CN106206849A - 应用于含dbr结构六结太阳能电池制备的温度监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，可用于MOCVD设备生长具有不同光子反射波段含DBR结构的六结太阳能电池，以600～1000nm的连续光为探测光源监控具有多套DBR结构的六结太阳能电池AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/Ga1‑3yIn3yNyAs1‑y/Ga1‑3xIn3xNxAs1‑x/Ge的生长温度。由于特定波长的光子与相同波长反射光相遇会产生发射率低而反射率过高的现象，结果致使信号失真，该发明可以避免传统单色探测光源在生长具有相近反射光的DBR结构时导致的生长温度值失真甚至宕机等失控情况，准确反映外延片表面温度，确保外延结构生长过程顺利完成。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏技术领域，具体涉及一种应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法。
背景技术
近些年来，我国航空航天科技成果不断刷新历史记录，说明其相关领域的技术水平有了大幅提升。其中，空间电源作为不可或缺的组成部分，也必须不断持续发展以满足整个系统的最优化。考虑到空间电源独特的工作环境，空间电源除了要具有高光电转换效率和尽可能轻的自身质量外，还要具有较好的抗辐照性能，这也是空间电源研究亟需改进和提高的方向。
目前，砷化镓多结太阳能电池因其转换效率明显高于晶硅电池而被广泛地应用于空间电源系统。但实际上，GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池作为砷化镓多结电池的主流结构，其带隙组合1.85/1.40/0.67eV对于太阳光光谱并不是最佳的，原因在于Ge底电池的短路电流要比中电池和顶电池的大很多，由于串联结构的电流限制原因，造成很大部分底电池电流转换成热量损失掉，限制了电池性能的提高。
理论分析表明，半导体化合物多结太阳能电池经过带隙组合优化，电池的光电转换效率会有大幅提升，例如六结太阳能电池可达45％，但前提是必须保证外延材料的晶体质量，所以在材料选择上必须保持晶格匹配。研究发现，通过调节GaInNAs四元合金材料中In和N的组分，并保持In组分约为N的3倍，就能制备出光学带隙为0.9～1.4eV的GaInNAs材料，且与Ge衬底(或GaAs衬底)晶格匹配。因此，基于Ge衬底可以生长得到AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/Ga1-3yIn3yNyAs1-y/Ga1-3xIn3xNxAs1-x/Ge六结太阳能电池，通过调节各个子电池的组分可以保持晶格匹配，并得到优化后的带隙组合2.1/1.7/1.4/1.1/0.9/0.67eV，其空间光谱极限效率可达38％以上，远高于传统三结电池，这主要是因为六结电池可以更加充分地利用太阳光，提高电池的开路电压和填充因子，其高转换效率正是空间电源所急需的。
然而，经验表明，太阳能电池在太空环境中受到大量高能粒子辐照，材料质量变差，尤其是砷化物子电池更为严重，导致各子电池性能有不同程度地衰减，最终影响电池整体的性能。实验结果表明，在子电池下方加入适当的DBR(Distributed Brag Reflector分布式布拉格反射层)结构可以在很大程度上使问题得到缓解。这是因为通过调节DBR结构反射相应波段的太阳光，可使初次没有被材料吸收的光子反射回去被二次吸收，相当于变相地增加了“有效吸收厚度”，因此该子电池设计厚度得以降低，而电池厚度减薄可以使电池的抗辐照性能大幅提升。
DBR结构应用于多结太阳能电池还可以带来很多其他方面的有益效果，首先，以GaInNAs材料为例，现有技术条件下制备的GaInNAs材料少子扩散长度较其他材料小很多，若GaInNAs材料层太厚不能形成对光生载流子的有效收集；若GaInNAs材料层太薄则造成电池吸收率太低，不能将相应波段的光子完全吸收。因此，在GaInNAs子电池下面生长DBR结构，降低GaInNAs子电池设计厚度，可以有效提高少子的收集数量。其次，由于提供N原子的N源(一般是二甲基肼源)价格比一般的有机源高出很多，减小GaInNAs材料层厚度还可以降低电池的生产成本。另外，在Ge之上的子电池加入DBR结构，可以使部分进入Ge子电池的光子反射掉，减少其热量产生，增加电池的稳定性。可见，这种包含DBR结构的结太阳能电池可最大程度地发挥自身的优势，提高电池转换效率。
然而，在含多套DBR结构的六结太阳电池制备过程中，需要解决温度监控的问题。这是因为DBR的反射波段涵盖500～1400nm，现有设备的探测光源多为单色光(如VeccoK475型MOCVD所用为930nm)，当探测光与具有相近波长的反射光子相遇时，会发生发射率很低而反射率极高的现象，导致温度失控，甚至出现机台宕机的情况，最终使得生长无法顺利进行。本法明提出了一种采用连续光为探测光源的方法，可以很好的解决上述问题，实现含多套DBR的六结电池的外延生长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，可以避免单色探测光源遇到DBR结构反射的具有相近波长光子导致的生长温度值失真甚至宕机等失控情况，准确反映外延片表面温度，确保外延结构生长过程顺利完成，最终发挥六结电池的优势，提高电池整体光电转换效率。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，用于金属有机化合物气相沉积制备具有不同光子反射波段含DBR结构的六结太阳能电池，具体是以600～1000nm的连续光为探测光源监控具有多套DBR结构的六结太阳能电池的生长温度，包括以下步骤：
步骤1：将探测器波长值设置在600～700nm范围内，依次沉积GaInAs/GaInP缓冲层、第一隧道结、第一套DBR和第一子电池；其中，所述第一套DBR用于反射第一子电池所吸收的光子，反射波长为1200～1400nm，其组合层的对数为5～35对，第一子电池的材料光学带隙为0.90～0.95eV；
步骤2：将探测器波长值设置在700～800nm范围内，依次沉积第二套DBR、第二子电池和第二隧道结；其中，所述第二套DBR用于反射第二子电池所吸收的光子，反射波长为900～1100nm，其组合层的对数为5～35对，第二子电池的材料光学带隙为1.10～1.15eV；
步骤3：将探测器波长值设置在800～900nm范围内，依次沉积第三套DBR、第三子电池和第三隧道结；其中，所述第三套DBR用于反射第三子电池所吸收的光子，反射波长为700～800nm，其组合层的对数为5～35对，第三子电池的材料光学带隙为1.4eV；
步骤4：将探测器波长值设置在900～950nm范围内，依次沉积第四套DBR、第四子电池和第四隧道结；其中，所述第四套DBR用于反射第四子电池所吸收的光子，反射波长为600～700nm，其组合层的对数为5～35对，第四子电池的材料光学带隙为1.70～1.75eV；
步骤5：将探测器波长值设置在950～1000nm范围内，依次沉积第五套DBR和第五子电池；其中，所述第五套DBR用于反射第五子电池所吸收的光子，反射波长为500～600nm，其组合层的对数为5～35对，第五子电池的材料光学带隙为2.10～2.15eV。
所述第一子电池为Ga1-3xIn3xNxAs1-x子电池。
所述第二子电池为Ga1-3yIn3yNyAs1-y子电池。
所述第三子电池为GaInAs子电池。
所述第四子电池为AlGaInAs子电池。
所述第五子电池为AlGaInP子电池。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明中的六结太阳能电池结构设计“第五子电池/第四子电池/第三子电池/第二子电池/第一子电池/Ge”较传统三结有很大优势，一方面，可以采用GaInNAs材料作为第一子电池二和第二子电池，可以在保持电池整体上晶格匹配的同时调整组分，可使带隙结构与太阳光谱更为匹配，有利于提高电池效率；另一方面，在各子电池下方分别插入相应的DBR结构，可以在保证有效吸收厚度的前提下减薄基区，提高了抗辐照性能，尤其是对于少子扩散长度较小的GaInNAs材料，还可以同时提高少子收集数量和降低昂贵原材料(二甲基阱源)的使用，即降低成本。总之，该电池结构既可以达到六结电池的晶格匹配要求，又可以满足六结电池带隙组合的理论设计要求，同时又能解决GaInNAs材料少子扩散长度较小和砷化物子电池抗辐照性能差的问题，还可以节约电池的生产成本。
2、本发明的关键在于将600～1000nm连续探测光源代替传统单色光源监控生长温度，避免了单色探测光源遇到DBR结构反射的具有相近波长光子导致的生长温度值失真甚至宕机等失控情况，准确反映外延片表面温度，使得GaInNAs材料和DBR结构成功应用到六结太阳能电池中得以实现，可最大程度地发挥六结电池在空间电源应用上的优势。
附图说明
图1为含DBR结构的六结太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例所述的应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，为采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术，将设备上的单色探测光源，更换为波长范围为600～1000nm的连续光光源，监控具有多套DBR结构的六结太阳能电池的生长温度。其中，该六结太阳能电池包括：以4英寸Ge单晶片为衬底，在所述Ge衬底上按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaInP/GaInAs缓冲层、第一套DBR、第一子电池(在本实施例具体是Ga1- 3xIn3xNxAs1-x子电池)、第二套DBR、第二子电池(在本实施例具体是Ga1-3yIn3yNyAs1-y子电池)、第三套DBR、第三子电池(在本实施例具体是GaInAs子电池)、第四套DBR、第四子电池(在本实施例具体是AlGaInAs子电池)、第五套DBR和第五子电池(在本实施例具体是AlGaInP子电池)，各子电池之间由隧道结连接，请参看图1所示结构。该方法的具体步骤为：
步骤1：将探测器波长设置为600～700nm范围内的某一波长值(本实施例优先选择650nm)，依次沉积GaInAs/GaInP缓冲层、第一隧道结、第一套DBR和Ga1-3xIn3xNxAs1-x子电池；
步骤2：将探测器波长设置为700～800nm范围内的某一波长值(本实施例优先选择750nm)，依次沉积第二套DBR、Ga1-3yIn3yNyAs1-y子电池和第二隧道结；
步骤3：将探测器波长设置为800～900nm范围内的某一波长值(本实施例优先选择850nm)，依次沉积第三套DBR、GaInAs子电池和第三隧道结；
步骤4：将探测器波长设置为900～950nm范围内的某一波长值(本实施例优先选择930nm)，依次沉积第四套DBR、AlGaInAs子电池和第四隧道结；
步骤5：将探测器波长设置为950～1000nm范围内的某一波长值(本实施例优先选择980nm)，依次沉积第五套DBR和AlGaInP子电池。
所述第一套DBR用于反射Ga1-3xIn3xNxAs1-x子电池所吸收的光子，反射波长为1200～1400nm，其组合层的对数为5～12对(本实施例优先选择10对)，Ga1-3xIn3xNxAs1-x子电池的材料光学带隙为0.90～0.95eV。
所述第二套DBR用于反射Ga1-3yIn3yNyAs1-y子电池所吸收的光子，反射波长为900～1100nm，其组合层的对数为8～16对(本实施例优先选择12对)，子Ga1-3yIn3yNyAs1-y子电池的材料光学带隙为1.10～1.15eV。
所述第三套DBR用于反射GaInAs子电池所吸收的光子，反射波长为700～800nm，其组合层的对数为10～20对(本实施例优先选择16对)，GaInAs子电池的材料光学带隙为1.4eV。
所述第四套DBR用于反射AlGaInAs子电池所吸收的光子，反射波长为600～700nm，其组合层的对数为12～25对(本实施例优先选择20对)，AlGaInAs子电池的材料光学带隙为1.70～1.75eV。
所述第五套DBR用于反射AlGaInP子电池所吸收的光子，反射波长为500～600nm，其组合层的对数为15～35对(本实施例优先选择24对)，AlGaInP子电池的材料光学带隙为2.10～2.15eV。
综上所述，本发明可以解决单色探测光源与相似波长反射光相遇出现的高反射率现象导致的探测温度失真或宕机等失控情况，使得含有多套DBR结构六结太阳能电池的外延结构生长部分得以顺利实现，从而为其最终应用于太空环境提供了可能，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，其特征在于：用于金属有机化合物气相沉积制备具有不同光子反射波段含DBR结构的六结太阳能电池，具体是以600～1000nm的连续光为探测光源监控具有多套DBR结构的六结太阳能电池的生长温度，包括以下步骤：
步骤1：将探测器波长值设置在600～700nm范围内，依次沉积GaInAs/GaInP缓冲层、第一隧道结、第一套DBR和第一子电池；其中，所述第一套DBR用于反射第一子电池所吸收的光子，反射波长为1200～1400nm，其组合层的对数为5～35对，第一子电池的材料光学带隙为0.90～0.95eV；
步骤2：将探测器波长值设置在700～800nm范围内，依次沉积第二套DBR、第二子电池和第二隧道结；其中，所述第二套DBR用于反射第二子电池所吸收的光子，反射波长为900～1100nm，其组合层的对数为5～35对，第二子电池的材料光学带隙为1.10～1.15eV；
步骤3：将探测器波长值设置在800～900nm范围内，依次沉积第三套DBR、第三子电池和第三隧道结；其中，所述第三套DBR用于反射第三子电池所吸收的光子，反射波长为700～800nm，其组合层的对数为5～35对，第三子电池的材料光学带隙为1.4eV；
步骤4：将探测器波长值设置在900～950nm范围内，依次沉积第四套DBR、第四子电池和第四隧道结；其中，所述第四套DBR用于反射第四子电池所吸收的光子，反射波长为600～700nm，其组合层的对数为5～35对，第四子电池的材料光学带隙为1.70～1.75eV；
步骤5：将探测器波长值设置在950～1000nm范围内，依次沉积第五套DBR和第五子电池；其中，所述第五套DBR用于反射第五子电池所吸收的光子，反射波长为500～600nm，其组合层的对数为5～35对，第五子电池的材料光学带隙为2.10～2.15eV。
2.根据权利要求1所述的应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，其特征在于：所述第一子电池为Ga1-3xIn3xNxAs1-x子电池。
3.根据权利要求1所述的应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，其特征在于：所述第二子电池为Ga1-3yIn3yNyAs1-y子电池。
4.根据权利要求1所述的应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，其特征在于：所述第三子电池为GaInAs子电池。
5.根据权利要求1所述的应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，其特征在于：所述第四子电池为AlGaInAs子电池。
6.根据权利要求1所述的应用于含DBR结构六结太阳能电池制备的温度监控方法，其特征在于：所述第五子电池为AlGaInP子电池。
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Denomination of invention: Temperature monitoring method for preparing six junction solar cell containing DBR structure Effective date of registration: 20210929 Granted publication date: 20171121 Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Zhongshan branch Pledgor: ZHONGSHAN DEHUA CHIP TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980010236 |