DE102018203509A1 - Quadruple solar cell for room applications - Google Patents
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Abstract
Eine Multijunction-Solarzelle weist folgendes auf: Ein Wachstumssubstrat; eine erste Solarsubzelle geformt über oder in dem Wachstumssubstrat; eine gradierte Zwischenschicht, abgeschieden über der ersten Solarsubzelle; und eine Folge von Schichten aus Halbleitermaterial abgeschieden über der gradierten Zwischenschicht, und zwar aufweisend eine Vielzahl von Solarsubzellen einschließlich einer zweiten Solarsubzelle angeordnet über und gitterangepasst mit bezüglich des Wachstumssubstrats und mit einem Bandabstand im Bereich von 0,9 bis 1,8 eV und mit mindestens einer oberen Solarsubzelle, angeordnet über der zweiten Subzelle und mit einem Aluminiumgehalt über 30 % in Molfraktion und einem Bandabstand im Bereich von 2,0 bis 2,20 eV.A multi-junction solar cell comprises: a growth substrate; a first solar subcell formed over or in the growth substrate; a graded interlayer deposited over the first solar subcell; and a series of layers of semiconductor material deposited over the graded interlayer, comprising a plurality of solar subcells including a second solar subcell arranged above and lattice matched with respect to the growth substrate and having a bandgap in the range of 0.9 to 1.8 eV and at least an upper solar subcell located above the second subcell and having an aluminum content above 30% in mole fraction and a bandgap in the range of 2.0 to 2.20 eV.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Solarzellen und die Herstellung von Solarzellen, und insbesondere auf die Konstruktion und Spezifikation von Zusammensetzung und Bandabständen jeder der vier Subzellen bzw. Teilzellen in einer Vierfach-Solarzelle basierend auf III-V Halbleiterverbindungen, um verbesserte „End-of-Life“ Performance zu erhalten wie dies für eine vorbestimmte Weltraummission und die Umgebung vorbestimmt sein kann.The present disclosure relates to solar cells and the fabrication of solar cells, and more particularly to the construction and specification of composition and bandgap of each of the four subcells in a quadruple solar cell based on III-V semiconductor interconnects to provide improved end-of-life Life "performance as may be predetermined for a predetermined space mission and the environment.
Beschreibung verwandter TechnikDescription of related art
In dieser Offenbarung wird der Ausdruck „Bandabstand“ bzw. „Bandlücke“ einer Solarsubzelle, die intern Schichten mit unterschiedlichem Bandabstand aufweist, definiert als Bandabstand der Schicht der Solarsubzelle, in der die Majorität der Ladungsträger erzeugt wird (eine derartige Unterschicht oder Sublayer ist typischerweise die p-Typ-Basishalbleiterschicht des Basis/Emitter-photovoltaischen Übergangs(Junction; pn-Übergang) von einer derartigen Subzelle). Im Falle, dass eine derartige Schicht ihrerseits Subschichten (Sublayers) aufweist mit unterschiedlichen Bandabständen bzw. Bandlücken (wie beispielsweise im Falle einer Basisschicht mit einer gradierten (ortsabhängigen) Zusammensetzung und insbesondere einem gradierten (ortsabhängigen) Bandabstand), der Sublayer bzw. die Unterschicht dieser Solarzelle mit dem niedrigsten Bandabstand soll vorgesehen werden zur Definition des „Bandabstands“ einer derartigen Subzelle. Abgesehen von einer Solarsubzelle, allgemeiner gesagt in einer speziell konstruierten Halbleiterregion oder -zone (wie beispielsweise eine metamorphe Schicht), in der die Halbleiterregion oder -zone bzw. Halbleitergebiet Sub- oder Unterschichten oder Subregionen mit unterschiedlichen Bandabständen besitzt (wie beispielsweise der Fall einer Halbleiterzone mit einer gradierten Zusammensetzung und insbesondere einem gradiertem Bandabstand) der Sublayer oder die Subregion dieser Halbleiterzone mit dem niedrigeren Bandabstand soll als die Definition des „Bandabstands“ dieser Halbleiterzone angesehen werden.In this disclosure, the term "bandgap" of a solar subcell internally having different band gap layers is defined as the bandgap of the solar subcell layer in which the majority of the carriers are formed (such sublayer or sublayer is typically the one) p-type base semiconductor layer of the base / emitter-photovoltaic junction (junction) of such a subcell). In the case that such a layer in turn sublayers (sublaid) having different band gaps or band gaps (such as in the case of a base layer with a graded (location-dependent) composition and in particular a graded (location-dependent) band gap), the sublayer or the lower layer of these Solar cell with the lowest band gap should be provided to define the "band gap" of such a subcell. Apart from a solar subcell, more generally in a specially designed semiconductor region or zone (such as a metamorphic layer) in which the semiconductor region or sub-region has sub-layers or sub-regions with different band gaps (such as the case of a semiconductor zone) with a graded composition, and in particular a graded bandgap), the sublayer or subregion of this lower bandgap semiconductor region should be considered as defining the "band gap" of that semiconductor region.
In den vergangenen Jahren hat sich die ein hohes Volumen besitzende Herstellung von III-V Verbindungshalbleiter Multijunction Solarzellen bzw. Mehrfachsolarzellen die Entwicklung derartiger Technologie beschleunigt, verglichen mit Siliziumsolarzellen, III-V Verbindungshalbleiter Multijunction Solarzellen haben größere Energieumwandlungseffizienzen bzw. Wirkungsgrad und sind im Allgemeinen strahlungsbeständiger, obwohl sie die Tendenz besitzen, komplexer zu sein, um richtig spezifiziert und hergestellt zu werden. Typische, kommerziell verfügbare III-V Verbindungshalbleiter Multijunction Solarzellen haben Energieeffizienzen, die 29,5 % unter „einer Sonne“, Luftmasse 0 (AMO) Beleuchtung übersteigen. Die höhere Umwandlungseffizienz (Umwandlungswirkungsgrad) der III-V Verbindungshalbleiter Solarzellen verglichen mit Siliziumsolarzellen basiert zum Teil auf der Fähigkeit des spektralen Aufspaltens der einfallenden Strahlung zu erreichen, und zwar durch die Verwendung einer Vielzahl von in Serie geschalteten photovoltaischen Zonen mit unterschiedlichem Bandabstandsenergien und Zusammenfassung der Spannung an einem gegebenen Strom von jeder der Zonen bzw. Regionen.In recent years, the high volume production of III-V compound semiconductor multi-junction solar cells has accelerated the development of such technology, compared to silicon solar cells, III-V compound semiconductors, multi-junction solar cells have greater energy conversion efficiencies and are generally more radiation resistant. although they tend to be more complex in order to be properly specified and manufactured. Typical, commercially available III-V compound semiconductors Multijunction solar cells have energy efficiencies exceeding 29.5% under "one sun", air mass 0 (AMO) illumination. The higher conversion efficiency (conversion efficiency) of the III-V compound semiconductor solar cells compared to silicon solar cells is based in part on the ability to spectrally split the incident radiation by using a plurality of series connected photovoltaic zones with different bandgap energies and summing the voltage at a given stream from each of the zones or regions.
Bei Anwendungen in Satelliten oder anderen raumbezogenen Anwendungen sind Größe, Masse und Kosten des Satellitenleistungsystems direkt in Beziehung stehend mit der Leistungs- und Energieumwandlungseffizienz der Solarzellen, die verwendet werden. Anders ausgedrückt ist die Größe der „payload“ und die Verfügbarkeit von Dienstleistungen an Bord proportional zu der Menge an vorgesehener Leistung. Da Payload-Verwendung die Leistungsmenge bei dem Komplizierter-Werden ansteigt und Sendungen und Anwendungen für die nächsten fünf, zehn, zwanzig oder mehr Jahre gegeben sind, wird das Leistung-zu-Gewicht (W/kg) und das Leistung-zu-Fläche (W/m2) Verhältnisse und die Lebenszeiteffizienz einer Solarzelle ansteigend wichtiger. Es gibt wachsendes Interesse, nicht nur Leistung pro Gramm an Gewicht und der Leistungsfläche der Solarzelle, und nicht nur bei der anfänglichen Verwendung, sondern auch an dem gesamten Serviceleben des Satellitensystems, oder als Konstruktionsbeschreibung, wobei die Menge an Restleistung vorgesehen am spezifizierten „Ende des Lebens“ (EOL), welches beeinflusst wird durch die Strahlungsaussetzung der Solarzelle über die Zeit hinweg in der speziellen Raumumgebung der Solaranordnung, wobei die Periode des EOL Unterschiedliches für unterschiedliche Missionen und Anwendungen ist.In satellite or other space applications, the size, mass, and cost of the satellite power system are directly related to the power and energy conversion efficiency of the solar cells that are used. In other words, the size of the payload and the availability of on-board services are proportional to the amount of service provided. Because payload usage increases the amount of complexity associated with completing and shipments and applications for the next five, ten, twenty, or more years, the power-to-weight (W / kg) and power-to-area ( W / m 2 ) ratios and the lifetime efficiency of a solar cell increasing more important. There is growing interest, not only performance per gram of weight and power area of the solar cell, and not only in the initial use, but also in the entire service life of the satellite system, or as a design description, with the amount of remaining power provided at the specified "end of the solar cell Life (EOL), which is affected by the exposure of the solar cell to radiation over time in the solar system's particular spatial environment, the period of the EOL being different for different missions and applications.
Typische III-V Verbindungshalbleitersolarzellen werden auf einem Halbleiterwafer in vertikalen Multijunctionstrukturen (Mehrfach pn-Übergangsstrukturen) oder in gestapelter Folge auf Solarsubzellen hergestellt, wobei jede Subzelle mit geeigneten Halbleiterschichten gebildet ist und eine p-n photoaktive Verbindung (Junction) aufweist. Jede Subzelle bzw. Teilzelle ist ausgelegt um Photonen über unterschiedliche Spektral- oder Wellenlängenbänder in elektrischen Strom zu wandeln. Nachdem das Sammellicht auf die Vorderseite der Solarzelle auftrifft und Photonen durch die Subzellen laufen, wobei jede Subzelle konstruiert ist für Photonen in einem Wellenlängenband. Nachdem Durchlaufen durch eine Subzelle pflanzen sich die Photonen, die nicht absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt sind zu den nächsten Subzellen fort, wo diese Photonen eingefangen werden sollen und in elektrische Energie umgewandelt werden sollen.Typical III-V compound semiconductor solar cells are fabricated on a semiconductor wafer in vertical multijunction structures (multiple pn junction structures) or stacked on solar subcells, each subcell formed with appropriate semiconductor layers and having a pn photoactive junction. Each subcell or subcell is designed to convert photons into electrical current via different spectral or wavelength bands. After the collective light on the front the solar cell impinges and photons pass through the subcells, each subcell being constructed for photons in a wavelength band. After passing through a subcell, photons that are not absorbed and converted into electrical energy propagate to the next subcell where these photons are to be captured and converted into electrical energy.
Die Subzelle, die am dichtesten zu dem einfallenden Sonnenlicht liegt, wird oftmals als die „obere“ oder „oben gelegene“ Subzelle bzw. Teilzelle bezeichnet oder in einigen Nomenklaturen als die „erste Subzelle“ und hat den größten Bandabstand von allen Subzellen, wobei die Subzellen unterhalb der ersten Subzelle die „zweiten“, die „dritten“ usw. Subzellen sind.The subcell that is closest to the incident sunlight is often referred to as the "top" or "top" subcell or, in some nomenclatures, the "first subcell" and has the largest band gap of all subcells, the Subcells below the first subcell are the "second", the "third", etc. subcells.
Eine weitere Nomenklatur für die Identifizierung der Subzellen basiert auf dem Zusammenhang, dass die gestapelte Folge von Solarsubzellen epitaxial sequentiell auf einem Halbleitersubstrat, eine nach der anderen aufgewachsen sind. In diesem Falle kann die erste in oder aufgewachsen auf dem Substrat als die „erste“ Subzelle bezeichnet werden und darauffolgenden Subzellen sequentiell aufgewachsen werden die „zweite“, „dritte“ usw. Subzelle genannt, wobei die letzte dieser Subzellen in einer aufrechten Anordnung, die „oberste“ oder „oben gelegene“ Subzelle der Solarzelle genannte wird und den größten Bandabstand aller Subzellen besitzt.Another nomenclature for the identification of subcells is based on the context that the stacked sequence of solar subcells are grown epitaxially sequentially on a semiconductor substrate, one after the other. In this case, the first in or grown on the substrate may be referred to as the "first" subcell, and subsequent subcells sequentially grown, the "second," "third," and so on called subcell, with the last of these subcells in an upright arrangement "Uppermost" or "upper" subcell of the solar cell is called and has the largest band gap of all subcells.
Eine Solarzelle konstruiert zur Verwendung in einem Raumfahrzeug (wie beispielsweise einem Satelliten, einer Raumstation oder einem Fahrzeug zur interplanetaren Forschung) hat eine Sequenz von Subzellen mit Zusammensetzungen und Bandabständen, die optimiert sind, um maximale Energieumwandlungseffizienz für die AMO Solarzellenspezifikation im Raum zu erhalten.A solar cell designed for use in a spacecraft (such as a satellite, space station, or interplanetary research vehicle) has a sequence of subcells with compositions and bandgap optimized to provide maximum energy conversion efficiency for the AMO solar cell specification in space.
Die Strahlungshärte einer Solarzelle wird definiert als wie gut die Zelle nach der Aussetzung gegenüber Elektronen oder Protonenteilchenstrahlung arbeitet, was eine Charakteristik der Raumumgebung ist. Eine Standardmetrik bzw. Masszahl ist das Verhältnis der Ende des Lebens-Performance (oder Effizienz) geteilt durch den Beginn der Life- oder Lebensperformance (EOL/BOL) der Solarzelle. Die EOL Fluenz der Elektronen oder Protonen, die unterschiedlich für unterschiedliche Raummissionen oder Orbits sein können. Die BOL-Performance ist der Performanceparameter vor der Aussetzung gegenüber der Teilchenbestrahlung.The radiation hardness of a solar cell is defined as how well the cell works after exposure to electrons or proton particle radiation, which is a characteristic of the room environment. A standard metric is the ratio of the end of life performance (or efficiency) divided by the beginning of the life or life performance (EOL / BOL) of the solar cell. The EOL fluence of electrons or protons, which can be different for different space missions or orbits. BOL performance is the performance parameter before exposure to particle irradiation.
Eine wichtige mechanische oder strukturelle Betrachtung gilt der Wahl der Halbleiterschichten für eine Solarzelle und ist die Erwünschtheit der benachbarten Schichten aus Halbleitermaterial in der Solarzelle, das heißt jede Schicht des kristallinen Halbleitermaterials, das abgeschieden wird und zur Bildung einer Solarsubzelle aufgewachsen wird, hat ähnliche oder im Wesentlichen ähnliche Kristall-Gitterkonstanten oder Parameter.An important mechanical or structural consideration is the choice of semiconductor layers for a solar cell and is the desirability of the adjacent layers of semiconductor material in the solar cell, that is, each layer of the crystalline semiconductor material that is deposited and grown to form a solar subcell has similar or Substantially similar crystal lattice constants or parameters.
Es gibt Vorteile gegenüber der Verwendung spezieller Elemente in der Zusammensetzung einer Schicht, die die Verbesserung der Spannung assoziiert mit einer solchen Subzelle und daher möglicherweise eine größere Leistungsausgangsgröße zur Folge hat, und der Abweichung gegenüber der exakten Kristallgitterübereinstimmung mit angrenzenden Schichten als eine Konsequenz des Einschlusses derartiger Elemente in die Schicht, was zur Folge haben kann, dass sich eine höhere Wahrscheinlichkeit von Schädigungen ergibt, daher geringere Herstellungsausbeute.There are advantages over using special elements in the composition of a layer which results in the enhancement of the stress associated with such a subcell and therefore possibly a greater power output and the deviation from the exact crystal lattice match with adjacent layers as a consequence of the inclusion of such Elements in the layer, which may result in a higher probability of damage resulting in lower production yields.
In diesem Zusammenhang sollte bemerkt werden, dass es keine strikte Definition gibt dafür, was verstanden wird als zwei benachbarte Schichten, die „gitterangepasst“ sind oder „Gitterfehlanpassung“ haben. Für die Zwecke in dieser Offenbarung „gitterfehlangepasst“ bezieht sich auf zwei benachbart angeordnete Materialien oder Schichten (mit Dicken von mehr als 100 nm) die eine „in-Ebene“ Gitterkonstante (in der Wachstumsebene) von Materialien besitzen in ihrem vollständig entlasteten Zustand sich unterscheidend voneinander durch weniger als 0,02 % in der Gitterkonstanten (der Anmelder bemerkt, dass diese Definition beträchtlich strenger ist als die beispielsweise in
Viele Jahre lang ist das konventionelle Wissen davon ausgegangen, dass eine monolithische Tandemsolarzelle, „... die gewünschte optische Transparenz und Stromleitfähigkeit zwischen der oberen und unteren Zellen ... am besten erreicht würde durch Gitteranpassung des oberen Zellenmaterials an das untere Zellenmaterial. Fehlausrichtungen bei den Gitterkonstanten schaffen Defekte oder Dislokationen in dem Kristallgitter, wo Rekombinationszentren auftreten können, um den Verlust von photoerzeugten Minoritätsträgern zu verursachen, auf welche Weise die photovoltaische Qualität der Vorrichtung signifikant verschlechtert wird. Spezieller gesagt verkleinern solche Effekte die Leerlaufspannung (Voc), den Kurzschlussstrom (Jsc) und den Füllfaktor (FF), der die Beziehung oder den Ausgleich zwischen Strom und Spannung repräsentiert und zwar für die effektive Ausgangsgröße“ (Jerry M. Olseon,
Nach dem Fortschritt hinsichtlich Mehrfach- bzw. Multijunction Solarzellen mit höherer Effizienz mit vier oder mehr Teil- bzw. Subzellen, ist nichtsdestoweniger folgendes zu bemerken: „it is conventionally assumed that substantially lattice-matched designs are desirable because they have proven reliability and because they use less semiconductor material than metamorphic solar cells, which require relatively thick buffer layers to accommodate differences in the lattice constants of the various materials“ (Rebecca Elizabeth Jones - Albertus et al.,
Die vorliegende Offenbarung schlägt Konstruktionsmerkmale für Multijunktion Solarzellen vor, die vom konventionellen Wissensstand abweichen, um so die Effizienz der Multijunction Solarzelle zu erhöhen, und zwar bei der Umwandlung von Solarenergie (oder Photonen) in elektrische Energie und die Optimierung dieser Effizienz an der „Ende des Lebens“ Periode.The present disclosure proposes design features for multi-function solar cells that deviate from the conventional wisdom in order to increase the efficiency of the multi-junction solar cell in converting solar energy (or photons) into electrical energy and optimizing this efficiency at the "end of" Life "period.
Zusammenfassung der OffenbarungSummary of the Revelation
Ziele der OffenbarungGoals of the revelation
Es ist ein Ziel der vorliegenden Offenbarung eine erhöhte Photoumwandlungseffizienz in einer Multijunction Solarzelle bzw. Mehrfachsolarzelle vorzusehen, und zwar für Raumanwendungen über die Betriebslebensdauer eines photovoltaischen Leistungssystems hinweg.It is an object of the present disclosure to provide increased photo-conversion efficiency in a multi-junction solar cell, for space applications over the life of a photovoltaic power system.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung, eine Multijunction Solarzelle vorzusehen, in der die Zusammensetzung der Subzellen bzw. Teilzellen und ihre Bandabstände konfiguriert sind, um die Effizienz der Solarzelle zu optimieren, und zwar bei Betriebsbedingungen einer vorbestimmten hohen Temperatur (speziell im Bereich von 40 bis 70 °C) bei der Anwendung im Weltraum bei AMO eine Sonne Solarspektrum in einer vorbestimmten Zeit (EOL) nach dem anfänglichen Einsatz derart, dass Zeit mindestens ein, fünf, zehn, fünfzehn oder zwanzig Jahre ist und nicht maximiert auf die Zeit des anfänglichen Einsatzes (BOL).It is a further object of the present disclosure to provide a multi-junction solar cell in which the composition of the sub-cells and their bandgaps are configured to optimize the efficiency of the solar cell under operating conditions of a predetermined high temperature (especially in the range of 40 to 70 ° C) when used in space at AMO a sun solar spectrum in a predetermined time (EOL) after the initial use such that time is at least one, five, ten, fifteen or twenty years and not maximized to the time of initial deployment (BOL).
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung eine Vier-Verbindungs-Solarzelle bzw. Vierfachtandemsolatzelle (Solarzelle m)it vier p-n Übergängen) vorzusehen, in der der durchschnittliche Bandabstand alle vier Zellen, das heißt die Summe der Vierfachsolarzelle bzw. Vierbandabstände jeder Subzelle dividiert durch vier größer ist als 1,35 eV.It is another object of the present invention to provide a four-junction solar cell with four pn junctions (solar cell m) in which the average band gap divides every four cells, that is, the sum of the four-band distances of each subcell four is greater than 1.35 eV.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung eine VierVerbindungssolarzelle vorzusehen, in der die unteren zwei Subzellen gitterfehlangepasst sind und in der der Strom durch die Bodensubzelle beabsichtigt derart ausgelegt ist, um wesentlich größer zu sein als der Strom durch die oberen drei Subzellen gemessen an dem „Beginn des Lebens“ oder Zeit des anfänglichen Einsatzes.It is a further object of the present invention to provide a four junction solar cell in which the lower two sub-cells are lattice mismatched and in which the current through the bottom subcell is intentionally designed to be substantially larger than the current through the top three sub-cells measured at the " Beginning of life "or time of initial deployment.
Einige Implementierungen der vorliegenden Offenbarung können eingebaut sein oder implementiert werden, und zwar mit weniger Aspekten und Merkmalen, die in den vorstehenden Zielen genannt wurden.Some implementations of the present disclosure may be incorporated or implemented with fewer aspects and features mentioned in the foregoing objects.
Merkmale der ErfindungFeatures of the invention
Alle Bereiche der numerischen Parameter, wie sie in dieser Offenbarung genannt werden, sollen so verstanden werden, dass diese jedwede und alle Subbereiche oder „dazwischen liegende Verallgemeinerungen“ umfassen. Beispielsweise ein genannter Bereich von 1,0 bis 2,0 eV für einen Bandsabstandswert sollte verstanden werden, dass jedwede und sämtliche Subbereiche anfangend mit einem Minimalwert von 1,0 eV oder mehr und endend mit einem Maximalwert von 2,0 eV oder weniger, beispielsweise 1,0 bis 1,2 oder 1,3 bis 1,4 oder 1,5 bis 1,9 eV umfasst werden.All ranges of numerical parameters, as referred to in this disclosure, should be understood to include any and all subregions or "intervening generalizations". For example, a range of 1.0 to 2.0 eV for a band gap value should be understood to include any and all subregions starting with a minimum value of 1.0 eV or more and ending with a maximum value of 2.0 eV or less, for example 1.0 to 1.2 or 1.3 to 1.4 or 1.5 to 1.9 eV.
Kurz und allgemein ausgedrückt sieht die vorliegende Offenbarung eine Multijunction oder Vielfachsolarzelle vor, die folgendes aufweist: ein Wachstumssubstrat, eine erste Solarsubzelle (
Es sei bemerkt, dass bei einem derartigen Sequenzieren der Solarsubzellen die Nennung voraussetzt mindestens drei Subzellen mit der Folge, dass die Mehrfachsolarzelle bzw. Multijunction Solarzelle eine Dreifach-, eine Vierfach-, eine Fünffach- (oder Mehrfach-) Multijunction Solarzelle sein könnte, also eine Solarzelle mit 3, 4, 5 oder mehr pn-Übergängen.It should be noted that in such a sequencing of the solar subcells, the inclusion requires at least three subcells, with the result that the multi-junction solar cell or multi-junction solar cell could be a triple, a quadruple, a five-fold (or multiple) multi-junction solar cell, ie a solar cell with 3, 4, 5 or more pn junctions.
Gemäß einem weiteren Aspekt (und unter Verwendung einer alternativen Terminologie als die in einem vorherigen Absatz benutzte Terminologie zur Definition und Sequenzbildung der „ersten“, „zweiten“, „dritten“ und „vierten“ Subzellen
In einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung eine weltraumqualifizierte Vierfachsolarzelle vor, und zwar konstruiert für einen Betrieb bei AMO und bei 1 MeV Elektronenäquivalenzfluenz von mindestens 1 × 1014 e/cm2, wobei die Solarzelle Subzellen aufweist, wobei eine Kombination der Zusammensetzungen und Bandabstände der Subzellen ausgelegt ist, um die Effizienz der Solarzelle zu maximieren, und zwar für eine vorbestimmte Zeit nach dem anfänglichen Einsatz, wenn die Solarzelle im Raum verwendet wird bei Betriebstemperaturen im Bereich von 40 bis 70 °C, wobei die vorbestimmte Zeit mindestens fünf Jahre ist und als Ende des Lebens (EOL) bezeichnet wird. Insbesondere weist die Solarzelle folgendes auf: eine obere erste Solarsubzelle (
In einigen Ausführungsbeispielen ist die vierte Subzelle aus Germanium.In some embodiments, the fourth subcell is germanium.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die zweite Subzelle einen Bandabstand von annähernd 1,73 eV und die obere erste Subzelle hat einen Bandabstand von annähernd 2,10 eV.In some embodiments, the second subcell has a band gap of approximately 1.73 eV, and the upper first subcell has a band gap of approximately 2.10 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die obere erste Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 2,05 bis 2,10 eV, die zweite Solarsubzelle hat einen Bandabstand im Bereich von 1,55 bis 1,73 eV; und die dritte Solarsubzelle hat einen Bandabstand in dem Bereich von 1,15 bis 1,41 eV. In some embodiments, the upper first solar subcell has a band gap of approximately 2.05 to 2.10 eV, the second solar subcell has a band gap in the range of 1.55 to 1.73 eV; and the third solar subcell has a band gap in the range of 1.15 to 1.41 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die obere erste Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 2,10 und die zweite Solarsubzelle hat einen Bandabstand von annähernd 1,73 eV; und die dritte Solarsubzelle hat einen Bandabstand im Bereich von 1,41 eV.In some embodiments, the upper first solar subcell has a band gap of approximately 2.10 and the second solar subcell has a band gap of approximately 1.73 eV; and the third solar subcell has a bandgap in the range of 1.41 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die obere erste Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 2,10, die zweite Solarsubzelle hat einen Bandabstand von annähernd 1,65 eV; und die dritte Solarsubzelle hat einen Bandabstand von 1,3 eV.In some embodiments, the upper first solar subcell has a band gap of approximately 2.10, the second solar subcell has a band gap of approximately 1.65 eV; and the third solar subcell has a bandgap of 1.3 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die obere erste Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 2,05, die zweite Solarsubzelle hat einen Bandabstand von annähernd 1,55 eV; und die dritte Solarsubzelle hat einen Bandabstand von 1,2 eV.In some embodiments, the upper first solar subcell has a band gap of approximately 2.05, the second solar subcell has a band gap of approximately 1.55 eV; and the third solar subcell has a bandgap of 1.2 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die erste Solarsubzelle einen Bandabstand von 2,05 eV.In some embodiments, the first solar subcell has a band gap of 2.05 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen ist der Bandabstand der dritten Solarsubzelle kleiner als 1,41 eV, und größer als der der vierten Subzelle.In some embodiments, the band gap of the third solar subcell is less than 1.41 eV, and larger than that of the fourth subcell.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die dritte Solarsubzelle einen Bandabstand im Bereich von 1,15 bis 1,35 eV.In some embodiments, the third solar subcell has a band gap in the range of 1.15 to 1.35 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die dritte Solarsubzelle einen Bandabstand im Bereich von 1,1 bis 1,2 eV.In some embodiments, the third solar subcell has a band gap in the range of 1.1 to 1.2 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die dritte Solarsubzelle einen Bandabstand von annähernd 1,2 eV.In some embodiments, the third solar subcell has a band gap of approximately 1.2 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die obere erste Subzelle aus Indium Gallium Aluminium Phosphid aufgebaut; die zweite Solarsubzelle umfasst eine Emitterschicht aufgebaut aus Indium Gallium Phosphid oder Aluminium Indium Gallium Arsenid, und eine Basisschicht ist aufgebaut aus Aluminium Indium Gallium Arsenid; die dritte Solarsubzelle ist aufgebaut aus Indium Gallium Arsenid; und die vierte Subzelle ist aufgebaut aus Germanium.In some embodiments, the upper first subcell is constructed of indium gallium aluminum phosphide; the second solar subcell comprises an emitter layer composed of indium gallium phosphide or aluminum indium gallium arsenide, and a base layer is composed of aluminum indium gallium arsenide; the third solar subcell is composed of indium gallium arsenide; and the fourth subcell is constructed of germanium.
In einigen Ausführungsbeispielen ist ferner eine verteilte Bragg-Reflektor (DBR) Schicht vorgesehen, und zwar benachbart zu und zwischen der dritten und vierten Solarsubzelle oder Bodensolarzelle und ferner so angeordnet, dass Licht eintreten und durch die dritte Solarsubzellen laufen kann und mindestens ein Teil desselben kann reflektiert werden zurück in die dritte Solarsubzelle durch die DBR-Schicht.In some embodiments, a distributed Bragg reflector (DBR) layer is further provided adjacent to and between the third and fourth solar cell or bottom solar cell and further arranged so that light may enter and pass through the third solar cell and at least a portion thereof are reflected back into the third solar subcell through the DBR layer.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die DBR-Schicht aufgebaut aus einer Vielzahl von abwechselnden Schichten gitterangepasster Materialien mit Diskontiniuitäten in ihren entsprechenden Brechungsindizes.In some embodiments, the DBR layer is constructed of a plurality of alternating layers of lattice-matched materials with discontinuities in their respective refractive indices.
In einigen Ausführungsbeispielen sind die Unterschiede der Brechungsindizes zwischen abwechselnden Schichten der DBR-Schicht maximiert, um die Anzahl der Perioden zu reduzieren, die erforderlich ist, um eine gegebene Reflektivität zu erreichen und die Dicke und der Brechungsindex jeder Periode bestimmt das Stoppband und seine Begrenzungswellenlänge.In some embodiments, the differences in refractive indices between alternate layers of the DBR layer are maximized to reduce the number of periods required to achieve a given reflectivity, and the thickness and refractive index of each period determines the stopband and its clipping wavelength.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die DBR-Schicht eine erste DBR-Schicht aufgebaut aus einer Vielzahl von p-Typ InzAlxGa1-x-zAs Unterschichten und eine zweite DBR-Schicht ist angeordnet über der ersten DBR-Schicht und hat eine Zusammensetzung von einer Vielzahl von p-Typ InwAlyGa1-y-xAs Subschichten, wobei 0 < x < 1, 0 < y < 1, 1 < z < 0 und y größer ist als x, so dass die ersten und zweiten DBR-Schichten zusammensetzungsmäßig unterschiedlich sind, wodurch die Reflexionsbandbreite der DBR-Schicht erhöht wird.In some embodiments, the DBR layer comprises a first DBR layer composed of a plurality of p-type In z Al x Ga 1 -xz As sublayers, and a second DBR layer is disposed over the first DBR layer and has a composition of a plurality of p-type In w Al y Ga 1 -yx As sublayers, where 0 <x <1, 0 <y <1, 1 <z <0 and y is greater than x, such that the first and second DBR Layers are compositionally different, whereby the reflection bandwidth of the DBR layer is increased.
In einigen Ausführungsbeispielen maximiert die Auswahl der Zusammensetzung der Subzellen und ihrer Bandbreiten die Effizienz bei hoher Temperatur (in dem Bereich von 40 bis 70 °C) bei Anwendung im Raum zu einer vorbestimmten Zeit nach dem anfänglichen Einsatz (worauf Bezug genommen wird als Beginn-des-Lebens oder (BOL), wobei diese vorbestimmte Zeit als Ende-des-Lebens (EOL = end-of-life) bezeichnet wird und mindestens fünf Jahre beträgt.In some embodiments, the selection of the composition of the sub-cells and their bandwidths maximizes the high temperature efficiency (in the range of 40 to 70 ° C) when applied in space at a predetermined time after the initial use (referred to as the beginning of Life or (BOL), this predetermined time being called end-of-life (EOL) and being at least five years.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die obere oder oben gelegene erste Subzelle aufgebaut aus einer Basisschicht von (InxGa1-x)1-yAlyP, wobei
In einigen Ausführungsbeispielen ist ferner eine Zwischenschicht (oder „grading interlayer“ = Gradierzwischenschicht) angeordnet zwischen der dritten Subzelle und der vierten oder Bodensolarsubzelle, wobei die Zwischenschicht zusammensetzungsmäßig gradiert ist zur Gitteranpassung der dritten Solarsubzelle auf einer Seite und der vierten oder Bodensolarsubzelle auf der anderen Seite und aufgebaut ist aus irgendeinem von folgendem: As, P, N, Sb basierend auf Ill-V-Verbindungshalbleitern gemäß den Einschränkungen des Besitzens des „in-Ebene“ Gitterparameter größer ist oder gleich dem der vierten oder Bodensolarsubzelle, und mit einer Bandabstandsenergie, die größer ist als die der vierten Solarsubzelle.In some embodiments, an intermediate layer (or "grading interlayer") is further disposed between the third subcell and the fourth or bottom solar cell, the interlayer being compositionally graded to match the third solar subcell on one side and the fourth or bottom solar cell on the other side and constructed from any one of the following: As, P, N, Sb based on III-V compound semiconductors, according to the constraints of having the in-plane lattice parameter greater than or equal to that of the fourth or bottom solar cell, and bandgap energy larger than that of the fourth solar subcell.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die Zwischenschicht (oder „grading interlayer“ = gradierte Zwischenschicht) zusammensetzungsmäßig stufengradiert mit zwischen einer und vier Stufen, um die dritte Solarsubzelle auf einer Seite und die vierte oder Bodensolarsubzelle auf der anderen Seite gitteranzupassen, und zwar aufgebaut aus InxGa1-xAs oder (InxGa1-x)yAl1-yAs mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und wobei x und y derart ausgewählt sind, dass der Bandabstand in dem Bereich von 1,15 bis 1,41 eV durch ihre gesamte Dicke ist.In some embodiments, the graded interlayer is compositionally graded with between one and four stages to lattice fit the third solar cell on one side and the fourth or bottom solar cell on the other side, constructed of In x Ga 1-x As or (In x Ga 1-x ) y Al 1-y As where 0 <x <1, 0 <y <1 and where x and y are selected such that the band gap is in the range of 1.15 to 1.41 eV through its entire thickness.
In einigen Ausführungsbeispielen hat die gradierte Zwischenschicht einen konstanten Bandabstand im Bereich von 1,15 bis 1,41 eV oder 1,2 bis 1,35 eV oder 1,25 bis 1,30 eV.In some embodiments, the graded interlayer has a constant band gap in the range of 1.15 to 1.41 eV or 1.2 to 1.35 eV or 1.25 to 1.30 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen haben entweder (i) die Emitterschicht; oder (ii) die Basisschicht und Emitterschicht der oberen ersten Solarsubzelle eine unterschiedliche Gitterkonstante gegenüber der Gitterkonstanten der zweiten Solarsubzelle.In some embodiments, either (i) have the emitter layer; or (ii) the base layer and emitter layer of the upper first solar subcell have a different lattice constant to the lattice constant of the second solar subcell.
In einigen Ausführungsbeispielen weist jede Subzelle eine Emitterzone bzw. Emittergebiet auf und eine Basiszone bzw. Basisgebiet und ferner eine oder mehrere der oberen oder obersten Subzellen besitzen eine Basiszone mit einer Gradierung beim Dotieren (doping) die exponentiell von 1 × 1015 Atomen pro Kubikzentimeter benachbart zum p-n-Übergang bis 4 × 1018 Atome pro Kubikzentimeter benachbart zu der angrenzenden Schicht an dem hinteren Teil der Basiszone sich erstreckt und eine Emitterzone mit einer Gradierung beim Dotieren, die von annähernd 5 × 1018 Atomen pro Kubikzentimeter in der Emitterzone unmittelbar benachbart zu der angrenzenden Subzellenschicht bis 5 × 1018 Atomen pro Kubikzentimeter in der Emitterzone benachbart zu der p-n-Verbindung (junction) verläuft.In some embodiments, each subcell has an emitter region and a base region, and further one or more of the top or top subcells have a doping doping base region that is exponentially adjacent to 1 x 10 15 atoms per cubic centimeter to pn junction to 4 × 10 18 atoms per cubic centimeter adjacent to the adjacent layer at the back of the base zone and an emitter zone having a doping grading immediately adjacent to approximately 5 × 10 18 atoms / cubic centimeter in the emitter zone of the adjacent subcell layer extends to 5 × 10 18 atoms per cubic centimeter in the emitter zone adjacent to the pn junction.
In einigen Ausführungsbeispielen hat mindestens eine der oberen Subschichten der grading Zwischenschicht eine größere Gitterkonstante als die benachbarten Schichten des Halbleiterkörpers bezüglich der oberen Subschicht der Grading-Zwischenschicht angeordnet oberhalb der Grading-Zwischenschicht.In some embodiments, at least one of the upper sub-layers of the grading interlayer has a larger lattice constant than the adjacent layers of the semiconductor body with respect to the upper sub-layer of the grading interlayer disposed above the grading interlayer.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die Differenz der Gitterkonstanten zwischen der benachbarten dritten und vierten oder Bodensubzelle im Bereich von 0,1 bis 0,2 Angstrom.In some embodiments, the difference in lattice constants between the adjacent third and fourth or bottom subcells is in the range of 0.1 to 0.2 angstroms.
In einigen Ausführungsbeispielen ist ferner eine erste Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht. vorgesehen mit einer Dicke im Bereich von 0,10 bis 1,0 Mikron und zwar angeordnet über der vierten oder Bodensolarsubzelle und unter der Grading-Zwischenschicht.In some embodiments, a first threading dislocation prevention layer is further provided. provided with a thickness in the range of 0.10 to 1.0 microns and disposed over the fourth or bottom solar cell and below the grading intermediate layer.
In einigen Ausführungsbeispielen ist ferner eine zweite Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht vorgesehen mit einer Dicke im Bereich von 0,10 bis 1,0 Mikron und aufgebaut aus InGa(AI)P, wobei die zweite Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht über und direkt benachbart zu der erwähnten Grading-Zwischenschicht angeordnet ist, und zwar um die Fortpflanzung der Threading-Dislocations bzw. Fadenversetzungen zu reduzieren, wobei die zweite Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht eine Zusammensetzung besitzt, die unterschiedlich ist von einer Zusammensetzung der ersten Threading-Dislocation-Verhinderungsschicht bzw. Fadenversetzungs-Sperrschicht und unterschiedlich von der benachbarten Grading-Zwischenschicht.In some embodiments, a second threading dislocation prevention layer is further provided having a thickness in the range of 0.10 to 1.0 micron and constructed of InGa (Al) P, wherein the second threading dislocation prevention layer or layer is provided A yarn displacement barrier layer is disposed above and directly adjacent to said grading intermediate layer to reduce the propagation of threading dislocations, wherein said second threading dislocation preventing layer has a composition comprising It is different from a composition of the first threading dislocation prevention layer and different from the adjacent grading intermediate layer.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vier-Junction-Solarzelle vorgesehen, wobei ein Germaniumsubstrat vorgesehen ist, welches eine erste Subzelle formt; Aufwachsen auf dem Germaniumsubstrat einer Folge von Schichten aus Halbleitermaterial unter Verwendung eines Halbleiterabscheidungsprozesses zur Bildung einer Solarzelle, die eine Vielzahl von Subzellen aufweist, und zwar einschließlich einer zweiten Subzelle angeordnet über dem Germaniumsubstrat und gitterfehlangepasst demgegenüber und mit einem Bandabstand von 1,41 eV oder weniger, einer dritten Subzelle angeordnet über der zweiten Subzelle und mit einem Bandabstand im Bereich von annähernd 1,55 bis 1,8 eV und einer oberen Subzelle angeordnet über der dritten Subzelle und mit einem Bandabstand im Bereich von 2,0 bis 2,15 eV.According to another aspect of the present disclosure, there is provided a method of manufacturing a four-junction solar cell, wherein a germanium substrate forming a first subcell is provided; Growing on the germanium substrate a series of layers of semiconductor material using a semiconductor deposition process to form a solar cell having a plurality of subcells, including a second subcell disposed over the germanium substrate and lattice mismatched thereto and having a bandgap of 1.41 eV or less , a third Subcell located above the second subcell and with a band gap in the range of approximately 1.55 to 1.8 eV and an upper subcell located above the third subcell and with a band gap in the range of 2.0 to 2.15 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen kann/können (eine) zusätzliche Schicht(en) in der Zellenstruktur hinzuaddiert werden oder weggelassen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.In some embodiments, additional layer (s) in the cell structure may be added or omitted without departing from the scope of the invention.
Bei einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung weniger der erwähnten Aspekte und Merkmale genannt in den vorstehenden Zusammenfassungen können inkorporiert oder implementiert werden.In some implementations of the present disclosure, fewer of the mentioned aspects and features mentioned in the above abstracts may be incorporated or implemented.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung kann besser und vollständiger verstanden werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit der Zeichnung.
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1 ist eine graphische Darstellung des BOL-Wertes des Parameters Eg/q-VOC bei 28 °C aufgetragen gegenüber dem Bandabstand von bestimmten binären Materialien definiert entlang derx -Achse. -
2 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vierfach-Solarzelle nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich der Abscheidung bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zu der Kontaktschicht, und zwar gemäß der vorliegenden Offenbarung; -
3 ist eine graphische Darstellung des Dotierprofils in den Basis- und Emitterschichten einer Subzelle in der Solarzelle gemäß der Offenbarung der vorliegenden Erfindung. -
4A ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vierfach-Solarzelle nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich des Wachstums bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zur Kontaktschicht, und zwar gemäß der vorliegenden Offenbarung; -
4B ist eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Vierfach-Solarzelle nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich des Wachstums bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zu der Kontaktschicht, und zwar gemäß der vorliegenden Offenbarung; -
5 ist eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Vierfach-Solarzelle nach mehreren Herstellungsstufen einschließlich der Stufen des Wachstums bestimmter Halbleiterschichten auf dem Wachstumssubstrat bis zu der Kontaktschicht, und zwar ausgeführt gemäß der vorliegenden Offenbarung; -
6 ist eine Querschnittsansicht der Solarzelle der vorliegenden Offenbarung implementiert in einer CIC und angebracht auf einer Paneele oder Platte. -
7 ist eine graphische Darstellung des Bandabstandes bestimmter binärer Materialien und ihrer Gitterkonstanten; und -
8 ist eine Vergrößerung eines Teils der graphischen Darstellung der7 und veranschaulicht unterschiedliche Verbindungen von GalnAs und GalnP mit unterschiedlichen Proportionen von Gallium und Indium und dem Ort der speziellen Verbindungen der graphischen Darstellung.
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1 is a plot of the BOL value of the parameter E g / qV OC plotted against 28 ° C versus the bandgap of certain binary materials defined along thex -Axis. -
2 FIG. 12 is a cross-sectional view of the solar cell of a first embodiment of a quadruple solar cell after a plurality of fabrication steps including deposition of certain semiconductor layers on the growth substrate to the contact layer, in accordance with the present disclosure; FIG. -
3 Figure 3 is a graphical representation of the doping profile in the base and emitter layers of a subcell in the solar cell according to the disclosure of the present invention. -
4A FIG. 12 is a cross-sectional view of a second embodiment of a quadruple solar cell after several stages of fabrication, including growth of certain semiconductor layers on the growth substrate to the contact layer, in accordance with the present disclosure; FIG. -
4B FIG. 10 is a cross-sectional view of a third embodiment of a quadruple solar cell after multiple stages of fabrication, including growth of certain semiconductor layers on the growth substrate to the contact layer, in accordance with the present disclosure; FIG. -
5 Fig. 12 is a cross-sectional view of a fourth embodiment of a quadruple solar cell after several stages of manufacture, including the steps of growing certain semiconductor layers on the growth substrate to the contact layer, carried out in accordance with the present disclosure; -
6 FIG. 12 is a cross-sectional view of the solar cell of the present disclosure implemented in a CIC and mounted on a panel. FIG. -
7 is a graphical representation of the bandgap of certain binary materials and their lattice constants; and -
8th is an enlargement of part of the graphical representation of7 and illustrates different compounds of GalnAs and GalnP with different proportions of gallium and indium and the location of the specific compounds of the graph.
Beschreibung des bevorzugten AusführungsbeispielsDescription of the Preferred Embodiment
Eine Verschiedenheit von unterschiedlichen Merkmalen der Mehrfach-Solarzellen sind offenbart, und zwar in damit in Beziehung stehenden Anwendungen des Anwenders. Einige, viele oder alle solcher Merkmale können in den Strukturen und Verfahren assoziiert mit „aufrechten“ („upright“) metamorphen Mehrfach- bzw. multijunction-Solarzellen der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden. Insbesondere jedoch ist die vorliegende Offenbarung auf die Herstellung einer Mehrfach-Solarzelle gerichtet, und zwar aufgewachsen auf ein einziges Wachstumssubstrat, und zwar umfassend in einem Ausführungsbeispiel die zwei unteren Subzellen, das heißt die vierte und die dritte Subzelle sind gitterfehlangepasst. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Offenbarung in einigen Ausführungsbeispielen auf Vierfach-Solarzellen mit direktem Bandabstand im Bereich von 2,0 bis 2,15 eV (oder höher), und zwar für die obere letzte Subzelle, und (i) 1,65 bis 1,8 eV und (ii) 1,41 eV oder weniger für die zweite bzw. dritte Subzelle, und 0,6 bis 0,8 eV indirekter Bandabstand für die vierte Bodensubzelle.A variety of different features of the multiple solar cells are disclosed in related applications of the user. Some, many, or all such features may be employed in the structures and methods associated with "upright" metamorphic multijunction solar cells of the present disclosure. In particular, however, the present disclosure is directed to the fabrication of a multiple solar cell grown on a single growth substrate comprising, in one embodiment, the two lower sub-cells, that is, the fourth and third sub-cells are lattice mismatched. More specifically, in some embodiments, the present disclosure relates to quadruple direct bandgap solar cells in the range of 2.0 to 2.15 eV (or higher) for the top last subcell, and (i) 1.65 to 1 , 8 eV and (ii) 1.41 eV or less for the second and third subcell, respectively, and 0.6 to 0.8 eV indirect band gap for the fourth bottom subcell.
Die vorliegende Offenbarung sieht eine nicht konventionelle Vierfach- oder Vier-Junction-Konstruktion vor (mit drei gitterwachstumsangepassten Subzellen, die gitterfehlangepasst sind zur vierten oder Bodensubzelle oder dem Ge-Substrat), was zu einer überraschend signifikanten Verbesserungsperformance führt, und zwar gegenüber der der traditionellen Dreifach-Solarzelle, und zwar trotz der im Wesentlichen Stromfehlanpassung vorhanden zwischen der oberen drei Junctions und der Boden-Ge-Junction, das heißt der vier Subzellen. Dieser Performancegewinn wird speziell realisiert bei hoher Temperatur und nach hoher Aussetzung gegenüber Raumstrahlung durch Vorschlag der Einsetzung von Halbleiter mit hohem Bandabstand, die von Natur aus beständiger gegenüber Strahlung und Temperatur sind, auf welche Weise speziell das Problem der Sicherstellung fortgesetzter adäquater Effizienz und Leistungsausgangsgröße während der gesamten Betriebsmission und speziell am „Ende des Lebens“ erreicht wird.The present disclosure provides a non-conventional quadruple or four-junction construction (with three lattice growth-matched sub-cells that are lattice mismatched with the fourth or bottom subcell or the Ge substrate) resulting in surprisingly significant enhancement performance, and although compared to the traditional triple solar cell, despite the substantial current mismatch existing between the top three junctions and the bottom-ge junction, that is, the four sub-cells. This performance gain is especially realized at high temperature and high exposure to space radiation by suggesting the use of high bandgap semiconductors which are inherently more resistant to radiation and temperature, in particular the problem of ensuring continued adequate efficiency and power output during the process entire mission and especially at the end of life.
Eine weitere Möglichkeit der Charakterisierung der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass in einigen Ausführungsbeispielen einer Vierfach-Solarzelle der durchschnittliche Bandabstand aller vier Subzellen (das heißt die Summe der vier Bandabstände jeder Subzelle dividiert durch vier) größer als 1,35 eV ist.Another way of characterizing the present disclosure is that in some embodiments of a quadruple solar cell, the average bandgap of all four subcells (that is, the sum of the four bandgaps of each subcell divided by four) is greater than 1.35 eV.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die vierte Subzelle Germanium, wohingegen in anderen Ausführungsbeispielen die vierte Subzelle InGaAs, GaAsSb, InAsP, InAlAs oder SiGeSn, InGaAsN, InGaAsNSb, InGaAsNBi, InGaAsNSbBi, InGaSbN, InGaBiN, InGaSbBiN, oder andere III-V oder II-VI-Verbindungshalbleitermaterial ist.In some embodiments, the fourth subcell is germanium, whereas in other embodiments the fourth subcell is InGaAs, GaAsSb, InAsP, InAlAs or SiGeSn, InGaAsN, InGaAsNSb, InGaAsNBi, InGaAsNSbBi, InGaSbN, InGaBiN, InGaSbBiN, or other III-V or II-VI. Compound semiconductor material is.
Ein weiterer beschreibender Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die vierte Bodensubzelle als einen direkten Bandabstand von mehr als 0,75 eV besitzend zu charakterisieren.Another descriptive aspect of the present disclosure is to characterize the fourth bottom subcell as having a direct band gap greater than 0.75 eV.
Der indirekte Bandabstand von Germanium bei Raumtemperatur beträgt ungefähr 0,66 eV, wobei der direkte Bandabstand von Germanium bei Raumtemperatur 0,8 eV ist. Die Fachwelt bezieht sich normalerweise den „Bandabstand“ von Germanium als 0,67 eV, da dieser niedriger ist als der direkte Bandabstandswert von 0,8 eV.The indirect bandgap of germanium at room temperature is about 0.66 eV, with the direct band gap of germanium at room temperature being 0.8 eV. The experts usually refer to the "bandgap" of germanium as 0.67 eV, since this is lower than the direct band gap value of 0.8 eV.
Die Nennung, dass „die vierte oder Bodensubzelle einen direkten Bandabstand von mehr als 0,75 eV besitzt“, meint daher ausdrücklich Germanium als einen möglichen Halbleiter für die vierte oder Bodensubzelle zu umfassen, obwohl anderes Halbleitermaterial auch benutzt werden kann.The mention that "the fourth or bottom subcell has a direct bandgap greater than 0.75 eV", therefore, explicitly means to include germanium as a potential semiconductor for the fourth or bottom subcell, although other semiconductor material may also be used.
Genauer gesagt, beabsichtigt die vorliegende Offenbarung eine relativ einfache und reproduzierbare Lehre vorzusehen, die nicht invertiertes verarbeiten assoziiert mit der Herstellung invertierter metamorphischer Mehrfach-Solarzellen bzw. „inverted metamorphic multijunction solar cells“ verwendet, und ist geeignet zur Verwendung in der hochvolumigen Produktionsumgebung, in der verschiedene Halbleiterschichten auf einem Wachstumssubstrat aufgewachsen werden, und zwar in einem MOCVD-Reaktor und wobei darauf folgend die Verarbeitungsschritte definiert sind und ausgewählt sind, um jeden körperlichen Schaden hinsichtlich der Qualität der abgeschiedenen Schichten zu minimieren, wodurch eine relativ hohe Ausbeute an betriebsfähigen Solarzellen erreicht wird und die Spezifikationen am Ende des Herstellungsprozesses erreicht werden.More particularly, the present disclosure intends to provide a relatively simple and reproducible teaching that uses non-inverted processing associated with the production of inverted metamorphic multijunction solar cells, and is suitable for use in the high volume production environment the various semiconductor layers are grown on a growth substrate in a MOCVD reactor and subsequently the processing steps are defined and selected to minimize any physical damage to the quality of the deposited layers, thereby achieving a relatively high yield of operable solar cells and the specifications will be reached at the end of the manufacturing process.
Wie oben vorgeschlagen sind inkrementale Verbesserungen in der Konstruktion der Mehrfach-Solarzellen vorgenommen im Hinblick auf die Anforderung einer Verschiedenheit von neuen Raummissionen und Anwendungserfordernissen. Darüberhinaus gilt folgendes: Obwohl solche Verbesserungen relativ kleine quantitative Modifikationen in der Zusammensetzung oder dem Bandabstand bestimmter Subzellen sein können, solche kleine parametrische Änderungen (wie beispielsweise 0,1 bis 0,5 eV in der Spezifikation des Bandabstandes der oberen ersten Subzelle oder der dritten Subzelle) sehen substantielle Verbesserungen in der Effizienz vor, die speziell die „Probleme“ betrifft, die identifiziert wurden in Assoziation mit den existierenden kommerziellen Mehrfach- bzw. Multijunction-Solarzellen, und es wird eine „Lösung“ vorgesehen, die einen „erfinderischen Schritt“ im Konstruktionsprozess repräsentiert.As suggested above, incremental improvements in the design of the multiple solar cells are made in view of the requirement of diversity of new space missions and application requirements. In addition, although such improvements may be relatively small quantitative modifications in the composition or bandgap of particular subcells, such small parametric changes (such as 0.1 to 0.5 eV in the bandgap specification of the upper first subcell or third subcell ) provide substantial improvements in efficiency that specifically addresses the "problems" identified in association with existing commercial multi-junction solar cells, and provides a "solution" that provides an "inventive step" in the art Represents the construction process.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf die Verwendung von Aluminium in den aktiven Schichten der oberen Subzellen in einer Mehrfach-Solarzelle. Die Effekte der Vergrößerung der Mengen an Aluminium als ein Bestandteilselement in einer aktiven Schicht einer Subzelle beeinflusst die Photovoltaikvorrichtungsleistungsfähigkeit. Ein Maß für die „Qualität“ oder „Güte“ einer Solarzellenverbindung (solar cell junction) ist der Unterschied zwischen dem Bandabstand des Halbleitermaterials in dieser Subzelle oder Junction und der Voc oder Leerlaufspannung der gleichen Junction. Je kleiner die Differenz ist, umso höher ist das Voc der Solarzellenjunction relativ zu dem Bandabstand, und umso besser ist die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung. Voc ist sehr empfindlich gegenüber der Halbleitermaterialqualität, so dass je kleiner Eg/q - Voc einer Vorrichtung ist, umso höher ist die Qualität des Materials in der Vorrichtung. Es gibt eine theoretische Grenze zu dieser Differenz, die als die Shockley-Queisser-Grenze bekannt ist. Dies ist das Beste, was für eine Solarzellen-Junction unter einer gegebenen Konzentration von Licht und einer gegebenen Temperatur vorgesehen sein kann.One aspect of the present disclosure relates to the use of aluminum in the upper subcell active layers in a multiple solar cell. The effects of increasing the amounts of aluminum as a constituent element in an active layer of a subcell affect photovoltaic device performance. A measure of the "quality" or "goodness" of a solar cell junction is the difference between the band gap of the semiconductor material in that subcell or junction and the V oc or open circuit voltage of the same junction. The smaller the difference, the higher the V oc of the solar cell junction relative to the band gap, and the better the performance of the device. V oc is very sensitive to the semiconductor material quality, so that the smaller E g / q - V oc of a device, the higher the quality of the material in the device. There is a theoretical limit to this difference, known as the Shockley-Queisser boundary. This is the best that can be provided for a solar cell junction under a given concentration of light and a given temperature.
Die experimentellen Daten erhalten für Single-Junction (AI)GalnP-Solarzellen, zeigen an, dass die Erhöhung des AI-Gehalts von dieser „Junction“ (entsprechend der oberen oder obersten Subzelle) zu einer größeren Voc - Eg/q Differenz führt, was anzeigt, dass die Materialqualität der „Junction“ mit ansteigendem AI-Gehalt abnimmt.
Was die Multijunction bzw. Mehrfachsolarzellenvorrichtung der vorliegenden Offenbarung angeht, so zeigt
Wie in dem illustrativen Beispiel der
In einigen Ausführungsbeispielen sind verteilte Bragg-Reflektor- (DBR)-Schichten
Für einige Ausführungsbeispiele können die verteilten Bragg-Reflektor (DBR)-Schichten
Für einige Ausführungsbeispiele umfassen die verteilten Bragg-Reflektor (DBR)-Schichten
Obwohl die vorliegende Offenbarung die DBR-Schicht
In dem dargestellten Beispiel der
Die Fensterschicht
Die zweite Subzelle B weist eine hochdotierte p-Typ Aluminium Indium Gallium Arsenid („AlInGaAs“) Rückoberflächenfeld („BSF“) Schicht
Vor der Abscheidung der Schichten der oberen ersten Subzelle
In dem dargestellten Beispiel weist die obere oder oberste erste Subzelle
Nachdem die Cap- oder Kontaktschicht
In einigen Ausführungsbeispielen hat mindestens eine der ersten, zweiten oder dritten Solarsubzellen eine gradierte Dotierung, das heißt das Niveau des Dotierens verändert sich von einer Oberfläche zu der anderen durch die Dicke der Basisschicht. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Gradierung beim Dotieren exponentiell. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Gradierung oder Gradation beim Dotieren inkremental und monoton.In some embodiments, at least one of the first, second, or third solar subcells has graded doping, that is, the level of doping changes from one surface to the other through the thickness of the base layer. In some embodiments, grading during doping is exponential. In some embodiments, grading or grading during doping is incremental and monotonic.
In einigen Ausführungsbeispielen hatte der Emitter von mindestens einer der zweiten, dritten oder vierten Solarsubzellen (
Als ein spezielles Beispiel kann das Dotierprofil der Emitter und Basisschichten in
In dem Beispiel der
Die kräftigen Linien
Somit kann das Dotierungsniveau durch die Dicke der Basisschicht hindurch exponentiell gradiert sein von dem Bereich von 1 × 1016 freien Trägern pro Kubikzentimeter bis zu 1 × 1018 freien Trägern pro Kubikzentimeter wie dies durch die Kurve
Ähnlich kann der Dotierpegel durch die Dicke der Emitterschicht hindurch linear abnehmen von 5 × 1018 freien Trägern pro Kubikzentimeter bis 5 × 1017 freie Träger pro Kubikzentimeter wie dies durch die Kurve
Der absolute Wert des Sammel- oder Collectingfeldes erzeugt durch einen exponentiellen Dotiergradienten exp [-x/λ] ist gegeben durch das konstante elektrische Feld der Größe E = kT/q(1/λ))(exp [-xb/λ], wobei k die Boltzman-Konstante ist, T die absolute Temperatur in Grad Kelvin ist, q der absolute Wert der Elektronenänderung ist und
Die Effizienz eines Ausführungsbeispiels der Dotieranordnung der vorliegenden Erfindung wurde in einer Testsolarzelle demonstriert, die ein exponentielles Dotierprofil in der drei Mikron dicken Basisschicht einer Subzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel aufwies.The efficiency of one embodiment of the doping device of the present invention was demonstrated in a test solar cell having an exponential doping profile in the three micron thick base layer of a subcell according to an embodiment.
Das exponentielle Dotierprofil gelehrt durch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung erzeugt ein konstantes Feld in der dotierten Zone oder Region. In den besonderen Multijunction-Solarzellen-Materialien und Struktur der vorliegenden Offenbarung hat die Bodensubzelle den kleinsten Schaltungskurzschluss unter all den Subzellen. Da in einer Multijunction-Solarzelle die individuellen Subzellen gestapelt sind und eine Serienschaltung bilden ist der Gesamtstromfluss in der gesamten Solarzelle daher durch den kleinsten Strom produziert in irgendeiner der Subzellen begrenzt. Durch Vergrößerung des Kurzschlussstromes in der Bodenzelle nähert sich der Strom näher dem der höheren Solarzellen an und die Gesamteffizienz der Solarzelle wird auch vergrößert. In einer Multijunction-Solarzelle mit angenäherter Effizienz würde die Implementation der vorliegenden Dotieranordnung dadurch die Effizienz vergrößern. Zusätzlich zu einer Vergrößerung der Effizienz würde das Sammel- bzw. Kollektionsfeld geschaffen durch das exponentielle Dotierprofil die Strahlungshärte der Solarzelle, die für Weltraumanwendungen wichtig ist, vergrößern.The exponential doping profile taught by one embodiment of the present disclosure creates a constant field in the doped zone or region. In the particular multi-junction solar cell materials and structure of the present disclosure, the bottom subcell has the smallest circuit short among all the subcells. Since the individual subcells are stacked in a multi-junction solar cell and form a series connection, the total current flow in the entire solar cell is therefore limited by the smallest current produced in any of the subcells. By increasing the short circuit current in the bottom cell, the current approaches closer to that of the higher solar cells and the overall efficiency of the solar cell is also increased. In a multi-junction solar cell with approximate efficiency, implementation of the present doping arrangement would thereby increase efficiency. In addition to increasing efficiency, the collection field created by the exponential doping profile would increase the solar cell's radiation hardness, which is important for space applications.
Obwohl das exponentielle Dotierprofil die Dotierausbildung ist, die implementiert und verifiziert wurde, können andere Dotierprofile einen Anstieg vorsehen auf ein linearvariierendes Sammelfeld, welches noch weitere andere Vorteile bietet. Beispielsweise kann ein anderes Dotierprofil ein Linearfeld erzeugen in der Dotierzone, welches vorteilhaft wäre für sowohl die Minoritätsträgersammlung und für Strahlungshärte am Ende des Lebens (EOL) der Solarzelle. Solche anderen Dotierprofile, die in einer oder mehreren Basisschichten sind innerhalb des Bereichs der vorliegenden Offenbarung.Although the exponential doping profile is the doping design that has been implemented and verified, other doping profiles may provide an increase to a linearly variable collection field, which offers other advantages as well. For example, another doping profile may create a linear field in the doping zone which would be beneficial for both the minority carrier collection and end-of-life (EOL) life of the solar cell. Such other doping profiles included in one or more base layers are within the scope of the present disclosure.
Die hier gezeigten Dotierprofile dienen lediglich der Veranschaulichung und anderer komplexerer Profile können verwendet werden wie dies jedem Fachmann klar sein wird, ohne dabei den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The doping profiles shown here are for illustration only and other more complex profiles may be used as will be apparent to one skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
In dem Ausführungsbeispiel gezeigt in
Eine erste „Alpha“- oder threading dislocation Sperrschicht
Eine metamorphe Schicht (oder gradierte Zwischenschicht)
In einem Ausführungsbeispiel wird Aluminium einer Subschicht hinzuaddiert, um eine spezielle Subschicht härter als eine andere zu machen, wodurch dislocations bzw. Versetzungen in das weichere Material gezwungen werden.In one embodiment, aluminum is added to a sub-layer to make one particular sub-layer harder than another, thereby forcing dislocations into the softer material.
In dem durch Surfaktant unterstütztem Wachstum der metamorphen intermediate graded Schicht
Surfaktant- bzw. Tensid-unterstütztes Wachstum ergibt eine viel glattere oder ebenere Oberfläche. Da die Oberflächentopographie die Gesamteigenschaften des Halbleitermaterials, wenn es wächst beeinflusst, und die Schicht dicker wird, minimiert die Verwendung der Surfaktantien bzw. Tenside threaded dislocations in der aktiven Zone und daher verbessert sich die Solarzelleneffizienz insgesamt.Surfactant-assisted growth gives a much smoother or richer surface. Since the surface topography affects the overall properties of the semiconductor material as it grows and the layer thickens, the use of the surfactants minimizes threaded dislocations in the active zone, and therefore overall solar cell efficiency improves.
Als eine Alternative zur Verwendung eines nicht-isoelektronischen (Surfaktants) kann man eine iso-elektronische Surfaktants verwenden. Der Asudruck „iso-elektronisch“ bezieht sich auf Surfaktantien wie beispielsweise Antimon (Sb) oder Wismuth (Bi), da solche Elemente die gleiche Anzahl von Valenzelektronen besitzen wie das P Atom von InGaP oder das As Atom in InGaAlAs in der metamorphen Pufferschicht. Solche Sb oder Bi Surfaktantien werden nicht typischerweise in die metamorphische Schicht
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung besteht die metamorphe Schicht
Der Vorteil der Verwendung eines Materials mit konstantem Bandabstand wie beispielsweise InGaAs besteht darin, dass auf Arsen basierendes Halbleitermaterial viel leichter in kommerziellem Standard von MOCVD-Reaktoren zu verarbeiten ist.The advantage of using a constant band gap material, such as InGaAs, is that arsenic based semiconductor material is much easier to process in the commercial standard of MOCVD reactors.
Obwohl das beschriebene Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung eine Vielzahl von Schichten aus InGaAs für die metamorphische Schicht
In einigen Ausführungsbeispielen ist eine zweite „Alpha“ oder Fadenversetzungssperrrschicht bzw. threaded dislocation inhibition Schicht
In dem in
In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl eine gradierte Zwischenschicht und auch eine DBR-Schicht zwischen der dritten Subzelle
In diesem Ausführungsbeispiel sind verteilte Bragg-Reflektor (DBR) Schichten
Für einige Ausführungsbeispiele können die verteilten Bragg-Reflektor (DBR) Schichten
Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die verteilten Bragg-Reflektor (DBR) Schichten
Wie zuvor erwähnt weißt für Anwendungen im Weltraum die Solarzelle
Verbindungskontakte bzw. Verbindungspads eines ersten und zweiten Polaritätstyps sind auf jeder Solarzelle vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel bildet ein Rückenmetall
Eine Vielzahl von elektrischen Zwischenverbindungen
Eine Aluminiumwabenplatte (
Ein weiteres Merkmal der Solarzellenanordnung des in
Die vorliegende Offenbarung sieht eine Multijunction-Solarzzelle vor, die einer Konstruktionsregel folgt, dass man so viele einen hohen Bandabstand besitzende Subzellen inkorporiert wie dies möglich ist, um das Ziel zu erreichen, die Effizienz bei Hochtemperatur EOL zu vergrößern. Beispielsweise können einen hohen Bandabstand besitzende Subzellen einen größeren Prozentsatz von Zellenspannung behalten, wenn die Temperatur ansteigt, wodurch niedrigerer Leistungsverlust angeboten wird, wenn die Temperatur ansteigt. Infolgedessen kann erwartet werden, dass sowohl HT-BOL und HT-EOL Performance von exemplarischen Mehrfach-Solarzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung größer ist als bei traditionellen Zellen.The present disclosure provides a multi-junction solar cell following a design rule of incorporating as many high-pitch subcells as possible to achieve the goal of increasing high-temperature EOL efficiency. For example, high bandgap subcells may retain a greater percentage of cell voltage as the temperature rises, thereby offering lower power loss as the temperature rises. As a result, both HT-BOL and HT-EOL performance of exemplary multiple solar cells according to the present disclosure can be expected to be greater than traditional cells.
Die hier beschriebene exemplarische Solarzelle kann Verwendung von Aluminium in der Halbleiterkomposition jeder der oberen zwei Subzellen erforderlich machen. Die Inkorporation von Aluminium ist bekannt in der III-V Verbindungshalbleiterindustrie, um die BOL Subzellen-Performance zu reduzieren, und zwar infolge des tiefen Niveaus von Donor-Defekten, höherer Dotierkompensation, kürzerer Minoritätsträgerlebenszeit und niedrigerer Zellenspannung und einen Anstieg von BOL Eg/q-Voc Metrik. Kurz gesagt, das erhöhte BOL Eg/q-Voc kann der problematischste Nachteil der Aluminium enthaltenden Subzelle sein; die anderen Einschränkungen können reduziert werden, durch die Modifizierung des Dotierplanes oder die Verdünnung der Basisdicken.The exemplary solar cell described herein may require use of aluminum in the semiconductor composition of each of the top two subcells. The incorporation of aluminum is known in the III-V compound semiconductor industry to reduce BOL subcell performance due to the low level of donor defects, higher doping compensation, shorter minor carrier lifetime and lower cell voltage, and an increase in BOL E g / qV oc metric. In short, the increased BOL E g / qV oc may be the most problematic disadvantage of the aluminum-containing subcell; the other limitations can be reduced by modifying the doping scheme or thinning the base thicknesses.
Im Hinblick auf die unterschiedlichen Satelliten und Raumfahrzeugerfordernisse hinsichtlich der Betriebsumgebungstemperatur, Strahlungsaussetzung und Betriebslebensdauer kann ein Bereich von Subzellenkonstruktionen, die die Konstruktionsprinzipien der vorliegenden Offenbarung verwenden, zufriedenstellende speziell definierte Kunden- und Missions-Erfordernisse vorsehen, und ferner sind mehrere veranschaulichende Ausführungsbeispiele hier erläutert, und zwar für Vergleichszwecke zusammen mit der Berechnung der Effizienz am Ende-des-Lebens. Wie im einzelnen unten beschrieben ist die Solarzellenperformance nach der Aussetzung gegenüber Strahlung experimentmäßig gemessen, und zwar unter Verwendung von 1 MeV Elektronfluenz pro Quadratzentimeter (abgekürzt im folgenden Text als e/cm2), so dass ein Vergleich gemacht werden kann zwischen den derzeitigen kommerziellen Vorrichtungen und dem Ausführungsbeispiel offenbart in der vorliegenden Offenbarung.In view of the different satellite and spacecraft requirements with respect to operating ambient temperature, exposure to radiation, and operating life, a range of Subclass constructions employing the design principles of the present disclosure provide satisfactorily defined customer and mission requirements, and further, several illustrative embodiments are discussed herein for comparison purposes along with the calculation of end-of-life efficiency. As described in detail below, the solar cell performance after exposure to radiation is experimentally measured using 1 MeV electron fluence per square centimeter (abbreviated to e / cm 2 for brevity ) so that a comparison can be made between current commercial devices and the embodiment disclosed in the present disclosure.
Als ein Beispiel unterschiedlicher Missionsanforderungen wird ein Niedrig-Erdorbit (LEO = low earth orbit) Satellit erläutert, der typischerweise Strahlung äquivalent zu 5 × 1014 Elektronenfluenz pro Quadratzentimeter erfährt (im Folgenden als „5E14 e/cm2“ bezeichnet), und zwar über eine Fünf-Jahres-Lebensdauer. Ein geosynchroner Erdorbit (GEO) Satellit wird typischerweise Strahlung im Bereich von 5 × 1014 e/cm2 bis 1 × 1015 e/cm2 über eine Fünfzehn-Jahres-Lebenszeit empfangen.As an example of different mission requirements, a low earth orbit (LEO) satellite typically experiencing radiation equivalent to 5 x 10 14 electron fluence per square centimeter (hereinafter referred to as "5E14 e / cm 2 ") is discussed a five-year life. A geosynchronous Earth orbit (GEO) satellite will typically receive radiation in the range of 5 x 10 14 e / cm 2 to 1 x 10 15 e / cm 2 over a fifteen-year lifetime.
Die folgende Tabelle zeigt beispielsweise die Zelleneffizienz (%) gemessen bei Raumtemperatur (RT) 28 °C und einer Hochtemperatur (HT) 70 °C bei Beginn des Lebens (BOL = beginning of life) und Ende des Lebens (EOL = end of life) für eine kommerzielle Dreifach-Solarzelle (ZTJ):
Tabelle 1
Für die in der Voranmeldung
Die Solarzelle, beschrieben in früheren Anmeldungen, hat eine etwas höhere Zelleneffizienz als die kommerzielle Standardsolarzelle (ZTJ) bei BOL 70 °C. Die Solarzelle jedoch beschrieben in einem Ausführungsbeispiel der Offenbarung zeigt eine wesentlich verbesserte Zelleneffizienz (%) gegenüber der kommerziellen Standardsolarzelle (ZTJ) bei 1 MeV Elektronenäquivalenzfluss von 4 × 1014 e/cm2, und dramatisch verbesserte Zelleneffizienz (%) gegenüber der kommerziellen Standardsolarzelle (ZTJ) bei 1 MeV Elektronenäquivalenzfluenz bzw. -fluss von 1 × 1015 e/cm2.The solar cell described in earlier applications has a slightly higher cell efficiency than the commercial standard solar cell (ZTJ) at BOL 70 ° C. However, the solar cell described in one embodiment of the disclosure exhibits a significantly improved cell efficiency (%) over the commercial standard solar cell (ZTJ) at 1 MeV electron equivalent flux of 4 x 10 14 e / cm 2 , and dramatically improved cell efficiency (%) over the commercial standard solar cell (FIG. ZTJ) at 1 MeV electron equivalent fluence of 1 × 10 15 e / cm 2 .
Die einfachste Art, die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung und deren Effizienz verglichen mit der der oben erwähnten Standard-Solarzelle zu beschreiben besteht darin, die Ausführungsbeispiele mit der Spezifizierung der Zusammensetzung jeder der aufeinanderfolgenden Subzellen und ihren entsprechenden Bandabstand anzugeben und sodann die berechnete Effizienz.The simplest way of describing the different embodiments of the present disclosure and their efficiency compared to the above-mentioned standard solar cell is to specify the embodiments with the specification of the composition of each of the successive subcells and their corresponding bandgap and then the calculated efficiency.
Somit sind für eine Vierfach-Solarzelle wie konfiguriert und beschrieben in der vorliegenden Offenbarung, vier Ausführungsbeispiele und ihre entsprechenden Effizienzdaten am Ende-des-Lebens (EOL) wie folgt:
Effizienz bei 70 °C nach 1E14e/cm2 Strahlung: 23,5 %
Efficiency at 70 ° C after 1E14e / cm 2 Radiation: 23.5
Obwohl die Unterschiede bei den Bandabständen unter den verschiedenen Ausführungsbeispielen wie sie oben beschrieben wurden, das heißt in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 eV relativ klein erscheinen könnten, haben diese Einstellungen ein überraschendes Ergebnis und einen unerwarteten Anstieg bei der EOL Solarzellen-Effizienz von 24,4 % berichtet in der Stammanmeldung
Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung einen Vertikalstapel von vier Subzellen verwenden, sind verschiedene Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung anwendbar auf Stapel mit weniger oder einer größeren Anzahl von Subzellen, das heißt Zweifachzellen, Dreifachzellen, Fünffachzellen, Sechsfachzellen usw.Although the described embodiments of the present disclosure utilize a vertical stack of four subcells, various aspects and features of the present disclosure are applicable to stacks having fewer or greater numbers of subcells, that is, dual cells, triple cells, quintuple cells, six compartment cells, etc.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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