[发明专利]一种高质量四结空间太阳电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高质量四结空间太阳电池及其制备方法，包括Ge衬底，在Ge衬底上按照层状叠加结构由下至上依次设有Ge子电池、GaInP成核层、GaInAs缓冲层、第一隧穿结、组分渐变缓冲层、DBR反射层、GaInAs子电池、第二隧穿结、AlGaInAs子电池、第三隧穿结、AlGaInP子电池；AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池的基区与发射区之间形成耗尽层，基区和发射区为带隙渐变结构，通过在含Al子电池中引入带隙渐变结构，提高了耗尽层的材料质量，降低光生载流子主要产生区域的少子复合速率，提高光生载流子收集效率，同时，渐变的带隙具有辅助背场的作用，使远离耗尽层的光生载流子向耗尽层漂移，远离耗尽层的Al组分使含Al子电池的有效带隙更宽，有利于获得更高开路电压。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种高质量四结空间太阳电池及其制备方法。

背景技术

正向失配AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/Ge四结太阳电池基于正向失配三结电池，通过开发大失配GaInAs子电池、引入高Al组分AlGaInAs子电池、宽带隙AlGaInP子电池，不仅优化了太阳光谱的综合利用，更提升单波段光谱的利用效率，最终实现产品的整体性能提升，获得效率面向34％以上的正向失配四结太阳电池。同时，与三结电池相比，四结电池抗辐射能力显著提升，尤其适用于环境恶劣的外太空环境。

在半导体材料中适当地用Al原子替代Ga原子，提高材料的禁带宽度。但由于Al原子的活泼性较大，极易与环境中的水氧形成牢固的Al-O键，在宽禁带材料中形成Al-O缺陷，同时在材料外延生长过程中外来掺杂与材料体内的缺陷耦合，而在电池结构中引入大量的深能级缺陷，加速电子空穴对的复合，而对电池性能产生不利影响。在磷化物材料中材料质量对于Al组分更为敏感，因此在宽禁带AlGaInP材料中由于较高的Al组分而使得材料的氧系杂质、缺陷增加，非辐射复合严重，少子寿命所受影响也比较大，电池的电压和电流都受到不良影响，制约太阳电池的光电转换效率，太阳电池的抗辐照特性也大打折扣。

而用于带隙组合为1.9/1.4/1.1/0.67eV的正装失配四结电池，由于GaInAs子电池的In组分高达23％，为达到晶格匹配其AlGaInP子电池及AlGaInAs子电池分别具有71％及23％的In组分，要分别达到1.9eV及1.4eV的禁带宽度，其Al组分需分别达到21％及30％。现有生产条件下，水、氧等杂质的存在很难完全杜绝，而四结电池开发中，高铝组分材料的应用又无法避免。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种工艺简单、性能优异的高质量四结空间太阳电池及制备方法，通过引入渐变带隙的基区及发射区，可以提高含Al子电池的质量及电性能，最终发挥四结电池的优势，提高电池整体光电转换效率，提升电池的抗辐照特性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种高质量四结空间太阳电池，包括Ge衬底，所述Ge衬底为p型Ge单晶片，在所述Ge衬底上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有Ge子电池、GaInP成核层、GaInAs缓冲层、第一隧穿结、组分渐变缓冲层、DBR反射层、GaInAs子电池、第二隧穿结、AlGaInAs子电池、第三隧穿结、AlGaInP子电池；所述AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池的基区与发射区之间形成耗尽层，且基区和发射区均为带隙渐变结构，基区的带隙随其Al组分沿远离衬底方向逐渐降低而降低，而发射区的带隙随其Al组分沿远离衬底方向逐渐增加而增加，通过在AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池中引入带隙渐变结构，能够提高耗尽层的材料质量，降低光生载流子主要产生区域的少子复合速率，提高光生载流子收集效率，同时，渐变的带隙具有辅助背场的作用，使远离耗尽层的光生载流子向耗尽层漂移，并且，远离耗尽层的Al组分使AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池的有效带隙更宽，有利于获得更高的开路电压。