[发明专利]一种四结四元化合物太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种四结四元化合物太阳能电池及其生长方法，属半导体材料技术领域。

背景技术

在最近几年，太阳电池作为实用的新能源，吸引了越来越多的关注。它是一种利用光生伏打效应，将太阳能转化成电能的半导体器件，这在很大程度上减少了人们生产生活对煤炭、石油及天然气的依赖，成为利用绿色能源的最有效方式之一。在所有新能源中，太阳能是最为理想的再生能源之一，充分开发利用太阳能成为世界各国政府可持续发展的能源战略决策。近些年来，随着聚光光伏技术的发展，Ⅲ-Ⅴ族合物半导体太阳能电池因其高光电转换效率而越来越受到关注。

对于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体领域来言，在Ge衬底上外延生长晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge 三结太阳能电池是一项比较成熟的技术，其转换效率已达41。在晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池中，Ge底电池带隙为0.66 eV，AM1.5D条件下，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。目前解决这个问题的一个有效方法之一是在中电池和底电池之间再插入一结与Ge衬底和GaAs材料晶格匹配，带隙为1.0eV左右的InGaNAs子电池，从而获得InGaP/GaAs/InGaNAs/Ge四结太阳能电池，这样可以使电流比三结电池时更加匹配，并且结数的增加可以更加细分太阳光谱，增加效率。然而由于N原子在InGaAs材料中的固溶度很低，存在高缺陷密度，光生载流子的寿命和扩散长度过短，难以达到太阳能电池所需的高质量要求， 导致InGaP/GaAs/InGaNAs/Ge四结太阳能电池的效率反而要远低于三结电池。由于InGaNAs的晶体质量受到该材料本身的限制，除非在材料生长上取得突破，InGaP/GaAs/InGaNAs/Ge四结太阳能电池才有可能获得成功，因此发展一种可以替代InGaP/GaAs/InGaNAs/Ge四结太阳能电池的新型四结太阳能电池器件成为进一步提高Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池效率的关键。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明旨在提供提一种四结四元化合物太阳能电池及其制备方法。

根据本发明的第一个方面，提供了一种四结四元化合物太阳能电池，包括：InP衬底；第一子电池，形成于衬底之上，具有第一带隙，且其晶格常数与衬底匹配；第二子电池，形成于第一子电池之上，具有比第一带隙大的第二带隙，且其晶格常数与衬底匹配；渐变缓冲层，形成于第二子电池之上，具有比第二带隙大的第三带隙，且其组分渐变，晶格常数随组分变化逐步缩小；第三子电池，形成于渐变缓冲层之上，具有比第三带隙大的第四带隙，且其晶格常数小于衬底和第一、二子电池；第四子电池，形成于第三子电池之上，具有比第四带隙大的第五带隙，且其晶格常数与第三子电池晶格匹配。

具体来说，所述第一子电池由InGaAs发射区和基区组成，其带隙为0.72～0.76 eV；所述第二子电池由四元化合物InGaAsP发射区和基区组成，其带隙为1～1.1 eV；所述渐变缓冲层为InGaP，其晶格常数随In组分配比的变化而变化，在一侧上与生长衬底晶格匹配且另一侧上与第三子电池的晶格匹配；所述第三子电池由四元化合物InAlGaAs发射区和基区组成，其带隙为1.35~1.42 eV；所述第四子电池由四元化合物InAlAsP发射区和基区组成，其带隙为1.85～1.92 eV。

根据本发明的第二个方面，提供了一种四结四元化合物太阳能电池，包括：支撑基板；第一子电池，位于支撑基板之上，具有第一带隙；第二子电池，位于第一子电池上，由四元化合物InGaAsP发射区和基区组成，其具有比第一带隙大的第二带隙，晶格常数与第一子电池匹配；渐变缓冲层，位于第二子电池之上，具有比第二带隙大的第三带隙，且其组分渐变，晶格常数随组分变化逐步缩小；第三子电池，位于渐变缓冲层之上，由四元化合物InAlGaAs发射区和基区组成，其具有比第三带隙大的第四带隙，晶格常数小于第一、二子电池；第四子电池，位于第三子电池之上，由四元化合物InAlAsP发射区和基区组成，其具有比第四带隙大的第五带隙，晶格常数与第三子电池晶格匹配。