在中間電池中具有低帶隙吸收層的多結太陽能電池和其製備方法
2023-05-14 02:59:26 1
在中間電池中具有低帶隙吸收層的多結太陽能電池和其製備方法
【專利摘要】本申請案涉及一種在中間電池中具有低帶隙吸收層的多結太陽能電池和其製備方法。本發明涉及一種多結光伏電池，其包括頂部子電池；經安置與所述頂部子電池直接相鄰且產生第一光生電流的第二子電池；且包括具有不同晶格常數的第一和第二不同半導體層的序列；和經安置與所述第二子電池直接相鄰且產生量實質上等於所述第一光生電流密度的第二光生電流的下部子電池。
【專利說明】在中間電池中具有低帶隙吸收層的多結太陽能電池和其製備方法
[0001]政府權利聲明
[0002]本發明是在合同號NR0000-10-C-0285下藉助政府支持來獲得的。政府在本發明中具有一定權利。
【技術領域】
[0003]本發明涉及太陽能電池和太陽能電池的製造，且更具體來說涉及基於II1-V半導體化合物的多結太陽能電池中的中間電池的設計和規範。
【背景技術】
[0004]來自光伏電池(也稱作太陽能電池)的太陽能主要是由矽半導體技術來提供。然而，在過去幾年中，用於太空應用的II1-V化合物半導體多結太陽能電池的大規模製造加快了所述技術的研發，其不僅用於太空應用而且用於地面太陽能應用。與矽相比，II1-V化合物半導體多結裝置具有更高能量轉換效率和一股更高輻射電阻，但其製造往往更複雜。典型市售II1-V化合物半導體多結太陽能電池在一個太陽照明(氣團O(AMO))下具有超過27%的能量效率,而即使最有效的娃技術在相當條件下一股僅達到約18%的效率。在聞太陽濃度(例如，500X)下，市售II1-V化合物半導體多結太陽能電池在地面應用(在AML?下)中的能量效率超過37%。II1-V化合物半導體太陽能電池與矽太陽能電池相比較高的轉換效率部分是基於通過使用具有不同帶隙能量的多個光伏打區域達成入射輻射的光譜分裂並從每一區域積累電流的能力。
[0005]在衛星和其它太空相關應用中，衛星動力系統的大小、質量和成本取決於所用太陽能電池的功率和能量轉換效率。換句話說，機載設施的淨荷大小和可用度與所提供功率的量成比例。因此，隨著淨荷變得更複雜，太陽能電池的功率重量比變得越來越重要，且人們對更輕的重量越來越關注，「薄膜」型太陽能電池同時具有高效率和低質量。
[0006]將太陽能(或光子)轉換為電能的能量轉換效率取決於多種因素，例如太陽能電池結構的設計、半導體材料的選擇和每個電池的厚度。簡單來說，每個太陽能電池的能量轉換效率取決於太陽光譜中可用日光的最適度利用。因此，半導體材料中的日光吸收特徵(也稱作光伏打性質)對確定達成最適度能量轉換的最有效半導體至關重要。
[0007]多結太陽能電池是由太陽能子電池的垂直或堆疊序列形成，每一子電池由適宜半導體層形成且包括p-n光活性結。每一子電池經設計以將不同光譜或波長帶中的光子轉換為電流。在日光射在太陽能電池正面上且光子通過子電池後，波長帶中在一個子電池區域中未被吸收並轉換為電能的光子傳播到下一個子電池，其中打算捕獲所述光子並將其轉換為電能，假定下遊子電池經設計用於具體波長或能量帶的光子。
[0008]多結太陽能電池的能量轉換效率受諸如以下等因素影響:子電池數目、每一子電池的厚度以及每一子電池的能帶結構、電子能級、傳導和吸收。諸如短路電流密度(Js。)、開路電壓(V。。)和填充因數等因素也很重要。[0009]在選擇用於太陽能電池的半導體層時，一個重要的機械或結構考慮因素是太陽能電池中相鄰半導體材料層的需要，即沉積並生長以形成太陽能子電池的每一結晶半導體材料層具有類似晶格常數或參數。
[0010]多種II1-V裝置(包括太陽能電池)是通過II1-V化合物半導體在相對較厚襯底上的薄層外延生長來製造。襯底通常為Ge、GaAs、InP或其它塊狀材料，其用作形成沉積外延層的模板。外延層中的原子間距或晶格常數一股會與襯底一致，因此外延材料的選擇將受限於那些晶格常數與襯底材料類似的材料。圖1顯示各種II1-V 二元材料與常用襯底材料的帶隙之間的聯繫。三元II1-V半導體合金的特徵也可通過參考二元材料對之間的實線從所述圖來推斷，例如，InGaAs合金的特徵表示為GaAs與InAs之間的線,這取決於在所述三元合金中發現的In的百分比。
[0011]假定Ge或GaAs襯底，與具有預定原子間距的外延層相關的晶格失配的量展示於下表1中。
[0012]表1
【權利要求】
1.一種多結光伏電池，其包含: 由磷化鎵銦組成的頂部子電池； 經安置與所述頂部子電池直接相鄰且晶格匹配的第二子電池，其包括由磷化鎵銦組成的發射極層；與所述發射極層晶格匹配的由砷化鎵銦組成的基極層；和具有不同晶格常數的第一和第二不同半導體層的序列，所述序列形成安置在所述發射極層與所述基極層之間的低帶隙層；所述第二子電池產生第一光生電流； 安置在所述第二子電池的所述基極層下方且與其相鄰的分布式布拉格反射器DBR層，其中所述分布式布拉格反射器層是由多個交替的晶格匹配材料層組成且其相應折射率不連續，其中使交替層之間的折射率差異最大化以使實現給定反射率所需的周期數最小化；以及 與所述第二子電池晶格匹配且由鍺組成的下部子電池，所述下部子電池經安置與所述分布式布拉格反射器DBR層相鄰,且產生量實質上等於所述第一光生電流的第二光生電流。
2.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中所述DBR層包括由P型InGaAlP層組成的第一 DBR層，和安置在所述第一 DBR層上的由P型InAlP層組成的第二 DBR層。
3.根據權利要求2所述的多結光伏電池，其中所述DBR層包括由P型AlxGahAs層組成的第一 DBR層，和安置在所述第一 DBR層上的由P型AlyGai_yAs層組成的第二 DBR層，其中I大於X。
4.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中所述DBR層的所述交替層的厚度經設計以使得DBR反射率峰的中心與在所述裝置的中間子電池的本徵層中形成的所述低帶隙層的吸收波長共振。
5.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中所述DBR層中的所述周期數決定所述反射率峰的振幅，且經選擇以最優化所述低帶隙層中的電流生成。
6.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中所述DBR層中的所述周期數在5到50個交替材料對周期範圍內。
7.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中第一和第二不同半導體層的所述序列形成其中具有多個量子阱或量子點的本徵區域。
8.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中第一和第二不同半導體層的所述序列分別包含壓縮應變層和拉伸應變層。
9.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中第一和第二不同半導體層的所述序列的平均應變約等於零。
10.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中所述第一和第二半導體層各自厚約100埃到300埃。
11.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中所述低帶隙層中的所述第一半導體層包含InGaAs且所述中間帶隙層中的所述第二半導體層包含GaAsP。
12.根據權利要求11所述的多結光伏電池，其中所述低帶隙層的每一InGaAs層中銦的百分比在10%到30%範圍內。
13.根據權利要求1所述的多結光伏電池，其中所述頂部子電池的厚度應使其生成的電流比所述第一電流小約4%到5%。
14.一種使用MOCVD反應器製造多結太陽能電池的方法；其包含: 提供半導體襯底，其包括下部子電池；在所述下部子電池上形成分布式布拉格反射器DBR層，其中所述分布式布拉格反射器層是由多個交替的晶格匹配材料層組成且其相應折射率不連續； 在所述分布式布拉格反射器DBR層上形成第二子電池，其包括由磷化鎵銦組成的發射極層；與所述發射極層晶格匹配的由砷化鎵銦組成的基極層；和在所述基極層與所述發射極層之間的本徵層，所述本徵層是由具有不同晶格常數的第一和第二不同半導體層的序列組成，所述序列形成安置在所述發射極層與所述基極層之間的中間帶隙層；所述第二子電池產生第一光生電流；以及 在所述第二子電池上形成頂部子電池。
15.根據權利要求14所述的方法，其中交替第一和第二半導體層的所述序列的平均晶格常數大約等於所述襯底的晶格常數。
16.根據權利要求14所述的方法，其中第一和第二半導體層的所述序列的總厚度為約3微米。
17.根據權利要求14所述的方法，其中所述第一和第二半導體層各自的厚度在100埃到300埃範圍內。
18.根據權利要求14所述的方法，其中所述DBR層包括由P型AlxGahAs層組成的第一 DBR層，和安置在所述第一 DBR層上的由P型AlyGai_yAs層組成的第二 DBR層，其中y大於Xo
19.根據權利要求14所述的方法，其中所述DBR層的所述交替層的厚度經設計以使得DBR反射率峰的中心與在所述裝置的所述第二子電池的所述本徵層中形成的所述中間帶隙層的吸收波長共振。
20.根據權利要求14所述的方法，其中第一和第二不同半導體層的所述序列包含壓縮應變層和拉伸應變層，且第一和第二不同半導體層的所述序列的平均應變約等於零，且所述第二子電池中所述層的厚度經選擇以使得所述第二子電池的光生電流實質上等於與所述第二子電池相鄰的所述下部子電池的光生電流密度。
21.—種多結光伏電池，其包含: 由磷化鎵銦組成的頂部子電池； 經安置與所述頂部子電池直接相鄰且晶格匹配的第二子電池，其包括由磷化鎵銦組成的發射極層；與所述發射極層晶格匹配的由砷化鎵銦組成的基極層；和具有不同晶格常數的第一和第二不同半導體層的序列，所述序列形成安置在所述發射極層與所述基極層之間的低帶隙層；所述第二子電池產生第一光生電流； 安置在所述第二子電池下方且與其相鄰的隧道二極體； 安置在所述隧道二極體下方且與其相鄰的分布式布拉格反射器DBR層，其中所述分布式布拉格反射器層是由多個交替的晶格匹配材料層組成且其相應折射率不連續，其中使交替層之間的折射率差異最大化以使實現給定反射率所需的周期數最小化；以及 與所述第二子電池晶格匹配且由鍺組成的下部子電池，所述下部子電池經安置與所述分布式布拉格反射器 DBR層相鄰,且產生量實質上等於所述第一光生電流的第二光生電流。
【文檔編號】H01L31/18GK103915522SQ201410003620
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年1月3日 優先權日:2013年1月3日
【發明者】班傑明·C·理查茲, 林勇, 保羅·R·夏普斯, 普拉文·帕特爾 申請人:安科太陽能公司