一種含量子結構的雙面生長四結太陽電池的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種含量子結構的雙面生長四結太陽電池，包括GaAs襯底，所述GaAs襯底為雙面拋光的n型GaAs單晶片，在所述GaAs襯底的上表面設置有GaInP子電池、GaAs子電池和第一GaAs緩沖層，在所述GaAs襯底的下表面設置有第二GaAs緩沖層、第一量子點子電池和第二量子點子電池，所述GaInP子電池和GaAs子電池之間通過第三隧道結連接，所述GaAs子電池與第一GaAs緩沖層之間通過第二隧道結連接，所述第一量子點子電池與第二量子點子電池之間通過第一隧道結連接。本發明可以提高太陽電池對太陽光譜的利用率，從而提高多結太陽電池的光電轉換效率。
【專利說明】 —種含量子結構的雙面生長四結太陽電池
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能光伏的【技術領域】，尤其是指一種含量子結構的雙面生長四結太陽電池。
【背景技術】
[0002]光伏電池技術從材料類型來區分，主要可以分為三種:一是以晶硅電池為代表的第一代太陽電池，主要包括單晶硅電池和多晶硅電池等，目前技術已經非常成熟，效率接近理論極限，提升空間不大；一是以薄膜電池為代表的第二代太陽電池，成本較低，然后轉換效率不高；最后一種是砷化鎵多結太陽電池，轉換效率較高，還有很大發展空間，可用于聚光光伏發電(CPV)系統和空間電源系統。砷化鎵多結電池的主流結構是由GalnP、GaInAs和Ge子電池組成的GalnP/GalnAs/Ge三結太陽電池，電池結構上整體保持晶格匹配，帶隙結構為1.85/1.40/0.67eV。然而，對于太陽光光譜，由于GaInAs子電池和Ge子電池之間較大的帶隙差距，這種三結電池的帶隙組合并不是最佳的，這種結構下Ge底電池的短路電流遠遠大于中電池和頂電池(V.Sabnis, H.Yuen, and Μ.Wiemer, AIP Conf.Proc.1477(2012) 14)，由于串聯結構的電流限制原因，這種結構造成了很大一部分光譜能量不能被充分轉換利用，限制了電池性能的提高。
[0003]理論分析表明，帶隙結構為1.90/1.43/1.04/0.67eV的四結太陽電池理論效率能達到58%，結合實際因素后的效率極限達47%，遠高于傳統三結42%的極限效率(R.R.King, D.C.Law, K.M.Edmondson et al.，Advances in OptoElectronics,2007(2007)29523)，這主要是因為相比于三結電池，四結電池可以減少熱損失，提高電池對太陽光譜的利用率，同時提高開路電壓和填充因子。經理論研究與實驗證明，InxGahAs/GaAs量子點結構層可以調節材料的吸收帶隙，當0.4〈x〈l.0時,通過調節InxGapxAs量子點的周期、尺寸等參數，利用量子點超晶格結構的微帶效應可以將InxGai_xAS/GaAS量子點結構層的光學帶隙調節為1.0eV—1.1eV之間；同樣，當0.7〈x〈l.0時，可以將其光學帶隙調節為0.6eV—0.SeV之間。因此，基于GaAs雙面生長襯底引入量子結構后可形成理想的四結太陽電池結構，能大大提高電池轉換效率。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有技術的不足與缺點，提供一種含量子結構的雙面生長四結太陽電池，可以使電池的帶隙結構與太陽光譜更加匹配，充分發揮四結電池的優勢，提高電池對太陽光譜的利用率，提高多結電池的整體開路電壓和填充因子，并最終提高電池的光電轉換效率。
[0005]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種含量子結構的雙面生長四結太陽電池,包括有GaAs襯底,所述GaAs襯底為雙面拋光的η型GaAs單晶片；在所述GaAs襯底的上表面按照層狀疊加結構從上至下依次設置有GaInP子電池、GaAs子電池和第一 GaAs緩沖層；在所述GaAs襯底的下表面按照層狀疊加結構從上至下依次設置有第二 GaAs緩沖層、第一量子點子電池和第二量子點子電池；所述GaInP子電池和GaAs子電池之間通過第三隧道結連接，所述GaAs子電池與第一 GaAs緩沖層之間通過第二隧道結連接，所述第一量子點子電池與第二量子點子電池之間通過第一隧道結連接。
[0006]所述第一量子點子電池為p-1-n結構的InGaAs/GaAs量子點太陽電池,從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非慘雜的Ir^GahAs/GaAs ?子點結構層、ρ型GaAs層、ρ型AlGaAs背場層；其中0.4〈χ〈1.0, InxGa1^xAsZGaAs量子點結構層光學帶隙為 1.0eV—1.1eV0
[0007]所述第二量子點子電池為p-1-n結構的InGaAs/GaAs量子點太陽電池,從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非慘雜的Ir^GahAs/GaAs ?子點結構層、ρ型GaAs層、ρ型AlGaAs背場層；其中0.7〈χ〈1.0, In.Ga^.As/GaAs量子點結構層光學帶隙為 0.6eV—0.8eV0
[0008]本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0009]利用GaAs雙面生長襯底，并結合量子結構材料的自身特點，在GaAs襯底的上表面設置有GalnP、GaAs子電池，在其下表面設置帶隙約1.0eV — 1.1eV的第一量子點子電池和帶隙約0.6eV-0.8eV的第二量子點子電池，最終得到帶隙組合結構接近
1.9/1.42/1.04/0.7eV的四結太陽電池，達到太陽光譜下四結電池最佳帶隙組合，最大程度發揮四結電池的優勢，提高電池對太陽光譜的利用率，顯著提高電池的光電轉換效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明所述含量子結構的雙面生長四結太陽電池結構示意圖。
【具體實施方式】
[0011]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0012]如圖1所示,本實施例所述的含量子結構的雙面生長四結太陽電池,包括有GaAs襯底，所述GaAs襯底為雙面拋光的η型GaAs單晶片；在所述GaAs襯底的上表面按照層狀疊加結構從上至下依次設置有GaInP子電池、GaAs子電池和第一 GaAs緩沖層；在所述GaAs襯底的下表面按照層狀疊加結構從上至下依次設置有第二 GaAs緩沖層、第一量子點子電池和第二量子點子電池；所述GaInP子電池和GaAs子電池之間通過第三隧道結連接，所述GaAs子電池與第一 GaAs緩沖層之間通過第二隧道結連接，所述第一量子點子電池與第二量子點子電池之間通過第一隧道結連接。
[0013]所述第一量子點子電池為p-1-n結構的InGaAs/GaAs量子點太陽電池,從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非慘雜的Ir^GahAs/GaAs ?子點結構層、ρ型GaAs層、ρ型AlGaAs背場層；其中0.4〈χ〈1.0, InxGa1^xAsZGaAs量子點結構層光學帶隙為 1.0eV—1.1eV0
[0014]所述第二量子點子電池為p-1-n結構的InGaAs/GaAs量子點太陽電池,從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非慘雜的Ir^GahAs/GaAs ?子點結構層、ρ型GaAs層、ρ型AlGaAs背場層；其中0.7〈χ〈1.0, In.Ga^.As/GaAs量子點結構層光學帶隙為 0.6eV—0.8eV0
[0015]下面為本實施例上述含量子結構的雙面生長四結太陽電池的具體制備過程，其情況如下:
[0016]首先，以4英寸雙面拋光的η型GaAs單晶片為襯底，然后采用金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)或分子束外延生長技術(MBE)在GaAs襯底的上表面依次生長第一GaAs緩沖層、第二隧道結、GaAs子電池、第三隧道結和GaInP子電池,最后將GaAs襯底翻轉180°，再在GaAs襯底的下表面依次生長第二 GaAs緩沖層、第一量子點子電池、第一隧道結和第二量子點子電池，即可完成含量子結構的雙面生長四結太陽電池的制備。
[0017]綜上所述，本發明利用GaAs雙面生長襯底，并結合量子結構材料的自身特點，在GaAs襯底的上表面設置有GaInP、GaAs子電池，在其下表面設置帶隙約1.0eV—1.1eV的第一量子點子電池和帶隙約0.6eV — 0.SeV的第二量子點子電池，最終得到帶隙組合結構接近1.9/1.42/1.04/0.7eV的四結太陽電池，達到太陽光譜下四結電池最佳帶隙組合，最大程度發揮四結電池的優勢，提高電池對太陽光譜的利用率，顯著提高電池的光電轉換效率。總之，本發明可以提高太陽電池對太陽光譜的利用率，從而盡可能提高多結太陽電池的光電轉換效率，值得推廣。
[0018]以上所述之實施例子只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種含量子結構的雙面生長四結太陽電池，包括有GaAs襯底，其特征在于:所述GaAs襯底為雙面拋光的η型GaAs單晶片；在所述GaAs襯底的上表面按照層狀疊加結構從上至下依次設置有GaInP子電池、GaAs子電池和第一 GaAs緩沖層；在所述GaAs襯底的下表面按照層狀疊加結構從上至下依次設置有第二 GaAs緩沖層、第一量子點子電池和第二量子點子電池；所述GaInP子電池和GaAs子電池之間通過第三隧道結連接，所述GaAs子電池與第一 GaAs緩沖層之間通過第二隧道結連接，所述第一量子點子電池與第二量子點子電池之間通過第一隧道結連接。
2.根據權利要求1所述的一種含量子結構的雙面生長四結太陽電池，其特征在于:所述第一量子點子電池為p-1-n結構的InGaAs/GaAs量子點太陽電池，從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非摻雜的InfahAs/GaAs量子點結構層、p型GaAs層、p型AlGaAs背場層；其中0.4<χ<1.0, In.Ga^.As/GaAs量子點結構層光學帶隙為1.0eV—1.1eV0
3.根據權利要求1所述的一種含量子結構的雙面生長四結太陽電池，其特征在于:所述第二量子點子電池為P-1-n結構的InGaAs/GaAs量子點太陽電池，從上至下依次包括有η型AlGaAs窗口層、η型GaAs層、非摻雜的InfahAs/GaAs量子點結構層、p型GaAs層、p型AlGaAs背場層；其中0.7<χ<1.0, InxGa1^xAsZGaAs量子點結構層光學帶隙為0.6eV — 0.8eV。
【文檔編號】H01L31/0352GK104465846SQ201410705349
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優先權日:2014年11月28日
【發明者】張小賓, 陳丙振, 楊翠柏 申請人:瑞德興陽新能源技術有限公司