[发明专利]基于晶片键合的三结太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种基于晶片键合的三结太阳能电池及其制备方法，该三结太阳能电池可实现对太阳光谱的充分利用，具有较高电池效率。

背景技术

在太阳能电池领域，目前研究较多而且技术较为成熟的体系是GaInP/GaAs/Ge三结电池，该材料体系在一个太阳下目前达到的最高转换效率为32-33％。该三结电池中Ge电池覆盖较宽的光谱，其短路电流最大可达到另外两结电池的2倍，由于受三结电池串联的制约，Ge电池对应的太阳光谱的能量没有被充分转换利用，所以该三结电池的效率还有改进的空间。最直观的想法是在GaAs和Ge电池中间插入一带隙为～1.00eV的材料，在保持短路电流不变的情况下，将开路电压提高约0.60V，在一个太阳下将原来三结电池转换效率提高约20％，四结电池在一个太阳下可望达到约39％的转换效率。迄今为止只有InGaAsN材料可以既满足晶格匹配又具有1.00eV的带隙，然而其较高的缺陷密度导致该材料中少子寿命很短，吸收太阳光产生的电子-空穴对没有足够的时间被分离和收集从而产生有效的电流输出，使得用InGaAsN制作的太阳能电池的转换效率远远低于预期。研究人员在寻求别的途径来获得高效太阳能转换，一种方法是调整三结电池的带隙，在尽可能吸收宽的太阳光谱的同时实现三结电池中的电流匹配，主要是采用晶格失配材料体系，由于该途径对材料生长提出很高的要求，即生长高质量的厚度远远大于(几个量级)临界厚度的晶格失配材料，如在GaAs衬底上生长厚度为几微米、晶格失配为2％的In_0.3Ga_0.7As材料。为了生长高质量的In_0.3Ga_0.7As，需要较厚的过渡层以释放2％的晶格应变和将失配位错控制在缓冲过渡层中。但是生长晶格失配2％的高质量外延层极具挑战性，制备晶格失配的三结电池非常困难。

如何实现多结太阳能电池合理的带隙组合，减小电流失配提高内量子效率同时而又不增大材料生长难度成为当前III-V族太阳能电池亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有合理带隙组合的三结太阳能电池及其制备方法，以实现对太阳光谱的充分利用，减小电流失配，并提高底电池内量子效率，最终提高电池效率。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于晶片键合的三结太阳能电池，其特征在于，所述三结太阳能电池包括一以GaAs为衬底的晶格匹配的GaInP/GaAs双结电池和一以InP为衬底的晶格匹配的InGaAsP单结电池，该两个电池通过晶片键合方式进行连接形成晶格失配的三结太阳能电池。

进一步的讲：所述GaInP/GaAs双结电池包括先后生长在N型GaAs衬底上的GaAs电池和GaInP电池，所述GaAs电池和GaInP电池之间由隧道结连接。

优选的：所述GaInP/GaAs双结电池的带隙组合为1.90eV和1.42eV。

优选的：所述InGaAsP单结电池的带隙为～1.00eV，其光谱响应在900nm～1250nm波段。

作为一种优选实施方式：所述GaInP/GaAs双结电池采用N型GaAs衬底，且所述GaAs衬底和GaAs电池之间设有用以实现N型到P型的转换的隧道结；所述InGaAsP单结电池采用P型衬底；所述GaAs衬底表面与InGaAsP电池的InP或In(Ga)AlAs窗口层表面键合。

更具体地讲：

所述GaInP/GaAs双结电池包括从下至上依次设置的N型GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、第一隧道结、GaAs电池、第二隧道结、GaInP电池和N型GaAs接触层；

所述第一隧道结包括沿逐渐远离GaAs缓冲层的方向依次设置的N型AlGaAs或Al(Ga)InP势垒层，N型GaInP或GaAs重掺层，P型(Al)GaAs重掺层和P型AlGaAs或Al(Ga)InP势垒层；

所述GaAs电池包括沿逐渐远离第一隧道结的方向依次设置的P型(Al)GaAs或(Al)GaInP背场层，P型GaAs基区，N型GaAs发射区和N型AlGaAs或(Al)GaInP窗口层；

所述第二隧道结包括沿逐渐远离GaAs电池的方向依次设置的N型AlGaAs或Al(Ga)InP势垒层，N型GaInP或GaAs重掺层，P型(Al)GaAs重掺层和P型AlGaAs或Al(Ga)InP势垒层；

所述GaInP电池包括沿逐渐远离第二隧道结的方向依次设置的P型AlGaAs或(Al)GaInP背场层，P型GaInP基区，N型GaInP发射区和N型Al(Ga)InP窗口层；