CN203721752U - 带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池 - Google Patents

带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池 Download PDF

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Abstract

一种带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，包括：一锗底电池、设在锗底电池上的第一隧道结、设在第一隧道结上的砷化铟镓中电池、设在砷化铟镓中电池上的第二隧道结、设在第二隧道结上的磷化铟镓顶电池，其中，在第一隧道结与砷化铟镓中电池之间设有一分布布拉格反射器，通过上述层结构连接及切割后，便形成一三结太阳能电池芯片结构。本实用新型不仅能够有效地将透过砷化铟镓中电池的P型基区的光反射回去，并再次参与光子到电子的转换过程，从而达到提高中电池的光电转换效率目的；而且，有效地解决了现有电池总体的光电转换效率不高的问题；同时，有效地缩减了P型砷化铟镓基区的厚度，提高了生产效率，节省了生产成本，降低了副产品的排放。

Description

带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池
技术领域
本实用新型涉及太阳能电池，尤其涉及一种带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池。
背景技术
太阳能电池作为一种清洁无污染的能源，在矿物质燃料（石油、煤炭等）大量消耗造成环境日益恶化的今天，越来越受到重视。
目前，在太阳能电池的大规模推广应中，硅材料占据了绝对优势。但是，以砷化镓（GaAs）、磷化铟镓（InGaP）为代表的III-V族化合物半导体太阳能电池由于自身的优点，也越来越受到重视。为此，在几十年的时间内，以砷化镓（GaAs）、磷化铟镓（InGaP）基材料为代表的第二代化合物半导体太阳能电池的研究迅猛发展，并且，与锗（Ge）材料相结合，制备成了高效率多结太阳能电池，已经成功地应用到地面聚光太阳能电站、空间航天器等领域。
目前，三结太阳能电池的光电转换效率在1个太阳情况下，多为31-34%之间，500倍聚光条件下，能达到或者超过40%。传统的磷化铟镓（InGaP）/砷化铟镓/锗（Ge）三结太阳能电池光电转换效率的提高，主要依赖生长技术的改进，晶体质量的提高，以及芯片制备工艺的改善来实现的。虽然，光电转换效率仍然在进步，但受限于材料制备的工艺方法以及原材料纯度等原因，其效率的提高终究有个极限。所以，如何提高磷化铟镓（InGaP）/砷化铟镓/锗（Ge）三结太阳能电池的内量子效率，将入射光最大可能地转换为光生电流，是提高多结太阳能电池光电转换效率的关键之所在。
通常情况下，三结太阳能电池自下而上依次由锗（Ge）底电池、第一隧道结、砷化镓（GaAs）中电池、第二隧道结、磷化铟镓（InGaP）顶电池所组成，在传统的三结太阳能电池的基区，受限于载流子的扩散长度，为了使光生载流子尽可能的转变成光生电流，基区通常要做到很厚，才能有效吸收进而提供电流。譬如，传统的硅太阳能电池，其吸收区通常要做到百微米量级，三结太阳能电池的砷化铟镓（GaInAs）中电池的基区要做到3微米至3.5微米左右，方能保证光生载流子被有效地吸收从而变成光生电流。如此一来，在生长较厚的基区过程中，消耗了更多的电能、原材料以及更长的生长时间，从而，降低了生产效率，增加了生产成本，同时，带来了更多的可能危害环境的副产品。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其不仅能够有效地将透过砷化铟镓（GaInAs）中电池的P型基区的光反射回去，并再次参与光子到电子的转换过程，从而，达到提高中电池的光电转换效率目的；而且，有效地解决了现有电池总体的光电转换效率不高的问题；同时，有效地缩减了P型砷化铟镓（GaInAs）基区的厚度，降低了生产过程中基区材料的消耗，提高了生产效率，节省了生产成本，降低了副产品的排放。
本实用新型的目的是由以下技术方案实现的：
一种带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，包括：一锗（Ge）底电池、设在锗（Ge）底电池上的第一隧道结、设在第一隧道结上的砷化铟镓（GaInAs）中电池、设在砷化铟镓（GaInAs）中电池上的第二隧道结、设在第二隧道结上的磷化铟镓（InGaP）顶电池，其特征在于：在第一隧道结与砷化铟镓（GaInAs）中电池之间设有一分布布拉格反射器，通过上述层结构连接及切割后，便形成一三结太阳能电池芯片结构。
所述锗（Ge）底电池自下而上依次设有：P型锗（Ge）衬底、扩散形成的N型锗（Ge）层、N型砷化铟镓（GaInAs）成核层及N型磷化铟镓（InGaP）窗口层，其中，P型锗（Ge）衬底的底部设有N型欧姆接触层。
所述第一隧道结自下而上依次设有：设在N型磷化铟镓（InGaP）窗口层上的N型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层、设在N型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层上的P型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层。
所述中电池上设有：分布布拉格反射器，该分布布拉格反射器自下而上依次包含：P型分布布拉格反射器低折射率层、P型分布布拉格反射器高折射率层；P型砷化铟镓（GaInAs）基区层、砷化铟镓（GaInAs）发射层、N型磷化铟镓（InGaP）窗口层。
所述第二隧道结自下而上依次设有：设在N型磷化铟镓（InGaP）窗口层上的N型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层、设在N型重掺杂砷化镓GaAs或磷化铟镓(InGaP)）层上的P型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层。
所述顶电池自下而上依次设有：设在P型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层上的P型磷化铟镓（InGaP）背场层、P型磷化铟镓（InGaP）基区层、N型磷化铟镓（InGaP）发射区、N型磷化铟铝（InAlP）窗口层、N型砷化镓（GaAs）盖帽层、N金属接触层，其中，N型砷化镓（GaAs）盖帽层的上面、N金属接触层的两端设有减反射膜层。
所述P型锗（Ge）衬底的P型掺杂浓度为：8E16至5E18之间；N型砷化铟镓（GaInAs）成核层的厚度为：10nm至500nm之间；N型磷化铟镓（InGaP）窗口层的厚度为：30nm至500nm之间，掺杂浓度为：8E17至3E18之间，掺杂剂采用硅（Si）或者硒（Se）。
所述第一隧道结、第二隧道结采用的材料为：砷化镓（GaAs）/砷化镓（GaAs）或是磷化铟镓（InGaP）/磷化铟镓（InGaP），厚度为：7nm至25nm之间；其N型重掺杂层浓度为8E18至3E19之间，掺杂剂为硒（Se）或硅（Si）,其P型重掺杂浓度为7E19至1E20之间，掺杂剂为碳（C）。
所述P型分布布拉格反射器由交替生长的多周期P型磷化铟铝（In0.5Al0.5P）材料和磷化铟铝镓（In0.5（AlxGa1-x）0.5P）材料所组成，其中，x的选取以整个分布布拉格反射器所反射的波长中心落在：600nm至730nm为佳，掺杂浓度为3E17至3E18之间，掺杂剂采用镁（Mg）或者锌（Zn）；P型砷化铟镓（GaInAs）基区层的厚度为：1.5微米至3微米之间，掺杂浓度为1E17至5E17之间，掺杂剂采用锌（Zn）；N型砷化铟镓（GaInAs）发射层厚度为：50nm至300nm之间，掺杂浓度为8E17至3E18之间，掺杂剂采用硅（Si）或者硒（Se）。
所述的P型（InGaP）基区层的厚度为：400nm到700nm之间，掺杂浓度为8E16至5E17之间，掺杂剂采用锌（Zn）或者镁（Mg）；P型（InGaP）背场层的厚度为：30nm至150nm之间，掺杂浓度为1E18至5E18，掺杂剂采用镁（Mg）或者锌（Zn）；N型磷化铟镓（InGaP）窗口层的厚度为：15nm至200nm之间，掺杂浓度为2E17至2E18之间，掺杂剂为硒（Se）或硅（Si）；
N型砷化镓（GaAs）盖帽层的厚度为：100nm至1微米之间，掺杂浓度为1E18至6E18之间，掺杂剂采用硅（Si）或硒（Se）；减反射膜组成成分为：五氧化二钽（Ta2O5）或五氧化二钽（Ta2O5）与其他折射率材料所组成的复合多层结构。
本实用新型的有益效果是：
1．由P型磷化铟铝（In0.5Al0.5P）材料和磷化铝镓铟（In0.5（AlxGa1-x）0.5P）材料所构成的分布布拉格反射器（DBR），可以有效地将透过砷化铟镓(GaInAs)中电池的P型砷化(铟)镓(GaInAs)基区的光反射回去，并再次参与光子到电子的转换过程，从而，提高了中电池的光电转换效率；
2.由于分布布拉格反射器（DBR）的禁带宽度超过砷化铟镓（GaInAs）中电池的P型基区的禁带宽度，因此，有效地提高了电池的开路电压（Voc）；
3．可以使P型砷化铟镓(GaInAs)基区的厚度有效地减薄，从而，降低了原材料的消耗，缩短了生长时间，节省了成本。
附图说明：
图1为本实用新型外延生长截面示意图。
图2为本实用新型芯片截面示意图。
图中主要标号说明：
1.P型锗（Ge）衬底、2.N型锗（Ge）层、3.N型砷化铟镓（GaInAs）成核层、4.N型磷化铟镓（InGaP）窗口层、5.N型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层、6.P型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层、7.P型分布布拉格反射器低折射率层、8.P型分布布拉格反射器高折射率层、9.P型砷化铟镓（GaInAs）基区层、10.N型砷化铟镓（GaInAs）发射层、11.N型磷化铟镓（InGaP）窗口层、12.N型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层、13.P型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层、14.P型磷化铟镓InGaP背场层；15.P型磷化铟镓（InGaP）基区层；16.N型磷化铟镓（InGaP）发射区层；17.N型磷化铟铝（InAlP）窗口层；18.N型砷化镓（GaAs）盖帽层；19.P型欧姆接触层；20.N型欧姆接触层；21.第一隧道结；22.P型分布布拉格反射器；23.第二隧道结；24.减反射膜层。
具体实施方式
如图1，图2所示，本实用新型包括：一锗（Ge）底电池、设在锗（Ge）底电池上的第一隧道结21、设在第一隧道结21上的砷化铟镓（GaInAs）中电池、设在砷化铟镓（GaInAs）中电池上的第二隧道结23、设在第二隧道结23上的磷化铟镓（InGaP）顶电池，其中，在第一隧道结21与砷化铟镓（GaInAs）中电池之间设有一分布布拉格反射器22，通过上述层结构连接及切割后，便形成一三结太阳能电池芯片结构。
上述锗（Ge）底电池自下而上依次设有：P型锗（Ge）衬底1、扩散形成的N型锗（Ge）层2、N型砷化铟镓（GaInAs）成核层3及N型磷化铟镓（InGaP）窗口层4，其中，P型锗（Ge）衬底1的底部设有N型欧姆接触层20。
上述第一隧道结21自下而上依次设有：设在N型磷化铟镓（InGaP）窗口层4上的N型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层5、设在N型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层5上的P型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层6。
上述中电池上设有：分布布拉格反射器22，该分布布拉格反射器22自下而上依次包含：P型分布布拉格反射器低折射率层7、P型分布布拉格反射器高折射率层8、P型砷化铟镓（GaInAs）基区层9、砷化铟镓（GaInAs）发射层10、N型磷化铟镓（InGaP）窗口层11。
上述第二隧道结23自下而上依次设有：设在N型磷化铟镓（InGaP）窗口层11上的N型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层12、设在N型重掺杂砷化镓GaAs（或磷化铟镓(InGaP)）层12上的P型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层13。
上述顶电池自下而上依次设有：设在P型重掺杂砷化镓（GaAs）或磷化铟镓（InGaP）层13上的P型磷化铟镓（InGaP）背场层14、P型磷化铟镓（InGaP）基区层15、N型磷化铟镓（InGaP）发射区16、N型磷化铟铝（InAlP）窗口层17、N型砷化镓（GaAs）盖帽层18、N金属接触层19，其中，N型砷化镓（GaAs）盖帽层18的上面、N金属接触层19的两端设有减反射膜层24。
上述三结太阳能电池结构采用以下制备方法：
第一步：提供一P型锗（Ge）衬底1；
第二步：采用金属有机物化学气象沉积（MOCVD）设备，将P型锗（Ge）衬底1置于其反应室中，在氢气（H2）气氛中加热，去除锗（Ge）衬底表面的氧化膜，露出其新鲜表面，以便后续生长；
第三步：通入砷化氢（AsH3）或磷化氢（PH3），进行扩散，用以在P型锗（Ge）衬底1的表层形成一层N型锗（Ge）层2；
第四步：改变温度到到N型砷化铟镓（GaInAs）成核层3生长所需的温度，进行N型砷化铟镓（GaInAs）成核层3的生长；
第五步：在N型成核层3上生长一层在N型磷化铟镓（InGaP）窗口层4；
第六步：在N型磷化铟镓（InGaP）窗口层4上生长第一隧道结21；
第七步：在第一隧道结21上生长P型分布布拉格反射器22；
第八步：在.P型分布布拉格反射器22上生长P型砷化铟镓（GaInAs）基区层9；
第九步：在砷化铟镓（GaInAs）基区层9上生长N型砷化铟镓（GaInAs）发射层10；
第十步：在N型砷化铟镓（GaInAs）发射层10上生长N型磷化铟镓（InGaP）窗口层11；
第十一步：N型磷化铟镓（InGaP）窗口层11上生长第二隧道结23；
第十二步：在第二隧道结23上生长P型磷化铟镓（InGaP）背场层14；
第十三步：在P型磷化铟镓（InGaP）背场层14上生长P型磷化铟镓（InGaP）基区层15；
第十四步：P型磷化铟镓（InGaP）基区层15上生长N型磷化铟镓（InGaP）发射区层16；
第十五步：在N型磷化铟镓（InGaP）发射区层16上生长N型磷化铟铝（InAlP）窗口层17；
第十六步：在N型磷化铟铝（InAlP）窗口层17上生长N型砷化镓（GaAs）盖帽层18；
第十七步：将外延片进行芯片制备，蒸镀N金属接触层19、锗（Ge）衬底P型欧姆接触层20以及覆盖于N型磷化铟铝（InAlP）窗口层17上的减反射膜层24。经切割，测试后，便形成完整的三结太阳能电池芯片。
上述P型锗（Ge）衬底1的P型掺杂浓度为：8E16至5E18之间。
上述N型砷化铟镓（GaInAs）成核层3的厚度为：10nm至500nm之间。
上述N型磷化铟镓（InGaP）窗口层4的厚度为：30nm至500nm之间。
上述第一隧道结21、第二隧道结23采用的材料可以为：砷化镓（GaAs）/砷化镓（GaAs），也可以是磷化铟镓（InGaP）/磷化铟镓（InGaP）所构成，厚度为：7nm至25nm之间；其N型重掺杂层浓度为8E18至3E19之间，掺杂剂为硒（Se）或硅（Si）,其P型重掺杂浓度为7E19至1E20之间，掺杂剂为碳（C）。
上述P型分布布拉格反射器22，其由交替生长的多周期P型磷化铟铝（In0.5Al0.5P）材料和磷化铟铝镓（In0.5（AlxGa1-x）0.5P）材料所组成，其中x的选取以整个分布布拉格反射器22所反射的波长中心落在600nm至730nm为佳，掺杂浓度为3E17至3E18之间，掺杂剂采用镁（Mg）或者锌（Zn）。
上述P型砷化铟镓（GaInAs）基区层9的厚度为：1.5微米至3微米之间，掺杂浓度为1E17至5E17之间，掺杂剂采用锌（Zn）；上述N型砷化铟镓（GaInAs）发射层10，厚度为50nm至300nm之间，掺杂浓度为8E17至3E18之间，掺杂剂采用硅（Si）或者硒（Se）；
上述N型磷化铟镓（InGaP）窗口层4，厚度50nm至300nm之间，掺杂浓度为8E17至3E18之间，掺杂剂采用硅（Si）或者硒（Se）；
上述的P型InGaP背场层14，厚度为30nm至150nm之间，掺杂浓度为1E18至5E18，掺杂剂采用镁（Mg）或者锌（Zn）；
上述的P型（InGaP）基区层15，厚度为400nm到700nm之间，掺杂浓度为8E16至5E17之间，掺杂剂采用锌（Zn）或者镁（Mg）；
上述的N型磷化铟镓（InGaP）窗口层11，其厚度为15nm至200nm之间，掺杂浓度为2E17至2E18之间，掺杂剂为硒（Se）或硅（Si）；
上述的N型砷化镓（GaAs）盖帽层18的厚度为100nm至1微米之间，掺杂浓度为1E18至6E18之间，掺杂剂采用硅（Si）或硒（Se）；步骤17中所述的减反射膜，组成成分为五氧化二钽（Ta2O5）或五氧化二钽（Ta2O5）与其他折射率材料所组成的复合多层结构。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，包括：一锗底电池、设在锗底电池上的第一隧道结、设在第一隧道结上的砷化铟镓中电池、设在砷化铟镓中电池上的第二隧道结、设在第二隧道结上的磷化铟镓顶电池，其特征在于：在第一隧道结与砷化铟镓中电池之间设有一分布布拉格反射器，通过上述层结构连接及切割后，便形成一三结太阳能电池芯片结构。 
2.根据权利要求1所述的带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其特征在于：所述锗底电池自下而上依次设有：P型锗衬底、扩散形成的N型锗层、N型砷化铟镓成核层及N型磷化铟镓窗口层，其中，P型锗衬底的底部设有N型欧姆接触层。 
3.根据权利要求1所述的带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其特征在于：所述第一隧道结自下而上依次设有：设在N型磷化铟镓窗口层上的N型重掺杂砷化镓或磷化铟镓层、设在N型重掺杂砷化镓或磷化铟镓层上的P型重掺杂砷化镓或磷化铟镓层。 
4.根据权利要求1所述的带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其特征在于：所述中电池上设有：分布布拉格反射器，该分布布拉格反射器自下而上依次包含：P型分布布拉格反射器低折射率层、P型分布布拉格反射器高折射率层；P型砷化铟镓基区层、砷化铟镓发射层、N型磷化铟镓窗口层。 
5.根据权利要求1所述的带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其特征在于：所述第二隧道结自下而上依次设有：设在N型磷化铟镓窗口层上的N型重掺杂砷化镓或磷化铟镓层、设在N型重掺杂砷化镓或磷化铟镓层上的P型重掺杂砷化镓或磷化铟镓层。 
6.根据权利要求1所述的带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其特征在于：所述顶电池自下而上依次设有：设在P型重掺杂砷化镓或磷化铟镓层上的P型磷化铟镓背场层、P型磷化铟镓基区层、N型磷化铟镓发射区、N型磷化铟铝窗口层、N型砷化镓盖帽层、N金属接触层，其中，N型砷化镓盖帽层的上面、N金属接触层的两端设有减反射膜层。 
7.根据权利要求2所述的带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其特征在于：所述P型锗衬底的P型掺杂浓度为：8E16至5E18之间；N型砷化 铟镓成核层的厚度为：10nm至500nm之间；N型磷化铟镓窗口层的厚度为：30nm至500nm之间，掺杂浓度为：8E17至3E18之间，掺杂剂采用硅或者硒。 
8.根据权利要求3所述的带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其特征在于：所述第一隧道结、第二隧道结采用的材料为：砷化镓/砷化镓或是磷化铟镓/磷化铟镓，厚度为：7nm至25nm之间；其N型重掺杂层浓度为8E18至3E19之间，掺杂剂为硒或硅,其P型重掺杂浓度为7E19至1E20之间，掺杂剂为碳。 
9.根据权利要求4所述的带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其特征在于：所述P型分布布拉格反射器由交替生长的多周期P型磷化铟铝材料和磷化铟铝镓材料所组成；P型砷化铟镓基区层的厚度为：1.5微米至3微米之间，掺杂浓度为1E17至5E17之间，掺杂剂采用锌；N型砷化铟镓发射层厚度为：50nm至300nm之间，掺杂浓度为8E17至3E18之间，掺杂剂采用硅或者硒。 
10.根据权利要求6所述的带有分布布拉格反射器的三结太阳能电池，其特征在于：所述的P型基区层的厚度为：400nm到700nm之间，掺杂浓度为8E16至5E17之间，掺杂剂采用锌或者镁；P型背场层的厚度为：30nm至150nm之间，掺杂浓度为1E18至5E18，掺杂剂采用镁或者锌；N型磷化铟镓窗口层的厚度为：15nm至200nm之间，掺杂浓度为2E17至2E18之间，掺杂剂为硒或硅；N型砷化镓盖帽层的厚度为：100nm至1微米之间，掺杂浓度为1E18至6E18之间，掺杂剂采用硅或硒；减反射膜组成成分为：五氧化二钽或五氧化二钽与其他折射率材料所组成的复合多层结构。 
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