[发明专利]一种正向失配四结级联砷化镓太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于砷化镓太阳电池结构技术领域，尤其是一种正向失配四结级联砷化镓太阳电池及其制备方法。

背景技术

砷化镓太阳电池的发展是从上世纪50年代开始的，至今经过了从单结到多结叠层结构的几个发展阶段，其发展速度日益加快，效率也不断提高，转化率可达30％以上。目前设计多结级联砷化镓电池的主要思路是采用晶格匹配的设计，即优先考虑多结电池的晶格匹配而将光电流匹配放在次要的位置，德国Azurspace和美国Emcore公司的正向匹配三结级联GaInP/GaAs/Ge太阳电池在AM0光谱下的转换效率都接近30.0％，但此结构电池的光电流密度通常受限于顶电池，底电池上冗余的光电流密度不能被有效的利用，使其不能实现全光谱的吸收利用；同时三结级联砷化镓太阳电池有相当一部分大于对应子电池禁带宽度的能量以热能形式损失，因此要进一步提高多结砷化镓太阳电池的转化效率，必须采用四结或者四结以上级联来提高对太阳光谱的利用且进一步减少热损失。

为了有效的实现太阳电池的对全光谱的吸收利用，日本SHARP、美国NERL和德国Fraunhefor ISE等公司和研究机构采用晶格失配的设计，即优先考虑多结电池的光电流匹配而将晶格匹配放在次要的位置，研究了反向生长和半导体键合等技术。日本SHARP将倒置方法生长的GaInAs/GaAs/GaInP电池的转化效率提高到37.9％(AM1.5G)，法国Soitec和德国Fraunhofer ISE等机构合作，采用Wafer bonding的方法制备的四结砷化镓太阳电池实现了46％(508×)的转换效率，美国Boeing Spectrolab采用键合技术制备的五结砷化镓太阳电池实现了35.8％(AM0)和38.8％(AM1.5G)的转换效率。

晶片键合的四结或者五结砷化镓太阳电池能够保证各个子电池的外延质量，但是仍然存在欧姆损耗和光学损失的问题，同时晶片键合需要GaAs和InP两个衬底，制作成本很高。反向生长的多结级联砷化镓太阳电池能够保证GaInP和GaAs子电池的外延质量，同时通过生长渐变缓冲层减少晶格失配带来的位错，但是渐变缓冲层并不能彻底消除位错对电池性能的影响，对于有两个以上渐变缓冲层的四结以上太阳电池，位错对电池性能的影响会加剧。

这些非标准的器件工艺和标准的GaInP/GaAs/Ge三结砷化镓太阳电池外延工艺较难兼容，影响电池性能的一致性和均匀性，并降低了砷化镓太阳电池的生产效率，增加了电池的制作成本，在可行性方面不容易实现，距离实际应用还有一定的距离。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本合理、工艺简单、性能优异的一种正向失配四结级联砷化镓太阳电池。

本发明采取的技术方案是：

一种正向失配四结级联砷化镓太阳电池，包括顶电池、子电池和底电池，其特征在于：顶电池上为接触层，顶电池和底电池之间依次为第一隧穿结、第二子电池、第二隧穿结、第三子电池、渐变缓冲层、第三隧穿结、缓冲层和成核层，底电池下为衬底。

而且，所述顶电池为AlGaInP或Ga_xIn_1-xP顶电池，上下两个子电池为AlGaInAs子电池和GaInAs子电池，缓冲层为GaInAs缓冲层，成核层为GaInP成核层，底电池为Ge底电池，衬底为Ge衬底，顶电池和两个子电池三者晶格匹配，底电池与所述顶电池和两个子电池晶格失配。

而且，所述顶电池、子电池、子电池和底电池的禁带宽度优选为1.9eV、1.4eV、1.1eV和0.67eV。

而且，所述第一隧穿结、第二隧穿结和第三隧穿结均包含上层和下层，其中的上层可以是AlGaAs/GaInP，或者是AlGaAs/GaAs；其中的下层(势垒层)可以是Al(Ga)InP，或者是AlGaAs。

而且，

所述第一隧穿结包括n型掺杂的GaInP层和p型掺杂的AlGaAs层；所述GaInP层的掺杂浓度优选为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3、厚度0.01～0.02μm；所述AlGaAs层的掺杂浓度优选为1×10¹⁹～1×10²⁰cm^-3、厚度0.01～0.02μm；