四结太阳能电池及其制备方法

技术领域

本公开属于太阳能发电技术领域，涉及一种四结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

目前的多结太阳能电池中，Ge/GaInAs/GaInP三结太阳能电池因其光电转化效率高而得到越来越多的应用，特别是在空间高效电池行业中得到了广泛的应用。但是，研究人员一直在尝试进一步提高太阳能电池的光电转化效率。由三结向四结、五结甚至更高结开发是一个重要方向。

然而现有的多结太阳能电池中，能够实现较高转化效率的结构设计中往往存在工艺复杂，制备过程难度较高的问题，有的结构中存在带隙设计局限的问题，能量转化效率往往难以接近理论极限值。

现有技术中，多结太阳能电池的制备工艺复杂，有的研究提出一种倒装四结级联的太阳能电池，第一衬底为GaAs，依次倒装外延GaInP子电池、GaAs子电池、InGaAlAs子电池以及InGaAs子电池，Eg分别为1.90eV、1.42eV、1.00eV和0.73eV，最后把倒装四结电池剥离后键合到第二衬底Si衬底上再做电极接触，工艺较复杂，难度较高。

有的研究提出一种四结太阳能电池，在双面抛光的GaAs衬底的上表面设置有GaInP子电池、GaAs子电池、InGaNAsBi子电池，在GaAs衬底的下表面设置量子点结构子电池，所述四结太阳能电池的带隙组合为1.90eV、1.42eV、1.00eV、0.70eV。外延较复杂，需要两次外延过程。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种四结太阳能电池及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种四结太阳能电池，包括依次层叠的各结子电池，各结子电池自下而上包括：Ge子电池100；InGaAs子电池200；InAlGaAs子电池300；以及InAlGaP子电池400；其中，所述InAlGaP子电池400为入光侧，所述Ge子电池100为背光侧。

在一实施例中，每两个相邻的子电池之间设置有隧道结。

在一实施例中，在InAlGaP子电池400上设置有欧姆接触层500。

在一实施例中，所述Ge子电池100与所述InGaAs子电池200之间具有第一晶格应变层11，所述InAlGaAs子电池300与所述InAlGaP子电池400之间具有第二晶格应变层31。

在一实施例中，所述Ge子电池100与InGaAs子电池200之间、InGaAs子电池200与InAlGaAs子电池300之间以及InAlGaAs子电池300与InAlGaP子电池400之间的隧道结分别为第一隧道结12、第二隧道结22以及第三隧道结32，所述第一晶格应变层11与第一隧道结12的上下顺序能交换；所述第二晶格应变层31与第三隧道结32的上下顺序能交换。

在一实施例中，所述隧道结的材料为如下材料的一种或几种：GaAs、InGaP、Al

在一实施例中，所述第一晶格应变层11和第二晶格应变层31的材料为如下半导体材料的一种或几种：InGaAs、InAlGaAs、InAlGaP或InGaP。

在一实施例中，所述InGaAs子电池200的带隙宽度为1.0eV-1.2eV；所述InAlGaAs子电池300带隙宽度为1.3eV-1.5eV；所述InAlGaP子电池400的带隙宽度为1.8eV-2.2eV。

在一实施例中，所述Ge子电池100包括：p-Ge单晶衬底兼基区111，n-Ge发射区112以及n-GaInP窗口层113；

可选的，所述InGaAs子电池200包括：InAlGaAs或AlGaInP背电场层211，p-InGaAs基区212，n-InGaAs发射区213以及n-AlInP窗口层214；

可选的，所述InAlGaAs子电池300包括：Al

可选的，所述InAlGaP子电池400包括：Al

在一实施例中，所述Ge子电池100中，p-Ge单晶衬底兼基区111的厚度为110μm-140μm，掺杂浓度介于0.5×10

可选的，所述InGaAs子电池200中，p-InGaAs基区212的厚度为1μm-1.5μm，掺杂浓度介于0.5×10

可选的，所述InAlGaAs子电池300中，Al

可选的，所述InAlGaP子电池400中，Al

根据本公开的另一个方面，提供了一种四结太阳能电池的制备方法，包括：依次外延生长Ge子电池100、InGaAs子电池200、InAlGaAs子电池300；以及InAlGaP子电池400；其中，所述InAlGaP子电池400为入光侧，所述Ge子电池100为背光侧。

可选的，在外延生长Ge子电池100之后和外延生长InGaAs子电池200之前还包括：生长第一隧道结12以及采用晶格渐变技术生长第一晶格应变层11的步骤；

可选的，在外延生长InGaAs子电池200之后和外延生长InAlGaAs子电池300之前还包括：生长第二隧道结22的步骤；

可选的，在外延生长InAlGaAs子电池300之后和外延生长InAlGaP子电池400之前还包括：生长第三隧道结32和采用晶格渐变技术生长第二晶格应变层31的步骤。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的四结太阳能电池及其制备方法，具有以下有益效果：

(1)按照标准AM0光谱，四结电池的带隙分别在0.7eV，1.0eV，1.4eV，1.9eV能获得最优转化效率，但在实际材料生长过程中，并不能找到四种晶格匹配的材料具备上述带隙结构，本公开通过采用二次晶格缓冲层技术，实现了理想四结带隙；

(2)通过在Ge子电池与InGaAs子电池之间设置第一晶格应变层，在InAlGaAs子电池与InAlGaP子电池之间设置第二晶格应变层，晶格应变层有助于在第一晶格应变层的调整下，Ge子电池、InGaAs子电池、InAlGaAs子电池的带隙实现了理论设计要求，但InAlGaP子电池如果与InAlGaAs晶格匹配，则带隙不能实现1.9eV，因此采用第二晶格应变层技术，从而实现了最优带隙设计，电池转化实际转化效率超过34％；

(3)该四结太阳能电池仅需通过一次外延生长便可得到各结子电池，并且其能量转化效率接近理论极限，不需要现有技术中进行二次外延或者倒装接触等复杂的制备工艺，有助于实现量产。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的四结太阳能电池的整体结构示意图。

图2为根据本公开一实施例所示的四结太阳能电池的具体结构示意图。

图3为根据本公开一实施例所示的四结太阳能电池的制备方法流程图。

【符号说明】

100-Ge子电池；

111：p-Ge单晶衬底兼基区； 112：n-Ge发射区；

113：n-GaInP窗口层；

11-第一晶格应变层；

12-第一隧道结；

121：n++GaAs； 122：p++GaAs；

200-InGaAs子电池；

211：p-InAlGaAs背电场层(InAlGaAs或AlGaInP背电场层)；

212：p-InGaAs基区；

213：n-InGaAs发射区； 214：n-AlInP窗口层；

22-第二隧道结；

221：n++InGaAs； 222：p++InGaAs；

300-InAlGaAs子电池；

311：p-InAlGaAs背电场层(Al

312：p-InAlGaAs基区；

313：n-InGaP发射区； 314：n-AlInP窗口层；

32-第三隧道结；

321：n++InAlGaAs； 322：p++InAlGaAs；

31-第二晶格应变层；

400-InAlGaP子电池；

411：p-InAlGaP背电场层(Al

412：p-InAlGaP基区；

413：n-InAlGaP发射区； 414：n-AlInP窗口层；

500-欧姆接触层。

具体实施方式

多结太阳能电池包括多结子电池的堆叠，其中每结子电池包括形成PN结的不同的半导体层的堆叠。每个子电池的PN结形成为使得每结子电池具有不同的带隙能量。因此每结子电池吸收太阳光谱的部分减少但具有高效率。

子电池通过放置在两个相邻子电池之间的隧道二极管或隧道结串联连接。由于子电池串联连接，因此吸收入射光谱的最小能量并由此提供最小电流的子电池将其它电池限制到该电流值。由整体式多结太阳能电池提供的最大功率等于由不同的子电池传递的电流的最小值乘以多结电池的端子处的电压(等于子电池的端子处的电压的和)，而不等于由每个子电池提供的最大功率输出的和。

相比较于三结电池，四结电池可以减少热损失，提高太阳能电池对太阳光谱的利用率，同时提高开压和填充因子，得到更高的转化效率。但是四结太阳能电池的结构设计中，从标准AM0光谱角度，0.7eV，1.0eV，1.4eV，1.9eV的带隙匹配可以获得最优转化效率，但实际在材料生长过程中，晶格匹配的材料很难实现上述带隙，或者有其它无法克服的问题存在。比如1.0eV的材料还有InGaNAs，而且晶格常数与Ge衬底基本匹配，但材料生长质量存在瓶颈，内量子效率达不到实用要求。本公开通过晶格应变层技术，通过逐渐调整晶格常数，实现设计带隙。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，“A和/或B”的含义为A，或者B或者A和B同时满足。全文中，“p-材料”表示“p型材料”，“n-材料”表示“n型材料”，“n++材料(例如GaAs)”表示“n型高浓度掺杂材料”，“p++材料(例如GaAs)”表示p型高掺杂浓度材料。

第一实施例

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种四结太阳能电池。

图1为根据本公开一实施例所示的四结太阳能电池的整体结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的四结太阳能电池的具体结构示意图。

参照图1所示，本公开的四结太阳能电池，包括依次层叠的各结子电池，各结子电池自下而上包括：Ge子电池100；InGaAs子电池200；InAlGaAs子电池300；以及InAlGaP子电池400；其中，所述InAlGaP子电池400为入光侧，所述Ge子电池100为背光侧。

下面结合图2来对本实施例的四结太阳能电池的各个部分进行详细介绍。

在本公开的实施例中，所述的Ge子电池110自下而上依次包括：基区、发射区以及窗口层。

所述的InGaAs子电池200自下而上依次包括：背电场层、基区、发射区以及窗口层。

所述的InAlGaAs子电池300自下而上依次包括：背电场层、基区、发射区以及窗口层。

所述的InAlGaP子电池400自下而上依次包括：背电场层、基区、发射区以及窗口层。

在一具体实例中，如图2所示，所述Ge子电池100包括：p-Ge单晶衬底兼基区111，n-Ge发射区112以及n-GaInP窗口层113。

例如，Ge子电池100中，p-Ge单晶衬底兼基区111的厚度为110μm-140μm，掺杂浓度介于0.5×10

在一具体实例中，如图2所示，所述InGaAs子电池200包括：InAlGaAs或AlGaInP背电场层211，p-InGaAs基区212，n-InGaAs发射区213以及n-AlInP窗口层214。

例如，InGaAs子电池200中，p-InGaAs基区212的厚度为1μm-1.5μm，掺杂浓度介于0.5×10

在一具体实例中，如图2所示，所述InAlGaAs子电池300包括：Al

例如，所述InAlGaAs子电池300中，Al

在一具体实例中，如图2所示，所述InAlGaP子电池400包括：Al

例如，所述InAlGaP子电池400中，Al

在本公开的实施例中，每两个相邻的子电池之间设置有隧道结。

参照图2所示，本实施例中，所述Ge子电池100与InGaAs子电池200之间、InGaAs子电池200与InAlGaAs子电池300之间以及InAlGaAs子电池300与InAlGaP子电池400之间的隧道结分别为第一隧道结12、第二隧道结22以及第三隧道结32。

在一实施例中，所述隧道结(包括第一隧道结12、第二隧道结22以及第三隧道结32)的材料包括但不限于如下材料的一种或几种：GaAs、InGaP、Al

在一实施例中，所述InGaAs子电池200的带隙宽度为1.0eV-1.2eV；所述InAlGaAs子电池300带隙宽度为1.3eV-1.5eV；所述InAlGaP子电池400的带隙宽度为1.8eV-2.2eV。

参照图2所示，本实施例中，所述Ge子电池100与所述InGaAs子电池200之间具有第一晶格应变层11，所述InAlGaAs子电池300与所述InAlGaP子电池400之间具有第二晶格应变层31。

1.0eV InGaAs子电池200与Ge衬底晶格常数不匹配，不能在Ge衬底上直接实现晶体生长，一般MOCVD生长要求两种材料之间的晶格常数差异在1％以内，如果超过1％，则材料缺陷密度急剧增加，甚至变为多晶。晶格应变层的作用是通过分层逐渐调整晶格常数至设计值，从而实现了晶格常数差别很大的两种材料的外延生长，为器件结构的带隙调整提供了更大的设计空间。

参照图2所示，这里以第一晶格应变层11位于第一隧道结12的下方进行示例，以第二晶格应变层31位于第三隧道结32的上方进行示例。本公开的四结太阳能电池的结构不以此为限，所述第一晶格应变层11与第一隧道结12的上下顺序能交换；所述第二晶格应变层31与第三隧道结32的上下顺序能交换。

在一实施例中，所述第一晶格应变层11和第二晶格应变层31的材料为如下半导体材料的一种或几种：InGaAs、InAlGaAs、InAlGaP或InGaP。

本实施例中，如图2所示，在InAlGaP子电池400上设置有欧姆接触层500。

此外，四结太阳能电池还可以包含上下电极、抗反射膜等电池的备必结构。

第二实施例

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种四结太阳能电池的制备方法，用于制备第一个实施例所示的四结太阳能电池。

图3为根据本公开一实施例所示的四结太阳能电池的制备方法流程图。

本公开的四结太阳能电池的制备方法，包括：依次外延生长Ge子电池100、InGaAs子电池200、InAlGaAs子电池300；以及InAlGaP子电池400；其中，所述InAlGaP子电池400为入光侧，所述Ge子电池100为背光侧。

参照图3所示，本实施例中，该四结太阳能电池的制备方法，包括：

步骤S201：外延生长Ge子电池100；

本实施例中，外延生长Ge子电池100的步骤包括：采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD，Metal-organic Chemical Vapor Deposition)、分子束外延(MBE，Molecular BeamEpitaxy)或其他外延生长设备，衬底选用P型Ge单晶衬底111，该衬底兼作为基区，因此将其命名为：p-Ge单晶衬底兼基区111，采用扩散工艺形成n-Ge发射区112和n型GaInP窗口层113；

其中，p-Ge单晶衬底兼基区111的厚度为110μm-140μm，掺杂浓度介于0.5×10

步骤S202：生长第一隧道结12以及采用晶格渐变技术生长第一晶格应变层11；

本实施例中，先采用晶格渐变技术生长第一晶格应变层11；然后生长连接Ge子电池100和InGaAs子电池200的第一隧道结12，包括生长第一隧道结的掺杂类型不同的两层，在一实例中例如为先生长n++GaAs 121，再生长p++GaAs 122，得到第一隧道结12；

其中，所述第一晶格应变层11的材料包括InGaAs、InAlGaAs或InGaP中的一种或几种，本实施例中，优选采用含As化合物。

在本公开的其他实施例中，也可以在生长第一晶格应变层11之前生长所述第一隧道结12。

步骤S203：外延生长InGaAs子电池200；

本实施例中，生长InGaAs子电池200的步骤包括：先生长高掺杂浓度的p-InAlGaAs，作为背电场层，称之为p-InAlGaAs背电场层211；再生长p-InGaAs，作为基区，称之为p-InGaAs基区212；然后生长n-InGaAs，作为发射区，称之为n-InGaAs发射区213；最后生长高掺杂浓度的n-AlInP，作为窗口层，称之为n-AlInP窗口层214；所述p-InAlGaAs的材料为InAlGaAs或A1GaInP，分别对应为：InAlGaAs或A1GaInP背电场层211；所述p-InGaAs背电场层211的厚度在1-1.5μm，掺杂浓度在0.5-1×10

步骤S204：生长第二隧道结22；

本实施例中，生长连接InGaAs子电池200和InAlGaAs子电池300的第二隧道结22，例如先生长n++InGaAs 221；再生长p++InGaAs 222。

步骤S205：外延生长InAlGaAs子电池300；

本实施例中，生长InAlGaAs子电池300的步骤包括：先生长高掺杂浓度的p-InAlGaAs，作为背电场层，称之为p-InAlGaAs背电场层311；再生长p-InAlGaAs，作为基区，称之为p-InAlGaAs基区312；然后生长n-InGaP，作为发射区，称之为n-InGaP发射区313；接着生长高掺杂浓度的n-AlInP，作为窗口层，称之为n-AlInP窗口层314；所述p-InAlGaAs的材料为Al

步骤S206：生长第三隧道结32和采用晶格渐变技术生长第二晶格应变层31；

本实施例中，先生长连接InAlGaP子电池300和InAlGaAs子电池400的第三隧道结32：先生长n++InAlGaAs 321；再生长p++InAlGaAs 322；

在生长完第三隧道结32之后，还要采用晶格渐变技术生长第二晶格应变层31。

其中，所述第二晶格应变层的材料包括InAlGaP、InAlGaAs或InGaP中的一种或几种，本实施例中优选采用含P化合物。

在本公开的其他实施例中，也可以在生长第三隧道结32之前生长所述第二晶格应变层32。

步骤S207：生长InAlGaP子电池400；

先生长高掺杂浓度的p-InAlGaP，作为背电场层，称之为p-InAlGaP背电场层411；再生长p-InAlGaP，作为基区，称之为p-InAlGaP基区412；然后生长n-InAlGaP，作为发射区，称之为n-InAlGaP发射区413；最后生长高掺杂浓度的n-AlInP，作为窗口层，称之为n-AlInP窗口层414；所述p-InAlGaP的材料为Al

步骤S208：生长欧姆接触层500；

在InAlGaP子电池400之上生长高掺杂浓度的N型GaAs盖帽层作为欧姆接触层500。

当然，本实施例中，还包括其他制备电池的步骤：

步骤S209：上电极制作；

在欧姆接触层500上方制作图案化的上电极，大致包含设计制作光刻版图，上胶显影，上电极金属沉积，显影曝光，去胶，退火等步骤；

步骤S210：下电极制作；

下电极金属沉积，退火。

步骤S211：抗反射膜制作；

进入蒸镀机在芯片上电极表面沉积光学抗反射薄膜；

步骤S212：划片测试。

本实施例的四结太阳能电池仅需通过一次外延生长便可得到各结子电池，并且其能量转化效率接近理论极限，不需要现有技术中进行二次外延或者倒装接触等复杂的制备工艺，有助于实现量产。

综上所述，本公开提供了一种四结太阳能电池及其制备方法，通过采用二次晶格缓冲层技术，实现了理想四结带隙，该四结太阳能电池仅需通过一次外延生长便可得到各结子电池，并且其能量转化效率接近理论极限，不需要现有技术中进行二次外延或者倒装接触等复杂的制备工艺，有助于实现量产，为更高转化效率电池开发提供了方向和基础。

为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大；并且，本公开一些实施例的附图中，只示出了与本公开构思相关的结构，其他结构可参考通常设计。另外，一些附图只是示意出本公开实施例的基本结构，而省略了细节部分。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语表示开放的意义，除了明确列举的元件、部件、部分或项目外，并不排除其他元件、部件、部分或者项目。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。可以理解，当诸如层、膜、区域或衬底基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。