，MM结构三结电池产品应用于空间电池，转换效率可达32％以上，并且其辐照后衰减可达常规三结电池的水平，即效率衰减低于18％，优势远高于其它类光伏电池产品。但外延晶格失配材料时，如果失配外延层厚度小于临界厚度，在形变能的作用下晶格常数会与衬底保持一致，一旦超过临界厚度，其晶格常数将恢复到固有值，从而产生大量失配位错，降低材料质量。一般地，临界厚度的大小与失配度有关，晶格失配度越大，临界厚度越小。对于与晶格具有较大失配度的异质外延材料，提高材料的外延质量成为其应用于更为广泛领域和进一步提升器件性能的一个瓶颈。

为解决此问题，目前常用的方法是采用能释放应力的渐变缓冲层(一般是InGaAs或者GaInP材料)连接晶格失配的Ge衬底和InGaAs材料。例如，要生长x＝0.1的Ga_0.9In_0.1As材料，可以在Ge衬底和Ga_0.9In_0.1As材料之间生长一系列组分渐变的Ga_1-xIn_xAs缓冲层，组分x由与Ge衬底晶格匹配的0.01连续变化至0.1，Ga_1-xIn_xAs缓冲层可释放晶格失配产生的应力，降低Ga_0.9In_0.1As材料中产生的位错等缺陷。