CN205194710U - 一种具有反射层的四结太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有反射层的四结太阳能电池，可应用于聚光光伏发电系统，该电池以Ge单晶片为衬底，在所述Ge衬底上依次设置有GaInAs/GaInP缓冲层、AlGaAs/GaInAs？DBR反射层、GaInNAs子电池、GaInAs子电池和GaInP子电池，其中AlGaAs/GaInAs？DBR反射层用于反射长波光子，使长波光子被GaInNAs子电池二次吸收。本实用新型可以减少GaInNAs子电池厚度，并提高其收集效率，从而提高四结太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种具有反射层的四结太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏的技术领域，尤其是指一种具有反射层的四结太阳能电池。

背景技术

目前，传统的砷化镓多结太阳能电池因其转换效率明显高于晶硅电池而被广泛地应用于聚光光伏发电(CPV)系统和空间电源系统。砷化镓多结电池的主流结构是由GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池，电池结构上整体保持晶格匹配，带隙结构为1.85/1.40/0.67eV。然而，对于太阳光光谱，由于GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，这种三结电池的带隙组合并不是最佳的，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接近中电池和顶电池的两倍(V.Sabnis,H.Yuen,andM.Wiemer,AIPConf.Proc.1477(2012)14)，由于串联结构的电流限制原因，这种结构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。

理论分析表明，在传统三结电池的GaInAs子电池和Ge子电池之间插入带隙接近1.0eV的GaInNAs子电池，形成带隙结构为1.90/1.43/1.04/0.67eV的四结太阳能电池，既可以保持晶格匹配，又可以达到四结电池的最佳带隙组合，其理论效率能达到58％，结合实际因素后的效率极限达到47％，远远高于传统三结42％的极限效率(R.R.King,D.C.Law,K.M.Edmondsonetal.,AdvancesinOptoElectronics，2007(2007)29523)，这主要是因为相比于三结电池，四结电池可以提高开路电压和填充因子。

在GaInNAs材料的实际制备过程中，由于提供N原子的N源(一般是二甲基肼源)价格较高，GaInNAs材料层厚度不能太厚，否则材料制备成本会很高；另外，由于GaInNAs需要低温生长才能保证N原子的有效并入，因此材料中会同时引入大量的C原子，造成背景载流子浓度过高，影响少子扩散长度，此时材料层太厚还是不能形成对光生载流子的有效收集。然而，GaInNAs材料层厚度不够的话，并不能将波长为900～1200nm的光子完全吸收，其电流密度会降低，严重影响四结电池的光电转换性能。因此，引入布拉格反射层(DBR)结构可以有效解决该问题。在GaInNAs子电池下方插入一AlGaAs/GaInAsDBR反射层，通过调节其厚度和周期等结构参数，使其反射波长为900～1200nm，即可形成GaInNAs材料对该波段光子的二次吸收，相当于增加了电池基区对入射光子的有效吸收。该电池结构既可以减少GaInNAs子电池的设计厚度降低成本，又可以解决GaInNAs材料中少子扩散长度较小的问题，有效增加光生载流子的收集效率，使GaInNAs子电池的电流满足四结电池的需要，最终提高四结电池的光电转换效率。

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，提出一种具有反射层的四结太阳能电池，可以减少GaInNAs子电池厚度，并提高其收集效率，提高四结电池的整体电流，最终提高四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：一种具有反射层的四结太阳能电池，包括有Ge衬底，所述Ge衬底为p型Ge单晶片；在所述Ge衬底上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaInAs/GaInP缓冲层、AlGaAs/GaInAsDBR反射层、GaInNAs子电池、GaInAs子电池和GaInP子电池；所述GaInAs/GaInP缓冲层和AlGaAs/GaInAsDBR反射层之间通过第一隧道结连接，所述GaInNAs子电池和GaInAs子电池通过第二隧道结连接，所述GaInAs子电池和GaInP子电池通过第三隧道结连接；其中，所述AlGaAs/GaInAsDBR反射层用于反射长波光子，使长波光子被GaInNAs子电池二次吸收。

所述AlGaAs/GaInAsDBR反射层的反射波长为900～1200nm。

所述AlGaAs/GaInAsDBR反射层中AlGaAs/GaInAs组合层的对数为10对到30对。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本实用新型的关键在于将DBR反射层结构引入到四结太阳能电池中，在GaInNAs子电池下方插入一AlGaAs/GaInAsDBR反射层，通过调节其厚度和周期等结构参数，使其反射波长为900～1200nm，形成GaInNAs材料对该波段光子的二次吸收，相当于增加了电池基区对入射光子的有效吸收。该电池结构既可以减少GaInNAs子电池的设计厚度降低成本，又可以解决GaInNAs材料中少子扩散长度较小的问题，有效增加光生载流子的收集效率，提高四结电池整体电流，最终提高四结电池的光电转换效率。

附图说明

图1为本实用新型所述具有反射层的四结太阳能电池结构示意图。

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。

如图1所示，本实施例所述的具有反射层的四结太阳能电池，包括有Ge衬底，所述Ge衬底为p型Ge单晶片；在所述Ge衬底上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaInAs/GaInP缓冲层、AlGaAs/GaInAsDBR反射层、GaInNAs子电池、GaInAs子电池和GaInP子电池；所述GaInAs/GaInP缓冲层和AlGaAs/GaInAsDBR反射层之间通过第一隧道结连接，所述GaInNAs子电池和GaInAs子电池通过第二隧道结连接，所述GaInAs子电池和GaInP子电池通过第三隧道结连接。

所述AlGaAs/GaInAsDBR反射层用于反射长波光子，使长波光子被GaInNAs子电池二次吸收，本实施例在GaInNAs子电池下方插入一AlGaAs/GaInAsDBR反射层，通过调节其厚度和周期等结构参数，使其反射波长为900～1200nm，形成GaInNAs材料对该波段光子的二次吸收，相当于增加了电池基区对入射光子的有效吸收。此外，所述AlGaAs/GaInAsDBR反射层中AlGaAs/GaInAs组合层的对数为10对到30对。

下面为本实施例上述双面生长的GaAs四结太阳电池的具体制备过程，其情况如下：

首先，以4英寸p型Ge单晶片为衬底，然后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(MBE)在Ge衬底的上表面依次生长GaInAs/GaInP缓冲层、第一隧道结、AlGaAs/GaInAsDBR反射层、GaInNAs子电池、第二隧道结、GaInAs子电池、第三隧道结和GaInP子电池，即可完成具有反射层的四结太阳能电池的制备。

综上所述，本实用新型利用DBR反射层结构，并结合GaInNAs材料自身特点，在四结太阳能电池中的GaInNAs子电池下面插入AlGaAs/GaInAsDBR反射层，不仅可以减少GaInNAs子电池的设计厚度降低成本，又可以解决GaInNAs材料中少子扩散长度较小的问题，有效增加光生载流子的收集效率，使GaInNAs子电池的电流满足四结电池的需要，可最大程度发挥四结电池的优势，显著提高电池的光电转换效率。总之，本实用新型可以更加充分地利用太阳光能量，提高GaAs多结电池的光电转换效率，值得推广。

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 (3)

1.一种具有反射层的四结太阳能电池，包括有Ge衬底，其特征在于：所述Ge衬底为p型Ge单晶片；在所述Ge衬底上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaInAs/GaInP缓冲层、AlGaAs/GaInAsDBR反射层、GaInNAs子电池、GaInAs子电池和GaInP子电池；所述GaInAs/GaInP缓冲层和AlGaAs/GaInAsDBR反射层之间通过第一隧道结连接，所述GaInNAs子电池和GaInAs子电池通过第二隧道结连接，所述GaInAs子电池和GaInP子电池通过第三隧道结连接；其中，所述AlGaAs/GaInAsDBR反射层用于反射长波光子，使长波光子被GaInNAs子电池二次吸收。

2.根据权利要求1所述的一种具有反射层的四结太阳能电池，其特征在于：所述AlGaAs/GaInAsDBR反射层的反射波长为900～1200nm。

3.根据权利要求1所述的一种具有反射层的四结太阳能电池，其特征在于：所述AlGaAs/GaInAsDBR反射层中AlGaAs/GaInAs组合层的对数为10对到30对。