CN210272400U - 一种含有多层dbr结构的太阳能电池 - Google Patents

一种含有多层dbr结构的太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种含有多层DBR结构的太阳能电池，包括衬底及按层状结构依次叠加在衬底上的多个子电池，在多个子电池之下各增加有一层DBR结构；DBR结构反射的光能范围应处于相应子电池能够利用的光能范围内，DBR结构要求其材料带隙高于位于光路下游的子电池的带隙，保证DBR结构对于光路下游的子电池能够利用的光能是透明的；DBR结构要求与相应子电池晶格匹配，相邻子电池之间的晶格常数差距不超过1％。本实用新型可同时起到提升电池抗辐照性能、过滤位错的作用，尤其适用于子电池材料生长条件苛刻，生长质量不佳的太阳能电池，可以实现在光吸收效率不减少的情况下，降低功能层厚度，从而降低新电池开发难度，极大拓展子电池功能层材料选择范围的目的。

Description

一种含有多层DBR结构的太阳能电池
技术领域
本实用新型涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种含有多层DBR结构的太阳能电池。
背景技术
近代以来，随着人类能源需求的迅速扩张，能源问题已经成为困扰世界经济可持续发展和引发国际争端的焦点问题，在现有的能源结构中，煤、石油、天然气等不可再生能源仍占据统治地位，在带来越来越严重的环境问题的同时，对于未来不可再生能源耗尽问题的焦虑也在迅速蔓延，由此引发的对于不可再生能源价格的周期性炒作也放大了不可再生能源的价格波动范围，给全球经济的可持续发展带来较大的不确定因素。
综合考虑人类社会和自然环境的可持续发展，优化能源消耗结构，大力推动可再生能源的大规模应用。目前已经具有规模化开发应用潜力的新能源方案有核能、风能、潮汐能和太阳能等。但是，核能的大规模利用不得不面对一旦发生核废料泄漏，将酿成巨大灾难的隐患，同时核燃料储量和核废料的处理也是不得不考虑的难题。风能和潮汐能受到地域的局限，且稳定性较差，对电网冲击较大。相对人类现有能源消耗需求而言，太阳能可谓取之不尽用之不竭。从太阳发出来的光经过1.5亿公里的距离穿过大气层到达地球表面的能量换算成电力，高达～1014KW，约为全球平均电力的10万倍。如果这些能量能够被有效利用，达到取代传统能源的程度，则上述问题得以迎刃而解。目前，世界范围内已开展了大量太阳能光伏科技领域的研究项目。
太阳能电池种类很多，按照材料大致可分为：硅太阳能电池、无机化合物(Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族)半导体太阳能电池、有机高分子染料电池等几大类。目前，砷化镓多结太阳电池作为Ⅲ-Ⅴ族材料太阳能电池的一种，由于其光电转换效率明显高于晶硅电池，因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晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，相应的带隙结构为1.85/1.40/0.67eV，其在500倍聚光条件下，光电转换效率已超过40％，远高于其它类太阳能电池。然而，由于其发电成本过高，成为Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池产业大规模应用的主要制约因素。而降低成本的关键之一就在于进一步提高电池的光电转换效率。
研究表明，生长具有更多结结构的太阳能电池，可以更充分的利用太阳光能，从而有效提升太阳能电池的理论光电转换效率。然而，一方面在现有技术条件下，带隙合适的材料其生长质量尚不能满足多结太阳能电池功能层材料的要求，例如临界厚度较薄，长到目标厚度时，穿透位错密度较高，从而限制了新结构电池的开发和量产进度。
同时，在现有Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池最大的应用市场——航空航天市场中，多结太阳能电池抗辐照性能的进一步优化，也是需求方迫切希望得到优化提升的方面。结合文献报道，通过引入抗辐照性能更优秀的DBR层结构，同时减薄抗辐照性能较差的子电池功能层厚度，可以在不降低光吸收效率的同时，改善电池整体的抗辐照性能。
此外，由于DBR层的引入降低了子电池功能层材料厚度，这就使得一些原本由于在现有技术条件下，难以高质量生长较厚材料而无法得到应用的电池材料得以实用，从而极大的扩展了电池功能层可选择的材料范围，或使得原有功能层材料晶体质量更加优化，从而有利于电池性能的提升。
综上，在太阳能电池设计中引入多层DBR结构，可很好地解决上述太阳能电池中存在的问题，更大程度地发挥多结叠层太阳能电池的优势，并降低新结构太阳能电池的研发难度，加速研发进度，促进太阳能电池产业的快速优化升级。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种含有多层DBR结构的太阳能电池，可同时起到提升电池抗辐照性能、过滤位错的作用，尤其适用于子电池材料生长条件苛刻，生长质量不佳的太阳能电池，可以实现在光吸收效率不减少的情况下，降低功能层厚度，从而达到有效降低新电池开发难度，极大拓展子电池功能层材料选择范围的目的，并将有力的促进太阳能电池产业的发展。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种含有多层DBR结构的太阳能电池，包括衬底及按层状结构依次叠加在该衬底上的多个子电池，在多个子电池之下各增加有一层DBR结构；其中，所述DBR结构反射的光能范围应处于相应子电池能够利用的光能范围内，从而达到在不增加子电池厚度的情况下，提升子电池光吸收效率或在保证光吸收效率不降低的前提下，减薄子电池厚度，所述DBR结构要求其材料带隙高于位于光路下游的子电池的带隙，以保证DBR结构对于光路下游的子电池能够利用的光能是透明的；所述DBR结构要求与相应子电池晶格匹配，且相邻子电池之间的晶格常数差距不超过1％。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、加入DBR结构，可以在保证光能吸收效率不下降的前提下，显著减薄不易生长的子电池厚度，从而提升该子电池材料晶体质量。
2、加入DBR结构以后，DBR结构还能起到位错过滤的作用，从而为后续生长的子电池提供更高质量的生长基础，这也有助于减少后续子电池材料中的穿透位错密度。
3、与子电池材料相比，DBR结构材料抗辐照性能更佳，通过引入DBR结构，并减薄子电池功能层厚度，能够有效提升太阳能电池的抗辐照性能。
4、DBR结构材料可以采用Al含量较高的AlGaInAs材料，由于Al-As键，键能较高，材料硬度更大，可以有效提升位错过滤效果。
利用本方案制作的多结太阳能电池，可以有效降低载流子缺陷复合，提高载流子收集效率和电池的抗辐照性能，同时，后续生长的子电池位错密度大幅降低，这意味着由缺陷导致的非辐射复合大幅降低，使多结电池更大程度上提高内量子效率，提高电池电流密度，从而光电转换效率显著提高。
经分析，采用相同芯片制程，相比传统电池结构，本方案制作的GaInP/AlGaInAs/GaInAs/Ge晶格匹配太阳能电池，Isc有明显提升(如表1所示)，根据反射率折算的中、顶子电池内量子效率提高了4％和2％，电流的抗辐照性能也有明显改善(如表2所示)。
表1-GaInAs和AlGaInAs子电池厚度减半时，采用多层DBR结构四结晶格匹配太阳能电池与普通四结晶格匹配太阳能电池的EQE测试结果比较
Figure BDA0002143860320000041
表2-采用多层DBR结构的四结晶格匹配太阳能电池与普通四结晶格匹配太阳能电池经5E15注量1MeV的电子辐照后剩余因子比较
Figure BDA0002143860320000042
Figure BDA0002143860320000051
附图说明
图1为实施例中含有三层DBR结构的四结匹配太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明本实用新型的内容，以下结合具体实施例及附图对本实用新型进行详细描述。
如图1所示，本实施例所提供的四结匹配太阳能电池，采用Vecco公司的K475型MOCVD，衬底选择4英寸p型Ge单晶，在Ge衬底1表面自下而上依次沉积GaInP成核层2、GaInAs缓冲层3、第一隧穿结4、第一层DBR结构5、GaInAs子电池6、第二隧穿结7、第二层DBR结构8、AlGaInAs子电池9、第三隧穿结10、第三层DBR结构11、AlGaInP子电池12和GaInAs帽层13。其中，三层DBR结构5、8、11分别位于第一隧穿结4与GaInAs子电池6之间、第二隧穿结7与AlGaInAs子电池9和第三隧穿结10与AlGaInP子电池12之间。三层DBR结构5、8、11反射的光能范围应处于相应子电池可利用的光能范围内，从而达到在不增加子电池厚度的情况下，提升子电池光吸收效率或在保证光吸收效率不降低的前提下，减薄子电池厚度；三层DBR结构5、8、11要求其材料带隙高于位于光路下游的子电池的带隙，以保证DBR结构对于光路下游的子电池可利用的光能是透明的；三层DBR结构5、8、11还要求与相应子电池晶格匹配，且相邻子电池之间的晶格常数差距不超过1％。
所述GaInP成核层2晶格与衬底匹配，为n型掺杂，厚度为3～50nm(本实施例优先选择30nm)。
所述GaInAs缓冲层3晶格与衬底匹配，n型掺杂，厚度为200～1500nm(本实施例优先选择900nm)。
所述第一、第二、第三隧穿结4、8、11的p型AlGaAs，晶格分别与其相邻的半导体材料匹配，厚度为3～50nm(本实施例优先选择10nm)。
所述第一、第二、第三隧穿结4、8、11的n型GaInAs、GaInP、AlGaInP，晶格分别与其相邻的半导体材料匹配，厚度为3～50nm(本实施例优先选择22nm)。
所述GaInAs子电池6的基区和发射区光学材料带隙在1.0～1.5eV范围内(本实施例优先选择1.4eV)，主要吸收780～880nm波段的光子。
所述第GaInAs子电池6的背场可选择AlGaInAs或GaInP(本实施例优先选择AlGaInAs)，晶格与衬底匹配，厚度10～500nm(本实施例优先选择150nm)。
所述第GaInAs子电池6的窗口层可选择GaInP或AlInP(本实施例优先选择AlInP)，晶格与衬底匹配，厚度10～100nm(本实施例优先选择50nm)。
所述AlGaInAs子电池9的基区和发射区光学材料带隙在1.5～1.8eV范围内(本实施例优先选择1.6eV)，主要吸收650～780nm波段的光子。
所述AlGaInAs子电池9的背场选择p型掺杂AlGaAs，晶格与衬底匹配，厚度10～500nm(本实施例优先选择150nm)。
所述AlGaInAs子电池9的窗口层可选择AlInP，晶格与衬底匹配，厚度10～100nm(本实施例优先选择50nm)。
所述AlGaInP子电池12的基区和发射区光学材料带隙在1.8～2.0eV范围内(本实施例优先选择1.9eV)，主要吸收650nm以下的中短波光子。
所述AlGaInP子电池12的背场选择p型掺杂AlGaInP，晶格与衬底匹配，厚度10～500nm(本实施例优先选择150nm)。
所述AlGaInP子电池12的窗口层可选择AlInP，晶格与衬底匹配，厚度10～100nm(本实施例优先选择50nm)。
所述GaInAs帽层13的晶格与衬底匹配，厚度为100～800nm(本实施例优先选择500nm)。
本实施例提供了一种实现上述四结匹配太阳能电池的具体制作方法，该方法包括但不局限于金属有机物化学气相沉积技术、分子束外延技术和气相外延技术，优先采用金属有机物化学气相沉积技术，具体包括如下步骤：
步骤1：将所选Ge衬底载入反应室。
步骤2：预通PH3并升温至550～690℃，形成Ge子电池PN结。
步骤3：设定生长温度550～690℃，在衬底表面沉积GaInP成核层，生长速率为
Figure BDA0002143860320000076
其目的在于形成岛层状生长，有利于提高异质外延材料的晶体质量。
步骤4：在530～670℃温度范围内，在GaInP成核层上外延GaInAs缓冲层，生长速率为
Figure BDA0002143860320000071
该层作用在于降低外延层中的缺陷密度。
步骤5：在GaInAs缓冲层上生长第一隧穿结，其生长温度在450～650℃范围内，生长速率为
Figure BDA0002143860320000072
该隧穿结具有透光性、高导电性。
步骤6：在第一隧穿结上生长第一层DBR结构，其由两层Al组分含量不同的AlGaInAs材料组成，生长温度在600-660℃范围内，生长速率为
Figure BDA0002143860320000073
步骤7：在第一层DBR结构上生长GaInAs子电池，其生长温度为530～650℃，生长速率为
Figure BDA0002143860320000074
该子电池背场选择AlGaInAs或GaInP。
步骤8：继续生长GaInAs子电池的发射区和窗口层，其生长温度为550～690℃，生长速率为
Figure BDA0002143860320000075
至此GaInAs子电池生长完成，主要吸收中长波段光子。
步骤9：在GaInAs子电池上生长第二隧穿结，其生长温度在450～650℃范围内，生长速率为
Figure BDA0002143860320000081
该隧穿结具有透光性、高导电性。
步骤10：在第二隧穿结上生长第二层DBR结构，其由两层Al组分含量不同的AlGaInAs或AlGaInP材料组成，生长温度在600-700℃范围内，生长速率为
Figure BDA0002143860320000082
步骤11：在第二层DBR结构上生长AlGaInAs子电池，其生长温度为560～790℃，生长速率为
Figure BDA0002143860320000083
该子电池背场选择AlGaAs或AlGaInP，窗口层选择AlInP，该子电池主要吸收中短波段光子的能量。
步骤12：在AlGaInAs子电池上生长第三隧穿结，其生长温度在450～650℃范围内，生长速率为
Figure BDA0002143860320000084
该隧穿结具有透光性、高导电性。
步骤13：在第三隧穿结上第三层DBR结构，其由两层Al组分含量不同的AlGaInAs或AlGaInP材料组成，生长温度在600-700℃范围内，生长速率为
Figure BDA0002143860320000085
Figure BDA0002143860320000086
步骤14：在第三层DBR结构上生长AlGaInP子电池，其生长温度为560～790℃，生长速率为
Figure BDA0002143860320000087
该子电池背场选择AlGaInP，窗口层选择AlInP，该子电池主要吸收中短波段光子的能量。
步骤15：在AlGaInP子电池上沉积n型高掺GaInAs帽层，晶格与AlGaInP子电池匹配，生长温度在450～650℃范围内，生长速率为
Figure BDA0002143860320000088
该层有助于芯片电极制作形成欧姆接触。
本实用新型的关键在于将具有较强光反射能力的DBR结构引入到多结太阳能电池中，并且将其生长在目标子电池之下，此方案既可以大幅提升光子在光吸收材料内的光程，提升光能吸收效率，又可过滤晶体生长过程中产生的穿透位错，还可以改善电池的抗辐照性能。此外，本实用新型由于可以实现在较薄的厚度下就达到较高的光吸收效率，从而使得一些原本由于临界厚度较薄，而无法实现在电池领域规模化应用的电池材料，得以较薄的厚度实现较高的光吸收效率，从而走向实用，这就在一定程度上拓宽了电池可用材料的选择范围，从而有利于降低新产品开发难度，最终有利于全行业进一步取得快速发展，值得推广。
以上所述实施例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 (1)

1.一种含有多层DBR结构的太阳能电池，包括衬底及按层状结构依次叠加在该衬底上的多个子电池，其特征在于：在多个子电池之下各增加有一层DBR结构；其中，所述DBR结构反射的光能范围应处于相应子电池能够利用的光能范围内，从而达到在不增加子电池厚度的情况下，提升子电池光吸收效率或在保证光吸收效率不降低的前提下，减薄子电池厚度，所述DBR结构要求其材料带隙高于位于光路下游的子电池的带隙，以保证DBR结构对于光路下游的子电池能够利用的光能是透明的；所述DBR结构要求与相应子电池晶格匹配，且相邻子电池之间的晶格常数差距不超过1％。
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