[发明专利]一种晶格失配三结太阳电池外延生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及III-V族太阳电池，特别涉及一种晶格失配三结太阳电池外延生长方法。

背景技术

发展太阳能光伏发电已成为人类解决未来能源问题的重要途径，光伏发电经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池，目前产业化进程正逐渐转向高效的聚光太阳能（CPV）系统发电。与前两代电池相比，基于多结砷化镓（GaAs）太阳电池的CPV光伏技术由于采用了不同带隙的pn结，可基本实现太阳光谱的全光谱吸收，因此以III-V族化合物为基系的单片式叠层太阳电池的光电转换效率高，而且所需的电池面积不大，以相对廉价的聚光器件替代昂贵的半导体材料，在大规模应用于发电时可有效降低成本、降低生产能耗。

以GaAs为代表的III-V族化合物大多是宽禁带直接带隙半导体材料，光吸收系数大，只需几微米（μm），此外，GaAs、磷化铟（InP）等材料还具有良好的抗辐射性能和较小的温度系数。GaAs太阳电池，无论是单结电池还是多结叠层电池所获得的转换效率都是所有种类太阳电池中最高的，因而GaAs基系太阳电池，特别是GaInP／GaInAs／Ge（镓铟磷/镓铟砷/锗）三结叠层太阳电池在空间能源领域获得了越来越广泛的应用。近年来。聚光III-V族太阳电池的研究进展迅速，为其地面应用打下了基础。

1955年,E.D.Jackson提出了多结级联太阳电池的概念,是指针对太阳光谱，在不同的波段选取不同带宽的半导体材料做成多个太阳子电池，最后将这些子电池串联形成多结太阳电池。但受当时半导体材料生长工艺水平的限制,这只能是理论设想。随着III-V族化合物半导体金属有机物化学气相沉积（MOCVD，Metalorganic Chemical Vapor Deposition）技术的进步,近20年来多结级联太阳电池的理论设想得以逐步实现。多结级联太阳电池的发展经历了AlGaAs/GaAs（铝镓砷/砷化镓）双结、GaInP/GaAs双结、GaInP／GaInAs／Ge三结及多结级联太阳电池新材料这样一个过程。GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池在大气质量（AM）1.0的转换效率可达32%，其240倍聚光系统的转换效率(AM1.5，240suns)可突破40%，远高于19.5%的晶硅电池最高转换效率，是全球范围内最主流的产业化GaAs基III-V族多结级联太阳电池。

由于材料的外延生长要求各子电池晶格常数、热膨胀系数相一致，以减少界面处位错和缺陷的产生，因此晶格匹配的Ga_0.51In_0.49P/Ga_0.99In_0.01/Ge三结太阳电池自然成为首选材料，其顶层GaInP电池、中层GaInAs电池和底层Ge电池带隙分别为1.86eV(电子伏特)、1.41eV和0.67eV，在AM1.5、标准光照条件下，各子电池输出理论最大电流密度分别为15.7、13.1和27.3mA/cm²。显然，对于以电学串联方式构成的叠层太阳电池，各子电池中的最小输出电流将限制总输出电流。由此可见，Ga_0.51In_0.49P/Ga_0.99In_0.01/Ge三结太阳电池由于中电池的电流失配，限制了转换效率的进一步提升空间。

近年来，“电池带隙与光谱匹配”的设计思想开始流行起来，通过In组分的增加来降低InGaP和InGaAs子电池的带隙，增加顶电池和中间电池的短路电流，使得各子电池电流匹配，实现对太阳辐射谱的最大利用，从而达到提高太阳电池转换效率的目的。

理论计算表明：在AM1.5、标准光照条件下，最优带隙组合的三结太阳电池为Ga_0.35In_0.65P/Ga_0.83In_0.17/Ge，其带隙分别是1.62、1.17和0.67eV，该组合的底电池与中顶电池的晶格失配达1.1%；三结太阳电池Ga_0.40In_0.60P/Ga_0.88In_0.12/Ge AM0理论效率最高，其带隙分别是1.72、1.23和0.67eV，晶格失配率接近1%。