一种基于GaAs衬底的倒装多结太阳电池的制作方法

一种基于gaas衬底的倒装多结太阳电池
技术领域
1.本发明涉及太阳能光伏的技术领域，尤其是指一种基于gaas衬底的倒装多结太阳电池。


背景技术：

2.利用gaas、gainp等iii_v族材料制备而成的多结太阳电池可以达到30％以上的空间转换效率，目前已经广泛应用于航天卫星的太阳能电源系统。该类电池的主流结构是gainp/gainas/ge三结太阳电池，该结构在整体晶格匹配的基础上拥有着1.9/1.4/0.67ev的带隙组合。然而该带隙组合会导致ge子电池的电流远大于其它子电池，由于串联结构的电流限制原因，会限制电池转换效率的提升。
3.inp是一种直接带隙的半导体材料，禁带宽度为1.34ev，适合应用于太阳电池。另外，与inp晶格匹配的gainas材料带隙为0.75ev，可与inp材料结合用于制作带隙组合更优的多结太阳电池。如果基于gaas衬底生长带隙组合为 1.85/1.34/0.75ev的gainp/inp/gainas三结电池，则可以获得较大的电池进而提高电池转换效率。然而，由于inp的晶格常数明显大于gaas，基于gaas衬底生长inp材料时需要采用高低温缓冲层或gainp组分渐变缓冲层等来减少外延材料的缺陷，但这些方法的缺陷抑制效果非常有限，并不能得到晶体质量很好的inp材料，因此基于gaas衬底制备gainp/inp/gainas三结太阳电池还需要克服诸多技术难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于gaas衬底的倒装多结太阳电池，采用石墨烯与alsbp相结合的多层结构缓冲层在gaas衬底上生长inp、gainas等材料。利用二维石墨烯材料特性，促进石墨烯层上的化合物材料晶格重组从而降低界面应力，同时结合生长温度由低变高的alsbp层逐步释放外延应力，减少材料缺陷。最终可提升gaas基inp、gainas等外延材料的晶体质量，基于gaas衬底可得到带隙结构更加合理、转换效率更高的 gainp/inp/gainas三结太阳电池。
5.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于gaas衬底的倒装多结太阳电池，包括gaas衬底，在gaas衬底的上表面按照层状叠加结构从下至上依次设置有alas剥离层、gainp子电池、石墨烯/alsbp多层结构缓冲层、第一隧道结、inp子电池、第二隧道结和gainas子电池。
6.优选的，所述gaas衬底为gaas单晶片，其厚度为300～800μm。
7.优选的，所述alas剥离层的厚度为10～50nm。
8.优选的，所述gainp子电池的总厚度为600～1000nm，其材料晶格常数与 gaas衬底相同，其光学吸收带隙为1.8～1.9ev。
9.优选的，所述石墨烯/alsbp多层结构缓冲层由二维石墨烯层和alsbp层交替循环组成，循环周期为4～10，其中，alsbp材料晶格常数与inp相同，每层 alsbp厚度为100～
300nm，alsbp层的生长温度由下至上而逐步增高，生长温度范围为500～700℃，递增步长为20～50℃。
10.优选的，所述inp子电池的总厚度为1～2μm，其光学吸收带隙为1.34ev。
11.优选的，所述gainas子电池的总厚度为2～3μm，其材料晶格常数与inp相同，其光学吸收带隙为0.75ev。
12.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
13.本发明提供的倒装多结太阳电池，基于gaas单晶衬底，采用石墨烯/alsbp 多层结构缓冲层，利用二维石墨烯材料特性降低界面应力，同时结合生长温度递增的alsbp层逐步释放外延应力，减少材料缺陷，提升gaas衬底上inp、gainas等外延材料的晶体质量，最终可得到带隙结构更加合理、转换效率更高的gaas基gainp/inp/gainas倒装三结太阳电池，具有实际应用价值，值得推广。
附图说明
14.图1为基于gaas衬底的倒装多结太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
15.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
16.参见图1所示，本实施例提供了一种基于gaas衬底的倒装多结太阳电池，包括：从下至上依次层叠为gaas衬底10、alas剥离层20、gainp子电池30、石墨烯/alsbp多层结构缓冲层40、第一隧道结50、inp子电池60、第二隧道结 70和gainas子电池80。gaas衬底10为gaas单晶片，其厚度为300～800μm。 alas剥离层20的厚度为10～50nm。gainp子电池30的总厚度为600～1000nm，其材料晶格常数与gaas衬底10相同，其光学吸收带隙为1.8～1.9ev。石墨烯 /alsbp多层结构缓冲层40由二维石墨烯层41和alsbp层42交替循环组成，循环周期为4～10，其中，alsbp材料晶格常数与inp相同，每层alsbp厚度为 100～300nm，alsbp层的生长温度由下至上而逐步增高，生长温度范围为 500～700℃，递增步长为20～50℃。inp子电池60的总厚度为1～2μm，其光学吸收带隙为1.34ev。gainas子电池80的总厚度为2～3μm，其材料晶格常数与inp 相同，其光学吸收带隙为0.75ev。
17.下面为上述基于gaas衬底的倒装多结太阳电池的一个具体实例制备过程，包括下述步骤：
18.1)选择一4英寸gaas单晶片为衬底，采用气相沉积技术在gaas衬底10 上生长alas剥离层20，生长厚度为20nm。
19.2)采用气相沉积技术在alas剥离层20上生长gainp子电池30，总厚度为 800nm，光学吸收带隙为1.85ev。
20.3)采用气相沉积技术在gainp子电池30上交替循环生长二维石墨烯层41 和alsbp层42以形成石墨烯/alsbp多层结构缓冲层40，其中，循环周期为10， alsbp材料晶格常数保持与inp相同，每层alsbp的厚度均为200nm，alsbp层的生长温度由500℃逐步增高至700℃，递增步长为20℃。
21.4)采用气相沉积技术在石墨烯/alsbp多层结构缓冲层40上依次生长第一隧道结
50和inp子电池60，其中，inp子电池60总厚度为1.5μm。
22.5)采用气相沉积技术在inp子电池60上依次生长第二隧道结70和gainas 子电池80，其中，gainas子电池80的总厚度为3μm，其材料晶格常数保持与 inp相同。
23.综上所述，本发明基于gaas单晶衬底，采用石墨烯/alsbp多层结构缓冲层，利用二维石墨烯材料特性降低界面应力，同时结合生长温度递增的alsbp层逐步释放外延应力，减少材料缺陷，提升gaas衬底上inp、gainas等外延材料的晶体质量，在gaas衬底上可得到带隙组合更加合理的gainp/inp/gainas倒装三结太阳电池，从而提升多结电池的转换效率。总之，本发明可以基于gaas衬底提升多结太阳电池的光电转换效率，具有实际应用价值，值得推广。
24.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。