[发明专利]一种无铝的高效六结太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种无铝的高效六结太阳能电池及其制备方法，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延生长技术在Ge衬底的上表面按照层状叠加结构由下至上依次生长GaInAs/GaInP缓冲层、第一隧道结、GaN_xSb_3xAs_1‑4x子电池、第二隧道结、GaN_ySb_3yAs_1‑4y子电池、第三隧道结、GaInAs子电池、第四隧道结、GaInAsP子电池、第五隧道结、渐变缓冲层和GaInP子电池即可。本发明可以提高含宽带隙材料及稀氮化合物材料的子电池收集效率，增加六结电池短路电流，节约生产成本，最终发挥六结电池的优势，提高电池整体光电转换效率。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种无铝的高效六结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

目前，太阳能电池从技术发展历史来看，大体可以分为三大类：第一代晶硅太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池和第三代砷化镓聚光(多结)太阳能电池。砷化镓多结太阳能电池因其转换效率明显高于晶硅电池而被广泛地应用于聚光光伏发电(CPV)系统和空间电源系统。砷化镓多结电池的主流结构是由GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池，电池结构上整体保持晶格匹配，带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。然而，对于太阳光光谱，这种三结电池的带隙组合并不是最佳的，由于GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，这种结构下Ge底电池的短路电流要比中电池和顶电池的大很多，由于串联结构的电流限制原因，这种结构造成了很大一部分光子能量不能被充分转换利用，限制了电池性能的提高。

理论分析表明，带隙组合为2.1/1.7/1.4/1.1/0.9/0.67eV的六结太阳能电池接近六结电池的最佳理论带隙组合，其地面光谱聚光效率极限可达50％以上，空间光谱极限效率可达38％以上，远远高于传统三结电池，这主要是因为六结电池可以更加充分地利用太阳光，提高电池的开路电压和填充因子。

用于带隙为2.1eV及1.7eV的两结子电池宽带隙材料一般通过增加铝组分来提高材料带隙，而高铝组分的引入将导致材料质量差、材料少子寿命短，使得光生载流子收集效率低。因此，本专利提出采用GaInAsP材料，通过调节Ga、In、As、P的比例可以生长与Ge衬底晶格匹配且带隙为1.7eV的化合物半导体材料；顶电池则采用GaInP材料，通过引入渐变缓冲层后生长无序低In组分的GaInP材料，同时掺入Sb源增加GaInP材料无序度从而进一步提高其带隙，最终所述GaInP材料带隙达到2.1eV。

近些年来，研究者发现稀氮化合物GaInNAs材料中，通过调节In和N的组分，并保持In组分约为N组分的3倍，就能使得GaInNAs的光学带隙达到0.9～1.4eV，并且与Ge衬底晶格匹配，然而，在GaInNAs材料的实际制备过程中，由于GaInNAs需要低温生长才能保证N原子的有效并入，材料中会同时引入大量的C原子，造成背景载流子浓度过高，影响少子扩散长度。另外，由于提供N原子的N源(一般是二甲基肼源)价格比一般的有机源都要高出很多。因此，本专利提出用GaNAsSb材料代替GaInNAs，Sb作为表面活性剂可以改善表面形貌及结晶质量，Sb的引入可以提高N的并入率，且Sb原子可以替代一部分N原子进一步降低材料带隙，因此使用GaNAsSb材料代替GaInNAs材料可以在减少N源用量的同时提高光生载流子收集效率。

总之，这种无铝的GaInP/GaInAsP/GaInAs/GaN_xSb_3xAs_1-4x/GaN_ySb_3yAs_1-4y/Ge六结太阳能电池，既可以满足六结电池带隙组合的理论设计要求，又能解决实际制备过程中高铝材料与稀氮化合物材料少子扩散长度较小的问题，还可以节约电池的生产成本，可最大程度地发挥六结电池的优势，提高电池转换效率。

发明内容