CN108172638A - 一种三结太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三结太阳电池，所述三结太阳电池包括：衬底；在所述衬底上沿着第一方向依次外延生长的底电池、第一隧穿结、应变反射层结构、第一子电池、第二隧穿结、第二子电池以及接触层，其中，所述第一方向为垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述底电池的方向，所述应变反射层结构包括多对堆叠设置的应变反射层。该三结太阳电池优化了各结子电池之间的电流匹配，通过设计应变反射层结构解决了增加In组分引入的晶格失配问题，降低了三结太阳电池有源区的应力，并且增加第一子电池的光吸收效率，极大程度的提高了三结太阳电池的光电转换效率和抗高能粒子辐射能力。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，更具体地说，尤其涉及一种三结太阳电池。
背景技术
随着科学技术的不断发展，太阳电池已广泛应用于人们的日常生活、工作以及工业中，为人们的生活带来了极大的便利。
一直以来，以GaAs为基础的Ⅲ-Ⅳ族太阳电池因其具有最高的转换效率，以及优异的抗辐照性能，因此在科研以及应用方面受到很大的重视，并且已成为目前空间应用领域的主要能源。其中，晶格匹配型的GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池已经在航空领域中得到广泛的应用，量产的效率在AMO光谱下达到30％以上。
目前量产的晶格匹配型的GaInP/InGaAs/Ge三结太阳电池的三个子电池之间的晶格常数均为匹配，有利于材料生长，然而三个子电池的带隙分别约为1.86eV/1.42eV/0.67eV，可以看出，中电池InGaAs子电池的带隙1.42eV与底电池Ge的带隙0.67eV相差过大，并不匹配，导致中电池和顶电池两结子电池所产生的光电流远远小于Ge底电池，串联后的三结太阳电池的电流未能得到充分利用，相当于一部分太阳光中长波段所产生的光电流被浪费，进而限制了转换效率的进一步提高。
基于上述问题，传统的技术手段通过调整和优化各个子电池的带宽，在Ge底电池不变的基础上，通过适当增加顶电池和中电池中In的组分，进而提高顶电池和中电池的电流密度。
但是，通过增加In组分会引入晶格失配，所引起的残余应力将减少有源区中光生载流子的寿命，降低收集效率，进而影响太阳电池的光电转换效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种三结太阳电池，解决了现有技术中存在的问题，极大程度的提高了三结太阳电池的光电转换效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三结太阳电池，所述三结太阳电池包括：
衬底；
在所述衬底上沿着第一方向依次外延生长的底电池、第一隧穿结、应变反射层结构、第一子电池、第二隧穿结、第二子电池以及接触层，其中，所述第一方向为垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述底电池的方向，所述应变反射层结构包括多对堆叠设置的应变反射层。
优选的，在上述三结太阳电池中，所述三结太阳电池还包括：
设置在所述底电池与所述第一隧穿结之间的第一缓冲层，其中，所述第一缓冲层为GaAs缓冲层，所述第一缓冲层的厚度范围为100nm-1um，包括端点值。
优选的，在上述三结太阳电池中，所述三结太阳电池还包括：
设置在所述第一隧穿结与所述应变反射层结构之间的第二缓冲层，其中，所述第二缓冲层为GaAs缓冲层，所述第二缓冲层的厚度范围为100nm-1um，包括端点值。
优选的，在上述三结太阳电池中，所述三结太阳电池还包括：
设置在所述应变反射层结构与所述第一子电池之间的应变过冲层，其中，所述应变过冲层的厚度范围为200nm-2000nm，包括端点值，所述应变过冲层的晶格常数相比较所述第一子电池的晶格常数高于10％-50％。
优选的，在上述三结太阳电池中，所述应变过冲层为Ga1-y(n+1)Iny(n+1)As应变过冲层，其中，n为所述应变反射层的对数，y(n+1)为第n+1层中In组分的数量，0＜y(n+1)＜1。
优选的，在上述三结太阳电池中，任意一对所述应变反射层包括AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层和Ga1-ynInynAs应变反射层，n为所述应变反射层的对数，yn为第n对中In组分的数量，x为Al组分的数量，0.1＜x＜1，0＜yn＜1，其中，所述Ga1-ynInynAs应变反射层朝向所述衬底设置，所述AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层背离所述衬底设置。
优选的，在上述三结太阳电池中，所述多对堆叠设置的应变反射层中的In组分在所述第一方向上连续渐变增加或步进渐变增加，且n对所述应变反射层的反射波长下限为750nm，n对所述应变反射层的反射波长上限大于所述第一子电池光学吸收边，第1对所述应变反射层的平均晶格常数与所述衬底的晶格常数相互匹配，第n对所述应变反射层的平均晶格常数与所述第一子电池的晶格常数相互匹配。
优选的，在上述三结太阳电池中，所述AlxGa1-x-yInyAs应变反射层的厚度范围为10nm-500nm，包括端点值，所述Ga1-yInyAs应变反射层的厚度范围为10nm-500nm，包括端点值。
优选的，在上述三结太阳电池中，所述第一隧穿结包括：在所述第一方向上堆叠设置的第一隧穿结N型层和第一隧穿结P型层，其中，所述第一隧穿结N型层为N型GaAs层或N型GaInP层，所述第一隧穿结P型层为含有Al组分的P型GaAs层，所述第一隧穿结N型层的掺杂元素为Si或Te，所述第一隧穿结P型层的掺杂元素为C或Zn。
优选的，在上述三结太阳电池中，所述第二隧穿结包括：在所述第一方向上堆叠设置的第二隧穿结N型层和第二隧穿结P型层，其中，所述第二隧穿结N型层为含有Al组分的N型GaInP层，所述第二隧穿结P型层为含有Al组分的P型GaAs层，所述第二隧穿结N型层的掺杂元素为Si或Te，所述第二隧穿结P型层的掺杂元素为C或Zn。
通过上述描述可知，本发明提供的一种三结太阳电池包括：衬底；在所述衬底上沿着第一方向依次外延生长的底电池、第一隧穿结、应变反射层结构、第一子电池、第二隧穿结、第二子电池以及接触层，其中，所述第一方向为垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述底电池的方向，所述应变反射层结构包括多对堆叠设置的应变反射层。
该三结太阳电池通过设置应变反射层结构，对应变反射层的组分进行调整，可以有效的缓冲过度晶格常数，将材料的晶格常数逐渐从衬底过渡至第一子电池，避免残留的结构应力在电池有源层中形成位错，同时也可以通过设计每对应变反射层的周期厚度，对光谱进行反射，可以增加第一子电池的有效吸收厚度，最终显著的提高太阳电池的光电性能，且该三结太阳电池沿用正装结构，使其芯片制作工艺与现有工艺保持一致，便于生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种三结太阳电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种第一隧穿结的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第二隧穿结的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种三结太阳电池的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种应变反射层结构的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种应变反射层的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种三结太阳电池的结构示意图。
所述三结太阳电池包括：
衬底11，在所述衬底11上沿着第一方向依次外延生长的底电池12、第一隧穿结13、应变反射层结构14、第一子电池15、第二隧穿结16、第二子电池17以及接触层18，其中，所述第一方向为垂直于所述衬底11，且由所述衬底11指向所述底电池12的方向，所述应变反射层结构14包括多对堆叠设置的应变反射层。
具体的，所述衬底11为P型Ge衬底，在所述衬底11上形成Ge底电池，其Ge底电池本身为P型，因此通过在P型Ge衬底上进行磷扩散用于获得n型发射区，进而形成Ge底电池的pn结。
具体的，如图2所示，所述第一隧穿结13包括：在所述第一方向上堆叠设置的第一隧穿结N型层21和第一隧穿结P型层22，其中，所述第一隧穿结N型层21为N型GaAs层或N型GaInP层，所述第一隧穿结P型层22为含有Al组分的P型GaAs层，所述第一隧穿结N型层21的掺杂元素为Si或Te，所述第一隧穿结P型层22的掺杂元素为C或Zn。进一步的，所述第一隧穿结N型层21的厚度范围为5nm-100nm，包括端点值，所述第一隧穿结P型层22的厚度范围为5nm-100nm，包括端点值。
具体的，如图3所示，所述第二隧穿结16包括：在所述第一方向上堆叠设置的第二隧穿结N型层31和第二隧穿结P型层32，其中，所述第二隧穿结N型层31为含有Al组分的N型GaInP层，所述第二隧穿结P型层32为含有Al组分的P型GaAs层，所述第二隧穿结N型层31的掺杂元素为Si或Te，所述第二隧穿结P型层32的掺杂元素为C或Zn。
基于本发明上述三结太阳电池，参考图4，所述三结太阳电池还包括：
设置在所述底电池12与所述第一隧穿结13之间的第一缓冲层41，其中，所述第一缓冲层41为GaAs缓冲层，所述第一缓冲层41的厚度范围为100nm-1um，包括端点值。
设置在所述第一隧穿结13与所述应变反射层结构14之间的第二缓冲层42，其中，所述第二缓冲层42为GaAs缓冲层，所述第二缓冲层42的厚度范围为100nm-1um，包括端点值。
具体的，通过生长所述第一缓冲层41和所述第二缓冲层42，可以释放生长应力，提高晶体质量。
基于本发明上述三结太阳电池，如图4所示，所述三结太阳电池还包括：
设置在所述应变反射层结构14与所述第一子电池15之间的应变过冲层43，其中，所述应变过冲层43的厚度范围为200nm-2000nm，包括端点值，所述应变过冲层43的晶格常数相比较所述第一子电池15的晶格常数高于10％-50％。
具体的，所述应变过冲层43为Ga1-y(n+1)Iny(n+1)As应变过冲层，其中，n为所述应变反射层的对数，y(n+1)为第n+1层中In组分的数量，0＜y(n+1)＜1，所述应变过冲层43用于平衡来自衬底，并沿着第一方向传递上来的应力，减少位错。
基于本发明上述三结太阳电池，如图5所示，所述应变反射层结构14中含有n对所述应变反射层，其中，如图6所示，任意一对所述应变反射层包括AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层62和Ga1-ynInynAs应变反射层61，n为所述应变反射层的对数，yn为第n对中In组分的数量，x为Al组分的数量，0.1＜x＜1，0＜yn＜1，其中，所述Ga1-ynInynAs应变反射层61朝向所述衬底11设置，所述AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层62背离所述衬底11设置。
具体的，所述应变反射层的对数n可选为10对-30对，n对所述应变反射层的反射波长下限为750nm，反射波长上限大于所述第一子电池15光学吸收边。需要说明的是，第1对应变反射层的平均晶格常数需要与Ge衬底11的晶格常数相互匹配，在所述第一方向上依次生长第2对应变反射层至第n对应变反射层，其中每一对应变反射层的平均晶格常数通过控制In组分y进行调控，所述多对堆叠设置的应变反射层中的In组分在所述第一方向上连续渐变增加或步进渐变增加，第n对应变反射层的平均晶格常数需要与所述第一子电池的晶格常数相匹配。
需要说明的是，所述AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层62中的Al组分为一个固定值，可根据具体情况而定。
也就是说，本发明提供的一种三结太阳电池，在保持Ge底电池不变的基础上，通过适当增加第一子电池和第二子电池中的In组分，扩大吸收波长以提高第一子电池和第二子电池的电流密度，进而提高太阳电池的转换效率，在其中设置了多对所述应变反射层，通过逐步增加每一对应变反射层中的In组分，有效地缓冲过度晶格常数，将材料的晶格常数逐渐从衬底过渡至第一子电池，进而避免残留的结构应力在电池有源层中形成位错。
进一步的，所述AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层62的厚度范围为10nm-500nm，包括端点值，所述Ga1-ynInynAs应变反射层61的厚度范围为10nm-500nm，包括端点值。
具体的，每一对中所述AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层62和所述Ga1-ynInynAs应变反射层61的厚度可以相同也可以不同，不同对中的所述AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层62和所述Ga1-ynInynAs应变反射层61的厚度可以相同也可以不同，在制作过程中可根据具体情况而定。通过设计每一对应变反射层的周期厚度，对光谱进行反射，可以增加第一子电池的有效吸收厚度，进而显著提高太阳电池的光电性能，并且提高抗高能粒子的辐射性能。
基于本发明上述三结太阳电池，其中，所述第一子电池15为Ga1-ynInynAs第一子电池，其中第一子电池15中的In组分与第n对应变反射层中的In组分相同，所述第一子电池15的光学带隙波长可选为900nm-1050nm，包括端点值，所述第一子电池15的厚度范围为1500nm-6000nm，包括端点值。
所述第二子电池17为含有Al组分的GaInP第二子电池，所述第二子电池17的光学带隙波长可选为600nm-680nm，包括端点值，所述第二子电池17的厚度范围为400nm-2000nm，包括端点值。
所述接触层18为含有In组分的n型GaAs接触层，其厚度范围为200nm-1000nm，包括端点值。
通过上述描述可知，本发明提供的一种三结太阳电池，在保持Ge底电池不变的基础上，通过适当增加第一子电池和第二子电池中的In组分，扩大吸收波长以提高第一子电池和第二子电池的电流密度，进而提高太阳电池的转换效率，在其中设置了多对所述应变反射层，通过逐步增加每一对应变反射层中的In组分，有效地缓冲过度晶格常数，将材料的晶格常数逐渐从衬底过渡至第一子电池，进而避免残留的结构应力在电池有源层中形成位错，且通过设计每一对应变反射层的周期厚度，对光谱进行反射，可以增加第一子电池的有效吸收厚度，进而显著提高太阳电池的光电性能。
也就是说，通过应变反射层结构将晶格常数逐步从衬底过渡至In组分更高的第一子电池，通过该方式可进一步扩大第一子电池、第二子电池的波长吸收范围，优化各结子电池的能带分布，同时该应变反射层能够对第一子电池的光谱进行反射，增加其有效吸收厚度，最终提高该三结太阳电池的光电转换效率，且该三结太阳电池沿用正装结构，使其芯片制作工艺与现有工艺保持一致，便于生产。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种三结太阳电池，其特征在于，所述三结太阳电池包括：
衬底；
在所述衬底上沿着第一方向依次外延生长的底电池、第一隧穿结、应变反射层结构、第一子电池、第二隧穿结、第二子电池以及接触层，其中，所述第一方向为垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述底电池的方向，所述应变反射层结构包括多对堆叠设置的应变反射层。
2.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述三结太阳电池还包括：
设置在所述底电池与所述第一隧穿结之间的第一缓冲层，其中，所述第一缓冲层为GaAs缓冲层，所述第一缓冲层的厚度范围为100nm-1um，包括端点值。
3.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述三结太阳电池还包括：
设置在所述第一隧穿结与所述应变反射层结构之间的第二缓冲层，其中，所述第二缓冲层为GaAs缓冲层，所述第二缓冲层的厚度范围为100nm-1um，包括端点值。
4.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述三结太阳电池还包括：
设置在所述应变反射层结构与所述第一子电池之间的应变过冲层，其中，所述应变过冲层的厚度范围为200nm-2000nm，包括端点值，所述应变过冲层的晶格常数相比较所述第一子电池的晶格常数高于10％-50％。
5.根据权利要求4所述的三结太阳电池，其特征在于，所述应变过冲层为Ga1-y(n+1)Iny(n+1)As应变过冲层，其中，n为所述应变反射层的对数，y(n+1)为第n+1层中In组分的数量，0＜y(n+1)＜1。
6.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，任意一对所述应变反射层包括AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层和Ga1-ynInynAs应变反射层，n为所述应变反射层的对数，yn为第n对中In组分的数量，x为Al组分的数量，0.1＜x＜1，0＜yn＜1，其中，所述Ga1-ynInynAs应变反射层朝向所述衬底设置，所述AlxGa1-x-ynInynAs应变反射层背离所述衬底设置。
7.根据权利要求6所述的三结太阳电池，其特征在于，所述多对堆叠设置的应变反射层中的In组分在所述第一方向上连续渐变增加或步进渐变增加，且n对所述应变反射层的反射波长下限为750nm，n对所述应变反射层的反射波长上限大于所述第一子电池光学吸收边，第1对所述应变反射层的平均晶格常数与所述衬底的晶格常数相互匹配，第n对所述应变反射层的平均晶格常数与所述第一子电池的晶格常数相互匹配。
8.根据权利要求6所述的三结太阳电池，其特征在于，所述AlxGa1-x-yInyAs应变反射层的厚度范围为10nm-500nm，包括端点值，所述Ga1-yInyAs应变反射层的厚度范围为10nm-500nm，包括端点值。
9.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述第一隧穿结包括：在所述第一方向上堆叠设置的第一隧穿结N型层和第一隧穿结P型层，其中，所述第一隧穿结N型层为N型GaAs层或N型GaInP层，所述第一隧穿结P型层为含有Al组分的P型GaAs层，所述第一隧穿结N型层的掺杂元素为Si或Te，所述第一隧穿结P型层的掺杂元素为C或Zn。
10.根据权利要求1所述的三结太阳电池，其特征在于，所述第二隧穿结包括：在所述第一方向上堆叠设置的第二隧穿结N型层和第二隧穿结P型层，其中，所述第二隧穿结N型层为含有Al组分的N型GaInP层，所述第二隧穿结P型层为含有Al组分的P型GaAs层，所述第二隧穿结N型层的掺杂元素为Si或Te，所述第二隧穿结P型层的掺杂元素为C或Zn。
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