CN106206824A - 一种含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其为基于InP衬底生长的晶格匹配窄禁带多结太阳电池，在该太阳电池结构的双谱段分别设置有布拉格反射器，该布拉格反射器由与InP衬底晶格匹配的窄禁带材料组成。本发明提供的太阳电池，通过在电池结构中引入双谱段布拉格反射器来增加窄禁带电池对未被吸收的光子的反射，实现光子再利用，增加电池光生电流，而且，布拉格反射器位于电池底部，处于外延生长的初始阶段，有效地抑制了来自衬底的缺陷，提高外延层晶格质量；从而提升太阳电池的整体性能，克服了窄禁带材料吸收系数小的缺点，显著提高了窄禁带子电池的晶格质量和光生电流，为下一代多结高效太阳电池的研制奠定了坚实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳电池，具体地，涉及一种含有双谱段布拉格反射器的晶格匹配窄禁带多结太阳电池。
背景技术
III-V族半导体太阳电池相较于传统的硅太阳电池，其转换效率高、抗辐照能力强、温度特性好等优点，被公认为是新一代高性能长寿命空间主电源，已在航天领域得到广泛应用。随着化合物半导体生长技术(如金属有机化合物汽相外延——MOCVD) 的不断进步，III-V族太阳电池的效率得到了很大提高，当前AM0光谱下转换效率最高的太阳电池是半导体直接键合五结太阳电池，其转换效率超过36%。如何进一步提升III-V族太阳电池的转换效率成为当前研究热点。在当前的技术条件下，III-V族化合物太阳电池效率提升的主要途径是通过对光谱进行进一步细致划分，更充分地利用太阳光能量，即引入更宽禁带宽度材料加强对短波方向光子的吸收，引入更窄带隙来充分利用长波方向的光子。由于材料外延生长条件限制，五结及以上多结电池的一体化生长极其困难，通常做法是分别生长GaAs 基宽禁带子电池和InP基子电池，再通过半导体直接键合技术将电池级联为一体。
对于InP基窄禁带子电池来说，主要涉及材料有InGaAs、InAlAs和InGaAsP等材料，这些材料可以实现长波方向光谱的细致划分，但是缺点是这一类材料吸收系数较小，为获得足够的光谱电流就必须增加有源层的厚度，经过计算，至少需要数微米的厚度才能对入射的长波光子进行充分吸收，如此一来给外延生长带来了很大难度：一方面外延成本大大增加，另一方面过长的生长时间会导致先前生长的功能层产生衰退，引起电池整体性能衰退。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳电池，在晶格匹配的窄禁带多结太阳电池底部引入双谱段布拉格反射器，通过布拉格反射器增加窄禁带电池对未被吸收的光子的反射，实现光子再利用，增加电池光生电流，从而提升太阳电池的整体性能。
为达到上述目的，本发明提供了一种含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，该电池为基于InP衬底生长的晶格匹配窄禁带多结太阳电池，其中，在该太阳电池结构的双谱段分别设置有布拉格反射器，该布拉格反射器由与InP衬底晶格匹配的窄禁带材料组成。
上述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其中，所述的布拉格反射器由两种中心波长存在差异的晶格匹配材料组成，构成两个具有不同中心波长的反射器，该电池结构可对两种谱段的光子进行反射。
上述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其中，该电池的电池结构内分别设置有第一布拉格反射器和第二布拉格反射器，该第一布拉格反射器和第二布拉格反射器之间设置有改进层，用于消除布拉格反射器的中心强透过率。
上述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其中，所述的布拉格反射器材料选择InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InGaAlAs和InP中的任意一种或任意两种的组合。
上述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其中，所述的布拉格反射器含有5-20对反射层。
上述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其中，所述的太阳电池包含由下向上依次设置的InP衬底、第一布拉格反射器、改进层、第二布拉格反射器、底电池、隧穿结、中电池、隧穿结及顶电池。
上述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其中，所述的太阳电池包含由下向上依次设置的InP衬底、InP缓冲层、第一布拉格反射器、改进层、第二布拉格反射器、底电池、隧穿结、中电池、隧穿结及顶电池。
上述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其中，所述的第一布拉格反射器由若干层InGaAs层、InAlAs交替构成。
上述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其中，所述的第二布拉格反射器由若干层InAlAs层、InGaAsP层交替叠加构成。
上述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其中，所述的改进层为InGaAs层。
本发明提供的含有双谱段布拉格反射器的晶格匹配窄禁带多结太阳电池具有以下优点：
（1)在电池结构中形成双谱段布拉格反射器，增强光子反射，提高光子利用率，从而克服窄禁带材料吸收系数小的缺点，提高电池的光生电流；（2）双谱段布拉格反射器由于采用了针对两种谱段的反射器材料，在电池结构中能够对两种谱段的光子进行反射，提升了两个窄禁带子电池的光生电流（3）布拉格反射器位于电池底部，处于外延生长的初始阶段，可以有效抑制来自衬底的缺陷，提高外延层晶格质量。
附图说明
图1为本发明的双谱段布拉格反射器结构示意图，其中1为InP衬底，2为InP缓冲层，3和4为第一布拉格反射器的两种材料层，5为添加的改进层，6和7为第二布拉格反射器的两种材料层。
图2为本发明的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带三结太阳电池结构示意图，其中10为InP衬底，20为InP缓冲层，30为长波长布拉格反射器（第一布拉格反射器），40为改进层，50为短波长布拉格（第二布拉格反射器），60为底电池，70为隧穿结，80为中电池，90为隧穿结，100为顶电池。
图3为针对InGaAs子电池和InGaAsP子电池的未添加改进层的双谱段布拉格反射器示意图。
图4为针对InGaAs子电池和InGaAsP子电池的添加了改进层的双谱段布拉格反射器示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的含有双谱段布拉格反射器的晶格匹配窄禁带多结太阳电池为基于InP衬底生长的晶格匹配窄禁带多结太阳电池，其中，在该太阳电池结构的双谱段分别设置有布拉格反射器，该布拉格反射器由与InP衬底晶格匹配的窄禁带材料组成，如图1所示。
所述的布拉格反射器中，以H1、L1分别表示第一布拉格反射器的两种材料层，以H2、L2分别表示第二布拉格反射器的两种材料层，标准反射器的结构应该是H1L1H1L1…H1L1H1，H2L2H2L2…H2L2H2，两者叠加之后就变成H1L1…H1L1H1H2L2…H2L2H2，那么在反射器中央就会存在H1H2这样一个结构，形成了一个低反射率谷，如图3所示。为解决该问题，本发明在两个反射器中央插入一层含有一层为消除两种布拉格反射器中心强透过率的改进层，以保证双谱段布拉格反射器能够在设定的谱段内均能起到作用。
以下结合实施例具体说明本发明的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池的具体制备方法。
实施例
如图2所示，以窄禁带三结太阳电池为例，首先在InP衬底10上外延生长InP缓冲层20，接着开始生长第一布拉格反射器30，依次交替生长10层InAlAs /InGaAsP， InGaAs改进层40，然后开始生长第二布拉格反射器50，依次交替生长10层InGaAs/InAlAs，最后依次生长InGaAs底电池60，隧穿结70，InGaAsP中电池80，隧穿结90，InAlAs顶电池100。该结构采用低压金属有机物化学气相沉积（LP-MOCVD）设备生长。如图3所示，InGaAs/InAlAs反射器能够对波长为900~1380nm的光进行有效反射，InAlAs /InGaAsP能够对波长为1300~1700nm的光进行有效反射，加上改进层之后，如图4所示，双谱段布拉格反射器能够对900~1700nm的宽光谱光子进行有效反射，增强下面两结子电池可吸收光子的重复利用，从而提高电池的光生电流。
本发明提供的含有双谱段布拉格反射器的晶格匹配窄禁带多结太阳电池，在电池双谱段引入布拉格反射器，以增强对未被有源层吸收光子的再利用，提高电池光生电流，以此来弥补窄禁带材料吸收系数小带来的缺点；位于电池底部的双谱段的布拉格反射器还起到了抑制来自衬底的缺陷的作用，提高了后续生长的外延层晶格质量，为多结高效太阳电池的研制提高了保障。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于，该电池为基于InP衬底生长的晶格匹配窄禁带多结太阳电池，其中，在该太阳电池结构的双谱段分别设置有布拉格反射器，该布拉格反射器由与InP衬底晶格匹配的窄禁带材料组成。
2.如权利要求1所述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于，所述的布拉格反射器由两种中心波长存在差异的晶格匹配材料组成，可对两种谱段的光子进行反射。
3.如权利要求1所述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于，该电池的电池结构内分别设置有第一布拉格反射器和第二布拉格反射器，该第一布拉格反射器和第二布拉格反射器之间设置有改进层，用于消除布拉格反射器的中心强透过率。
4.如权利要求1所述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于，所述的布拉格反射器材料选择InGaAs、InGaAsP、InAlAs、InGaAlAs和InP中的任意一种或任意两种的组合。
5.如权利要求1所述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于，所述的布拉格反射器含有5-20对反射层。
6.如权利要求1所述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于，所述的太阳电池包含由下向上依次设置的InP衬底（10）、第一布拉格反射器（30）、改进层（40）、第二布拉格反射器（50）、底电池（60）、隧穿结（70）、中电池（80）、隧穿结（90）及顶电池（100）。
7.如权利要求1所述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于，所述的太阳电池包含由下向上依次设置的InP衬底（10）、InP缓冲层（20）、第一布拉格反射器（30）、改进层（40）、第二布拉格反射器（50）、底电池（60）、隧穿结（70）、中电池（80）、隧穿结（90）及顶电池（100）。
8.如权利要求7所述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于，所述的第一布拉格反射器（30）由若干层InGaAs层、InAlAs交替叠加构成。
9.如权利要求7所述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于，所述的第二布拉格反射器（50）由若干层InAlAs层、InGaAsP层交替构成。
10.如权利要求7所述的含有双谱段布拉格反射器的窄禁带多结太阳电池，其特征在于， 所述的改进层（40）为InGaAs层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Lu Hongbo Inventor after: Zheng Yi Inventor after: Zhu Kai Inventor after: Li Xinyi Inventor after: Zhang Wei Inventor after: Yang Cheng Inventor after: Zhang Huahui Inventor after: Chen Jie Inventor after: Zhang Mengyan Inventor after: Zhang Jianqin Inventor before: Lu Hongbo Inventor before: Li Xinyi Inventor before: Zhang Wei Inventor before: Yang Cheng Inventor before: Zhang Huahui Inventor before: Chen Jie Inventor before: Zhang Mengyan Inventor before: Zhang Jianqin Inventor before: Zheng Yi |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |