一种晶格匹配的六结太阳能电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能光伏的技术领域，尤其是指一种晶格匹配的六结太阳能电池。
【背景技术】
[0002]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GalnP、GalnAs和Ge子电池组成的GalnP/GalnAs/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GalnAs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。
[0003]理论分析表明，半导体化合物六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，但是在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。近些年来，研究者发现GalnNAs四元合金材料中，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GalnNAs的光学带隙达到0.9?1.4eV，并且与Ge衬底(或GaAs衬底)晶格匹配。因此，基于Ge衬底可以生长得到AlGalnP/AlGalnAs/GalnAs/Gal-3yIn3yNyAs 1-y/Gal-3xIn3xNxAsl~x/Ge 六结太阳能电池，该六结电池可以通过调节各个子电池的材料参数保持晶格匹配，并可以将带隙组合优化为
2.1/1.7/1.4/1.1/0.9/0.67eV，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。
[0004]然而，在GalnNAs材料的实际制备过程中，由于GalnNAs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。此时，若GalnNAs材料层太厚，并不能形成对光生载流子的有效收集；gGaInNAs材料层太薄则造成电池吸收率太低，不能将相应波段的光子完全吸收。因此，如果在GalnNAs材料层下面插入分布式布拉格反射层(DBR，Distributed Brag Reflector)结构则可以有效解决该问题，降低GalnNAs子电池设计厚度。在结构设计中，可以通过调节DBR结构反射相应波段的太阳光，使初次没有被GalnNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相当于变相地增加了 GalnNAs的“有效吸收厚度”，完美解决了少子扩散长度较小和吸收厚度要求之间的矛盾。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，减小GalnNAs材料层厚度还可以降低电池的生产成本。
[0005]总之，这种包含GalnNAs 材料和 DBR 结构的 AlGalnP/AlGalnAs/GalnAs/Gal-3yIn3yNyAsl-y/Gal-3xIn3xNxAsl-x/Ge六结太阳能电池在保证晶格匹配的基础上，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GalnNAs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】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出一种晶格匹配的高效六结太阳能电池，可以提高G a I η NA s子电池收集效率，增加六结电池短路电流，还可以减少GalnNAs子电池厚度，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。
[0007]为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为:一种晶格匹配的六结太阳能电池，包括有Ge衬底，所述Ge衬底为p型Ge单晶片；在所述Ge衬底上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有 GalnAs/GalnP 缓冲层、AlGaAs/GalnAs DBR、6&1 3xIn3xNxASl.子电池、AlAs/AlGaAs DBR、Ga! 3yIn3yNyAs1 y子电池、GalnAs 子电池、AlGalnAs 子电池和 AlGalnP 子电池；所述GalnAs/GalnP缓冲层和AlGaAs/GalnAs DBR之间通过第一隧道结连接，所述Gal sxInaAAs! 电池和 AlAs/AlGaAs DBR 通过第二隧道结连接，所述 Ga i aylnayNyAsj y子电池和GalnAs子电池通过第三隧道结连接，所述GalnAs子电池和AlGalnAs子电池通过第四隧道结连接，所述AlGalnAs子电池和AlGalnP子电池通过第五隧道结连接；其中，所述AlGaAs/GalnAs DBR用于反射长波光子，所述AlAs/AlGaAs DBR用于反射中长波光子。
[0008]所述AlGaAs/GalnAs DBR 的反射波长为 1250 ?1350nm，该 AlGaAs/GalnAs DBR 中AlGaAs/GalnAs组合层的对数为10?30对。
[0009]所述Gai 3xIn3xNxASl 3!子电池中 Ga ! 3xIn3xNxASl.材料的光学带隙为 0.90 ?0.95eV。
[0010]所述AlAs/AlGaAs DBR 的反射波长为 900 ?llOOnm，该 AlAs/AlGaAs DBR 中 AlAs/AlGaAs组合层的对数为10?30对。
[0011]所述GaisylnsyNyASi ￥子电池中 Gai sylnsyN/Si y材料的光学带隙为 1.10 ?1.15eV。
[0012]所述GalnAs子电池中GalnAs材料的光学带隙为1.4eV。
[0013]所述AlGalnAs子电池中AlGalnAs材料的光学带隙为1.70?1.75eV。
[0014]所述AlGalnP子电池中AlGalnP材料的光学带隙为2.10?2.15eV。
[0015]本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
[0016]本发明的关键在于将GalnNAs材料和DBR结构引入到六结太阳能电池中，采用GalnNAs材料可以保持电池整体上的晶格匹配，而在G&1 3xIn3xNxASl 电池和Ga1 3yIn3yNyAs1 y子电池下方分别插入 AlGaAs/GalnAs DBR 和 AlAs/AlGaAs DBR,通过调节DBR结构参数，使初次没有被GalnNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相当于变相地增加了 GalnNAs的“有效吸收厚度”，完美解决了 GalnNAs材料少子扩散长度较小和吸收厚度要求之间的矛盾。该电池结构既可以达到六结电池的晶格匹配要求，又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GalnNAs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，提高电池效率。
【附图说明】
[0017]图1为本发明所述晶格匹配的六结太阳能电池结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0019]如图1所示，本实施例所述的晶格匹配的六结太阳能电池，包括有Ge衬底，所述Ge衬底为p型Ge单晶片；在所述Ge衬底上面按照