一种无铝的高效五结太阳能电池的制作方法

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五结太阳能电池。

背景技术：

目前，太阳能电池从技术发展历史来看，经历了三代太阳能电池的发展：第一代太阳能电池为晶体硅电池(单晶硅和多晶硅太阳能电池)，第二代太阳能电池为薄膜电池(硅基薄膜太阳能电池、碲化镉太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池和有机聚合物太阳能电池等)，第三代太阳能电池为高效电池(量子点太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和砷化镓(多结)电池等)。

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。

带隙组合为2.2/1.7/1.4/1.0/0.67ev的五结太阳能电池，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36％以上，远远高于传统三结电池，这主要是因为五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。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。

用于带隙为2.2ev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，而高铝组分引入的氧系缺陷将导致材料质量差、材料少子寿命短，使得光生载流子收集效率低。近年来发展最炙手可热的另一种太阳能电池为钙钛矿太阳能电池，钙钛矿结构太阳能电池具有优越的光吸收特性、载流子寿命长、迁移率高等优点。此外，钙钛矿太阳能电池可采用全溶液法制备，制备工艺简单、成本低廉。同时钙钛矿太阳能电池的带隙可通过改变钙钛矿abx3结构中的x位元素来实现带隙连续可调，可调范围在1.48ev～2.3ev，故钙钛矿太阳能电池亦适用于叠层电池中，发展前景广阔。

因此，本专利提出采用钙钛矿材料代替镓砷系含铝材料，通过改变钙钛矿abx3结构中的x位元素制备带隙分别为1.7ev和2.2ev的钙钛矿子电池。

总之，这种无铝的五结太阳能电池，既可以满足五结电池带隙组合的理论设计要求，又能避免高铝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，可最大程度地发挥五结电池的优势，提高电池转换效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种无铝的高效五结太阳能电池，可以提高宽带隙材料的子电池收集效率，增加短路电流，节约生产成本，最终发挥五结电池的优势，提高电池整体光电转换效率。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种无铝的高效五结太阳能电池，包括有ge衬底，所述ge衬底为p型ge单晶片；在所述ge衬底上表面按照层状叠加结构由下至上依次设置有gainas/gainp缓冲层、gainnas子电池、gainas子电池、第一钙钛矿子电池、第二钙钛矿子电池；所述gainas/gainp缓冲层和gainnas子电池之间通过第一隧道结连接，所述gainnas子电池和gainas子电池之间通过第二隧道结连接，所述gainas子电池和第一钙钛矿子电池之间通过第三隧道结连接，所述第一钙钛矿子电池和第二钙钛矿子电池之间通过第四隧道结连接。

进一步，所述p型ge衬底通过磷扩散形成ge子电池，所述ge子电池中ge材料的光学带隙为0.67ev。

进一步，所述gainnas子电池中gainnas材料的光学带隙为1.0ev。

进一步，所述gainas子电池中gainas材料的光学带隙为1.4ev。

进一步，所述第一钙钛矿子电池中钙钛矿材料的光学带隙为1.7ev。

进一步，所述第二钙钛矿子电池中钙钛矿材料的光学带隙为2.2ev。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明的关键在于用无铝的钙钛矿材料代替含铝宽带隙材料作为2.2ev与1.7ev子电池的材料，避免了铝组分带来的材料质量差及少子扩散长度短的问题。该电池结构既可以满足五结电池带隙组合的理论设计要求，又能避免含铝宽带隙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，可最大程度地发挥五结电池的优势，提高电池效率。

附图说明

图1为本发明所述无铝的高效五结太阳能电池的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的无铝的高效五结太阳能电池，包括有ge衬底1，所述ge衬底1为p型ge单晶片；在所述ge衬底1上表面按照层状叠加结构由下至上依次设置有gainas/gainp缓冲层2、gainnas子电池4、gainas子电池6、第一钙钛矿子电池8和第二钙钛矿子电池10；所述gainas/gainp缓冲层2和gainnas子电池4之间通过第一隧道结3连接，所述gainnas子电池4和gainas子电池6之间通过第二隧道结5连接，所述gainas子电池6和第一钙钛矿子电池8通过第三隧道结7连接，所述第一钙钛矿子电池8和第二钙钛矿子电池10通过第四隧道结9连接。

所述p型ge衬底通过磷扩散形成ge子电池，所述ge子电池中ge材料的光学带隙为0.67ev。

所述gainnas子电池4中gainnas材料的光学带隙为1.0ev。

所述gainas子电池6中gainas材料的光学带隙为1.4ev。

所述第一钙钛矿子电池8中钙钛矿材料的光学带隙为1.7ev。

所述第二钙钛矿子电池10中钙钛矿材料的光学带隙为2.2ev。

下面为本实施例上述晶格匹配的高效五结太阳能电池的具体制备过程，其情况如下：

首先，以4英寸p型ge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ge衬底1的上表面依次生长gainas/gainp缓冲层2、第一隧道结3、gainnas子电池4、第二隧道结5、gainas子电池6、第三隧道结7，然后采用溶液法依次制备第一钙钛矿子电池8、第四隧道结9、第二钙钛矿子电池10，即可完成高效五结太阳能电池的制备。

综上所述，本发明不仅可以满足五结电池带隙组合的理论设计要求，还能避免实际制备过程中含铝宽带隙材料少子扩散长度较小的问题，并且可以节约电池的生产成本，可最大程度地发挥五结电池的优势，显著提高电池效率。总之，本发明可以更加充分地利用太阳光能量，提高多结电池的光电转换效率，值得推广。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。