CN111710744A - 一种GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，包括从下到上依次相接的下电极、第一子电池、透明导电层、第二子电池和上电极；第一子电池为GaAs电池，包括从下到上依次相接的第一背场层、第一基层、第一发射层和第一窗口层；第二子电池为InGaP电池，包括从下到上依次相接的第二背场层、第二基层、第二发射层、第二窗口层和接触层；第一、第二背场层的下表面均具有金属纳米颗粒；接触层上表面上电极之外的部分覆盖有减反射膜层。上述结构包括两个子电池，并在两个电池的背电场中分别制作纳米金属颗粒，利用纳米金属颗粒表面等离子体共振所产生的表面局域增强效应，增加各子电池对相应波段的吸收利用；同时还可增加底电池吸收的光程，提高太阳能转换效率。

Description

一种GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构
技术领域
本发明涉及一种GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，属于太阳能电池领域。
背景技术
随着节能减排运动的兴起，作为转化效率最高的GaAs太阳能电池的应用越来越广泛。目前，双结太阳能电池外延结构主要为两个子电池组成，两个子电池因禁带不同，分别吸收不同波段的太阳光。在上面的InGaP子电池，禁带宽度1.8EV，会吸收650nm以下的光产生电能；透过的650-900nm的光由GaAs子电池吸收，GaAs禁带宽度1.4EV。此结构可有效转化各波段光能，但InGaP吸收效率有限，未吸收的光会被底层GaAs吸收，因650nm以下的光子能量远大于GaAs的禁带宽度，高出的能量一般以热能的形式浪费掉。
发明内容
本发明提供一种GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，本发明通过在两个子电池中分别加入可与不同波段入射光产生等离子体共振的纳米金属颗粒，利用纳米金属颗粒表面等离子体共振所产生的表面局域电场增强，增加对各子电池中相应波段的吸收，从而提高转换效率。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，包括从下到上依次相接的下电极、第一子电池、透明导电层、第二子电池和上电极；第一子电池为GaAs电池，GaAs电池包括从下到上依次相接的第一背场层、第一基层、第一发射层和第一窗口层，第一背场层的下表面分布有金属纳米颗粒；第二子电池为InGaP电池，第二子电池包括从下到上依次相接的第二背场层、第二基层、第二发射层、第二窗口层和接触层，第二背场层的下表面分布有金属纳米颗粒；接触层上表面上电极之外的部分覆盖有减反射膜层。
上述结构利用纳米金属颗粒表面等离子体共振所产生的表面局域增强效应，增加各子电池对相应波段的吸收利用；同时两个电池中间的表面等离子体共振的强散射作用，可以增加底电池吸收的光程，增加其吸收效率，从而提高太阳能转换效率。
为了进一步增强各波段的吸收，第一背场层下表面和第二背场层下表面的金属纳米颗粒所用材料均为Au Ag或Cu中的一种或两种以上的复合材料，形状均为球型、四面体形或圆柱体形。
进一步优选，第一背场层下表面和第二背场层下表面的金属纳米颗粒所用材料均为Au，形状均为四面体形；第一背场层下表面的金属纳米颗粒的尺寸(外接圆的直径)为50-100nm，第一背场层下表面相邻金属纳米颗粒之间的中心间距为100-500nm；第二背场层下表面的金属纳米颗粒的尺寸(外接圆的直径)为10-50nm，第二背场层下表面相邻金属纳米颗粒之间的中心间距为20-500nm。
为了进一步增强650nm以上波段光的吸收，第一背场层为AlxGa1-xAs或者(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，x取值范围为0-0.5，y取值范围为0-0.5，z取值范围为0.4-0.6，第一背场层的厚度范围为50-200nm。第一背场层的下表面分布有金属纳米颗粒，通过调整金属纳米颗粒的大小及形状，使其被650nm以上范围的光激发产生表面等离子体共振，增加650nm以上波段光的吸收。
上述第一基层由GaAs组成，吸收650-900nm光产生电子空穴对；第一基层的掺杂为n型或p型，掺杂浓度为0～×10-22；第一基层的总厚度为500-5000nm。
上述第一发射层与第一基层掺杂类型相反，第一发射层的掺杂浓度为1×10-16～1×10-22，第一发射层的厚度范围100-1000nm；第一窗口层为AlxGa1-xAs或者(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，x取值范围为0-0.5，y取值范围为0-0.5，z取值范围为0.4-0.6，第一窗口层的厚度范围为100-200nm。
为了进一步增强650nm以下波段光的吸收，第二背场层为(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，y取值范围为0-0.5，z取值范围为0.4-0.6，第二背场层的厚度范围为30-200nm。第二背场层的下表面分布有金属纳米颗粒，通过调整金属纳米颗粒的大小及形状，使其被650nm以下范围的光激发产生表面等离子体共振，通过局域增加此波段光的吸收。且通过共振引起的强散射效果，可以增加其下面第一子电池的光吸收。
上述第二基层由InxGa1-xP组成，吸收小于650nm光产生电子空穴对，其中，x取值范围为0.4-0.6；第二基层掺杂浓度为0～×10-22，第二基层的掺杂类型与第一基层掺杂类型相同；第二基层的总厚度为200-2000nm。
上述第二发射层与第二基层的掺杂类型相反，第二发射层的掺杂浓度为1×10-16～1×10-22，第二发射层的厚度范围100-1000nm；第二窗口层为(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，y取值范围为0-0.5，z取值范围为0.4-0.6，第二窗口层的厚度范围为30-200nm。
为了进一步确保电池的转换效率，第二子电池的接触层为高掺杂GaAs层，掺杂浓度范围1×10-18-1×10-22，掺杂类型与第二发射层相同，厚度范围为30-200nm；上电极为栅形或透明电极，优选栅形电极；减反膜层的厚度为50-150nm。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，由两个子电池组成，并在两个电池的背电场中分别制作纳米金属颗粒，利用纳米金属颗粒表面等离子体共振所产生的表面局域增强效应，增加各子电池对相应波段的吸收利用；同时两个电池中间的表面等离子体共振的强散射作用，可以增加底电池吸收的光程，增加其吸收效率，从而提高太阳能转换效率。
附图说明
图1为本发明GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构示意图；
图中，11为下电极，12为第一子电池，121为第一背场层，122为第一基层，123为第一发射层，124为第一窗口层，13为透明导电层，14为第二子电池，141为第二背场层，142为第二基层，143为第二发射层，144为第二窗口层，145为接触层，15为上电极，16为减反射膜层。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1所示，一种GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，包括从下到上依次相接的下电极、第一子电池、透明导电层、第二子电池和上电极；第一子电池为GaAs电池，GaAs电池包括从下到上依次相接的第一背场层、第一基层、第一发射层和第一窗口层，第一背场层的下表面分布有金属纳米颗粒；第二子电池为InGaP电池，第二子电池包括从下到上依次相接的第二背场层、第二基层、第二发射层、第二窗口层和接触层，第二背场层的下表面分布有金属纳米颗粒；接触层上表面上电极之外的部分覆盖有减反射膜层。
第一背场层下表面和第二背场层下表面的金属纳米颗粒所用材料均为Au，形状均为四面体形；第一背场层下表面的金属纳米颗粒的尺寸为70nm，第一背场层下表面相邻金属纳米颗粒之间的中心间距为225nm；第二背场层下表面的金属纳米颗粒的尺寸为40nm，第二背场层下表面相邻金属纳米颗粒之间的中心间距为140nm。
第一背场层为AlxGa1-xAs，其中，x取值0.2，第一背场层的厚度为100nm。第一背场层的下表面分布有金属纳米颗粒，可被650nm以上范围的光激发产生表面等离子体共振，增加650nm以上波段光的吸收。
第一基层由GaAs组成，吸收650-900nm光产生电子空穴对；第一基层的掺杂为n型，掺杂浓度为1×10-17；第一基层的总厚度为2000nm。
第一发射层与第一基层掺杂类型相反，第一发射层的掺杂浓度为1×10-18，第一发射层的厚度200nm；第一窗口层为(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，y取值0.2，z取值0.5，第一窗口层的厚度为150nm。
第二背场层为(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，y取值0.2，z取值0.5，第二背场层的厚度为100nm。第二背场层的下表面分布有金属纳米颗粒，可被650nm以下范围的光激发产生表面等离子体共振，通过局域增加此波段光的吸收。且通过共振引起的强散射效果，可以增加其下面第一子电池的光吸收。
第二基层由InxGa1-xP组成，吸收小于650nm光产生电子空穴对，其中，x取值0.56；第二基层掺杂浓度为1×10-17，第二基层的掺杂类型与第一基层掺杂类型相同；第二基层的总厚度为800nm。
第二发射层与第二基层的掺杂类型相反，第二发射层的掺杂浓度为1×10-18，第二发射层的厚度300nm；第二窗口层为(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，y取值0.3，z取值0.5，第二窗口层的厚度为80nm。
第二子电池的接触层为高掺杂GaAs层，掺杂浓度1×10-20，掺杂类型与第二发射层相同，厚度为80nm；上电极为栅形电极；减反膜层的厚度为100nm。
对比例1
与实施例1基本相同，所不同的是：第一、第二背场层下表面不设金属纳米颗粒。
对比数据如下：
实施例2
与实施例基本相同，所不同的是：第一背场层为(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，y取值0.3，z取值0.5。
表1为上述各例所得产品的太阳能转换效率
实施例 太阳能转换效率
实施例1 31.5％
对比例1 28.3％
实施例2 31.4％
说明：上述太阳能转换效率为各例所得产品随机抽取10样品的平均值。

Claims (10)

1.一种GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：包括从下到上依次相接的下电极、第一子电池、透明导电层、第二子电池和上电极；第一子电池为GaAs电池，GaAs电池包括从下到上依次相接的第一背场层、第一基层、第一发射层和第一窗口层，第一背场层的下表面分布有金属纳米颗粒；第二子电池为InGaP电池，第二子电池包括从下到上依次相接的第二背场层、第二基层、第二发射层、第二窗口层和接触层，第二背场层的下表面分布有金属纳米颗粒；接触层上表面上电极之外的部分覆盖有减反射膜层。
2.如权利要求1所述的GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：第一背场层下表面和第二背场层下表面的金属纳米颗粒所用材料均为Au Ag或Cu中的一种或两种以上的复合材料，形状均为球型、四面体形或圆柱体形。
3.如权利要求2所述的GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：第一背场层下表面和第二背场层下表面的金属纳米颗粒所用材料均为Au，形状均为四面体形；第一背场层下表面的金属纳米颗粒的尺寸为50-100nm；第二背场层下表面的金属纳米颗粒的尺寸为10-50nm。
4.如权利要求1-3任意一项所述的GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：第一背场层为AlxGa1-xAs或者(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，x取值范围为0-0.5，y取值范围为0-0.5，z取值范围为0.4-0.6，第一背场层的厚度范围为50-200nm。
5.如权利要求1-3任意一项所述的GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：第一基层由GaAs组成，吸收650-900nm光产生电子空穴对；第一基层的掺杂为n型或p型，掺杂浓度为0～×10-22；第一基层的总厚度为500-5000nm。
6.如权利要求1-3任意一项所述的GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：第一发射层与第一基层掺杂类型相反，第一发射层的掺杂浓度为1×10-16～1×10-22，第一发射层的厚度范围100-1000nm；第一窗口层为AlxGa1-xAs或者(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，x取值范围为0-0.5，y取值范围为0-0.5，z取值范围为0.4-0.6，第一窗口层的厚度范围为100-200nm。
7.如权利要求1-3任意一项所述的GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：第二背场层为(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，y取值范围为0-0.5，z取值范围为0.4-0.6，第二背场层的厚度范围为30-200nm。
8.如权利要求1-3任意一项所述的GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：第二基层由InxGa1-xP组成，吸收小于650nm光产生电子空穴对，其中，x取值范围为0.4-0.6；第二基层掺杂浓度为0～×10-22，第二基层的掺杂类型与第一基层掺杂类型相同；第二基层的总厚度为200-2000nm。
9.如权利要求1-3任意一项所述的GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：第二发射层与第二基层的掺杂类型相反，第二发射层的掺杂浓度为1×10-16～1×10-22，第二发射层的厚度范围100-1000nm；第二窗口层为(AlyGa1-y)zIn1-zP，其中，y取值范围为0-0.5，z取值范围为0.4-0.6，第二窗口层的厚度范围为30-200nm。
10.如权利要求1-3任意一项所述的GaAs/InGaP双结表面等离子体增强太阳能结构，其特征在于：第二子电池的接触层为高掺杂GaAs层，掺杂浓度范围1×10-18-1×10-22，掺杂类型与第二发射层相同，厚度范围为30-200nm；上电极为栅形或透明电极；减反膜层的厚度为50-150nm。
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Denomination of invention: A GaAs/InGaP double junction surface plasmon enhanced solar energy structure

Granted publication date: 20220412

Pledgee: China Minsheng Banking Corp Nanjing branch

Pledgor: CHINA GERMANIUM Co.,Ltd.

Registration number: Y2024980010281