含多个双异质结子电池的五结太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种含多个双异质结子电池的五结太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

随着我国航天产业在多个领域已经步入了商业化进程，中国航天领域在商业航天方面发展取得了突破性进展，并在军民融合的大背景条件下，空间电源系统更是成为发展商业航天至关重要的一环。因此，空间电源系统迫切需要光电转换效率高的及制造成本低的太阳能电池，而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系统和空间电源系统。对于传统的砷化镓多结太阳能电池，其主流结构是整体保持晶格匹配，带隙组合为1.85/1.40/0.67ev的gainp/gainas/ge三结太阳能电池。然而，该电池结构对于太阳光光谱的分配并非是最佳，由于gainas子电池和ge子电池之间的带隙差距较大，该结构下ge底电池的短路电流最大可达中电池和顶电池的两倍，并受到串联结构的电流限制原因，很大一部分太阳光能量无法被充分转换利用，限制了电池性能的提高。随后，为了太阳电池对太阳能光谱更有效的吸收利用，典型带隙组合为1.9/1.42/1.02/0.75ev的四结太阳电池已在多家单位研发中，由于可实现各子电池光电流的匹配，该结构太阳电池在am0光谱下的效率可达33-34％。但若要进一步提高叠层太阳电池的光电转换效率，仍需增加子电池结数。理论上叠层太阳电池的结数越多，电池的带隙分布与太阳光谱的能量越匹配，从而降低光生载流子的热化损耗，提高电池效率。因此，效率能够达到36％以上的五结太阳电池将成为下一代多结太阳电池研发的方向。

理论分析表明，一种含多个双异质结子电池的高效五结太阳能电池可以优化带隙组合，提高电池的光电转换效率，其关键在于异质结材料选择上必须保持晶格匹配，这样才能保证外延材料的晶体质量。ga1-xinxasyp1-y四元化合物具有可独立地改变其禁带宽度和晶格常数的特点，通过调节x和y的值，可实现与gaas晶格匹配和inp晶格匹配，因此，不同带隙但晶格匹配的双异质结子电池可更加合理的分配太阳光谱，并有效提高太阳电池的开路电压和降低光生载流子的热化损耗。相比较目前技术手段所生长的外延材料晶体质量较差的gainnas，ga1-xinxasyp1-y外延材料生长降低了电池的制备难度和成本。因此，采用双面抛光的gaas衬底，在gaas衬底的上表面依次制备gaas子电池、gainasp双异质结子电池和algainp子电池，再在其下表面分别制备第一gaxin1-xas双异质结子电池、第二gayin1-yas双异质结子电池，最终形成带隙结构为2.06/1.7/1.4/1.0/0.75ev的algainp/gainasp/gaas/gaxin1-xas/gayin1-yas五结太阳能电池；其中，gainasp双异质结子电池，为五结太阳电池中的限流结，在gainasp子电池的发射区与基区之间插入窄带隙晶格匹配的gaas基区层，有助于该子电池对长波段光谱的光子吸收，可有效提高该子电池的短路电流，降低整体电池光生载流子的热化损耗；同理，在第一gaxin1-xas双异质结子电池、第二gayin1-yas双异质结子电池的发射区与基区之间插入高带隙晶格匹配的gainasp层可提高该子电池的开路电压；因此，该电池结构可最大程度地体现出五结电池的优势，显著提高gaas多结太阳电池的开路电压和整体光电转换效率。

在gainas子电池的实际制备过程中，由于gainas材料晶格常数与gaas材料的晶格常数不匹配，故在gaas衬底与第一gaxin1-xas子电池之间、第四隧道结与第二gayin1-yas子电池之间分别生长gamin1-mp、ganin1-np渐变过渡层，使gaas材料的晶格常数分别向带隙为1.0ev的gaxin1-xas材料与带隙为0.75ev的gayin1-yas材料的晶格常数渐变；在结构设计中，通过采用gamin1-mp、ganin1-np渐变过渡层，克服了第一gaxin1-xas子电池、第二gayin1-yas子电池与其余外延结构之间的晶格失配，避免了晶格失配所带来的穿透位错与应力的影响，改善外延材料体内所产生位错、缺陷以及表面起伏，从而优化器件的性能，保证外了延材料的晶体质量，提高了光电转换效率。综上，这种algainp/gainasp/gaas/gaxin1-xas/gayin1-yas五结太阳能电池既可以满足更加接近太阳光光谱的带隙组合，又可以保证各个子电池的电流失配小，增大电池开路电压的同时减少了光电转换过程中的热能损失，可最大程度地发挥五结电池的优势，提高电池效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种含多个双异质结子电池的五结太阳能电池及其制备方法，通过在gaas衬底上下表面双面生长的方法，获得由algainp子电池、gainasp双异质结子电池、gaas子电池、第一gaxin1-xas双异质结子电池、第二gayin1-yas双异质结子电池组成的五结太阳能电池，保证晶体质量的同时，使电池的带隙结构达到与太阳光谱的最佳匹配，优化电池的光电流匹配，增加电池的整体短路电流，并提高gaas多结电池的整体开路电压和填充因子，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，如下：

含多个双异质结子电池的五结太阳能电池，包括gaas衬底，所述gaas衬底为双面抛光的n型gaas单晶片，在所述gaas衬底的上表面按照层状叠加结构由下至上依次设置有gaas缓冲层、gaas子电池、gainasp双异质结子电池和algainp子电池，在所述gaas衬底下表面按照层状叠加结构自上而下依次设置有gamin1-mp渐变层、第一gaxin1-xas双异质结子电池、ganin1-np渐变层和第二gayin1-yas双异质结子电池，所述gaas缓冲层和gaas子电池之间通过第一隧道结连接，所述gaas子电池和gainasp双异质结子电池之间通过第二隧道结连接，所述gainasp双异质结子电池和algainp子电池之间通过第三隧道结连接，所述第一gaxin1-xas双异质结子电池和ganin1-np渐变层之间通过第四隧道结连接。

进一步，所述gaas缓冲层、gaas子电池、gainasp双异质结子电池和algainp子电池均与gaas衬底保持晶格匹配；所述gaas缓冲层为n型掺杂层，厚度为500～800nm。

进一步，所述gaas子电池的带隙为1.4ev，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型gainp窗口层、n型gainp发射区、p型gaas基区及p型gainp背场层。

进一步，所述gainasp双异质结子电池的带隙为1.7ev，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型alinp窗口层、n型gainasp发射区、p型gaas/gainasp基区及p型algaas背场层。

进一步，所述algainp子电池的带隙为2.06ev，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型alinp窗口层、n型algainp发射区、p型algainp基区及p型algainp背场层。

进一步，所述gamin1-mp渐变层的m值从上至下在0.52～0区间渐变，对应的晶格常数从与gaas匹配渐变为与gaxin1-xas匹配，其中0.4<x<0.5。

进一步，所述第一gaxin1-xas双异质结子电池的带隙为1.0ev，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型alinp窗口层、n型gainp发射区、p型gainasp/gaxin1-xas基区及p型gainp背场层，其中0.4<x<0.5。

进一步，所述ganin1-np渐变层的n值从上至下在0.52～0区间渐变，对应的晶格常数从与gaxin1-xas匹配渐变为与gayin1-yas匹配，其中0.4<y<0.5。

进一步，所述第二gayin1-yas双异质结子电池的带隙为0.75ev，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型algaas窗口层、n型gainp发射区、p型gainasp/gayin1-yas基区及p型algaas背场层，其中0.4<y<0.5。

上述含多个双异质结子电池的五结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

1)选择一双面抛光的n型gaas单晶片，采用金属有机物化学气相沉积技术，在其上表面生长一层n型掺杂的gaas缓冲层，厚度为500～800nm，该层作用是为了减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；

2)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在gaas缓冲层之上生长第一隧道结，所述第一隧道结包括按照远离gaas缓冲层方向依次连接的n++gaas材料层和p++algaas材料层；

3)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在第一隧道结之上生长gaas子电池，所述gaas子电池包括按照远离第一隧道结方向依次连接的p型gainp背场层、p型gaas基区、n型gainp发射区和n型alinp窗口层；

4)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在gaas子电池之上生长第二隧道结；所述第二隧道结包括按照远离gaas子电池方向依次连接的n++gainp材料层和p++algaas材料层；

5)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在第二隧道结之上生长gainasp双异质结子电池，所述gainasp双异质结子电池包括按照远离第二隧道结方向依次连接的p型algaas背场层、p型gainasp基区、p型gaas基区、n型gainasp发射区及n型alinp窗口层；其中，gainasp材料带隙在1.59～1.88ev区间，gaas材料带隙在1.4～1.59ev区间；

6)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在gainasp双异质结子电池生长之上第三隧道结；所述第三隧道结包括按照远离gainasp双异质结子电池方向依次连接的n++algainp材料层和p++algaas材料层；

7)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第三隧道结之上生长algainp子电池，所述algainp子电池包括按照远离第三隧道结方向依次连接的p型algainp背场层、p型algainp基区、n型algainp发射区和n型alinp窗口层；其中，背场层为50％al组分的algainp材料，其对应带隙为1.85～2.23ev；基区与发射区为25％al组分的algainp材料，其对应带隙为2.06ev；窗口层是带隙为2.3ev的alinp材料；

8)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件及双面抛光的n型gaas单晶片的朝向，在双面抛光的n型gaas单晶片的下表面生长gamin1-mp渐变层，所述gamin1-mp渐变层的in组分渐变，使得晶格常数渐变，所述gamin1-mp渐变层的晶格常数由gaas材料的晶格常数向第一gaxin1-xas子电池的晶格常数渐变，其中m的值在0.52～0区间，所述gamin1-mp渐变层用于克服第一gaxin1-xas子电池与其余外延结构之间的晶格失配；

9)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在gamin1-mp渐变层之上生长第一gaxin1-xas子电池，所述第一gaxin1-xas子电池包括按照远离gamin1-mp渐变层方向依次连接的n型alinp窗口层、n型gainp发射区、p型gainasp基区、p型gaxin1-xas基区和p型gainp背场层；其中，gaxin1-xas材料带隙在0.9～1.2ev区间，gainasp材料带隙在0.74～1.36ev区间，0.4<x<0.5；

10)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第一gaxin1-xas子电池之上生长第四隧道结，所述第四隧道结包括按照远离第一gaxin1-xas子电池方向依次连接的p++gaas材料层和n++gaas材料层；

11)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第四隧道结之上生长ganin1-np渐变层，所述ganin1-np渐变层的in组分渐变，使得晶格常数渐变，所述ganin1-np渐变层的晶格常数由第一gaxin1-xas子电池的晶格常数向第二gayin1-yas子电池的晶格常数渐变，所述ganin1-np渐变层用于克服第二gayin1-yas子电池与其余外延结构之间的晶格失配，其中n的值在0.52～0区间；

12)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在ganin1-np渐变层之上生长第二gayin1-yas子电池，所述第二gayin1-yas子电池包括按照远离ganin1-np渐变层方向依次连接的n型algaas窗口层、n型gainp发射区、p型gainasp基区、p型gayin1-yas基区和p型algaas背场层；其中，gayin1-yas材料带隙在0.7～0.9ev区间，gainasp材料带隙在0.74～1.36ev区间，0.4<y<0.5。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明利用双面抛光的gaas衬底，在其上表面设置algainp子电池、gainasp双异质结子电池、gaas子电池，在其下表面设置第一gaxin1-xas双异质结子电池、第二gayin1-yas双异质结子电池，最终可以得到带隙组合为2.06/1.7/1.4/1.0/0.75ev的algainp/gainasp/gaas/gaxin1-xas/gayin1-yas五结太阳能电池，该太阳能电池既可以满足更加接近太阳光光谱的带隙组合，又可以保证各个子电池的电流失配小，增大电池开路电压的同时，减少了光电转换过程中的热能损失，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为本发明的五结太阳能电池结构示意图。

图2为gainasp双异质结子电池结构示意图。

图3为第一gaxin1-xas双异质结子电池结构示意图。

图4为第二gayin1-yas双异质结子电池结构示意图。

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，本实施例所提供的含多个双异质结子电池的五结太阳能电池，包括gaas衬底1，所述gaas衬底1为双面抛光的n型gaas单晶片，在所述gaas衬底1的上表面按照层状叠加结构由下至上依次设置有gaas缓冲层2、gaas子电池3、gainasp双异质结子电池4和algainp子电池5，在所述gaas衬底下表面按照层状叠加结构自上而下依次设置有gamin1-mp渐变层6、第一gaxin1-xas双异质结子电池7、ganin1-np渐变层8和第二gayin1-yas双异质结子电池9，所述gaas缓冲层2和gaas子电池3之间通过第一隧道结10连接，所述gaas子电池3和gainasp双异质结子电池4之间通过第二隧道结11连接，所述gainasp双异质结子电池4和algainp子电池5之间通过第三隧道结12连接，所述第一gaxin1-xas双异质结子电池7和ganin1-np渐变层8之间通过第四隧道结13连接。

所述gaas缓冲层2、gaas子电池3、gainasp双异质结子电池4和algainp子电池5均与gaas衬底1保持晶格匹配。

所述gaas缓冲层2为n型掺杂层，厚度为500～800nm。

所述gaas子电池3的带隙为1.4ev，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型gainp窗口层、n型gainp发射区、p型gaas基区及p型gainp背场层。

所述gainasp双异质结子电池4的带隙为1.7ev，如图2所示，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型alinp窗口层41、n型gainasp发射区42、p型gaas/gainasp基区43、44及p型algaas背场层45。

所述algainp子电池5的带隙为2.06ev，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型alinp窗口层、n型algainp发射区、p型algainp基区及p型algainp背场层。

所述gamin1-mp渐变层6的m值从上至下在0.52～0区间渐变，对应的晶格常数从与gaas匹配渐变为与gaxin1-xas匹配，其中0.4<x<0.5。

所述第一gaxin1-xas双异质结子电池7的带隙为1.0ev，如图3所示，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型alinp窗口层71、n型gainp发射区72、p型gainasp/gaxin1-xas基区73、74及p型gainp背场层75，其中0.4<x<0.5。

所述ganin1-np渐变层8的n值从上至下在0.52～0区间渐变，对应的晶格常数从与gaxin1-xas匹配渐变为与gayin1-yas匹配，其中0.4<y<0.5。

所述第二gayin1-yas双异质结子电池9的带隙为0.75ev，如图4所示，其包括按照层状叠加结构从上至下依次设置的n型algaas窗口层91、n型gainp发射区92、p型gainasp/gayin1-yas基区93、94及p型algaas背场层95，其中0.4<y<0.5。

以下为本实施例上述含多个双异质结子电池的五结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

1)选择一双面抛光的n型gaas单晶片，采用金属有机物化学气相沉积技术，在其上表面生长一层n型掺杂的gaas缓冲层，厚度为500～800nm，该层作用是为了减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量；

2)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在gaas缓冲层之上生长第一隧道结，所述第一隧道结包括按照远离gaas缓冲层方向依次连接的n++gaas材料层和p++algaas材料层；

3)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在第一隧道结之上生长gaas子电池，所述gaas子电池包括按照远离第一隧道结方向依次连接的p型gainp背场层、p型gaas基区、n型gainp发射区和n型alinp窗口层；

4)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在gaas子电池之上生长第二隧道结；所述第二隧道结包括按照远离gaas子电池方向依次连接的n++gainp材料层和p++algaas材料层；

5)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变外延生长条件，在第二隧道结之上生长gainasp双异质结子电池，所述gainasp双异质结子电池包括按照远离第二隧道结方向依次连接的p型algaas背场层、p型gainasp基区、p型gaas基区、n型gainasp发射区及n型alinp窗口层；其中，gainasp材料带隙在1.59～1.88ev区间，gaas材料带隙在1.4～1.59ev区间；

6)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在gainasp双异质结子电池生长之上第三隧道结；所述第三隧道结包括按照远离gainasp双异质结子电池方向依次连接的n++algainp材料层和p++algaas材料层；

7)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第三隧道结之上生长algainp子电池，所述algainp子电池包括按照远离第三隧道结方向依次连接的p型algainp背场层、p型algainp基区、n型algainp发射区和n型alinp窗口层；其中，背场层为50％al组分的algainp材料，其对应带隙为1.85～2.23ev左右；基区与发射区为25％al组分的algainp材料，其对应带隙为2.06ev左右；窗口层是带隙为2.3ev左右的alinp材料；

8)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件及双面抛光的n型gaas单晶片的朝向，在双面抛光的n型gaas单晶片的下表面生长gamin1-mp渐变层，所述gamin1-mp渐变层的in组分渐变，使得晶格常数渐变，所述gamin1-mp渐变层的晶格常数由gaas材料的晶格常数向第一gaxin1-xas子电池的晶格常数渐变，其中m的值在0.52～0区间，所述gamin1-mp渐变层用于克服第一gaxin1-xas子电池与其余外延结构之间的晶格失配；

9)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在gamin1-mp渐变层之上生长第一gaxin1-xas子电池，所述第一gaxin1-xas子电池包括按照远离gamin1-mp渐变层方向依次连接的n型alinp窗口层、n型gainp发射区、p型gainasp基区、p型gaxin1-xas基区和p型gainp背场层；其中，gaxin1-xas材料带隙在0.9～1.2ev区间，gainasp材料带隙在0.74～1.36ev区间，0.4<x<0.5；

10)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第一gaxin1-xas子电池之上生长第四隧道结，所述第四隧道结包括按照远离第一gaxin1-xas子电池方向依次连接的p++gaas材料层和n++gaas材料层；

11)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第四隧道结之上生长ganin1-np渐变层，所述ganin1-np渐变层的in组分渐变，使得晶格常数渐变，所述ganin1-np渐变层的晶格常数由第一gaxin1-xas子电池的晶格常数向第二gayin1-yas子电池的晶格常数渐变，所述ganin1-np渐变层用于克服第二gayin1-yas子电池与其余外延结构之间的晶格失配，其中n的值在0.52～0区间；

12)采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在ganin1-np渐变层之上生长第二gayin1-yas子电池，所述第二gayin1-yas子电池包括按照远离ganin1-np渐变层方向依次连接的n型algaas窗口层、n型gainp发射区、p型gainasp基区、p型gayin1-yas基区和p型algaas背场层；其中，gayin1-yas材料带隙在0.7～0.9ev区间，gainasp材料带隙在0.74～1.36ev区间，0.4<y<0.5。

综上所述，本发明利用gainasp材料可独立地改变其禁带宽度和晶格常数以实现与gaas晶格匹配和inp晶格匹配的自身特点，引入了双异质结子电池，在gainasp双异质结子电池的发射区与基区之间插入窄带隙晶格匹配的gaas基区层，增加该子电池对长波段光谱的光子吸收，提高短路电流，降低整体电池光生载流子的热化损耗；同理，在第一gaxin1-xas双异质结子电池、第二gayin1-yas双异质结子电池的发射区与基区之间插入高带隙晶格匹配的gainasp层以提高电池的开路电压，并保持除了gainas材料层外整体的晶格匹配，提高了晶体质量；在双面生长的高效五结太阳能电池的下方，引入gainp渐变过渡层，通过调节gainp的in组分以解决gaas材料与gainas材料的晶格失配问题，可最大程度地发挥五结电池的优势，即提供更加接近太阳光光谱的带隙组合，且使各个子电池的电流失配小，减少光电转换过程中的热能损失并增大电池开路电压等。总之，本发明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，具有实际推广价值，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。