[发明专利]一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池

说明书

技术领域

本发明涉及光电池，特别是一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池。

背景技术

太阳电池已有了50多年的发展历史，在上个世纪七十年代引发的能源危机的刺激下，在空间飞行器能源系统需求的牵引下，这一技术领域内不断取得重要技术突破。多结化合物太阳能电池是一种性能优良的化合物半导体光电转换器件。相对于硅太阳能电池，多结太阳能电池具有更高的光电转换效率、更强的抗辐射能力、更好的耐高温性能。在过去的十年里，多结III-V族电池在太阳能转换效率上进展显著，实现高转换效率布置在理论上，在现实中也已经实现，唤起人们对多结III-V族电池设的研究和商业兴趣。

目前制约III-V族太阳能发电产业发展最大的障碍就是III-V族太阳电池组件成本高，最终导致太阳能发电的成本较高。降低太阳电池发电成本的最关键在于进一步提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明，III-V族叠层电池的各子电池短路电流越接近(匹配程度越高)，对光谱的利用程度也就越高，对于三结或三结以上的太阳电池，最高效率材料组合均需要带隙在1.1eV附近的材料来满足电流匹配条件，遗憾的是迄今为止未找到同时满足晶格匹配和电流匹配的三结或三结以上的太阳电池组合。

目前，美国波音公司子公司Spectrolab研制的晶格匹配GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池在无聚光条件下光电转换效率最大达32％(AM1.5D，25℃)，由于GaInP/GaAs/Ge三结叠层太阳电池电流不匹配，Ge底电池是其他两结电池光电流的两倍，而多结电池的工作电流由各子电池中短路电流最小的电池决定，因此电流不匹配使得Ge底电池效率降低。

发明内容

为解决上述现有三结太阳电池电流匹配和晶格匹配不相容的缺点，本发明旨在提出一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池。通过构造重新构造应变补偿或超晶格，提供一种带隙在1.1eV附近的材料结构，并使得它与Ge(或GaAs)衬底晶格匹配，与带隙为1.73eV的AlGaAs一起构成电流匹配和晶格匹配的三结太阳电池。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池，包括一个Ge底电池，一个中间电池，一个顶电池和其间的隧穿结，其特征在于：中间电池基区由p型Ga_1-xIn_xAs层和应变补偿p型GaAsP/Ga_1-yIn_yAs超晶格共同构成，带隙为1.65～1.75eV的Al_xGa_1-xAs电池做为三结电池的顶电池，同时满足晶格匹配和短路电流匹配条件。

本发明的Al_xGa_1-As顶电池带隙为1.73eV，x＝0.25；中间电池基区Ga_1-xIn_xAs层的In组分x为0.008～0.013，Ga_1-xIn_xAs层厚度为0.5～1μm；GaAsP/Ga_1-yIn_yAs超晶格中Ga_1-yIn_yAs阱材料的In组分y为0.16～0.2，阱材料厚度为4～6nm。

上述隧穿结为Al_0.3Ga_0.7As/GaInP₂隧穿结，各子电池及其间的隧穿结直接在Ge衬底上在MOVPE系统中生长而成。

上述Ge底电池构建在p型Ge衬底上，p-Ge基区掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁸cm^-3，n型发射区通过MOPVE系统PH₃中的P扩散获得，发射区厚度0.06—0.25μm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁹cm^-3。

上述底电池和隧穿结之间有一层n型GaInAs缓冲层。

上述隧穿结包含一层p型高掺杂的Al_0.3Ga_0.7As和n型高掺杂的GaInP₂，隧穿结各层厚度为10～15nm，掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3。