[实用新型]高效三结太阳能电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种高效应变补偿三结太阳能电池，属半导体材料技术领域。

背景技术

近年来，太阳能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。随着聚光光伏技术的发展，Ⅲ-Ⅴ族化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。

目前，制约Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体太阳能电池产业发展的主要障碍之一是其组件成本高，最终导致太阳能发电的成本较高。降低太阳能电池发光成本的最关键在于进一步提高太阳电池的光电转换效率。影响多三结III-V族太阳能电池的光电转换效率的主要因素包括：晶格匹配、电流匹配和能带隙分布。多结Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池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能电池，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。

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，其在无聚光条件下光电转换效率最大达41%。在晶格匹配的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池中，Ge底电池带隙为0.66eV，AM1.5D条件下，其光电流密度Jph≈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。解决这一问题的方法就是寻找带隙为1 eV的子电池来取代Ge子电池，实现三结电池电流匹配。普遍采用的候选材料是In_0.3Ga_0.7As（1eV），但其晶格常数与GaAs衬底或者Ge衬底不匹配，为了克服这一晶格失配要引入渐变缓冲层，但是渐变缓冲层的晶体质量极大地影响着电池效率。中国专利申请公开案“一种电流匹配和晶格匹配的高效率三结太阳电池”（申请号CN200910019869.X）提出了应用应变补偿超晶格作为子电池实现了电流匹配和晶格匹配，但其各子池的能带隙分布为1.65~1.75eV/1.0eV/0.67eV，仅为捕获太阳光谱的次佳选择，太阳能电池转换率有限，且用昂贵的Ge衬底，成本较高。

理论上，三结太阳能电池的能带隙分布为 1.8~1.9eV/1.2~1.5eV/0.9~1.0eV为捕获太阳能光谱的最佳选择，其转化效率会更高。安科太阳能公司（Emcore Solar Power, Inc）提出了倒装变形多结太阳能电池InGaP/GaAs/InGaAs，其满足了上述能带隙分布，但倒装生长过程复杂，后续的工艺更加复杂，大大限制了这项技术在工业上的应用。

实用新型内容

针对现在技术中的上述问题，本实用新型提出了一种高效三结太阳能电池。该三结太阳能电池的能带隙分布满足了捕获太阳能光谱的最佳选择，且电流匹配和晶格匹配，有效提高了三结太阳能电池的光电转换效率。

本实用新型解决上述问题的方案为：高效三结太阳能电池，其包括：生长衬底，其具有两个抛光表面；底电池，由应变补偿超晶格构成，倒装生长于生长衬底的背面，具有一第一带隙，其等效晶格常数与生长衬底的晶格常数匹配；中电池，形成于生长衬底正面上，其具有大于第一带隙的第二带隙，其晶格常数与生底衬底匹配；顶电池，形成于中电池之上，其具有一大于第二带隙的第三带隙，且晶格常数与中电池晶格常数匹配。

在本实用新型中，生长衬底为经双面抛光处理的超薄衬底，可选用p型厚度为200~250微米的GaAs衬底。所述中电池以生长衬底为基区，其带隙为1.4~1.5eV。顶电池的材料为InGaP，其带隙为1.8~1.9eV。底电池的带隙为0.9eV～1.1 eV, 等效晶格常数为5.65 ?～5.66 ?；发射区的材料为GaAs，基区由应变补偿GaAsP/GaAs/GaInAs超晶格构成，等效晶格常数与GaAs匹配。应变补偿GaAsP/GaAs/GaInAs超晶格中，势垒层GaAsP的厚度为5～10nm；中间的GaAs隔离层很薄，其厚度小于5nm，起到缓冲应力、调整晶格常数的作用；GaInAs电池的In组份为0.3～0.4，优选值为0.3。进一步地，可在底电池的下方设置分布式布拉格反射层。前述高效三结太阳能电池的下方（即底电池的下方）可键合一支撑衬底，用以增加电池的机械强度。