CN109950331B - 一种多结太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种多结太阳能电池，包括底电池以及位于底电池上的其它结电池，其特征在于：底电池与其它结电池之间包括一反射层，所述的反射层能够反射底电池的整个吸收波段范围的一部分比例的光，所述发射层反射的波段范围位于其它结电池吸收波段范围之外，本发明因为在多结太阳电池中在底电池和其它结电池之间设计一反射层，用于反射底电池的长波光子，将部分底电池吸收波段反射出去，降低底电池的吸收，从而降低底电池的热量转换，以降低电池的整体工作温度。

Description

一种多结太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种多结太阳能电池，具体涉及一种具有反射层的多结太阳能电池。
背景技术
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。最近两年，临近空间飞艇受到军方与通讯领域的重视，各方开始加大投入研发。飞艇采用类似空间电池的三五族化合物太阳能电池提供电能，以GaInP/GaAs/Ge为主。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，其带隙组合为1.85/1.40/0.67eV，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，导致整个电池的温度上升。同时由于飞艇上缺少散热机制，因此对电池的发热量提出了苛刻的要求，降低电池发热量成为飞艇项目的关键技术之一。
发明内容
基于本发明的目的，本发明提供如下一种多结太阳能电池，包括底电池以及位于底电池上的其它结电池，底电池与其它结电池之间包括一反射层[h1] ，所述的反射层能够反射底电池的整个吸收波段范围的一部分比例的光。
所述底电池吸收波段范围为长波长波段范围，其它结电池吸收波段吸收短波长波段范围，长波长波段范围与短波长波段范围可以有部分重叠，或者更优选的，所述的底电池吸收波段范围位于其它结电池吸收波段范围之外。
所述的太阳能电池的结数为至少两个。
更优选的，所述的底电池为锗基电池。
各结太阳能电池之间还包括隧穿结。
所述的反射层位于底电池和其他结之间；更优选的，底电池与其它结电池之间具有隧穿结，所述的反射层位于底电池与中电池下方的遂穿结之间。
所述的反射层能够反射900nm以上的波段，对应为底电池的吸收波段。
更优选的，所述的反射层能够反射900~1800nm。
更优选的，所述的反射层在900~1800nm之间的反射比例介于7~15%，更优选的介于7%~10%。
更优选的，所述的反射层材料单一成分的半导体放射层，反射层可以AlInP，更优选的为AlxIn1-xP，其中x的取值范围是0.4至0.6之间。
更优选的，所述的反射层材料的厚度为20nm至300nm之间。
更优选的，所述的反射层材料的厚度为110nm至130nm之间。
更优选的，太阳能电池的结数为三个，三结电池分别为所述的所述的顶电池、中电池和底电池，更优选的为GaInP/InGaAs/Ge基三结太阳能电池。
更优选的，所述的底电池的厚度为100um以上，所述的中电池厚度为2~3.5um；所述中电池的吸收波长为650～900nm；所述的顶电池的厚度为0.7~1.3um，吸收波长为300～650nm。更优选的，所述的Ge基底电池上还可以包括其它DBR反射层，所述的其它DBR反射层至少反射中电池或顶电池的吸收波段，DBR反射层能够反射其它结太阳能电池的吸收波段，从而可以降低其它结的厚度。
其中多结太阳能电池还包括一个支撑多结太阳能电池的基板，基板优选的是锗基衬底，所述的锗基衬底的背面可包括一背面电极，顶电池的表面还包括一个正面电极，背面电极和正面电极用于外部电连接。
本发明同时提供一种用于前述的多结太阳能电池的制作方法，其包括：
1）.在基板上制作底电池；
2）.制作反射层；
3).制作其它结太阳能电池。
其中所述的底电池、反射层和其它结太阳能电池为金属有机化学气相沉积法获得。
本发明提供一种临近空间用的飞行器，其包括使用本发明的多结太阳能电池将太阳能辐射转化为电能。
其中，所述的临近空间是指距地面20～100公里的空域。
所述的飞行器为飞艇或飞船、飞机。
有益效果：
本发明因为在多结太阳电池中在底电池和其它结电池之间设计一反射层，用于反射底电池的长波光子，将部分底电池吸收波段反射出去，降低底电池的吸收，从而降低底电池的热量转换，以降低电池的整体工作温度。另外，本发明的反射层的厚度较薄就能保证反射率，外延工艺的难度和成本也很低。更优选的，该底电池反射层还可以包括反射部分中电池、顶电池吸收波段的DBR，以达到减薄中电池、顶电池的效果。
附图说明
图1-3是实施例一具有反射层的三结太阳能电池的结构示意图；
图4是实施例一具有反射层的三结太阳能电池的反射率-太阳能辐射波段分布曲线与无反射层的三结太阳能电池的反射率-太阳能辐射波段分布曲线对比图；
图5是实施例二具有DBR以及反射层的三结太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例提供一种多结太阳能电池，所述的太阳能电池吸收波段位于300~1800nm之间。
所述的太阳能电池的结数为至少两个，包括底电池以及其它结太阳能电池，底电池吸收长波长波段，其它结太阳能电池相较于底电池吸收短波长波段。所述的多结具体的可以是两结、三结或更多结太阳能电池，根据实际的运用需求可以进行选择。
更优选的，所述底电池吸收波段可以有小部分波段范围与其它结电池吸收波段范围重叠，重叠的波段范围为至多50或至多100nm宽度，或者所述的底电池吸收波段范围位于其它结电池吸收波段范围之外，底电池吸收波段不与其它结电池吸收波段重叠。
更优选的，如图1所示，太阳能电池的结数为三个，三结电池分别为底电池、中电池和顶电池，底电池吸收长波长波段、中电池吸收中波长波段和顶电池吸收短波长波段；更优选的，底电池吸收长波长波段λA~λB，中电池为中波长波段λC~λD，顶电池吸收短波长波段λE~λF，λA＞λB，λA＞λC＞λD，λA＞λE＞λF。其中λB不一定必须大于λC，即底电池吸收长波长波段与中电池吸收的中波长波段可有部分重叠；λD不一定必须大于λE，即底电池吸收长波长波段与中电池吸收的中波长波段可有部分重叠。
底电池、中电池和顶电池都至少包括基区和发射层，并且还可以包括窗口层，并且各结太阳能电池之间需要隧穿结。
更优选的，其中所述的太阳能电池为GaInP（顶电池）/InGaAs（中电池）/Ge（底电池）基三结太阳能电池；其带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。所述的底电池的厚度为100um以上，所述的中电池厚度为2~3.5um，所述的顶电池的厚度为0.7~1.3um。所述的太阳能电池的顶中电池除了GaInP（顶电池）/InGaAs（中电池），也可以替代地为其它的材料制作或提供不同的吸收波段；所述的太阳能电池也可以包括四结太阳能电池或更多结太阳能电池，根据实际运用需求进行调整。
所述的底电池与其它结电池之间形成一反射层，所述的反射层能够反射底电池的整个吸收波段范围内的一部分比例的辐射，用于降低底电池的吸收比例，从而降低热量的转化，降低整个太阳能电池的工作温度。
更优选的，太阳能电池为三结太阳能电池的情况下，如图2所示，所述的反射层位于底电池和中电池之间；当太阳能辐射进入太阳能电池后，顶电池吸收的短波长波段λE~λF、中电池的中波长波段λC~λD分别进入顶电池和中电池中被吸收，剩余的底电池吸收的长波长波段λA~λB到达反射层后，部分将被反射层反射回去，反射回去的长波长波段穿过中电池、顶电池至电池以外，从而降低被底电池吸收的长波长波段的比例。更优选的，所述的反射层在900~1800nm之间的反射比例不低于7%，更优选的，反射比例介于7~15%，更优选的为7~10%。
所述的反射层具体为单一材料的半导体层，反射层可以为AlAs、AlInP更优选的为AlxIn1-xP，其中x的取值范围为0.4至0.6之间。该反射层对底电池的吸收波段具有一定的透光性，具体的，对900~1800nm区间的波段具有的吸光率至多0.5 %。
更优选的，所述的反射层材料的厚度为20nm至300nm之间，厚度过薄会使得反射效果太弱，厚度过厚会增加外延工艺的难度和成本。
更优选的，所述的反射层材料的厚度为110nm至130nm之间，获得最佳的反射效果。具体的，所述的反射层能够反射900nm以上的波段，900nm以上的波段为底电池的吸收波段。
更优选的，所述的反射层能够反射900~1800nm。
更优选的，所述的反射层位于中电池与底电池上的遂穿结之间。
通过上述反射层对底电池吸收波段的反射，整个电池的温度能够至少降低5℃。
如图3所示三结太阳能电池的结构示意图，三结太阳能电池的底电池、中电池和顶电池中每一结电池的材料分布情况。为了获得图3所示的具有反射层的三结太阳电池，本实施例提供如下一种制作方法：首先用金属有机物化学气相沉积设备在P-Ge衬底上生长形成三结太阳电池GaInP/InGaAs/Ge(顶电池、中电池和底电池)的半导体材料层。
在P-Ge衬底上面在500～700℃下进行P扩散，形成一个p-Ge底电池基区和N-Ge底电池发射区。
制作N-GaInP作为底电池窗口层，用于减少复合损失，并且利于底电池所吸收的光能够尽量通过。
接着沉积N-(In)GaAs作为缓冲层。
接着生长反射层AlxIn1-xP作为底电池反射层，其作用是反射部分底电池所要吸收的辐射。对应的吸收波段为900~1800nm范围内，吸收的比例为7%~10%。底电池反射层的反射比例和反射波长范围通过AlxIn1-xP的厚度和x值调节，反射波长的范围调节到至少包括900~1800nm范围内。 反射层的厚度为120nm，x值为0.5%。接着生长P++-GaAs/N++-GaAs底中电池隧穿结。所述的隧穿结用于将底电池和中电池连接起来。
接着生长P-AlGaAs中电池BSF。用于分界面附近的区域驱动少数载流子，从而减少复合损失。
然后在P-AlGaAs中电池BSF上生长P--InGaAs中电池基区和N-InGaAs中电池发射区。
在N-InGaAs中电池发射区上生长N-Al(Ga)InP或N-GaInP作为中电池窗口层。用于减少复合损失，并且采用材料利于中电池所吸收的光透过。
在中电池窗口层上生长P++-AlGaAs/N++-GaInP中顶电池隧穿结。所述的中顶电池隧穿结作用是将中电池和顶电池连接起来。
接着在中顶电池隧穿结上生长P-AlGaInP顶电池BSF。用于减少复合损失。
在P-AlGaInP顶电池BSF上生长P--(Al)GaInP顶电池基区和N-(Al)GaInP顶电池发射区。
在N-(Al)GaInP顶电池发射区上生长N-AlInP顶电池窗口层。用于减少复合损失，并且采用材料利于顶电池所吸收的光透过。
在N-AlInP顶电池窗口层上生长N-GaAs帽层(Cap层)和N++-GaAs接触层。
至此，形成本发明的具有反射层的三结太阳电池。
在Ge衬底背面制作背面电极，在N++-GaAs接触层表面制作正面电极。
模拟AlInP在300~1800nm的反射率的结果，图4提供了本实施例的三结太阳能电池中加入反射层后的反射率-太阳能辐射波段分布曲线与未加反射层的反射率-太阳能辐射波段分布曲线对比图。从图中可以看出在900~1800nm波段范围内，AlInP的反射率介于7~10%之间，通过理论计算，可预计该反射层可有效降低太阳能电池的温度至少5℃。
本实施例因为在三结太阳电池中在底电池和中电池之间设计一反射层，用于反射底电池的长波光子，将部分底电池吸收波段反射出去，降低底电池的吸收，从而降低底电池的热量转换，以降低电池的整体工作温度。
实施例二
作为实施例一和实施例二的替代方案，如图5所示，三结太阳能电池还可以包括其它的DBR反射层，DBR反射层用于反射其它结太阳能电池的吸收波段，更优选的，DBR反射层位于反射层与其它结太阳能电池之间，从而将其它结电池吸收波段反射回其它结太阳能电池中，提高其它结电池的吸收率，从而可以降低其它结电池的厚度。
具体的，在实施例一的基础上，包括生长DBR反射层，所述的DBR反射层至少包括如下之一种：
DBR2顶电池反射层，DBR2顶电池反射层的反射波长为顶电池吸收波段范围λA，DBR2反射层的对数为2~15对，更优选的不超过10对，所述的DBR2可以是但不限于GaInP/AlGaInP，更优选的，该DBR2顶电池反射层位于中电池与顶电池之间或者位于底电池与中电池之间；更优选的是，如图5所示在中顶电池隧穿结之后制作该顶电池反射层DBR2；
DBR1中电池反射层，DBR1中电池反射层的反射波长为位于中电池的吸收波段范围λB，DBR1反射层的对数为15~30对，所述的DBR1可以是但不限于GaAs/AlGaAs，如图5所示该DBR1中电池反射层位于底电池与中电池之间，更优选的是在制作底中电池隧穿结后制作该中电池反射层。
顶电池DBR2和中电池DBR1可分别用于反射顶电池和中电池的吸收波段，该DBR2和DBR1可以有效减薄顶电池和中电池的厚度，提高光电转化效率。
实施例三
实施例1-4所述的太阳能电池可以用于临近空间用的飞行器，具体的此类飞行器主要的飞行领域为临近空间（距离地面20～100km的空域），飞行器具体可以是飞机、飞艇或飞船或其它的飞行器。太阳能电池主要用于将太阳能辐射吸收并转化为电能提供飞行器的动力源。本发明的太阳能电池中的反射层能够有效降低底电池的吸收比例，从而降低底电池热量转化，从而降低整个太阳能电池的工作温度，避免飞艇上缺少散热机制而导致太阳能电池工作温度过高，尽量维持太阳能电池的正常运用，延长使用寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (22)

1.一种多结太阳能电池，包括一个基板，基板包括相对的两面侧，其中基板的一面上具有依次堆叠的底电池以及位于底电池上的其它结电池，其特征在于：底电池与其它结电池之间包括一反射层，所述的反射层能反射底电池吸收的整个波段范围的光，且所述反射层能将一部分比例的底电池能吸收的整个波段的光反射出去，以降低底电池的吸收。
2.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述反射层位于底电池和其它结电池之间。
3.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述底电池吸收的整个波段范围主要位于其它结电池吸收波段范围之外，或者所述底电池吸收的整个波段范围位于其它结电池吸收波段范围之外。
4.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的底电池为锗基底电池。
5.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的太阳能电池的结数为至少为2。
6.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的太阳能电池包括三结，分别为底电池、中电池和顶电池。
7.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的反射层能够反射900nm以上的波段。
8.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：底电池与其它结电池之间的反射层为单一的半导体反射层。
9.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的反射层材料为AlxIn1-xP,其中x的取值范围为0.4至0.6之间。
10.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的反射层能够反射900~1800nm的光。
11.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的反射层材料的厚度为20nm至300nm之间。
12.根据权利要求6所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：中电池为InGaAs电池，顶电池为InGaP电池。
13.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的反射层材料的厚度为110~130nm。
14.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的反射层的反射比例介于7%~15%。
15.根据权利要求1所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的反射层的反射比例介于7~10%。
16.根据权利要求4所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的锗基底电池上还包括其它DBR反射层。
17.根据权利要求16所述的一种多结太阳能电池，其特征在于：所述的太阳能电池包括三结，分别为底电池、中电池和顶电池，所述的其它DBR反射层至少反射中电池或顶电池的吸收波段。
18.一种用于权利要求1-17任一项所述的一种多结太阳能电池的制作方法，其包括：
在基板上制作底电池；
制作反射层；
在反射层上制作其它结太阳能电池。
19.根据权利要求18所述的制作方法，其特征在于：底电池、反射层和其它结太阳能电池为金属有机化学气相沉积法制作。
20.一种临近空间用的飞行器，其特征在于：包括使用权利要求1-17任一项所述的一种多结太阳能电池将太阳能辐射转化为电能。
21.根据权利要求20所述的临近空间用的飞行器，其特征在于：所述的临近空间是指距地面20～100公里的空域。
22.根据权利要求20~21任一项所述的临近空间用的飞行器，其特征在于：所述的飞行器为飞艇、飞船、飞机。
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