本實用新型涉及太陽能光伏發(fā)電技術領域，尤其是指一種晶格匹配的五結太陽能電池。
背景技術：
從光伏發(fā)電技術的發(fā)展來看，大體可以將太陽能電池分為三大類：第一代晶硅太陽能電池、第二代薄膜太陽能電池和第三代砷化鎵多結太陽能電池。目前，砷化鎵多結太陽能電池因其轉換效率明顯高于晶硅電池而被廣泛地應用于聚光光伏系統(tǒng)和空間電源系統(tǒng)。傳統(tǒng)砷化鎵多結電池的主流結構是由GaInP、GaInAs和Ge子電池組成的GaInP/GaInAs/Ge三結太陽能電池，電池結構上整體保持晶格匹配，帶隙組合為1.85/1.40/0.67eV。然而，對于太陽光光譜，這種多結電池的結構并不是最佳的，由于GaInAs子電池和Ge子電池之間較大的帶隙差距，這種結構下Ge底電池的短路電流最大可接近中電池和頂電池的兩倍，由于串聯(lián)結構的電流限制原因，這種結構造成了很大一部分太陽光能量不能被充分轉換利用，限制了電池性能的提高。
理論分析表明，五結太陽能電池可以優(yōu)化帶隙組合，提高電池的光電轉換效率，但是在材料選擇上必須保持晶格匹配，這樣才能保證外延材料的晶體質量。近些年來，研究者發(fā)現(xiàn)GaInNAs四元合金材料中，通過調節(jié)In和N的組分，并保持In組分約為N組分的3倍，就能得到光學帶隙在0.9～1.4eV之間的GaInNAs材料，并且與Ge襯底(或GaAs襯底)晶格匹配。因此，基于Ge襯底可以生長得到AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五結太陽能電池，該五結電池的帶隙組合可調節(jié)為2.0～2.2/1.6～1.8/1.4/1.0～1.2/0.67eV，接近五結電池的最佳帶隙組合，其地面光譜聚光效率極限可達50％，空間光譜極限效率可達36％，遠高于傳統(tǒng)三結電池，這主要是因為五結電池可以更加充分地利用太陽光，提高電池的開路電壓和填充因子。
在GaInNAs子電池的實際制備過程中，由于GaInNAs材料的背景載流子濃度過高，會減小材料的少子擴散長度。此時，若GaInNAs材料層太厚，并不能形成對光生載流子的有效收集；若GaInNAs材料層太薄則不能將相應波段的光子完全吸收。因此，在GaInNAs子電池下面設置布拉格反射層(DBR)可以有效解決該問題，有效降低GaInNAs電池設計厚度。在結構設計中，可以通過調節(jié)DBR結構反射相應波段的太陽光，使第一次沒有被GaInNAs材料所吸收的光子反射回去被二次吸收，相當于變相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解決了少子擴散長度較小和吸收厚度要求之間的矛盾，提高了電池的短路電流。另外，由于提供N原子的有機源(一般是二甲基肼源)價格比一般的有機源都要高出很多，減小GaInNAs材料層厚度還可以降低電池的生產成本。
綜上，這種AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五結太陽能電池既可以滿足五結電池的晶格匹配要求，又能解決實際制備過程中GaInNAs材料少子擴散長度較小的問題，還可以節(jié)約電池的生產成本，可最大程度地發(fā)揮五結電池的優(yōu)勢，提高電池效率。
技術實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足與缺點，提出一種晶格匹配的五結太陽能電池，可以提高GaInNAs子電池收集效率，增加五結電池的整體短路電流，而且可以減少GaInNAs子電池厚度，節(jié)約生產成本，最終發(fā)揮五結電池的優(yōu)勢，提高電池整體光電轉換效率。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所提供的技術方案為：一種晶格匹配的五結太陽能電池，包括有Ge襯底，所述Ge襯底為p型Ge單晶片；在所述Ge襯底上面按照層狀疊加結構由下至上依次設置有GaInP成核層、GaInAs緩沖層、AlGaAs/GaInAs DBR反射層、GaInNAs子電池、GaInAs子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池；所述AlGaAs/GaInAs DBR反射層和GaInNAs子電池之間通過第一隧道結連接，所述GaInNAs子電池和GaInAs子電池之間通過第二隧道結連接，所述GaInAs子電池和AlGaInAs子電池通過第三隧道結連接，所述AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池通過第四隧道結連接。
所述GaInP成核層、GaInAs緩沖層、AlGaAs/GaInAs DBR反射層、GaInNAs子電池、GaInAs子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池的所有材料層與Ge襯底保持晶格匹配。
所述GaInP成核層為n型摻雜層，電子濃度為1×18/cm3～1×19/cm3,厚度為5～20nm；所述GaInAs緩沖層為n型摻雜層，電子濃度為5×17/cm3～1×19/cm3,厚度為500～1500nm；所述AlGaAs/GaInAs DBR的反射波長為900～1200nm，其中AlGaAs/GaInAs組合層的對數(shù)為10～30對。
所述第一隧道結為p-GaInNAs/n-GaInNAs結構，其中p-GaInNAs和n-GaInNAs的厚度均為6～60nm；所述第二隧道結為p-GaAs/n-GaAs結構，其中p-GaAs和n-GaAs的厚度均為8～80nm；所述第三隧道結為p-AlGaAs/n-AlGaAs結構，其中p-AlGaAs和n-AlGaAs的厚度均為10～100nm；所述第四隧道結為p-AlGaInP/n-AlGaInP結構，其中p-AlGaInP和n-AlGaInP的厚度均為10～100nm。
所述GaInNAs子電池中電池總厚度為1500～3000nm，GaInNAs材料的光學帶隙為1.0～1.2eV。
所述GaInAs子電池中電池總厚度為1500～3000nm，GaInAs材料的光學帶隙為1.38～1.42eV。
所述AlGaInAs子電池中電池總厚度為1500～2500nm，AlGaInAs材料的光學帶隙為1.6～1.8eV。
所述AlGaInP子電池中電池總厚度為400～1000nm，AlGaInP材料的光學帶隙為2.0～2.2eV。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：
本實用新型的關鍵是在保持五結太陽能電池所有材料層的整體晶格匹配的條件下，將DBR反射層引入到五結電池結構中，在GaInNAs子電池下方插入AlGaAs/GaInAs DBR反射層，通過調節(jié)DBR結構參數(shù)，使第一次沒有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相當于變相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解決了少子擴散長度較小和吸收厚度要求之間的矛盾。該電池結構既可以滿足五結電池的晶格匹配要求，又能解決實際制備過程中GaInNAs材料少子擴散長度較小的問題，還可以節(jié)約電池的生產成本，可最大程度地發(fā)揮五結電池的優(yōu)勢，提高電池效率。
采用本實用新型制作的五結太陽能電池能夠在電池材料整體上保持晶格匹配，并通過引入DBR反射層增加GaInNAs子電池電流，使得GaInNAs子電池的短路電流不再限制五結電池整體的電流，五結電池整體上保持電流匹配，提高電池的光電轉換性能。根據(jù)分析，在AM0空間光譜下，相比沒有DBR反射層結構的五結電池，本實用新型制作的五結電池短路電流Jsc可以達到12mA/cm2，轉換效率達到35％，光電性能得到明顯提高。
采用本實用新型制作的五結太陽能電池能夠在電池材料整體上保持晶格匹配，減少材料缺陷，提高電池的開路電壓。根據(jù)分析，采用高帶隙材料的AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五結電池在開路電壓可達到4.7V以上，從而可以明顯提高電池轉換效率。傳統(tǒng)GaInP/GaInAs/Ge三結電池在AM0光譜下的轉換效率可達到30％，而經過分析對比，本實用新型所述的晶格匹配的五結太陽能電池在AM0光譜下的轉換效率可達到35％，可大大提高空間電源的輸出功率。
附圖說明
圖1為本實用新型的五結太陽能電池結構示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。
如圖1所示，本實施例所述的晶格匹配的五結太陽能電池，包括有Ge襯底1，所述Ge襯底1為p型Ge單晶片；在所述Ge襯底1上面按照層狀疊加結構由下至上依次設置有GaInP成核層2、GaInAs緩沖層3、AlGaAs/GaInAs DBR反射層4、GaInNAs子電池5、GaInAs子電池6、AlGaInAs子電池7和AlGaInP子電池8；所述AlGaAs/GaInAs DBR反射層4和GaInNAs子電池5之間通過第一隧道結9連接，所述GaInNAs子電池5和GaInAs子電池6之間通過第二隧道結10連接，所述GaInAs子電池6和AlGaInAs子電池7通過第三隧道結11連接，所述AlGaInAs子電池7和AlGaInP子電池8通過第四隧道結12連接。
所述GaInP成核層2、GaInAs緩沖層3、AlGaAs/GaInAs DBR反射層4、GaInNAs子電池5、GaInAs子電池6、AlGaInAs子電池7和AlGaInP子電池8的所有材料層與Ge襯底1保持晶格匹配。
所述GaInP成核層2為n型摻雜層，電子濃度為1×18/cm3～1×19/cm3,優(yōu)選3×18/cm3,厚度為5～20nm，優(yōu)選5nm。
所述GaInAs緩沖層3為n型摻雜層，電子濃度為5×17/cm3～1×19/cm3,優(yōu)選2×18/cm3,厚度為500～1500nm，優(yōu)選500nm。
所述AlGaAs/GaInAs DBR的反射波長為900～1200nm，其中AlGaAs/GaInAs 組合層的對數(shù)為10～30對，優(yōu)選10對。
所述第一隧道結9為p-GaInNAs/n-GaInNAs結構，其中p-GaInNAs和n-GaInNAs的厚度均為6～60nm，優(yōu)選6nm。
所述GaInNAs子電池5中電池總厚度為1500～3000nm，優(yōu)選1500nm，GaInNAs材料的光學帶隙為1.0～1.2eV，優(yōu)選1.0eV。
所述第二隧道結10為p-GaAs/n-GaAs結構，其中p-GaAs和n-GaAs的厚度均為8～80nm，優(yōu)選8nm。
所述GaInAs子電池6中電池總厚度為1500～3000nm，優(yōu)選1500nm，GaInAs材料的光學帶隙為1.38～1.42eV，優(yōu)選1.40eV。
所述第三隧道結11為p-AlGaAs/n-AlGaAs結構，其中p-AlGaAs和n-AlGaAs的厚度均為10～100nm，優(yōu)選10nm。
所述AlGaInAs子電池7中電池總厚度為1500～2500nm，優(yōu)選1500nm，AlGaInAs材料的光學帶隙為1.6～1.8eV，優(yōu)選1.7eV。
所述第四隧道結12為p-AlGaInP/n-AlGaInP結構，其中p-AlGaInP和n-AlGaInP的厚度均為10～100nm，優(yōu)選10nm。
所述AlGaInP子電池8中電池總厚度為400～1000nm，優(yōu)選400nm，AlGaInP材料的光學帶隙為2.0～2.2eV，優(yōu)選2.1eV。
下面為本實施例上述晶格匹配的五結太陽能電池的具體制作方法，該方法包括但不局限于金屬有機物化學氣相沉積技術、分子束外延技術和氣相外延技術，優(yōu)先采用金屬有機物化學氣相沉積技術，該方法具體包括以下步驟：
步驟1：選擇一襯底，該襯底為p型Ge襯底。
步驟2：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，在p型Ge襯底上生長一層低溫的GaInP成核層，生長溫度為500～600℃，優(yōu)選范圍為500～550℃；該低溫GaInP成核層的生長速率為6～40nm/min，優(yōu)選范圍為6～20nm/min；該低溫GaInP成核層用于增加襯底表面的成核密度。
步驟3：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在GaInP成核層上生長GaInAs緩沖層；該緩沖層生長溫度為550～650℃，優(yōu)選范圍為600～650℃；該緩沖層的生長速率為60～300nm/min，優(yōu)選范圍為100～200nm/min；該緩沖層用于減少外延層的缺陷密度，提高晶體質量。
步驟4：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在GaInAs緩沖層上生長AlGaAs/GaInAs DBR反射層；該DBR反射層生長溫度為500～700℃，優(yōu)選范圍為600～700℃；該DBR反射層的生長速率為10～60nm/min，優(yōu)選范圍為10～40nm/min；該DBR反射層用于反射長波范圍的光子。
步驟5：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在AlGaAs/GaInAs DBR反射層上生長第一隧道結；該隧道結生長溫度為450～600℃，優(yōu)選范圍為500～550℃；該隧道結的生長速率為10～60nm/min，優(yōu)選范圍為10～30nm/min；該隧道結是五結太陽能電池的一部分。
步驟6：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在第一隧道結上生長GaInNAs子電池；該子電池生長溫度為450～600℃，優(yōu)選范圍為450～550℃；該子電池的生長速率為10～100nm/min，優(yōu)選范圍為10～50nm/min；該子電池是五結太陽能電池的一部分。
步驟7：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在GaInNAs子電池上生長第二隧道結；該隧道結生長溫度為500～600℃，優(yōu)選范圍為550～600℃；該隧道結的生長速率為15～50nm/min，優(yōu)選范圍為15～30nm/min；該隧道結是五結太陽能電池的一部分。
步驟8：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在第二隧道結上生長GaInAs子電池；該子電池生長溫度為600～700℃，優(yōu)選范圍為600～650℃；該子電池的生長速率為60～300nm/min，優(yōu)選范圍為100～200nm/min；該子電池是五結太陽能電池的一部分。
步驟9：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在GaInAs子電池上生長第三隧道結；該隧道結生長溫度為400～600℃，優(yōu)選范圍為450～550℃；該隧道結的生長速率為15～60nm/min，優(yōu)選范圍為15～30nm/min；該隧道結是五結太陽能電池的一部分。
步驟10：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在第三隧道結上生長AlGaInAs子電池；該子電池生長溫度為600～800℃，優(yōu)選范圍為700～800℃；該子電池的生長速率為40～300nm/min，優(yōu)選范圍為150～300nm/min；該子電池是五結太陽能電池的一部分。
步驟11：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在AlGaInAs子電池上生長第四隧道結；該隧道結生長溫度為400～600℃，優(yōu)選范圍為500～600℃；該隧道結的生長速率為10～40nm/min，優(yōu)選范圍為10～20nm/min；該隧道結是五結太陽能電池的一部分。
步驟12：采用金屬有機物化學氣相沉積技術，改變生長條件，在第四隧道結上生長AlGaInP子電池；該子電池生長溫度為600～800℃，優(yōu)選范圍為700～800℃；該子電池的生長速率為15～80nm/min，優(yōu)選范圍為15～40nm/min；該子電池是五結太陽能電池的一部分。
綜上所述，本實用新型的關鍵是在保持五結太陽能電池所有材料層的整體晶格匹配的條件下，將DBR反射層引入到五結電池結構中，在GaInNAs子電池下方插入AlGaAs/GaInAs DBR反射層，通過調節(jié)DBR結構參數(shù)，使第一次沒有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相當于變相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解決了少子擴散長度較小和吸收厚度要求之間的矛盾。該電池結構既可以滿足五結電池的晶格匹配要求，又能解決實際制備過程中GaInNAs材料少子擴散長度較小的問題，還可以節(jié)約電池的生產成本，可最大程度地發(fā)揮五結電池的優(yōu)勢，提高電池效率。
采用本實用新型制作的五結太陽能電池能夠在電池材料整體上保持晶格匹配，并通過引入DBR反射層增加GaInNAs子電池電流，使得GaInNAs子電池的短路電流不再限制五結電池整體的電流，五結電池整體上保持電流匹配，提高電池的光電轉換性能。根據(jù)分析，在AM0空間光譜下，相比沒有DBR反射層結構的五結電池，本實用新型制作的五結電池短路電流Jsc可以達到12mA/cm2，轉換效率達到35％，光電性能得到明顯提高，如下表1所示。
表1無DBR反射層和有DBR反射層結構的五結太陽能電池在AM0光電性能分析
采用本實用新型制作的五結太陽能電池能夠在電池材料整體上保持晶格匹配，減少材料缺陷，提高電池的開路電壓。根據(jù)分析，采用高帶隙材料的AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五結電池在開路電壓可達到4.7V以上，從而可以明顯提高電池轉換效率。傳統(tǒng)GaInP/GaInAs/Ge三結電池在AM0光譜下的轉換效率可達到30％，而經過分析對比，本實用新型所述的晶格匹配的五結太陽能電池在AM0光譜下的轉換效率可達到35％，可大大提高空間電源的輸出功率，如下表2所示。
表2傳統(tǒng)三結電池和晶格匹配五結電池在AM0空間光譜下的光電性能分析
以上所述之實施例子只為本實用新型之較佳實施例，并非以此限制本實用新型的實施范圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本實用新型的保護范圍內。