CN204118094U - 一种带隙结构优化的三结太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种带隙结构优化的三结太阳电池，包括有三结太阳电池单元，所述三结太阳电池单元的上、下表面分别设置有增透膜和第一金属电极，所述增透膜的上表面设置有第二金属电极；其中，所述三结太阳电池单元以半导体Ge单晶片为衬底，按照层状结构从下至上依次包括有底电池、中电池、顶电池，所述底电池为Ge太阳电池，中电池为GaInNAs太阳电池，顶电池为GaInP太阳电池，所述底电池与中电池之间通过第一隧道结连接，所述中电池与顶电池之间通过第二隧道结连接。本实用新型可以优化三结电池的子电池带隙组合，提高三结电池的整体短路电流，并最终提高三结电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能光伏的技术领域，尤其是指一种带隙结构优化的三结太阳电池。
背景技术
传统的砷化镓多结太阳电池由于可充分利用更多的太阳光谱范围，光电转换效率要比传统晶硅电池高出很多。目前，GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池制备技术已经非常成熟，并已被成熟地应用于聚光光伏发电(CPV)系统。但是，基于晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结电池的带隙结构1.85eV/1.40eV/0.66eV并不是最佳的，这种结构下Ge底电池吸收的太阳光谱能量比中电池和顶电池吸收的多出很多，因此Ge电池的短路电流最大可达到中电池和顶电池的近两倍之多(V.Sabnis,H.Yuen,and M.Wiemer,AIP Conf.Proc.1477(2012)14)，由于串联结构的电流限制原因，造成了很大一部分光谱能量不能被充分转换利用，限制了电池性能的提高。
计算表明，三结太阳电池在AM1.5D光谱下的最佳带隙组合是1.83eV/1.16eV/0.69eV，该带隙组合下极限聚光转换效率可达66.6％(A.Martiand A.Luque,Solar Energy Materials and Solar Cells,43(1996)203)。因此，可选择一种带隙约1.16eV、晶格常数与Ge衬底匹配的半导体材料来代替Ga0.99In0.01As中电池材料。经理论研究与实验证明，在GaAs材料中同时掺入少量的In和N形成Ga1-xInxNyAs1-y四元合金材料，当x:y＝2.8、0<y<0.06时，Ga1-xInxNyAs1-y材料晶格常数与Ge(或GaAs)基本匹配，且带隙在0.8eV—1.4eV之间变化，而当0.01<y<0.02时，其带隙为1.15eV--1.18eV之间。因此，对目前传统的Ga0.5In0.5P/Ga0.99In0.01As/Ge三结电池进行带隙优化，采用带隙为1.15eV--1.18eV的GaInNAs子电池取代GaInAs中电池，并调节生长条件得到材料带隙为1.80eV--1.83eV的GaInP项电池，则可形成带隙组合为1.80--1.83eV/1.15—1.18eV/0.66eV的GaInP/GaInNAs/Ge三结电池，非常接近三结电池在AM1.5D光谱下的最佳带隙组合，可以明显提高三结太阳电池的短路电流和整体光电转换性能。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种带隙结构优化的三结太阳电池，可以优化三结电池的带隙组合，提高三结电池的整体短路电流，并最终提高三结电池的光电转换效率。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种带隙结构优化的三结太阳电池，包括有三结太阳电池单元，所述三结太阳电池单元的上、下表面分别设置有增透膜和第一金属电极，所述增透膜的上表面设置有第二金属电极；其中，所述三结太阳电池单元以半导体Ge单晶片为衬底，按照层状结构从下至上依次包括有底电池、中电池、顶电池，所述底电池为Ge太阳电池，中电池为GaInNAs太阳电池，顶电池为GaInP太阳电池，所述底电池与中电池之间通过第一隧道结连接，所述中电池与顶电池之间通过第二隧道结连接。
所述底电池结构从下至上依次包括有p型Ge衬底、GaInP成核层、GaInAs缓冲层。
所述中电池结构从下至上依次包括有p型AlGaAs背场层、p型Ga1-xInxNyAs1-y层、n型Ga1-xInxNyAs1-y层或n型Ga0.99In0.01As层、n型AlGaAs窗口层；其中x:y＝2.8:1，0.01<y<0.02。
所述顶电池结构从下至上依次包括有p型AlGaInP背场层、p型Ga0.5In0.5P层、n型Ga0.5In0.5P层、n型AlInP窗口层，其中Ga0.5In0.5P的带隙为1.80eV—1.83eV。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
对传统三结电池的带隙结构进行优化，将三结电池的中电池能量带隙调节设计为1.15eV--1.18eV之间，得到带隙组合为1.80—1.83eV/1.15—1.18eV/0.66eV的三结太阳电池，不仅在整体材料结构上满足晶格匹配的要求，而且优化了三结电池的带隙组合，可成功提高三结电池的短路电流和光电转换效率。
附图说明
图1为本实用新型所述三结太阳电池单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
本实施例所述的带隙结构优化的三结太阳电池，包括有三结太阳电池单元，所述三结太阳电池单元的上、下表面分别设置有增透膜和第一金属电极，所述增透膜的上表面设置有第二金属电极。其中，所述第一金属电极、第二金属电极、增透膜均是采用光刻、蒸镀等方法制备而成，而完成金属电极和增透膜的制备后，将太阳电池外延片按照所需尺寸划开，即可得到单体太阳电池芯片。
如图1所示，本实施例所述的三结太阳电池单元是以4英寸p型Ge单晶片为衬底，采用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)或分子束外延生长技术按照层状结构从下至上依次生长有底电池1、第一隧道结2、中电池3、第二隧道结4、顶电池5。其中，所述底电池结构从下至上依次包括有p型Ge衬底、GaInP成核层、GaInAs缓冲层。所述中电池结构从下至上依次包括有p型AlGaAs背场层、p型Ga1-xInxNyAs1-y层、n型Ga1-xInxNyAs1-y层或n型Ga0.99In0.01As层、n型AlGaAs窗口层；其中x:y＝2.8:1，0.01<y<0.02。所述顶电池结构从下至上依次包括有p型AlGaInP背场层、p型Ga0.5In0.5P层、n型Ga0.5In0.5P层、n型AlInP窗口层，其中Ga0.5In0.5P材料的原子排列呈现部分有序性，其材料带隙为1.80eV—1.83eV。
以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.一种带隙结构优化的三结太阳电池，其特征在于：包括有三结太阳电池单元，所述三结太阳电池单元的上、下表面分别设置有增透膜和第一金属电极，所述增透膜的上表面设置有第二金属电极；其中，所述三结太阳电池单元以半导体Ge单晶片为衬底，按照层状结构从下至上依次包括有底电池、中电池、顶电池，所述底电池为Ge太阳电池，中电池为GaInNAs太阳电池，顶电池为GaInP太阳电池，所述底电池与中电池之间通过第一隧道结连接，所述中电池与顶电池之间通过第二隧道结连接。
2.根据权利要求1所述的一种带隙结构优化的三结太阳电池，其特征在于：所述底电池结构从下至上依次包括有p型Ge衬底、GaInP成核层、GaInAs缓冲层。
3.根据权利要求1所述的一种带隙结构优化的三结太阳电池，其特征在于：所述中电池结构从下至上依次包括有p型AlGaAs背场层、p型Ga1-xInxNyAs1-y层、n型Ga1-xInxNyAs1-y层或n型Ga0.99In0.01As层、n型AlGaAs窗口层；其中x:y＝2.8:1，0.01<y<0.02。
4.根据权利要求1所述的一种带隙结构优化的三结太阳电池，其特征在于：所述顶电池结构从下至上依次包括有p型AlGaInP背场层、p型Ga0.5In0.5P层、n型Ga0.5In0.5P层、n型AlInP窗口层，其中Ga0.5In0.5P的带隙为1.80eV—1.83eV。
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