CN210535681U - 一种晶格失配的五结太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种晶格失配的五结太阳能电池，在Ge衬底上依次设有GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaInAs DBR反射层、AlGaInAs晶格渐变缓冲层、第一GaInAs子电池、第二GaInAs子电池、第一GaInP子电池、第二GaInP子电池和GaInAs帽层，GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaInAs DBR反射层与Ge衬底晶格匹配，第一GaInAs子电池、第二GaInAs子电池、第一GaInP子电池和第二GaInP子电池的外延层与Ge衬底晶格失配，且各外延层之间保持晶格匹配。本实用新型可以有效提升子电池载流子收集效率和电池填充因子，从而提升五结太阳能电池的光电转换效率；与大多数五结电池相比，该结构无需生长高质量生长条件苛刻的GaInNAs外延层，产品开发难度和规模化生长成本大幅降低。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能光伏发电技术领域，尤其是指一种晶格失配的五结太阳能电池。
背景技术
从光伏发电技术的发展来看，大体可以将太阳能电池分为三大类：第一代晶硅太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池和第三代砷化镓多结太阳能电池。目前，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应用于空间电源系统。传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，带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。
然而，对于太阳光谱来说，这种多结电池的光谱划分远未达到最佳状态，由于GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，这种结构下Ge底电池的短路电流最大可接近中电池和顶电池的两倍，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太阳光能量不能被充分转换利用，限制了电池性能的提高。
为了实现更高的转化效率，人们又设计了晶格匹配的四结和五结太阳能电池，虽然其理论效率具有一定程度的提升，然而这种五结太阳能电池的开发面对着一系列巨大的挑战，例如GaInNAs子电池的高质量生长问题，在现阶段的技术积累和设备条件下，实现GaInNAs材料的高质量生长困难重重，也使得该技术路线的实际进展远远不及预期。
然而与此同时，随着外延生长技术的日渐成熟和设备的持续改进，晶格失配电池的生长取得了长足进展，通过引入晶格渐变的GB缓冲层，在Ge衬底上生长的晶格失配材料的晶体质量得到了巨大的提升。技术的提升允许在提高GaInAs材料的In组分含量的同时，仍然保持较高的晶体生长质量。结合我司新产品研发经验，新型结构产品中，由于底电池富光而导致的电池性能提升瓶颈问题，已经得到大幅改善。
据相关文献报道，通过同种材料多结串联形式制作的多结电池，能够有效提升电池的填充因子，从而有效提升电池总体转换效率。本实用新型结合我司相关产品研发经验，特提出此晶格失配五结电池结构，与晶格匹配五结电池相比，该结构电池研发难度大大降低，同时由于电池结构顶端材料采用了两节抗辐照性能较强的GaInP子电池，与晶格失配三结太阳能电池相比，其抗辐照性能大幅提升。同时，由于单结子电池厚度减薄，载流子收集效率也将有明显提升。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种晶格失配的五结太阳能电池，与晶格匹配五结太阳能电池结构相比，该新结构电池研发难度相对降低，同时又能够有效提升电池整体光电转换效率。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种晶格失配的五结太阳能电池，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GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaInAs DBR反射层、AlGaInAs晶格渐变缓冲层、第一GaInAs子电池、第二GaInAs子电池、第一GaInP子电池、第二GaInP子电池和GaInAs帽层，所述AlGaInAs DBR反射层和AlGaInAs晶格渐变缓冲层之间通过第一隧道结连接，所述第一GaInAs子电池和第二GaInAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述第二GaInAs子电池和第一GaInP子电池通过第三隧道结连接，所述第一GaInP子电池和第二GaInP子电池通过第四隧道结连接；其中，所述GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaInAs DBR反射层与Ge衬底晶格匹配，而所述第一GaInAs子电池、第二GaInAs子电池、第一GaInP子电池和第二GaInP子电池的外延层与Ge衬底晶格失配，且各外延层之间保持晶格匹配。
进一步，所述GaInP成核层为n型掺杂层，电子浓度为1E18/cm3～1E19/cm3,厚度为5～20nm；所述GaInAs缓冲层为n型掺杂层，电子浓度为5E17/cm3～1E19/cm3,厚度为500～1500nm。
进一步，所述AlGaInAs DBR反射层的反射波长为900～1200nm，且其中AlGaInAs组合层的对数为10～30对。
进一步，所述第一隧道结为p-GaAs/n-AlGaAs结构，其中p-GaAs和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm；所述第二隧道结为p-GaAs/n-AlGaAs结构，其中p-GaAs和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm；所述第三隧道结为p-GaInP/n-AlGaAs结构，其中p-GaInP和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm；所述第四隧道结为p-GaInP/n-AlGaInP结构，其中p-GaInP和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm。
进一步，所述AlGaInAs晶格渐变缓冲层的厚度为1500～2500nm。
进一步，所述第一GaInAs子电池的电池总厚度为1000～1500nm，其GaInAs材料的光学带隙为1.2～1.3eV。
进一步，所述第二GaInAs子电池的电池总厚度为600～1500nm，其GaInAs材料的光学带隙为1.2～1.3eV。
进一步，所述第一GaInP子电池的电池总厚度为1000～1500nm，其GaInP材料的光学带隙为1.6～1.8eV。
进一步，所述第二GaInP子电池的电池总厚度为400～1000nm，其GaInP材料的光学带隙为1.6～1.8eV。
进一步，所述GaInAs帽层为n型高掺GaInAs帽层，晶格与第二GaInP子电池匹配，厚底100～800nm。
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通过合理设计子电池带隙组合和调整同种组分的不同子电池之间的厚度组合，使得组成五结电池的各个子电池之间达到最佳电流匹配状态，以获得最佳转换效率。由于在该电池结构中，同种材料均生长了两层互相串联的子电池，单层子电池厚度相对带隙组合相似的三结电池明显变薄，使得载流子收集效率大大提升，此外，此结构设计对于提升太阳能电池填充因子和抗辐照性能也大有裨益。
基于本实用新型制作的五结太阳能电池，产品开发和规模化生产难度大大降低，且电池性能提升的同时，其抗辐照性能也得以优化，在晶格匹配的五结太阳能电池开发面临瓶颈的当下，此结构设计思路，为新电池产品的开发提供了一种全新的多结电池设计方案。
采用本实用新型制作的五结太阳能电池能够在不增加生长难度极大的新电池材料的基础上，实现全新的五结电池的生长，此结构电池的开路电压提高明显。根据分析，此结构的五结电池开路电压可达到4.7V以上，同时电池转换效率明显提高。传统GaInP/GaInAs/Ge三结电池在AM0光谱下的转换效率可达到30％，而经过分析对比，本实用新型的晶格失配的五结太阳能电池在AM0光谱下的转换效率可达到34％，可大大提高空间电源的输出功率。
表1传统三结电池和晶格失配的五结电池在AM0空间光谱下的光电性能分析
附图说明
图1为晶格失配的五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，本实施例所提供的晶格失配的五结太阳能电池，包括有Ge衬底1，所述Ge衬底1为p型Ge单晶片，在所述Ge衬底1上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaInP成核层2、GaInAs缓冲层3、AlGaInAs DBR反射层4、AlGaInAs晶格渐变缓冲层6、第一GaInAs子电池7、第二GaInAs子电池9、第一GaInP子电池11、第二GaInP子电池13和GaInAs帽层14，所述AlGaInAs DBR反射层4和AlGaInAs晶格渐变缓冲层6之间通过第一隧道结5连接，所述第一GaInAs子电池7和第二GaInAs子电池9之间通过第二隧道结8连接，所述第二GaInAs子电池9和第一GaInP子电池11通过第三隧道结10连接，所述第一GaInP子电池11和第二GaInP子电池13通过第四隧道结12连接；其中，所述GaInP成核层2、GaInAs缓冲层3、AlGaInAs DBR反射层4与Ge衬底1晶格匹配，而所述第一GaInAs子电池7、第二GaInAs子电池9、第一GaInP子电池11和第二GaInP子电池13的外延层与Ge衬底1晶格失配，且各外延层之间保持晶格匹配。
所述GaInP成核层2为n型掺杂层，电子浓度为1E18/cm3～1E19/cm3(优选3E18/cm3),厚度为5～20nm。
所述GaInAs缓冲层3为n型掺杂层，电子浓度为5E17/cm3～1E19/cm3(优选2E18/cm3),厚度为500～1500nm。
所述AlGaInAs DBR反射层4的反射波长为900～1200nm，且其中AlGaInAs组合层的对数为10～30对。
所述第一隧道结5为p-GaAs/n-AlGaAs结构，其中p-GaAs和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm。
所述AlGaInAs晶格渐变缓冲层6的厚度为1500～2500nm。
所述第一GaInAs子电池7的电池总厚度为1000～1500nm，其GaInAs材料的光学带隙为1.2～1.3eV。
所述第二隧道结8为p-GaAs/n-AlGaAs结构，其中p-GaAs和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm；
所述第二GaInAs子电池9的电池总厚度为600～1500nm，其GaInAs材料的光学带隙为1.2～1.3eV。
所述第三隧道结10为p-GaInP/n-AlGaAs结构，其中p-GaInP和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm；
所述第一GaInP子电池11的电池总厚度为1000～1500nm，其GaInP材料的光学带隙为1.6～1.8eV。
所述第四隧道结12为p-GaInP/n-AlGaAs结构，其中p-GaInP和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm。
所述第二GaInP子电池13的电池总厚度为400～1000nm，其GaInP材料的光学带隙为1.6～1.8eV。
所述GaInAs帽层14为n型高掺GaInAs帽层，晶格与第二GaInP子电池13匹配，厚底100～800nm(优选500nm)。
下面为本实施例上述晶格失配的五结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，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：选择Ge衬底，该Ge衬底为p型Ge单晶片。
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，在Ge衬底上生长一层低温的GaInP成核层，生长温度为550～650℃；该低温的GaInP成核层的生长速率为
该低温GaInP成核层可增加衬底表面的成核密度。
步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在GaInP成核层上生长GaInAs缓冲层；该GaInAs缓冲层生长温度为550～650℃，优选范围为600～650℃；该GaInAs缓冲层的生长速率为
该GaInAs缓冲层可减少外延层的缺陷密度，提高此后外延生长材料的晶体质量。
步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在GaInAs缓冲层上生长AlGaInAs DBR反射层；该AlGaInAs DBR反射层生长温度为600～700℃；该AlGaInAs DBR反射层的生长速率为
该AlGaInAs DBR反射层用于反射长波范围的光子。
步骤5：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在AlGaInAs DBR反射层上生长第一隧道结；该隧道结生长温度为500～600℃；该隧道结的生长速率为
步骤6：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第一隧道结上生长AlGaInAs晶格渐变缓冲层；该AlGaInAs晶格渐变缓冲层生长温度为600～650℃；该AlGaInAs晶格渐变缓冲层的生长速率为
步骤7：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在AlGaInAs晶格渐变缓冲层上生长第一GaInAs子电池；该子电池生长温度为600～650℃；该子电池的生长速率为
步骤8：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第一GaInAs子电池上生长第二隧道结；该隧道结生长温度为500～600℃；该隧道结的生长速率为
步骤9：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第二隧道结上生长第二GaInAs子电池；该子电池生长温度为600～700℃；该子电池的生长速率为
步骤10：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第二GaInAs子电池上生长第三隧道结；该隧道结生长温度为500～600℃；该隧道结的生长速率为
步骤11：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第三隧道结上生长第一GaInP子电池；该子电池生长温度为600～700℃；该子电池的生长速率为
步骤12：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第一GaInP子电池上生长第四隧道结；该隧道结生长温度为500～600℃；该隧道结的生长速率为
步骤13：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第四隧道结上生长第二GaInP子电池；该子电池生长温度为600～700℃；该子电池的生长速率为
步骤14：在第二GaInP子电池上沉积n型高掺GaInAs帽层，晶格与第二GaInP子电池匹配，生长温度在450～650℃范围内，生长速率为
该层有助于芯片电极制作形成欧姆接触。
综上所述，本实用新型提出了一种全新的五结电池结构设计思路，通过该新结构设计，不仅可最大程度地发挥五结电池的优势，同时也使得五结电池的开发和规模化生产难度显著降低。此外，本实用新型还可以以一种相对经济的方法达到更加充分地利用太阳光能量的目的，能够有效提升GaAs多结电池的光电转换效率，极具推广价值，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 (10)
1.一种晶格失配的五结太阳能电池，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GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaInAs DBR反射层、AlGaInAs晶格渐变缓冲层、第一GaInAs子电池、第二GaInAs子电池、第一GaInP子电池、第二GaInP子电池和GaInAs帽层，所述AlGaInAs DBR反射层和AlGaInAs晶格渐变缓冲层之间通过第一隧道结连接，所述第一GaInAs子电池和第二GaInAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述第二GaInAs子电池和第一GaInP子电池通过第三隧道结连接，所述第一GaInP子电池和第二GaInP子电池通过第四隧道结连接；其中，所述GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaInAs DBR反射层与Ge衬底晶格匹配，而所述第一GaInAs子电池、第二GaInAs子电池、第一GaInP子电池和第二GaInP子电池的外延层与Ge衬底晶格失配，且各外延层之间保持晶格匹配。
2.根据权利要求1所述的一种晶格失配的五结太阳能电池，其特征在于：所述GaInP成核层为n型掺杂层，电子浓度为1E18/cm3～1E19/cm3,厚度为5～20nm；所述GaInAs缓冲层为n型掺杂层，电子浓度为5E17/cm3～1E19/cm3,厚度为500～1500nm。
3.根据权利要求1所述的一种晶格失配的五结太阳能电池，其特征在于：所述AlGaInAsDBR反射层的反射波长为900～1200nm，且其中AlGaInAs组合层的对数为10～30对。
4.根据权利要求1所述的一种晶格失配的五结太阳能电池，其特征在于：所述第一隧道结为p-GaAs/n-AlGaAs结构，其中p-GaAs和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm；所述第二隧道结为p-GaAs/n-AlGaAs结构，其中p-GaAs和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm；所述第三隧道结为p-GaInP/n-AlGaAs结构，其中p-GaInP和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm；所述第四隧道结为p-GaInP/n-AlGaInP结构，其中p-GaInP和n-AlGaAs的厚度均为6～20nm。
5.根据权利要求1所述的一种晶格失配的五结太阳能电池，其特征在于：所述AlGaInAs晶格渐变缓冲层的厚度为1500～2500nm。
6.根据权利要求1所述的一种晶格失配的五结太阳能电池，其特征在于：所述第一GaInAs子电池的电池总厚度为1000～1500nm，其GaInAs材料的光学带隙为1.2～1.3eV。
7.根据权利要求1所述的一种晶格失配的五结太阳能电池，其特征在于：所述第二GaInAs子电池的电池总厚度为600～1500nm，其GaInAs材料的光学带隙为1.2～1.3eV。
8.根据权利要求1所述的一种晶格失配的五结太阳能电池，其特征在于：所述第一GaInP子电池的电池总厚度为1000～1500nm，其GaInP材料的光学带隙为1.6～1.8eV。
9.根据权利要求1所述的一种晶格失配的五结太阳能电池，其特征在于：所述第二GaInP子电池的电池总厚度为400～1000nm，其GaInP材料的光学带隙为1.6～1.8eV。
10.根据权利要求1所述的一种晶格失配的五结太阳能电池，其特征在于：所述GaInAs帽层为n型高掺GaInAs帽层，晶格与第二GaInP子电池匹配，厚底100～800nm。
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