CN104916726B - 一种多子结化合物光伏电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多子结化合物光伏电池，具体为InAlAsP/InGaAs/Ge三子结化合物光伏电池；本三子结化合物光伏电池具有连续的二阶凸起结构，包括具有斜面的第一阶凸起和包括斜面的第二阶凸起，高折射率透明材料m2形成在第二阶凸起之间的区域，顶面与第二阶凸起a的顶面齐平且为平坦的；高折射率透明材料m1形成在第一阶凸起之间的区域，顶面与第一阶凸起的顶面齐平并且接触高折射率透明材料m2；材料m1的折射率大于材料m2，照射到电池顶面的光线倾向于照射到二阶凸起结构的平坦表面上，可大大增加照射到具有优质外延层的平坦表面上的光强，从而增加光电转换率。
Description
技术领域
本发明涉及一种化合物光伏电池，优其涉及一种多子结化合物光伏电池。
背景技术
Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池最先使用于太空领域，但随着技朮的进步，Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池也越来越多的运用到非太空领域。与硅光伏电池相比, Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池具有更大的能量转换效率,通过先进工艺制造出的Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池其光电转换成效率可超过25%，而硅光伏电池不会超过20%。相比于硅光伏电池，Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池可通过使用多个具有不同带隙能的子电池来实现多太阳辐射的最大化转换。
对于Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池而言，GaInP/GaAs/Ge是一种最典型最成熟的Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池，其光电流密度已经能够达到25mA/cm2，然而现有的Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池对自然太阳光的光谱吸收还不充分,并且多是以垂直、多结的形成逐层外延到半导体衬底上的，往往不能像硅光伏电池那样形成对光线具有限域作用的植绒表面，现有的Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池有待得到进一步的提升。
发明内容
为了弥补现有Ⅲ-Ⅴ族化合物光伏电池的不足,进一步提高对光线的利用率，本发明提供一种InAlAsP/IGaAs/Ge三结化合物光伏电池，该InAlAsP/InGaAs/Ge三结结构能够有效地提高光伏电池的转换效率，同时该InAlAsP/IGaAs/Ge三子结化合物光伏电池还具有对光线具有限域作用的二阶凸起结构以及对光线形成折射优化的折射结构，该结构能够有效地提高光接触面积，能够对光线产生高效地限域作用并且优化光照位置。
本发明提供一种多子结化合物光伏电池，即InAlAsP/InGaAs/Ge三子结化合物光伏电池，包括Ge衬底；Ge子电池，位于Ge衬底上；InGaAs子电池，位于Ge子电池上；InAlAsP子电池，位于InGaAs子电池上；在所述Ge衬底与Ge子电池之间包括n++ Ge接触层以及n++ Ge接触层之上的背场层；在InAlAsP子电池上为窗口层，窗口层上为p++接触层；Ge子电池与InGaAs子电池，InGaAs子电池与InAlAsP子电池之前具有晶格匹配的n++/p++遂穿二极管，具体是所述多子结化合物光伏电池上部光照面形状为连续的二阶凸起结构，每一个二阶凸起结构具有第一阶凸起和第二阶起，其中第二阶凸起从第一阶凸起的上表面向上凸起；在二阶凸起结构之间形成高折射率透明材料，所述高折射率透明材料包括形成在第二阶凸起之间的区域的第二高折射率透明材料和形成在第一阶凸起之间的区域的第一高折射率透明材料；所述第二高折射率透明材料的顶面与第二阶凸起的顶面齐平且为平坦的；所述第一高折射率透明材料的顶面与第一阶凸起的顶面齐平并且接触第二高折射率透明材料。
进一步地，所述第一高折射率透明材料的折射率大于所述第二高折射率透明材料的折射率。
进一步地，所述Ge子电池在远离衬底的方向上依次包括n Ge基区，p+ Ge发射区，并具有0.66ev左右的带隙；所述InGaAs子电池在远离衬底方向上依次包括n InGaAs基区，p+ InGaAs发射区，并具有1.40ev左右的带隙；所诉InAlAsP子电池在远离衬底方向上依次包括n InAlAsP基区，p+ InAlAsP发射区，并具有1.90ev左右的带隙。
进一步地，从第二阶凸起的顶面到Ge衬底的底面厚度为300～400um，第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度为50~80um；并且第二阶凸起的顶部到第一阶凸起的顶部的厚度至少大于第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度的两倍；每两个二阶凸起结构之间的间隔小于第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度。
进一步地，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二极管为异质结隧穿二极管。
进一步地，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二极管为n++ InGaP/p++ InGaAsP异质结隧穿二极管；其总厚度为30-45纳米。
附图说明
图1为三子结化合物光伏电池的结构示意图。
图2为图1中A区域的放大图，即光伏电池各子结材料层示意图。
图3为本发明具有高折射透明材料的三子结化合物光伏电池的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合最佳实施方式对本发明做进一步的说明，本发明的有益效果将在详细地描述中变得清晰。
参见图1-3，图1为三子结光伏电池的结构示意图，图2为图1中A区域的放大图，其显示了本发明光伏电池的细节；本发明的一个方面，参见图2本发明的化合物光伏电池具有多子结的InAlAsP/InGaAs/Ge结构，其中InAlAsP子电池（300）的带隙在1.9ev左右，InGaAs子电池（200）的带隙在1.40ev左右,Ge子电池（100）的带隙为0.66ev左右，本发明的三结光伏电池具有的带隙的优化结构能够匹配自然太阳光谱的波长结构，充分利用光伏的各波长段的光子能量，从整体上优化对太阳光谱的吸收，提高电池效率。并且，参见图1，本发明的化合物光伏电池上部光照面形状为连续的二阶凸起结构（a，b），每一个二阶凸起结构（a，b）具有第一阶凸起（b）和第二阶凸起（a），其中第二阶凸起（a）从第一阶凸起（b）的上表面向上凸起。
参见图2，位于Ge衬底（001）上依次为Ge子电池（100）、InGaAs子电池（200）、InAlAsP子电池（300）以形成1.90ev/1.40ev/0.66ev能带结构的三结电池。其中各子电池的带隙在远离衬底的方向上逐步增大，这十分有利于光电流密度的提高，其中Ge子电池（100）具有0.66ev左右的带隙并在远离衬底的方向上依次为n Ge基区（101）、p+ Ge发射区（102），n Ge基区（101）厚度优选为2.5微米，p+ Ge发射区（102）厚度优选为80-100纳米；InGaAs子电池（200）具有1.40ev左右的带隙，并在远离衬底的方向上依次为n InGaAs基区（201）、p+ InGaAs发射区（202），n InGaAs基区（201）的厚度优选为2.2微米，p+ InGaAs发射区（202）的厚度优选为80-100纳米；InAlAsP子电池（300）具有1.90ev左右的带隙，并在远离衬底的方向上依次为n InAlAsP基区（301）、p+ InAlAsp发射区（302），n InAlAsP基区（301）的厚度优选为1.8-2.0微米，p+ InAlAsp发射区（302）的厚度优选为80-100纳米。在Ge衬底（001）与n Ge基区（101）之间还包括n++ Ge接触层（002）和背场层（003）；在InAlAsP子电池（300）上为窗口层（006），窗口层（006）上为p++接触层（007），本发明中对于各子电池基区厚度的优化为能隙大的靠近光照面的子电池小于能隙小的远离光照面的子电池；具体而言，就是n InAlAsP基区（301）的厚度小于n InGaAs基区（201）的厚度、n InGaAs基区（201）的厚度小于n Ge基区（101）的厚度，这样有利于对自然光伏光谱的最大化利用。
在各子电池层之间具有晶格匹配的n++/p++隧穿二极管（004，005）；在本InAlAsP/InGaAs/Ge能带体系的多结光伏电池中，晶格匹配的n++/p++隧穿二极管需要选用异质结结构，这有利于提供高的结间势垒，特别是InAlAsP与InGaAs子电池之间的隧穿二极管（005），在我们的实验中观察到这对光线通过上层的InAlAsP子电池（300）以及减少结间少子扩散起到有利的作用，在实验中我们使用了n++ InGaP/p++ InGaAsP异质结隧穿二极管，这在最大程度上提高了电池的光电流效率，当然至于外延生长的多结Ⅲ-Ⅴ族光伏电池，隧穿二极管的厚度是十分重要和敏感的，当选择n++ InGaP/p++ InGaAsP异质结隧穿二极管作为本体系多结光伏电池InAlAsP与InGaAs子电池之间的隧穿二极管（005）时，实验优化的n++ InGaP/p++ InGaAsP异质结隧穿二极管（005）的总厚度为30-45纳米。
该化合物光伏电池包括具有连续的二阶凸起结构（a，b）的Ge衬底（001），InAlAsP/InGaAs/Ge三结光伏电池的二阶凸起结构（a，b）是建立在二阶凸起结构的Ge衬底上的，各子电池及其他功能层依次覆盖于该Ge衬底上。InAlAsP/InGaAs/Ge三结光伏电池的二阶凸起结构。首先本发明InAlAsP/InGaAs/Ge三结光伏电池的二阶凸起结构（a，b）是建立在二阶凸起结构的Ge衬底上的，各子电池及其他功能层依次覆盖于该Ge衬底上。从第二阶凸起（b）的顶面到Ge衬底的底面厚度d1约为300-400um，第一阶凸起（b）的顶部到第一阶凸起（b）的底面d2优选为50~80um，即第一阶凸起（b）的高度d2为50～80um；第二阶凸起（a）的顶部到第一阶凸起（a）的顶部之间的厚度d3至少大于第一阶凸起（b）的高度d2的两倍，优选为150~200um，即第二阶凸起（a）的高度d3优选为150~200um；每两个二阶凸起结构之间的间隔小于第一阶凸起（b）的高度;每个二阶凸起结构的宽度优选为150~200um。通过上述参数的优化,入射光线以一定角度照射到光伏电池表面时，首先在第二阶凸起结构的表面被电池吸收一部分，未被吸收的照射到第二凸起结构侧面的一部分反射到第一阶凸块的表面并被第一阶凸块吸收，而未被第一阶凸块结构表面吸收的光线一部分又会反射到二阶凸块结构之间的电池表面上。如此这般，使得原本只能对照射到电池上表面的光线进行利用，通过二阶凸起结构不紧能能利用照射到上表面的光线，还能够通过侧面的反射多利用照射到侧边的光线，这部分光线就是增加的额外光线，某种程度上，该结构把光线进行了体系化的利用，因此对太阳入射光线能够达到最大化的利用。更值得注意的是，从二阶凸块结构之间的电池表面反射出来的光线又会射向第一阶凸块结构的表面和/或第二阶凸块结构的表面，如此光伏光线被最大化地限域在具有二阶凸块结构的光伏电池的表面，电池对太阳光线的利用得到极大提高；能够实现上述的限领作用与上述的参数选取是密不可分的，如果第二阶凸起的高度小于第一阶凸起的高度或是二阶凸起结构之间的间隔太大都不会对太阳光线起到限域作用或是会极大消弱限域作用。
从上述的分析可知，具有垂直侧面的凸起结构对太阳光的利用是最优化的，然而，在形成实用化的电池过程中，是通过外延技术形成的，外延技术对垂直侧面的沉积往往是不理想的，例如对于外延各电池的活性层时，会在折角处形成应力集中，这会影响到电池整体的性能；同时，在垂直侧面的外延时经常会出现厚度不均，这也是影响电池性能的制约因数，实际情况下，第一和第二凸起的侧面比起平坦的表面来说，光电转换效率会低很多，因此设计一种使得光线最多的照射到平坦的表面对本发明具有二阶凸起结构的太阳能电池是十分有意义的。
如图3，为了有利光线向着电池平坦的表面照射，在二阶凸起结构之间形成高折射率透明材料m1（material 1）和m2（material 2），高折射率透明材料m2形成在第二阶凸起之间的区域，顶面与第二阶凸起a的顶面齐平且为平坦的；高折射率透明材料m1形成在第一阶凸起之间的区域，顶面与第一阶凸起的顶面齐平并且接触高折射率透明材料m2。当光线L1以一定的角度照射到电池表面，在空气与m2交界的处发生折射，使得原本照射到二阶凸起结构侧面的光线更倾向于照射到二阶凸起结构的平坦表面上，这样就大大增加了照射到具有优质外延层的平坦表面上的光强，从而增加光电转换效率。更进一步的，高折射率透明材料m1的折射率大于m2，这样经高折射率透明材料m2折射的光线L2原本会照射到第一阶凸起的侧面，但在材料m2与材料m1的界面处经过又一次的折射，使得L2倾向于照射到二阶凸起结构之间的优质外延层的平坦表面上，如此将进一步提升电池的性能，本发明所述的高折射率表示的是比环境折射率即空气折射率高的折射率，作为优选的实施例高折射率透明材料m2可以为二氧化硅，高折射率透明材料m1可以为氧化钛，高折射率透明材料m1的折射率大于高折射率透明材料m2的折射率20%及以上。
对于该二阶凸起结构的其他参数的设置如下：从第二阶凸起（b）的顶面到Ge衬底的底面厚度d1约为300-400um，第一阶凸起（b）的顶部到第一阶凸起（b）的底面d2优选为50~80um，即第一阶凸起（b）的高度d2为50～80um；第二阶凸起（a）的顶部到第一阶凸起（a）的顶部之间的厚度d3至少大于第一阶凸起（b）的高度d2的两倍，优选为150~200um，即第二阶凸起（a）的高度d3优选为150~200um；每两个二阶凸起结构之间的间隔小于第一阶凸起（b）的高度;每个二阶凸起结构的宽度优选为150~200um。通过上述参数能够更优化限领作用，如果第二阶凸起的高度小于第一阶凸起的高度或是二阶凸起结构之间的间隔太大都不会对太阳光线起到限域作用或是会极大消弱限域作用。
通过上述具体实施例的描述，已经很全面地揭示了本发明的构思，本领域技术人员应当能够了解本发明的优点之处；对于本申请的理解不应当限制在上述实施例中，与本发明精神一致的明显变形的实施方式也应当属于本发明的构思。
Claims (6)
1.一种多子结化合物光伏电池，即InAlAsP/InGaAs/Ge三子结化合物光伏电池，包括Ge衬底；Ge子电池，位于Ge衬底上；InGaAs子电池，位于Ge子电池上；InAlAsP子电池，位于InGaAs子电池上；在所述Ge衬底与Ge子电池之间包括n++Ge接触层以及n++Ge接触层之上的背场层；在InAlAsP子电池上为窗口层，窗口层上为p++接触层；Ge子电池与InGaAs子电池，InGaAs子电池与InAlAsP子电池之前具有晶格匹配的n++/p++遂穿二极管，其特征在于：所述多子结化合物光伏电池上部光照面形状为连续的二阶凸起结构，每一个二阶凸起结构具有第一阶凸起和第二阶起，其中第二阶凸起从第一阶凸起的上表面向上凸起；在二阶凸起结构之间形成高折射率透明材料，所述高折射率透明材料包括形成在第二阶凸起之间的区域的第二高折射率透明材料和形成在第一阶凸起之间的区域的第一高折射率透明材料；所述第二高折射率透明材料的顶面与第二阶凸起的顶面齐平且为平坦的；所述第一高折射率透明材料的顶面与第一阶凸起的顶面齐平并且接触第二高折射率透明材料。
2.如权利要求1所述的多子结化合物光伏电池电池，其特征在于：所述第一高折射率透明材料的折射率大于所述第二高折射率透明材料的折射率。
3.如权利要求1所述的多子结化合物光伏电池，其特征在于：所述Ge子电池在远离衬底的方向上依次包括n Ge基区，p+Ge发射区，并具有0.66ev的带隙；所述InGaAs子电池在远离衬底方向上依次包括n InGaAs基区，p+InGaAs发射区，并具有1.40ev的带隙；所诉InAlAsP子电池在远离衬底方向上依次包括n InAlAsP基区，p+InAlAsP发射区，并具有1.90ev的带隙。
4.如权利要求3所述的多子结化合物光伏电池，从第二阶凸起的顶面到Ge衬底的底面厚度为300～400um，第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度为50～80um；并且第二阶凸起的顶部到第一阶凸起的顶部的厚度至少大于第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度的两倍；每两个二阶凸起结构之间的间隔小于第一阶凸起的顶部到第一阶凸起底面的厚度。
5.如权利要求1所述的多子结化合物光伏电池，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二极管为异质结隧穿二极管。
6.如权利要求5所述的多子结化合物光伏电池，所述晶格匹配的n++/p++隧穿二极管为n++InGaP/p++InGaAsP异质结隧穿二极管；其总厚度为30-45纳米。
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Legal Events
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Inventor after: Li Guohong Inventor after: Li Zhonghu Inventor after: Liu Zifu Inventor after: Guo Benneng Inventor after: Lu Dawei Inventor after: Zhou Peng Inventor before: Si Hongkang |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
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Effective date of registration: 20160727 Address after: B building 237000 Anhui province Lu'an Kechuang center room 509 (the intersection of three road and Gaocheng Road) Applicant after: ANHUI KANGLI ENERGY SAVING ELECTRIC APPLIANCE TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 237000 Anhui Province, Lu'an city science and technology innovation center room 001 (the intersection of three road and Gaocheng Road) Applicant before: Si Hongkang |
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Effective date of registration: 20191107 Address after: No. 3, Chuangye building, 1750 Shengli West Road, Yuhui District, Bengbu, Anhui Province Patentee after: Bengbu Keze Network Information Technology Co.,Ltd. Address before: B building 237000 Anhui province Lu'an Kechuang center room 509 (the intersection of three road and Gaocheng Road) Patentee before: ANHUI KANGLI ENERGY SAVING ELECTRIC APPLIANCE TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221221 Address after: 250000 No. 22, Yuanshan Road, Laiwu high tech Zone, Jinan City, Shandong Province Patentee after: Laiwu High tech Zone Tongsheng Industry and Trade Co.,Ltd. Address before: 233000 No.3, Chuangye building, 1750 Shengli West Road, Yuhui District, Bengbu City, Anhui Province Patentee before: Bengbu Keze Network Information Technology Co.,Ltd. |
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