一种双面生长的GaAs四结太阳电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及太阳能光伏的技术领域，尤其是指一种双面生长的GaAs四结太阳电池。
【背景技术】
[0002]目前，传统的砷化镓多结太阳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GalnP, GaInAs和Ge子电池组成的GalnP/GalnAs/Ge三结太阳电池，电池结构上整体保持晶格匹配，带隙结构为1.85/1.40/0.67eV。然而，对于太阳光光谱，由于GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，这种三结电池的带隙组合并不是最佳的，这种结构下Ge底电池吸收的太阳光谱能量比中电池和顶电池吸收的多出很多，因此Ge电池的短路电流最大可接近中电池和顶电池的两倍(V.Sabnis, H.Yuen, and M.Wiemer, AIP Conf.Proc.1477(2012) 14)，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谱能量不能被充分转换利用，限制了电池性能的提高。
[0003]理论分析表明，在传统三结太阳电池的GaInAs子电池和Ge子电池之间插入一层带隙接近1.0eV的子电池，形成带隙结构为1.90/1.43/1.04/0.67eV的四结太阳电池，其理论效率能达到58%，结合实际因素后的效率极限能达到47%，远远高于传统三结42%的极限效率(R.R.King, D.C.Law, K.M.Edmondson et al., Advances in OptoElectronics?2007(2007)29523)，这主要是因为相比于三结电池，四结电池可以提高开路电压和填充因子。经理论研宄与实验证明，在GaAs材料中同时掺入少量的In和N形成Gai_xInxNyASl_y四元合金材料，当x:y = 2.8、0〈y〈0.06时，Ga1-JnxNyAs1I材料晶格常数与GaAs (或Ge)基本匹配，且带隙在0.8eV— 1.4eV之间变化，而当0.02〈y〈0.03时，其带隙为1.0eV—1.1eV之间。因此，针对目前传统的GalnP/GalnAs/Ge三结电池结构，在GaInAs和Ge子电池之间插入一节带隙接近1.0eV的GaInNAs子电池形成四结电池则可大大提高电池转换效率。
[0004]然而，在制备GaInNAs子电池过程中，需要结合高温退火过程才能提高GaInNAs电池的光电性能，如果基于Ge衬底制备，则高温退火同时会对Ge子电池结构造成影响，使其开路电压降低。因此，如果采用双面抛光的GaAs衬底，在GaAs衬底的上表面先制备GalnP、GaAs和GaInNAs子电池，经过高温退火后，再在其下表面制备带隙约0.7eV的GaInAs子电池，最终形成带隙结构为 1.9/1.42/1.04/0.7eV 的 GalnP/GaAs/GalnNAs/GalnAs 四结电池，则可最大程度地体现出四结电池的优势，明显提高GaAs多结太阳电池的开路电压和整体光电转换效率。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种双面生长的GaAs四结太阳电池，可以使电池的带隙结构与太阳光谱更加匹配，同时发挥四结电池的优势，提高GaAs多结电池的整体开路电压和填充因子，并最终提高电池的光电转换效率。
[0006]为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为:一种双面生长的GaAs四结太阳电池，包括有GaAs衬底，所述GaAs衬底为双面抛光的η型GaAs单晶片；在所述GaAs衬底的上表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaInP子电池、GaAs子电池、GaInNAs子电池和GaAs缓冲层；在所述GaAs衬底的下表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaxIrvxP渐变层和GaxIrvxAs子电池；所述GaInP子电池与GaAs子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAs子电池与GaInNAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述GaInNAs子电池与GaAs缓冲层之间通过第一隧道结连接。
[0007]所述GaInNAs子电池按照层状结构从上至下依次包括有η型AlGaAs窗口层，η型GahInxNyAs1^层或 η 型 GaAs 层，ρ 型 Ga ^xInxNyAs1I层，P 型 AlGaAs 背场层；其中 x:y =2.8:1,0.02<y<0.03，GahlnJASh材料带隙为 1.0eV—1.leV。
[0008]所述GaxIrvxAs子电池按照层状结构从上至下依次包括有η型AlGaAs窗口层，η型 GaxIrvxAs 层或 η 型 GaAs 层，ρ 型 GaxIn1^As 层，ρ 型 AlGaAs 背场层;其中 0.4〈χ〈0.5，材料带隙为0.7eV—0.8eVo
[0009]本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
[0010]利用GaAs双面衬底，在GaAs衬底的上表面设置有GaInP、GaAs和GaInNAs子电池，在其下表面设置带隙约0.7eV的GaInAs子电池，最终得到带隙结构为
1.9/1.42/1.04/0.7eV的GalnP/GaAs/GalnNAs/GalnAs四结电池，不仅满足太阳光谱下的四结电池最佳带隙组合，而且避免了 GaInNAs电池对其它子电池的影响，可最大程度发挥四结电池的优势，显著提高电池的光电转换效率。
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型所述双面生长的GaAs四结太阳电池结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
[0013]如图1所示，本实施例所述的双面生长的GaAs四结太阳电池，包括有GaAs衬底，所述GaAs衬底为双面抛光的η型GaAs单晶片；在所述GaAs衬底的上表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaInP子电池、GaAs子电池、GaInNAs子电池和GaAs缓冲层；在所述GaAs衬底的下表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaxIrvxP渐变层和GaxIrvxAs子电池；所述GaInP子电池与GaAs子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAs子电池与GaInNAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述GaInNAs子电池与GaAs缓冲层之间通过第一隧道结连接。
[0014]所述GaInNAs子电池按照层状结构从上至下依次包括有η型AlGaAs窗口层，η型GahInxNyAs1^层或 η 型 GaAs 层，ρ 型 Ga ^xInxNyAs1I层，P 型 AlGaAs 背场层；其中 x:y =
2.8:1,0.02<y<0.03，GahlnJASh材料带隙为 1.0eV—1.leV。
[0015]所述GaxIrvxAs子电池按照层状结构从上至下依次包括有η型AlGaAs窗口层，η型 GaxIrvxAs 层或 η 型 GaAs 层，ρ 型 GaxIn1^As 层，ρ 型 AlGaAs 背场层;其中 0.4〈χ〈0.5，材料带隙为0.7eV—0.8eVo
[0016]下面为本实施例上述双面生长的GaAs四结太阳电池的具体制备过程，其情况如下:
[0017]首先，以4英寸双面抛光的η型GaAs单晶片为衬底，然后采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)或分子束外延生长技术(MBE)在GaAs衬底的上表面依次生长GaAs缓冲层、第一隧道结、GaInNAs子电池、第二隧道结、GaAs子电池、第三隧道结和GaInP子电池，最后将GaAs衬底翻转180°，再在GaAs衬底的下表面依次生长GaxIrvxP渐变层和GaxIrvxAs子电池，即可完成双面生长的GaAs四结太阳电池的制备。
[0018]综上所述，本实用新型在GaAs衬底的上表面设置有GaInP、GaAs和GaInNAs子电池，在其下表面设置带隙约0.7eV的GaInAs子电池，最终得到带隙结构为
1.9/1.42/1.04/0.7eV 的 GalnP/GaAs/GalnNAs/GalnAs 四结电池，这样不仅满足了太阳光谱下的四结电池最佳带隙组合，而且也避免了 GaInNAs电池对其它子电池的影响，可最大程度发挥四结电池的优势，显著提高电池的光电转换效率。总之，本实用新型可以更加充分地利用太阳光能量，提高GaAs多结电池的光电转换效率，值得推广。
[0019]以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1.一种双面生长的GaAs四结太阳电池，包括有GaAs衬底，其特征在于:所述GaAs衬底为双面抛光的η型GaAs单晶片；在所述GaAs衬底的上表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaInP子电池、GaAs子电池、GaInNAs子电池和GaAs缓冲层；在所述GaAs衬底的下表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有GaxIrvxP渐变层和GaxIrvxAs子电池；所述GaInP子电池与GaAs子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAs子电池与GaInNAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述GaInNAs子电池与GaAs缓冲层之间通过第一隧道结连接。
2.根据权利要求1所述的一种双面生长的GaAs四结太阳电池，其特征在于:所述GaInNAs子电池按照层状结构从上至下依次包括有η型AlGaAs窗口层，η型Ga1-JnxNyAs1I层或 η 型 GaAs 层，ρ 型 Ga1-JnxNyAs1I 层，P 型 AlGaAs 背场层；其中 x:y = 2.8:1，0.02<y<0.03，GahInxNyAs1I材料带隙为 1.0eV—1.1eVo
3.根据权利要求1所述的一种双面生长的GaAs四结太阳电池，其特征在于:所述GaxIn1^xAs子电池按照层状结构从上至下依次包括有η型AlGaAs窗口层，η型GaxIrvxAs层或η型GaAs层，ρ型GaxIrvxAs层，ρ型AlGaAs背场层；其中0.4〈χ〈0.5，材料带隙为0.7eV一0.8eVo
【专利摘要】本实用新型公开了一种双面生长的GaAs四结太阳电池，包括GaAs衬底，其中，所述GaAs衬底为双面抛光的n型GaAs单晶片，在所述GaAs衬底的上表面设置有GaInP子电池、GaAs子电池、GaInNAs子电池和GaAs缓冲层，在所述GaAs衬底的下表面设置有GaxIn1-xP渐变层和GaxIn1-xAs子电池，所述GaInP子电池和GaAs子电池之间通过第三隧道结连接，所述GaAs子电池与GaInNAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述GaInNAs子电池与GaAs缓冲层之间通过第一隧道结连接。本实用新型可以更加充分地利用太阳光能量，提高GaAs多结电池的光电转换效率。
【IPC分类】H01L31-0687, H01L31-0693
【公开号】CN204315605
【申请号】CN201420746164
【发明人】张小宾, 王雷, 陈丙振, 潘旭, 张露, 张杨, 杨翠柏
【申请人】瑞德兴阳新能源技术有限公司
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年11月28日