[发明专利]一种高效单片式四结太阳电池

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电领域的太阳能电池，特别是一种高效单片式四结太阳电池。

背景技术

对太阳电池来说，可利用的太阳光谱波长为300～1000nm，单结的太阳电池只能覆盖及利用某一波长范围的阳光，为了充分利用太阳光不同波段的光子能量，提高太阳电池的光电转换效率，一般设法将多种不同带隙的半导体材料搭配，组成多结太阳电池。理论计算表明，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，对于叠层电池的数量等于或高于三结时，最高效率材料组合均需要带隙在1.0eV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多结太阳电池组合。

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℃)，已接近实验所能达到的最高效率。在晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池中，Ge底电池带隙为0.661，AM1.5D条件下，由细致平衡理论计算表明，若考虑实际工作状态(即：Ge电池厚度～170μm，仅能吸收能量小于1.42eV的光子)，则其光电流密度J_ph≈27.0mA/cm²，为GaInP/GaAs/Ge三结叠层太阳电池光电流的两倍，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

为解决现有三结太阳电池对太阳光谱利用效率不高的缺点，本发明旨在提出一种高效单片式四结太阳电池，通过在Ge电池和GaAs电池中插入应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池，在不改变多结电池光电流密度的情况下增加一结电池，使得电池的光电转换效率大大提高，且多结电池的各子电池电流更加匹配。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种高效单片式四结太阳电池，第一结电池是Ge电池，第三结电池是GaInAs电池，第四结电池是GaInP电池，其特征是：Ge电池和GaInAs电池之间设有第二结电池是应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池；上述四个子电池由三个AlGaAs/GaInP隧穿结连接构成单片式串联结构，各子电池及其之间的隧穿结均与衬底实现晶格匹配，第一、第二和第三结子电池短路电流相等，第四结电池短路电流大于前三结电池的短路电流。

本发明的应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池的等效晶格常数为5.65～5.66优选值为5.658等效带隙为0.9eV～1.1eV，优选值为1.02eV。应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格势垒层GaAsP的厚度为3～6nm。GaInAs电池的In组份为0～0.013，优选值为0.01。GaInP电池的带隙大于1.86eV。

本发明提供的高效率单片式四结太阳电池，具体它包括四结子电池以及连接各子电池的隧穿结，所述第一结电池是Ge p-n结电池，所述第二结电池是p-i-n应变补偿GaAsP/GaInAs超晶格电池，所述第三结电池是GaInAs p-n电池，所述第四结电池是GaInP p-n电池，所述隧穿结为AlGaAs/6aInP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。

上述第一结Ge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，发射区厚度约为0.3μm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁹cm^-3。

上述四结子电池之间都有一层p型高掺杂的AlGaAs和n型高掺杂的GaInP组成的隧穿结，隧穿结各层厚度为10～15nm，掺杂浓度1×10¹⁹cm^-3～2×10²⁰cm^-3。

上述第一结电池和隧穿结之间有一层n型GaAs缓冲层。