一種具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光伏的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，傳統(tǒng)的砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)能電池因其轉(zhuǎn)換效率明顯高于晶硅電池而被廣泛地應(yīng)用于聚光光伏發(fā)電(CPV)系統(tǒng)和空間電源系統(tǒng)。砷化鎵多結(jié)電池的主流結(jié)構(gòu)是由GalnP、GalnAs和Ge子電池組成的GalnP/GalnAs/Ge三結(jié)太陽(yáng)能電池，電池結(jié)構(gòu)上整體保持晶格匹配，帶隙結(jié)構(gòu)為1.85/1.40/0.67eV。然而，對(duì)于太陽(yáng)光光譜，由于GalnAs子電池和Ge子電池之間較大的帶隙差距，這種三結(jié)電池的帶隙組合并不是最佳的，這種結(jié)構(gòu)下Ge底電池吸收的太陽(yáng)光譜能量比中電池和頂電池吸收的多出很多，因此Ge電池的短路電流最大可接近中電池和頂電池的兩倍(V.Sabnis, H.Yuen, and M.ffiemer, ΑΙΡ Conf.Proc.1477(2012) 14)，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流限制原因，這種結(jié)構(gòu)造成了很大一部分光譜能量不能被充分轉(zhuǎn)換利用，限制了電池性能的提高。
[0003]理論分析表明，在傳統(tǒng)三結(jié)電池的GalnAs子電池和Ge子電池之間插入帶隙接近l.0eV的GalnNAs子電池，形成帶隙結(jié)構(gòu)為1.90/1.43/1.04/0.67eV的四結(jié)太陽(yáng)能電池，既可以保持晶格匹配，又可以達(dá)到四結(jié)電池的最佳帶隙組合，其理論效率能達(dá)到58%，結(jié)合實(shí)際因素后的效率極限達(dá)到47%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)三結(jié)42%的極限效率(R.R.King, D.C.Law, Κ.M.Edmondson et al., Advances in OptoElectronics，2007 (2007) 29523)，這主要是因?yàn)橄啾扔谌Y(jié)電池，四結(jié)電池可以提高開(kāi)路電壓和填充因子。
[0004]在GalnNAs材料的實(shí)際制備過(guò)程中，由于提供N原子的N源(一般是二甲基肼源)價(jià)格較高，GalnNAs材料層厚度不能太厚，否則材料制備成本會(huì)很高；另外，由于GalnNAs需要低溫生長(zhǎng)才能保證N原子的有效并入，因此材料中會(huì)同時(shí)引入大量的C原子，造成背景載流子濃度過(guò)高，影響少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，此時(shí)材料層太厚還是不能形成對(duì)光生載流子的有效收集。然而，GalnNAs材料層厚度不夠的話，并不能將波長(zhǎng)為900?1200nm的光子完全吸收，其電流密度會(huì)降低，嚴(yán)重影響四結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換性能。因此，引入布拉格反射層(DBR)結(jié)構(gòu)可以有效解決該問(wèn)題。在GalnNAs子電池下方插入一 AlGaAs/GalnAs DBR反射層，通過(guò)調(diào)節(jié)其厚度和周期等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其反射波長(zhǎng)為900?1200nm，即可形成GalnNAs材料對(duì)該波段光子的二次吸收，相當(dāng)于增加了電池基區(qū)對(duì)入射光子的有效吸收。該電池結(jié)構(gòu)既可以減少GalnNAs子電池的設(shè)計(jì)厚度降低成本，又可以解決GalnNAs材料中少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較小的問(wèn)題，有效增加光生載流子的收集效率，使GalnNAs子電池的電流滿足四結(jié)電池的需要，最終提高四結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提出一種具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)能電池，可以減少GalnNAs子電池厚度，并提尚其收集效率，提尚四結(jié)電池的整體電流，最終提高四結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:一種具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)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(jié)構(gòu)由下至上依次設(shè)置有GalnAs/GalnP緩沖層、AlGaAs/GalnAs DBR反射層、GalnNAs子電池、GalnAs子電池和GalnP子電池；所述GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR反射層之間通過(guò)第一隧道結(jié)連接，所述GalnNAs子電池和GalnAs子電池通過(guò)第二隧道結(jié)連接，所述GalnAs子電池和GalnP子電池通過(guò)第三隧道結(jié)連接；其中，所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層用于反射長(zhǎng)波光子，使長(zhǎng)波光子被GalnNAs子電池二次吸收。
[0007]所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層的反射波長(zhǎng)為900?1200nm。
[0008]所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層中AlGaAs/GalnAs組合層的對(duì)數(shù)為10對(duì)到30對(duì)。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0010]本發(fā)明的關(guān)鍵在于將DBR反射層結(jié)構(gòu)引入到四結(jié)太陽(yáng)能電池中，在GalnNAs子電池下方插入一AlGaAs/GalnAs DBR反射層，通過(guò)調(diào)節(jié)其厚度和周期等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其反射波長(zhǎng)為900?1200nm，形成GalnNAs材料對(duì)該波段光子的二次吸收，相當(dāng)于增加了電池基區(qū)對(duì)入射光子的有效吸收。該電池結(jié)構(gòu)既可以減少GalnNAs子電池的設(shè)計(jì)厚度降低成本，又可以解決GalnNAs材料中少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較小的問(wèn)題，有效增加光生載流子的收集效率，提高四結(jié)電池整體電流，最終提高四結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明所述具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0013]如圖1所示，本實(shí)施例所述的具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)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(jié)構(gòu)由下至上依次設(shè)置有 GalnAs/GalnP 緩沖層、AlGaAs/GalnAs DBR 反射層、GalnNAs 子電池、GalnAs 子電池和GalnP子電池；所述GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR反射層之間通過(guò)第一隧道結(jié)連接，所述GalnNAs子電池和GalnAs子電池通過(guò)第二隧道結(jié)連接，所述GalnAs子電池和GalnP子電池通過(guò)第三隧道結(jié)連接。
[0014]所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層用于反射長(zhǎng)波光子，使長(zhǎng)波光子被GalnNAs子電池二次吸收，本實(shí)施例在GalnNAs子電池下方插入一 AlGaAs/GalnAs DBR反射層，通過(guò)調(diào)節(jié)其厚度和周期等結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其反射波長(zhǎng)為900?1200nm，形成GalnNAs材料對(duì)該波段光子的二次吸收，相當(dāng)于增加了電池基區(qū)對(duì)入射光子的有效吸收。此外，所述AlGaAs/GalnAsDBR反射層中AlGaAs/GalnAs組合層的對(duì)數(shù)為10對(duì)到30對(duì)。
[0015]下面為本實(shí)施例上述雙面生長(zhǎng)的GaAs四結(jié)太陽(yáng)電池的具體制備過(guò)程，其情況如下:
[0016]首先，以4英寸p型Ge單晶片為襯底，然后采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(M0CVD)或分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)(MBE)在Ge襯底的上表面依次生長(zhǎng)GalnAs/GalnP緩沖層、第一隧道結(jié)、AlGaAs/GalnAs DBR反射層、GalnNAs子電池、第二隧道結(jié)、GalnAs子電池、第三隧道結(jié)和GalnP子電池，即可完成具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)能電池的制備。
[0017]綜上所述，本發(fā)明利用DBR反射層結(jié)構(gòu)，并結(jié)合GalnNAs材料自身特點(diǎn)，在四結(jié)太陽(yáng)能電池中的GalnNAs子電池下面插入AlGaAs/GalnAs DBR反射層，不僅可以減少GalnNAs子電池的設(shè)計(jì)厚度降低成本，又可以解決GalnNAs材料中少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較小的問(wèn)題，有效增加光生載流子的收集效率，使GalnNAs子電池的電流滿足四結(jié)電池的需要，可最大程度發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢(shì)，顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率?？傊?，本發(fā)明可以更加充分地利用太陽(yáng)光能量，提高GaAs多結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，值得推廣。
[0018]以上所述之實(shí)施例子只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)能電池，包括有Ge襯底，其特征在于: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(jié)構(gòu)由下至上依次設(shè)置有GalnAs/GalnP緩沖層、AlGaAs/GalnAs DBR反射層、GaInNAs子電池、GaInAs子電池和GaInP子電池；所述GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR反射層之間通過(guò)第一隧道結(jié)連接，所述GaInNAs子電池和GaInAs子電池通過(guò)第二隧道結(jié)連接，所述GaInAs子電池和GaInP子電池通過(guò)第三隧道結(jié)連接；其中，所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層用于反射長(zhǎng)波光子，使長(zhǎng)波光子被GaInNAs子電池二次吸收。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層的反射波長(zhǎng)為900?1200nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層中AlGaAs/GalnAs組合層的對(duì)數(shù)為10對(duì)到30對(duì)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有反射層的四結(jié)太陽(yáng)能電池，可應(yīng)用于聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，該電池以Ge單晶片為襯底，在所述Ge襯底上依次設(shè)置有GaInAs/GaInP緩沖層、AlGaAs/GaInAs？DBR反射層、GaInNAs子電池、GaInAs子電池和GaInP子電池，其中AlGaAs/GaInAs？DBR反射層用于反射長(zhǎng)波光子，使長(zhǎng)波光子被GaInNAs子電池二次吸收。本發(fā)明可以減少GaInNAs子電池厚度，并提高其收集效率，從而提高四結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【IPC分類】H01L31/0216
【公開(kāi)號(hào)】CN105355669
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510811506
【發(fā)明人】張小賓, 劉建慶, 陳丙振, 王雷, 馬滌非, 劉雪珍, 吳波, 張楊, 楊翠柏
【申請(qǐng)人】中山德華芯片技術(shù)有限公司
【公開(kāi)日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年11月19日