CN106784037A - 一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电技术领域，特别是涉及一种基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，该单色光多结电池包括：多个垂直堆叠的GaAs子电池和设于各个GaAs子电池之间的多层隧穿结；其中，每个GaAs子电池层的厚度各自不同并且都包含一个特殊设计的内部反射层；隧穿结将各个GaAs子电池依次串联起来，形成NPN...NPN的纵向多结结构。所述的单色光多结电池还能够通过合适的非成像光路设计实现更多个单色光电池的级联来实现更大功率的输出。

Description

一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列
技术领域
本发明实施方式涉及电池技术领域，特别是涉及一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列。
背景技术
特高压直流技术的开展需要更高功率的非接触式能源供给技术，在几种非接触式能源供给技术中，具有绝缘特性好，抗电磁特性好的单色光供能技术逐渐受到重视。
单色光供能技术是利用单色光源将光能量通过绝缘途径输送到单色光电池上。通常的单色光源可以是高功率激光器，绝缘途径可以是光纤或者空气，而单色光电池可以是各种半导体材料构成的PN结，为了满足能够直接提供给后端传感器单元供电使用，单色光电池还需要能够直接输出高电压。
高电压的获取通常是依靠多个子电池串联来获得的，传统的单色光电池通常采用横向串联工艺，如图1所示。对于这样的结构来说，材料有源区是生长在绝缘衬底材料上，需要通过刻蚀技术在电池有源层形成隔离槽来得到若干个子电池，再采用级联工艺将各个子电池依次平面串联而成。电池材料通常采用禁带宽度为1.42eV的砷化镓材料，一般需要在同一个平面上级联6个砷化镓子电池才能得到6V左右的工作电压。由于各个子电池之间是横向串联结构，因此需要复杂的光耦合操作，来保证各个子电池上的光斑均匀特性，实现电池的最大功率输出。
现有技术CN201310072324.1，现有技术CN 201310071968.9，现有技术CN201310072325.6和现有技术CN 201420121991.4都提及到在砷化镓材料上进行类似单色光电池的设计。一般来说，这样的工艺设计本身通常需要复杂的半导体制备步骤,并且由于隔离槽和表面电极的存在，电池的有效受光面积会相对减少，效率会下降。另外，随着串联电池数量的增加，横向串联实现的工艺难度越来越大，因此无法级联更多的子电池。
另外一个思路是利用纵向串联。一个近似案例是聚光多结太阳能电池，它是利用隧穿结将不同化合物材料子电池依次纵向串联从而能够吸收更加广谱的能量。例如，专利号201110168522.9描述了利用两个隧穿结将锗材料子电池，铟镓砷材料子电池和砷化镓材料子电池依次串联起来形成能够广谱吸收的三结太阳能电池的结构；专利号201310508769.X描述了利用隧穿结将碳化硅材料子电池，砷化镓材料子电池和铟镓砷材料子电池依次串联起来形成的三结电池结构；专利号201580013861.6描述了利用隧穿结将铟镓砷材料子电池和砷化镓材料子电池串联起来形成的两结电池结构，专利号为201210026736.7还阐述了一种四结聚光太阳能电池结构，专利号CN201010260142.3也阐述了一种五结聚光太阳能电池结构。
尽管所检索的相关专利包含多个结，但是这样不同材料化合物构成的多结串联电池并不适合在单色光条件下使用。并且由于材料晶格常数和禁带宽度的限制，更多结数的电池很难制作。根据我们的专利检索，目前尚未发现包含更多结数(结数在10到100个之间)电池的相关专利。
因此，鉴于上述情况，结合现代电力电子特别是特高压直流传输中高压侧的一些关键设备需要高功率(几十瓦到数百瓦)和高电压(几伏到数百伏)以及高效率(大于50％)的取能电池需求，迫切需要一种能够实现高电压，高功率和高效率的单色光电池来满足这些需求。
鉴于此，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种新的单色光多结电池成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列。为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：
一种基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，与现有技术相比，其不同之处在于，该纵向多结单色光电池包括：
多个垂直堆叠的GaAs子电池；和
设于各个GaAs子电池之间的隧穿结；其中，各个子电池的材料完全相同，并且各个子电池都包括一个反射层；各个子电池之间依靠隧穿结进行串联，形成NPN…PNPN式的纵向多结结构。
其中，所述的各个GaAs子电池的厚度从下至上逐渐降低，各个子电池的厚度根据各子电池所分配的能量比例和GaAs材料系数确定。
其中，所述反射层为布拉格反射层或者为背反射层，每层的最优反射率不一样，根据结数和各个子电池输出电流来确定，优选的布拉格光栅结构为P++AlGaAs/N++AlGaAs。
其中，所述的各个隧穿结均为P+AlxGaAs/P++AlxGaAs/N++AlxGaAs/N+InyGaAs异质结隧穿结,其中x取值为0.22，y取值为0.1，所述的隧穿结同时采用了碳，锌，锑，硅四元素掺杂，典型的四层隧穿结掺杂浓度分别达到1x1020cm-1，7.5x1020cm-1，2.5x1020cm-1和1.6x1020cm-1。
其中，位于顶层的GaAs子电池上还设有N型侧向导电区，掺杂浓度为5x1018,所述N型侧向导电区上设有上层N电极，电极截面呈梯形。其中，所述单色光电池的形状可以多样性，并且能够通过光束优化设计和调节电池面积的大小来保证电池表面单位面积和隧穿结上的能量密度在安全范围内。
其中，所述单色光电池对输入光功率分布程度不敏感，不需要经过复杂的光耦合操作。
其中，还能够通过合适的非成像光路设计实现更多个单色光电池的级联来实现更大功率的输出。
本发明还提供了一种电池级联阵列，该电池级联阵列包括：
相互平行的第一电池单元和第二电池单元，每个电池单元均包括从第一端到第二端均匀排列的多个上述的单色光多结电池；
对应设置于每个单色光多结电池上的匀光透镜；
靠近第一电池单元第一端设置的输入光准直器；
位于第一电池单元中靠近第二端设置的单色光多结电池上方的第一反射棱镜；
位于第二电池单元中靠近第二端设置的单色光多结电池上方的第二反射棱镜；以及
位于其他单色光电池的上方的光透反镜组件，所述光透反镜组件包括倾斜设置的半透半反镜。
本发明实施方式的有益效果是：本发明的单色光电池是在同种材料上进行的纵向多结设计，通过优化所包含的各个子电池和隧穿结结构来包含更多结数的子电池，从而实现更高电压和更大功率的输出；二是本发明所优化设计的电池结构对输入光斑均匀性不敏感，减少了对光斑均匀化的要求。三是通过本发明所提出的多个电池阵列级连的方式可以组成包含更多单个电池的阵列，来提供更大功率能量的输出。
附图说明
图1是现有技术的串联式光电池结构示意图；
图2是本发明的单色光电池的结构示意图；
图3是光能量在本发明的单色光电池中传输路径图；
图4是本发明的第一优选方式的单色光电池的结构示意图；
图5是本发明的第二优选方式的单色光电池的结构示意图；
图6是本发明的单色光电池中上层电极的结构示意图；
图7是本发明的具有85个子电池串联而成的多结单色光电池的性能曲线；
图8是本发明的单色光电池的形状的结构示意图；
图9是本发明的单色光多结电池形成的阵列结构示意图。
具体实施方式
本发明的主要目的在于提出了一种能够实现高电压，高功率和高效率的单色光电池及阵列，用来满足不同电力应用场合的需求。
特别的，高电压是指大于10V而小于100V的开路电压，高功率是指能够支持从输入50瓦到1000瓦的注入光能量，而高效率是指取能电池的光电转换效率能够大于50％。
参阅图2、图3和图4所示，本发明实施例提供了一种基于GaAs材料的纵向多结单色光电池100，该单色光多结电池100包括：大于十个垂直堆叠的GaAs子电池10和设于各个GaAs子电池之间的隧穿结20。多个GaAs子电池10和多个隧穿结20垂直交替堆叠，其中，每个GaAs子电池10包括从下至上依次层叠的反射层104、P型掺杂的基区101、发射区102和窗口层103。
上述的单色光多结电池100为在同种材料上将n个子电池10纵向串联的电池结构；每个子电池10的材料相同，均为GaAs材料，所针对的最佳单色光波长范围在760nm到860nm之间；串联的GaAs子电池10的总数量n可以大于十个；各个子电池10之间通过隧穿结20进行串联。
在本发明实施例的单色光多结电池100结构是在GaAs材料上的纵向多结电池结构，各个子电池10由于制备材料相同因此不需要考虑晶格和禁带宽度匹配问题，因此可以选择同样的隧穿结而包含数量更多的子电池，例如，1～100个，所对应的输出电压在10V到100V之间；利用隧穿结20进行这些GaAs子电池的纵向串联，在一个优选实施方式中，隧穿结20为P+AlxGaAs/P++AlxGaAs/N++AlxGaAs/N+InyGaAs异质结隧穿结,其中x最佳取值为0.22，y最佳取值为0.1。；所采用隧穿结比传统隧穿结更适合在本发明中使用，具有更低的串联电压和更高的峰值电流，且对输入光能量透明无吸收。单色光多结电池100。
在本发明实施例中单色光纵向多结电池100的各个子电池10的厚度各不相同，从下至上逐渐降低。各个子电池厚度所设计的依据可以根据各子电池所分配的能量比例和GaAs材料系数进一步确定，可以通过气相外延生长技术(MOCVD)或者分子束外延技术(MBE)进行所设计的具体材料结构制备。
在第一优选实施方式中，多个GaAs子电池10厚度从下至上逐渐降低，且通过隧穿结串联起来。所述GaAs子电池10中包含一个反射层104，所述反射层104优先采用布拉格反射层。位于顶层的GaAs子电池10的窗口层103上设有N型侧向导电区301，所述N型侧向导电区301上设有欧姆接触良好的上层N电极302。位于最底层的GaAs子电池10的反射层104下还设有一个反向GaAs隧穿结20，其通过N++缓冲层303和下层电极304相连，形成NPNP....NPN的结构。所述的上层电极302最优截面为正梯形结构，上层电极302的梯形截面可以通过对光刻胶的不同温度下的掩膜形状调整，剥离后得到，这样优选的形状能够保证入射到电极上的部分光线被电极反射后再次入射进电池表面，从而能够使得电池效率进一步提高。
在第一优选实施方式中，各个GaAs子电池10的厚度应该根据每层子电池10的所需要分配的光能量比例和材料的吸收系数共同确定。所述的各层的光分配能量应该均衡，以保证各个子电池输出电流接近，而不会出现串联电流被钳位的现象；所述的各个子电池中，最下层电池厚度是各个子电池中的最厚层，而最上层电池厚度为各个子电池中的最薄层。
在第一优选实施方式中，各个GaAs子电池10中包含的反射层具有不同的反射率。所述反射层可以采用布拉格光栅形式，；所述的各个子电池10中的反射层104的反射率可以根据具体结数和各个子电池输出电流来确定，最终保证各个子电池的输出电流平衡。
在第一优选实施方式中，单色光多结电池100最上层还有一层高掺杂浓度且对输入光透明的横向导电层，即侧向导电区301，用来表面横向载流子的收集，所优选的横向导电层对输入光无吸收且串联电阻较小，能够使得电池表面的载流子能够较小损耗的迁移或者扩散到表层电极上。
在第一优选实施方式中，单色光多结电池100的上下输出电极均是负电极，负电极是通过一个单独的极性反向隧穿结20来实现的；优选的双负电极设计能够使得电极制备工艺都使用同一种欧姆接触材料来达到简化电极制备工艺的目的。
在第一优选实施方式中，单色光多结电池100的上输出电极截面优选设计成正梯形结构，请参阅图6所示，通过对光刻胶的暴光和烘烤时间的控制，可以实现所设计的电极截面形状。
在第一优选实施方式中，单色光多结电池100的形状可以多样性，并且还可以通过光束优化设计和调整电池表面积大小来保证电池表面和隧穿结上的能流密度在安全范围内，所优选的单位能量密度最大应该控制在200w/cm2内，来满足所设计隧穿结最大峰值电流的要求；单色光多结电池100
在第一优选实施方式中，单色光多结电池100由于在结构设计中对各个子电池的输出特性进行了匹配，因此对输入光功率均匀特性不敏感，不需要经过复杂的光耦合操作，从而简化了操作。
在第一优选实施方式中，单色光多结电池100还可以通过多光路级连来构成更多电池的串联阵列，提供更大功率的输出，如图9所示，输入光通过多个半反半透分光镜后，分别输入到各个单色光多结电池100上，各个单色光多结电池100再相互串联，形成更多级数的电池阵列来提供更大功率能量的输出。
在第二优选实施方式中的设计如图5所示，主要是将各个子电池内部的反射层采用传统背反射层结构来代替第一优选实施方式中的布拉格光栅反射层。所述的背面反射层可以选择GaInP材料，通过调节掺杂浓度来实现不同反射率的设计，这样的结构可以简化多结电池的外延制备过程。
第二优选实施方式和第一优选实施方式，在其它方面上具有相同的特点。
图7是利用本发明所阐述的一种多结单色光电池实际测试的效果，其中包含子电池的结数为30个，电池面积12cm2,电池结构按照前面所阐述的方式设计，采用MBE方式外延生长而成。在到300瓦的0光功率注入条件下，电池的转换效率始终保持在50％以上，输出功率超过140W。
具体的制备过程如下描述：
每个GaAs子电池10可以用MOCVD或者MBE依次进行反射层104，基区101，发射区102，窗口层103的材料生长；各个子电池10之间也可以利用MOCVD或者MBE进行高掺杂隧穿结的生长，采用MBE方法可以获得更精细的结构，特别是当所设计的结数较多时，子电池较薄时，MBE方法具有更大的优势。制备前，需要需要根据具体结数来计算出各个子电池的具体厚度和各个反射层的反射率，整个电池的工艺流程步骤如下，可以采用正向生长方式。
1)对原始掺杂GaAs衬底进行预清洁处理。
2)在N型掺杂GaAs衬底材料上，外延生长反向隧穿结，反向隧穿结优选P++GaInAs/N++GaInAs材料；
3)在上述隧穿结上根据反射率设计外延生长反射层，优选的反射层可以按照实施方案1和实施方案2采用布拉格反射层或者背反射层，优选的布拉格反射层材料为Al0.8Ga0.2As/Al0.1Ga0.9As，优选的背反射层可以采用GaInP材料；
3)在上述反射层上依次外延生长第一个子电池的基区层、发射层、窗口层，形成第一P/N结；
4)在上述第一P/N结上继续外延生长隧道结，所述的隧穿结为P+AlxGaAs/P++AlxGaAs/N++AlxGaAs/N+InyGaAs异质结隧穿结,其中x最佳取值为0.22，y最佳取值为0.1。5)在上述隧道结上继续外延生长第二个子电池的布拉格反射层；
6)在上述第二个子电池的布拉格反射层上再继续外延生长第二个子电池的基区、发射区、窗口层，形成第二P/N结；
7)循环步骤4)到6)依次生长所需要的各个子电池和对应的隧穿结直到最后一个子电池；
8)在最后一个子电池上方再次外延生长一层高掺杂的N型侧向导电层,并在其上制备正面电极；
9)对N衬底减薄并制作背面N电极,退火形成背面电极欧姆接触；
10)对正面蒸镀减反膜，并对正面电极做开窗处理；
11)按照标准光伏器件制备工艺进行解理，封装和测试。
所述各个子电池中反射层104的反射率各不相同，可以根据各个子电池所分配的光能量比例来计算；所述的光能量比例应该保证各个子电池接收的光能量均匀，防止出现各个子电池的光电流失配而影响效率。
本发明也同时给出了一种计算纵向串联多结电池中各个子电池包含的反射层的反射率计算方法，总体的计算原则是平均化原则，计算方法过程如下：
首先根据所包含的子电池个数，按照平均化原则计算各个子电池应该分配的光能量比例。对于包含有n个子电池的单色光电池，在不考虑光能量被材料吸收而损耗的情况下，每个子电池所分配的光能量计算公式为Pave＝1/n。
再根据各个子电池的输入/输出光能量反射率计算所包含反射层的反射率，所述的各层反射率可以根据公式计算
r＝(Pin-Pout)/Pave
举例来说，对于本案例中对于包含有5个子电池的多结单色光电池，各层反射层的反射率应该分别为20％，25％，33％，50％，100％；
包含有10个子电池的多结单色光电池，各层反射层的反射率应该分别为10％，11.1％，12.5％，14.2％，16.6％，20％，25％，33.3％，50％，100％；
对于包含有20个子电池的多结单色光电池，各层反射层的最优反射率应该分别为5％，5.2％，5.5％，5.8％，6.2％，6.6％，7.1％，7.6％，8.3％，9％，10％，11.1％，12.5％，14.2％，16.6％，20％，25％，33％，50％，100％；
而对于包含有30个子电池的多结单色光电池，各层反射层的最优反射率应该分别为3.3％，3.4％，3.5％，3.7％，3.8％，4％，4.2％，4.3％，4.5％，4.7％，5％，5.3％，5.5％，5.9％，6.2％，6.6％，7.1％，7.7％，8.3％，9.1％，10％，11.1％，12.5％，15％，16.6％，20％，25％，33％，50％，100％。
所述的每个子电池都具有不一样的厚度。最上层子电池的基区具有最薄的厚度，而最下层子电池的基区具有最厚的厚度。各个子电池的厚度分配原则应该根据入射光波长，材料吸收系数和结数来设计，保证各个子电池的电流相互匹配。
本发明也同时给出了一种计算各个子电池不同有源层厚度的计算方法，计算过程如下：
根据电池结数，按照平均化原则计算各个子电池所分配的能量比例。对于包含有n个子电池的单色光电池，在不考虑光能量被材料吸收而损耗的情况下，每个子电池应该分配到的光能量为Pave＝1/n。
可以根据各个子电池的入射能量和出射能量计算各个子电池的厚度，即可以代入公式进行计算，其中L是各个层的厚度。
举例来说，对于包含有5个子电池的多结单色光电池，各个子电池的最佳厚度分别为180nm,232nm,327nm,559nm,2200nm；
对于包含有10个子电池的多结单色光电池，各个子电池的最佳厚度分别为87.8nm、98.1nm、111.2nm、128.4nm、151.9nm、185.9nm、239.7nm、337.8nm、557.6nm和1600nm；
对于包含有20个子电池的多结单色光电池，最佳厚度分别为41nm,43nm,46nm,48nm,52nm,55nm,59nm,64nm,70nm,76nm,81nm,95nm,107nm,124nm,147nm,180nm,232nm,327nm,559nm,1085nm；
而对于包含30个子电池的多结单色光电池，最佳厚度分别为27nm,28nm,29nm,30nm,32nm,33nm,34nm,36nm,38nm,39nm,41nm,43nm,46nm,49nm,52nm,56nm,59nm,64nm,70nm,77nm,85nm,95nm,107nm,124nm,147nm,180nm,232nm,326nm,559nm,923nm.
所述的发射区102通常较薄，和基区101共同组成各个子电池的PN结，总厚度按照上面规则进行优化；所述的窗口层103对输入的单色光透明无吸收，并且能够降低各个子电池的发射区102的表面复合特性。
所述的隧穿结20应该具有大的峰值电流和低的串联电阻，且对输入光能量无吸收。本发明中的隧穿结选择为P+AlxGaAs/P++AlxGaAs/N++AlxGaAs/N+InyGaAs异质结隧穿结,其中x最佳取值为0.22，y最佳取值为0.1。所选择的材料带隙比GaAs材料要大，因此对输入光无吸收。另外，为了保证隧穿结的低电阻，高掺杂是不可避免的。考虑到扩散和掺杂浓度的矛盾性，对于P+AlxGaAs层，采用碳元素掺杂；对于P++AlxGaAs层，采用锌元素掺杂；对于N++AlxGaAs，采用锑元素掺杂；对于N+InyGaAs采用硅元素掺杂。本发明中所提到的该隧穿结与其它发明文献的隧穿结不一样的地方是，同时采用了碳，锌，锑，硅四元素掺杂构成的多层隧穿结，使得其具有更高的掺杂浓度和峰值电流。典型来说，采用本发明所阐述的方式，可以使得所使用的四层隧穿结分别达到1x1020cm-1/7.5x1020cm-1/2.5x1020cm-1/1.6x1020cm-1的掺杂浓度，且峰值电流可以达到200A/cm2，从而能够使用在所阐述的更多结数的纵向单色光电池上。在生长过程中，对于高掺杂的P++隧穿结，为了获得高掺杂浓度，需要适当降低Ⅲ-Ⅴ比和调整生长温度，理想的Ⅲ-Ⅴ比一般在20到65之间，生长温度一般在500到750度之间；而对于高掺杂的N++隧穿结，为了获得高掺杂浓度，需要适当增大Ⅲ-Ⅴ比和生长温度，理想的Ⅲ-Ⅴ比一般在100到200之间，生长温度一般在700度附近。依靠上述原则和方法可以生长出掺杂浓度高峰值电流大且对输入单色光不敏感的隧穿结。
所述的隧穿结20在各个子电池10之间，上下两层分别是第一个子电池的布拉格反射镜层和第二个子电池的窗口层。这样的结构设计优点相当于在隧穿结上下两边分别设置了宽禁带宽度的两层窗口，能够有效防止掺杂剂的扩散。
所述的单色光电池最上层的侧向导电层301，主要作用是收集横向迁移的表面电荷载流子，侧向导电层301应对输入单色光无吸收，并且高掺杂能够降低横向载流子的串联电阻，有利于效率的提升。
所述的上电极302和下电极304分别位于多结单色光电池的上下两侧，两个电极的极性相同。特别的，本发明中的两个电极的极性都为负电极。下电极304可以通过另外一个反向隧穿结20，将原本的正电极转换为负电极后再通过背面电极304输出，最终构成了双负电极的结构。
利用光刻，蒸镀，镀膜等成熟半导体工艺对前述成品外延片进行上下电极和表面抗反膜的制作，经过减薄，退火等标准电池工艺后能够得到本发明中的多结单色光电池成品。
另外，具体应用中所需要的多结单色光电池最小面积应该根据单位面积/随穿结上的最大光能量密度来确定，本发明中使用隧穿结决定所入射的光能量密度应该不超过200w/cm2。因此根据该最大光能量密度可以计算出最合适的多结电池面积大小，再通过几何光学光束扩束方法得到合适形状且均匀化的光斑进行入射。举例来说，对于1000W的单色光功率输入，电池的有效收光面积应该不低于5cm2，同时通过扩束方法至少需要得到大于5cm2的光斑来保证隧穿结上的能量密度安全，最终能够承受足够的光功率能量。利用本发明也可以设计各种不同形状的电池，如图8所示，所设计形状的依据是根据光斑形状大小来设计不同的电池，减少因为形状不匹配而带来的能量损耗。于想到的，通过本发明，可以设计各种不同形状不同结数和不同功率的各种电池。
本发明还提供了一种电池级联阵列，请参阅图9所示，该电池级联阵列包括：第一电池单元81和第二电池单元82、匀光透镜83、输入光准直器84、第一反射棱镜85、第二反射棱镜86和光透反镜组件87，其中，第一电池单元81和第二电池单元82相互平行，第一电池单元81包括从其第一端81a到第二端81b均匀排列的多个上述的单色光多结电池100，第二电池单元82包括从其第一端82a到第二端82b均匀排列的多个上述的单色光多结电池100；匀光透镜83对应设置于每个单色光多结电池100上；输入光准直器84靠近第一电池单元81第一端81a设置；第一反射棱镜85位于第一电池单元81中靠近第二端81b设置的单色光多结电池100上方；第二反射棱镜86位于第二电池单元82中靠近第二端82b设置的单色光多结电池100上方；光透反镜组件87位于其他(除了第一电池单元81中靠近第二端81b设置的单色光多结电池100、和第二电池单元82中靠近第二端82b设置的单色光多结电池100)单色光多结电池100的上方，所述光透反镜组件87包括倾斜设置的半透半反镜。
激光入射后首先经过输入光准直器84到达第一电池单元81，然后到达前一个光透反镜组件87，前一个光透反镜组件87将部分激光反射至与其对应的单色光电池100，将部分激光透射至下一个光透反镜组件87，然后激光到达第一反射棱镜85，第一反射棱镜85将激光一部分反射至其下方的单色光电池、将激光的其余部分反射至第二反射棱镜86，进入第二电池单元82，第二反射棱镜86将激光一部分反射至其下方的单色光电池、将激光的其余部分反射至最靠近其设置的位于第二电池单元上方的光透反镜组件87，沿着光路方向前一个光透反镜组件87将部分激光反射至与其对应的单色光多结电池100，将部分激光透射至下一个光透反镜组件87。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，该单色光电池包括：
多个垂直堆叠的GaAs子电池；和
设于各个GaAs子电池之间的隧穿结；其中，各个子电池的材料完全相同，都包括一个反射层；各个子电池之间依靠隧穿结进行串联，形成NPN...NPN的纵向多结结构。
2.根据权利要求1所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，所述的各个GaAs子电池的厚度从下至上逐渐降低。
3.根据权利要求1所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，当子电池的数量为5时，各个子电池的厚度分别为180nm,232nm,327nm,559nm,2200nm；当子电池的数量为10时，各个子电池的厚度分别为87.8nm、98.1nm、111.2nm、128.4nm、151.9nm、185.9nm、239.7nm、337.8nm、557.6nm和1600nm；当子电池的数量为20时，各个子电池的厚度分别为41nm,43nm,46nm,48nm,52nm,55nm,59nm,64nm,70nm,76nm,81nm,95nm,107nm,124nm,147nm,180nm,232nm,327nm,559nm,1085nm；当子电池的数量为30时，各个子电池的厚度分别为27nm,28nm,29nm,30nm,32nm,33nm,34nm,36nm,38nm,39nm,41nm,43nm,46nm,49nm,52nm,56nm,59nm,64nm,70nm,77nm,85nm,95nm,107nm,124nm,147nm,180nm,232nm,326nm,559nm,923nm。
4.根据权利要求1所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，所述反射层为布拉格反射层或者为背反射层。
5.根据权利要求4所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，对于包含有5个子电池的多结单色光电池，各层反射层的反射率分别为20％，25％，33％，50％，100％；对于包含有10个子电池的多结单色光电池，各层反射层的反射率分别为10％，11.1％，12.5％，14.2％，16.6％，20％，25％，33.3％，50％，100％；对于包含有20个子电池的多结单色光电池，各层反射层的反射率分别为5％，5.2％，5.5％，5.8％，6.2％，6.6％，7.1％，7.6％，8.3％，9％，10％，11.1％，12.5％，14.2％，16.6％，20％，25％，33％，50％，100％；而对于包含有30个子电池的多结单色光电池，各层反射层的反射率分别为3.3％，3.4％，3.5％，3.7％，3.8％，4％，4.2％，4.3％，4.5％，4.7％，5％，5.3％，5.5％，5.9％，6.2％，6.6％，7.1％，7.7％，8.3％，9.1％，10％，11.1％，12.5％，15％，16.6％，20％，25％，33％，50％，100％。
6.根据权利要求1所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，所述的各个子电池间的隧穿结结构均为P+AlxGaAs/P++AlxGaAs/N++AlxGaAs/N+InyGaAs异质结隧穿结,其中x取值为0.22，y取值为0.1，所述的隧穿结同时采用了碳，锌，锑，硅四元素掺杂，典型的四层隧穿结掺杂浓度典型值为1x1020cm-1，7.5x1020cm-1，2.5x1020cm-1和1.6x1020cm-1。
7.根据权利要求1所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，所述单色光电池还包括上层电极，所述上层电极呈梯形。
8.根据权利要求1所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，所述单色光电池的形状为圆形、正方形或正多边形。
9.一种电池级联阵列，其特征在于，该电池级联阵列包括：
相互平行的第一电池单元和第二电池单元，每个电池单元均包括从第一端到第二端均匀排列的多个权利要求1至8所述的单色光电池；
对应设置于每个单色光电池上的匀光透镜；
靠近第一电池单元第一端设置的输入光准直器；
位于第一电池单元中靠近第二端设置的单色光电池上方的第一反射棱镜；
位于第二电池单元中靠近第二端设置的单色光电池上方的第二反射棱镜；以及
位于其他单色光电池的上方的光透反镜组件，所述光透反镜组件包括倾斜设置的半透半反镜。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109148634A (zh) * 2018-08-23 2019-01-04 南昌凯迅光电有限公司 一种倒置三结砷化镓太阳电池及其制作方法
CN111463303A (zh) * 2020-04-21 2020-07-28 扬州乾照光电有限公司 一种高电压串联结构多结太阳能电池及其制作方法
CN112103356A (zh) * 2020-11-09 2020-12-18 南昌凯迅光电有限公司 一种高效三结砷化镓太阳电池及制作方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008078471A1 (ja) * 2006-12-25 2008-07-03 Sharp Kabushiki Kaisha 光電変換装置及びその製造方法
US20100212729A1 (en) * 2009-02-24 2010-08-26 Hong Kong Applied Science & Technology Research Institute Company Limited Epitaxial Growth of III-V Compounds on (111) Silicon for Solar Cells
CN103426965A (zh) * 2013-08-16 2013-12-04 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 太阳能电池及其制作方法
CN104576799A (zh) * 2015-01-23 2015-04-29 浙江大学 带有相位光栅纳米结构的太阳能电池
CN206497896U (zh) * 2016-12-29 2017-09-15 武汉凹伟能源科技有限公司 一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008078471A1 (ja) * 2006-12-25 2008-07-03 Sharp Kabushiki Kaisha 光電変換装置及びその製造方法
US20100212729A1 (en) * 2009-02-24 2010-08-26 Hong Kong Applied Science & Technology Research Institute Company Limited Epitaxial Growth of III-V Compounds on (111) Silicon for Solar Cells
CN103426965A (zh) * 2013-08-16 2013-12-04 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 太阳能电池及其制作方法
CN104576799A (zh) * 2015-01-23 2015-04-29 浙江大学 带有相位光栅纳米结构的太阳能电池
CN206497896U (zh) * 2016-12-29 2017-09-15 武汉凹伟能源科技有限公司 一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109148634A (zh) * 2018-08-23 2019-01-04 南昌凯迅光电有限公司 一种倒置三结砷化镓太阳电池及其制作方法
CN111463303A (zh) * 2020-04-21 2020-07-28 扬州乾照光电有限公司 一种高电压串联结构多结太阳能电池及其制作方法
CN112103356A (zh) * 2020-11-09 2020-12-18 南昌凯迅光电有限公司 一种高效三结砷化镓太阳电池及制作方法
CN112103356B (zh) * 2020-11-09 2021-03-02 南昌凯迅光电有限公司 一种高效三结砷化镓太阳电池及制作方法

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