本發(fā)明涉及太陽能光伏技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應用于含DBR結(jié)構(gòu)六結(jié)太陽能電池制備的溫度監(jiān)控方法。
背景技術(shù)：
近些年來，我國航空航天科技成果不斷刷新歷史記錄，說明其相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平有了大幅提升。其中，空間電源作為不可或缺的組成部分，也必須不斷持續(xù)發(fā)展以滿足整個系統(tǒng)的最優(yōu)化?？紤]到空間電源獨特的工作環(huán)境，空間電源除了要具有高光電轉(zhuǎn)換效率和盡可能輕的自身質(zhì)量外，還要具有較好的抗輻照性能，這也是空間電源研究亟需改進和提高的方向。
目前，砷化鎵多結(jié)太陽能電池因其轉(zhuǎn)換效率明顯高于晶硅電池而被廣泛地應用于空間電源系統(tǒng)。但實際上，GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽能電池作為砷化鎵多結(jié)電池的主流結(jié)構(gòu)，其帶隙組合1.85/1.40/0.67eV對于太陽光光譜并不是最佳的，原因在于Ge底電池的短路電流要比中電池和頂電池的大很多，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流限制原因，造成很大部分底電池電流轉(zhuǎn)換成熱量損失掉，限制了電池性能的提高。
理論分析表明，半導體化合物多結(jié)太陽能電池經(jīng)過帶隙組合優(yōu)化，電池的光電轉(zhuǎn)換效率會有大幅提升，例如六結(jié)太陽能電池可達45％，但前提是必須保證外延材料的晶體質(zhì)量，所以在材料選擇上必須保持晶格匹配。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)GaInNAs四元合金材料中In和N的組分，并保持In組分約為N的3倍，就能制備出光學帶隙為0.9～1.4eV的GaInNAs材料，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/Ga1-3yIn3yNyAs1-y/Ga1-3xIn3xNxAs1-x/Ge六結(jié)太陽能電池，通過調(diào)節(jié)各個子電池的組分可以保持晶格匹配，并得到優(yōu)化后的帶隙組合2.1/1.7/1.4/1.1/0.9/0.67eV，其空間光譜極限效率可達38％以上，遠高于傳統(tǒng)三結(jié)電池，這主要是因為六結(jié)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，其高轉(zhuǎn)換效率正是空間電源所急需的。
然而，經(jīng)驗表明，太陽能電池在太空環(huán)境中受到大量高能粒子輻照，材料質(zhì)量變差，尤其是砷化物子電池更為嚴重，導致各子電池性能有不同程度地衰減，最終影響電池整體的性能。實驗結(jié)果表明，在子電池下方加入適當?shù)腄BR(Distributed Brag Reflector分布式布拉格反射層)結(jié)構(gòu)可以在很大程度上使問題得到緩解。這是因為通過調(diào)節(jié)DBR結(jié)構(gòu)反射相應波段的太陽光，可使初次沒有被材料吸收的光子反射回去被二次吸收，相當于變相地增加了“有效吸收厚度”，因此該子電池設計厚度得以降低，而電池厚度減薄可以使電池的抗輻照性能大幅提升。
DBR結(jié)構(gòu)應用于多結(jié)太陽能電池還可以帶來很多其他方面的有益效果，首先，以GaInNAs材料為例，現(xiàn)有技術(shù)條件下制備的GaInNAs材料少子擴散長度較其他材料小很多，若GaInNAs材料層太厚不能形成對光生載流子的有效收集；若GaInNAs材料層太薄則造成電池吸收率太低，不能將相應波段的光子完全吸收。因此，在GaInNAs子電池下面生長DBR結(jié)構(gòu)，降低GaInNAs子電池設計厚度，可以有效提高少子的收集數(shù)量。其次，由于提供N原子的N源(一般是二甲基肼源)價格比一般的有機源高出很多，減小GaInNAs材料層厚度還可以降低電池的生產(chǎn)成本。另外，在Ge之上的子電池加入DBR結(jié)構(gòu)，可以使部分進入Ge子電池的光子反射掉，減少其熱量產(chǎn)生，增加電池的穩(wěn)定性?？梢?，這種包含DBR結(jié)構(gòu)的結(jié)太陽能電池可最大程度地發(fā)揮自身的優(yōu)勢，提高電池轉(zhuǎn)換效率。
然而，在含多套DBR結(jié)構(gòu)的六結(jié)太陽電池制備過程中，需要解決溫度監(jiān)控的問題。這是因為DBR的反射波段涵蓋500～1400nm，現(xiàn)有設備的探測光源多為單色光(如Vecco K475型MOCVD所用為930nm)，當探測光與具有相近波長的反射光子相遇時，會發(fā)生發(fā)射率很低而反射率極高的現(xiàn)象，導致溫度失控，甚至出現(xiàn)機臺宕機的情況，最終使得生長無法順利進行。本法明提出了一種采用連續(xù)光為探測光源的方法，可以很好的解決上述問題，實現(xiàn)含多套DBR的六結(jié)電池的外延生長。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提出一種應用于含DBR結(jié)構(gòu)六結(jié)太陽能電池制備的溫度監(jiān)控方法，可以避免單色探測光源遇到DBR結(jié)構(gòu)反射的具有相近波長光子導致的生長溫度值失真甚至宕機等失控情況，準確反映外延片表面溫度，確保外延結(jié)構(gòu)生長過程順利完成，最終發(fā)揮六結(jié)電池的優(yōu)勢，提高電池整體光電轉(zhuǎn)換效率。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：應用于含DBR結(jié)構(gòu)六結(jié)太陽能電池制備的溫度監(jiān)控方法，用于金屬有機化合物氣相沉積制備具有不同光子反射波段含DBR結(jié)構(gòu)的六結(jié)太陽能電池，具體是以600～1000nm的連續(xù)光為探測光源監(jiān)控具有多套DBR結(jié)構(gòu)的六結(jié)太陽能電池的生長溫度，包括以下步驟：
步驟1：將探測器波長值設置在600～700nm范圍內(nèi)，依次沉積GaInAs/GaInP緩沖層、第一隧道結(jié)、第一套DBR和第一子電池；其中，所述第一套DBR用于反射第一子電池所吸收的光子，反射波長為1200～1400nm，其組合層的對數(shù)為5～35對，第一子電池的材料光學帶隙為0.90～0.95eV；
步驟2：將探測器波長值設置在700～800nm范圍內(nèi)，依次沉積第二套DBR、第二子電池和第二隧道結(jié)；其中，所述第二套DBR用于反射第二子電池所吸收的光子，反射波長為900～1100nm，其組合層的對數(shù)為5～35對，第二子電池的材料光學帶隙為1.10～1.15eV；
步驟3：將探測器波長值設置在800～900nm范圍內(nèi)，依次沉積第三套DBR、第三子電池和第三隧道結(jié)；其中，所述第三套DBR用于反射第三子電池所吸收的光子，反射波長為700～800nm，其組合層的對數(shù)為5～35對，第三子電池的材料光學帶隙為1.4eV；
步驟4：將探測器波長值設置在900～950nm范圍內(nèi)，依次沉積第四套DBR、第四子電池和第四隧道結(jié)；其中，所述第四套DBR用于反射第四子電池所吸收的光子，反射波長為600～700nm，其組合層的對數(shù)為5～35對，第四子電池的材料光學帶隙為1.70～1.75eV；
步驟5：將探測器波長值設置在950～1000nm范圍內(nèi)，依次沉積第五套DBR和第五子電池；其中，所述第五套DBR用于反射第五子電池所吸收的光子，反射波長為500～600nm，其組合層的對數(shù)為5～35對，第五子電池的材料光學帶隙為2.10～2.15eV。
所述第一子電池為Ga1-3xIn3xNxAs1-x子電池。
所述第二子電池為Ga1-3yIn3yNyAs1-y子電池。
所述第三子電池為GaInAs子電池。
所述第四子電池為AlGaInAs子電池。
所述第五子電池為AlGaInP子電池。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：
1、本發(fā)明中的六結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)設計“第五子電池/第四子電池/第三子電池/第二子電池/第一子電池/Ge”較傳統(tǒng)三結(jié)有很大優(yōu)勢，一方面，可以采用GaInNAs材料作為第一子電池二和第二子電池，可以在保持電池整體上晶格匹配的同時調(diào)整組分，可使帶隙結(jié)構(gòu)與太陽光譜更為匹配，有利于提高電池效率；另一方面，在各子電池下方分別插入相應的DBR結(jié)構(gòu)，可以在保證有效吸收厚度的前提下減薄基區(qū)，提高了抗輻照性能，尤其是對于少子擴散長度較小的GaInNAs材料，還可以同時提高少子收集數(shù)量和降低昂貴原材料(二甲基阱源)的使用，即降低成本?？傊?，該電池結(jié)構(gòu)既可以達到六結(jié)電池的晶格匹配要求，又可以滿足六結(jié)電池帶隙組合的理論設計要求，同時又能解決GaInNAs材料少子擴散長度較小和砷化物子電池抗輻照性能差的問題，還可以節(jié)約電池的生產(chǎn)成本。
2、本發(fā)明的關(guān)鍵在于將600～1000nm連續(xù)探測光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)單色光源監(jiān)控生長溫度，避免了單色探測光源遇到DBR結(jié)構(gòu)反射的具有相近波長光子導致的生長溫度值失真甚至宕機等失控情況，準確反映外延片表面溫度，使得GaInNAs材料和DBR結(jié)構(gòu)成功應用到六結(jié)太陽能電池中得以實現(xiàn)，可最大程度地發(fā)揮六結(jié)電池在空間電源應用上的優(yōu)勢。
附圖說明
圖1為含DBR結(jié)構(gòu)的六結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
本實施例所述的應用于含DBR結(jié)構(gòu)六結(jié)太陽能電池制備的溫度監(jiān)控方法，為采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)，將設備上的單色探測光源，更換為波長范圍為600～1000nm的連續(xù)光光源，監(jiān)控具有多套DBR結(jié)構(gòu)的六結(jié)太陽能電池的生長溫度。其中，該六結(jié)太陽能電池包括：以4英寸Ge單晶片為襯底，在所述Ge襯底上按照層狀疊加結(jié)構(gòu)由下至上依次設置有GaInP/GaInAs緩沖層、第一套DBR、第一子電池(在本實施例具體是Ga1-3xIn3xNxAs1-x子電池)、第二套DBR、第二子電池(在本實施例具體是Ga1-3yIn3yNyAs1-y子電池)、第三套DBR、第三子電池(在本實施例具體是GaInAs子電池)、第四套DBR、第四子電池(在本實施例具體是AlGaInAs子電池)、第五套DBR和第五子電池(在本實施例具體是AlGaInP子電池)，各子電池之間由隧道結(jié)連接，請參看圖1所示結(jié)構(gòu)。該方法的具體步驟為：
步驟1：將探測器波長設置為600～700nm范圍內(nèi)的某一波長值(本實施例優(yōu)先選擇650nm)，依次沉積GaInAs/GaInP緩沖層、第一隧道結(jié)、第一套DBR和Ga1-3xIn3xNxAs1-x子電池；
步驟2：將探測器波長設置為700～800nm范圍內(nèi)的某一波長值(本實施例優(yōu)先選擇750nm)，依次沉積第二套DBR、Ga1-3yIn3yNyAs1-y子電池和第二隧道結(jié)；
步驟3：將探測器波長設置為800～900nm范圍內(nèi)的某一波長值(本實施例優(yōu)先選擇850nm)，依次沉積第三套DBR、GaInAs子電池和第三隧道結(jié)；
步驟4：將探測器波長設置為900～950nm范圍內(nèi)的某一波長值(本實施例優(yōu)先選擇930nm)，依次沉積第四套DBR、AlGaInAs子電池和第四隧道結(jié)；
步驟5：將探測器波長設置為950～1000nm范圍內(nèi)的某一波長值(本實施例優(yōu)先選擇980nm)，依次沉積第五套DBR和AlGaInP子電池。
所述第一套DBR用于反射Ga1-3xIn3xNxAs1-x子電池所吸收的光子，反射波長為1200～1400nm，其組合層的對數(shù)為5～12對(本實施例優(yōu)先選擇10對)，Ga1-3xIn3xNxAs1-x子電池的材料光學帶隙為0.90～0.95eV。
所述第二套DBR用于反射Ga1-3yIn3yNyAs1-y子電池所吸收的光子，反射波長為900～1100nm，其組合層的對數(shù)為8～16對(本實施例優(yōu)先選擇12對)，子Ga1-3yIn3yNyAs1-y子電池的材料光學帶隙為1.10～1.15eV。
所述第三套DBR用于反射GaInAs子電池所吸收的光子，反射波長為700～800nm，其組合層的對數(shù)為10～20對(本實施例優(yōu)先選擇16對)，GaInAs子電池的材料光學帶隙為1.4eV。
所述第四套DBR用于反射AlGaInAs子電池所吸收的光子，反射波長為600～700nm，其組合層的對數(shù)為12～25對(本實施例優(yōu)先選擇20對)，AlGaInAs子電池的材料光學帶隙為1.70～1.75eV。
所述第五套DBR用于反射AlGaInP子電池所吸收的光子，反射波長為500～600nm，其組合層的對數(shù)為15～35對(本實施例優(yōu)先選擇24對)，AlGaInP子電池的材料光學帶隙為2.10～2.15eV。
綜上所述，本發(fā)明可以解決單色探測光源與相似波長反射光相遇出現(xiàn)的高反射率現(xiàn)象導致的探測溫度失真或宕機等失控情況，使得含有多套DBR結(jié)構(gòu)六結(jié)太陽能電池的外延結(jié)構(gòu)生長部分得以順利實現(xiàn)，從而為其最終應用于太空環(huán)境提供了可能，值得推廣。
以上所述實施例只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。