具有反射層的三結太陽電池的製作方法

2023-12-01 09:13:16 2

專利名稱：具有反射層的三結太陽電池的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於半導體技術領域，涉及應用於太空和地面的三結 太陽電池的結構。
背景技術：
太陽能是新能源與可再生能源的一種，具有獨特的優勢和巨大的 開發利用潛力，這一點己經得到了人們充分認識。通過轉換裝置直接 把太陽輻射能轉換成電能，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光 伏效應原理進行光電轉換的，太陽能光伏技術己經飛速發展。
近年來，以光伏技術為代表的光電轉換技術迅猛發展，新技術不 斷出現，電池效率不斷提高。多結疊層光電池的研究更是令人振奮，
聚光條件下GalnP /Ga(In)As /Ge[鎵銦磷/鎵(銦)砷/鍺]多結光電 池的實驗室轉化效率己經突破了 40%,高效率的電池受到廣泛重視。 隨著空間科學技術的發展，太空飛行器的功率要求也越來越高。尤其是年 代以後微小衛星和長壽命衛星的發展，對太陽電池的轉換效率和抗 輻射能力提出了更高的要求。由於多結太陽電池具有高的轉換效率, 能滿足空間應用的飛速發展，成為近年來太陽電池研究的熱點。
1990年，研製出掘(airmass，大氣質量，定義為l/cos<!)， * 為太陽光線與法線的夾角)1.5效率為27.3X的GalnP/GaAs/Ge (鎵 銦磷/砷化鎵/鍺)的雙結光電池。經過對電池結構和柵線的進一步改 進，1994年，效率又提高到29. 5% (AMI. 5)。 1997年，採用GalnP隧道結結構，GalnP/GaAs/Ge雙結光電池的AMI. 5效率提高到30. 28 %。 1998年，研製出效率為33. 3%的整體級聯三結GalnP/GaAs/Ge 光電池。此外人們還從理論上設計了4結和5結的疊層光電池，給出 了多結光電池的理論效率、期望效率和實驗效率，但經過近多年來進 展緩慢。造成這一結果的一個重要原因是，為了充分吸收太陽光，電 池的材料厚度偏厚造成了非平衡載流子的自由程加大，嚴重降低了電 池效率。並且，帶隙的調整也帶來了晶格常數的不匹配，內應力的存 在使這種電池的可靠性下降。
有鑑於此，本發明人利用在太陽電池材料中生長兩套布拉格反射 層(DBR)，藉以通過增加光吸收的方法，減少電池的生長厚度，減小 非平衡載流子的自由程，很好地提高光電轉換效率，本案由此產生。

實用新型內容
本實用新型的目的在於提出一種具有反射層的三結太陽電池，以 減少電池的厚度，減小非平衡載流子的自由程，提高光電轉換效率。
為了實現上述目的，本實用新型的解決方案是 一種具有反射層的三結太陽電池，在P-Ge襯底上生長形成包含 兩套布拉格反射層(DBR)的三結太陽電池的半導體材料層；兩套布 拉格反射層(DBR)是一套用於反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦 磷AlGalnP頂電池反射層和一套用於反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁 鎵砷AlGaAs中電池反射層。
所述的三結太陽電池是採用金屬有機氣相沉澱技術在P-Ge襯底 上依序生長P-Ge底電池基區、N-Ge底電池發射區、N-GalnP底電池 窗口層、N-GaAs底中電池緩衝層、？++^&八5/礦^&八5底中電池隧穿結、 P-AlAs/AlGaAs中電池反射層、P-AlGaAs中電池BSF (背電場)、P—-InGaAs中電池基區、N-InGaAs中電池發射區、N-Al (Ga) InP或 N-GalnP中電池窗口層、P++- AlGaAs/N++-GalnP中頂電池隧穿結、 P-Al InP/AlGalnP頂電池反射層、P-AlGalnP頂電池BSF、 P—- (Al) GalnP 頂電池基區、N-(Al)GalnP頂電池發射區、N-AlInP頂電池窗口層、 N-GaAs帽層、N++-GaAs接觸層。
所述AlInP/AlGalnP頂電池反射層的反射波長為380 500nm (納米)。
所述AlAs/AlGaAs DBR中電池反射層的反射波長為600 880nm (納米)。
所述Al InP/AlGalnP頂電池反射層為2對-10對。AlAs/AlGaAs中 電池反射層為15對-25對。對數少了起不到反射作用，多了會增加 內電阻，影響填充因子，從而降低效率，因此必須進行優化，取得最 佳的對數。
採用上述方案後，本實用新型因為在三結太陽電池中增加兩套布 拉格反射層(DBR)， 一套用於反射短波光子的頂電池反射層，提高頂 電池的吸收效率， 一套用於反射中波光子的中電池反射層，提高中電 池的吸收效率，所以，該結構可減少頂電池厚度和中電池的厚度，從 而大大減小非平衡載流子的自由程，提高轉換效率。
另一方面，兩套布拉格反射層(DBR)採用的材料分別為 AlInP/AlGalnP和AlAs/AlGaAs，頂電池反射層採用的AlInP/AlGalnP 禁帶寬度大於頂電池的禁帶寬度，可以大大減小頂電池反射層對短波 光的吸收，同時這種頂電池反射層與頂電池是同一系列的材料，有利 於材料的生長，中電池反射層採用的AlAs/AlGaAs禁帶寬度大於中電 池的禁帶寬度，可以大大減小中電池反射層對中波光的吸收，同時這 種中電池反射層與中電池是同一系列的材料，同樣有利於材料的生 長。

圖1是本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式

如圖1所示，是本實用新型揭示的一種具有反射層的三結太陽電
池。在P-Ge襯底上生長形成包含兩套布拉格反射層(DBR)的三結太 陽電池(底電池、中電池和頂電池)的半導體材料層。兩套布拉格反 射層(DBR)是一套用於反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷 AlGalnP頂電池反射層20和一套用於反射中波光子的砷化鋁AlAs/ 鋁鎵砷AlGaAs中電池反射層14。
具體結構和製造如下，各生長都是利用金屬有機氣相沉澱M0CVD 技術。
在P-Ge襯底上面在500 700。C下進行P擴散，形成一個P-Ge 底電池基區/N-Ge底電池發射區10。
由於用P擴散，採用N-GaInP作為底電池窗口層ll。目的在於 減少複合損失，並且採用材料利於底電池所吸收的光透過。
進一步沉積N-GaAs作為Buffer底中電池緩衝層12，在N-GaAs 底中電池緩衝層12上生長P++-GaAS/N++-GaAS底中電池隧穿結13。所 述的隧穿結作用是將底電池和中電池連接起來。
接著生長15-25對P-AlAs/AlGaAs作為中電池反射層14。其作 用是反射中電池所要吸收的光。AlAs/AlGaAs中電池反射層14的反 射波長通過調節AlAs/AlGaAs的厚度來調節，反射波長範圍通過 AlGaAs的Al組分調節，把反射波長的範圍調節到600-880nm。
6接著生長P-AlGaAs中電池BSF15。作用是使分界面附近的區域 驅動少數載流子，從而減少複合損失。
再在P-AlGaAs中電池BSF 15上生長P—InGaAs中電池基區16 和N-InGaAs中電池發射區17。
並在N-InGaAs中電池發射區17上生長N- Al (Ga) InP或N-GalnP 作為中電池窗口層18。目的在於減少複合損失，並且採用材料利於 中電池所吸收的光透過。
在中電池窗口層18上生長P++- AlGaAs/N++-GalnP中頂電池隧穿 結19。所述的中頂電池隧穿結19作用是將中電池和頂電池連接起來。
進一步生長2-10對P-AlInP/AlGalnP作為頂電池反射層20。其 作用是反射頂電池所要吸收的光。P-AlInP/AlGalnP頂電池反射層20 的反射波長通過調節AlInP/AlGalnP的厚度調節，反射波長範圍通過 AlGalnP的Al和Ga組分比調節，把反射波長的範圍調節到 380-500亂
接著在頂電池反射層20上生長P-AlGalnP頂電池BSF21。作用 是減少複合損失。
在P-AlGalnP頂電池BSF 21上生長P—-(Al)GalnP頂電池基區 22和N-(Al)GalnP頂電池發射區23。
在N-(Al)GalnP頂電池發射區23上生長N-AlInP頂電池窗口層 24。目的在於減少複合損失，並且採用材料利於頂電池所吸收的光透 過。
在N-AlInP頂電池窗口層24上生長N-GaAs帽層(C鄰層)25和 N"-GaAs接觸層26。
至此，形成本實用新型的具有反射層的三結太陽電池。
權利要求1、具有反射層的三結太陽電池，其特徵在於在P-Ge襯底上生長形成包含兩套布拉格反射層的三結太陽電池的半導體材料層；兩套布拉格反射層是一套用於反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷AlGaInP頂電池反射層和一套用於反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁鎵砷AlGaAs中電池反射層。
2、 根據權利要求1所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在 於所述的三結太陽電池是採用金屬有機氣相沉澱技術在P-Ge襯底 上依序生長P-Ge底電池基區、N-Ge底電池發射區、N-GalnP底電池 窗口層、N-GaAs底中電池緩衝層、P++-GaAs/N++-GaAs底中電池隧穿結、 P-AlAs/AlGaAs中電池反射層、P-AlGaAs中電池背電場、P—-InGaAs 中電池基區、N-InGaAs中電池發射區、N_ Al (Ga) InP或N-GalnP 中電池窗口層、P++- AlGaAs/N++-GaInP中頂電池隧穿結、 P-AlInP/AlGalnP頂電池反射層、P-AlGalnP頂電池背電場、 P—-(Al)GalnP頂電池基區、N-(Al)GalnP頂電池發射區、N-AlInP頂 電池窗口層、N-GaAs帽層、^^&八3接觸層。
3、 根據權利要求2所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在 於所述AlInP/AlGalnP頂電池反射層的反射波長為380 500nm。
4、 根據權利要求2所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在 於所述AlAs/AlGaAs中電池反射層的反射波長為600 880nm。
5、 根據權利要求2所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在 於所述AlInP/AlGalnP頂電池反射層為2對_10對。
6、 根據權利要求2所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在 於所述AlAs/AlGaAs中電池反射層為15對-25對。
專利摘要本實用新型公開一種具有反射層的三結太陽電池，在P-Ge襯底上生長形成包含兩套布拉格反射層(DBR)的三結太陽電池的半導體材料層；兩套布拉格反射層(DBR)是一套用於反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷AlGaInP頂電池反射層和一套用於反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁鎵砷AlGaAs中電池反射層。此結構可以減少電池的厚度，減小非平衡載流子的自由程，提高光電轉換效率。
文檔編號H01L31/052GK201311936SQ20082014608
公開日2009年9月16日 申請日期2008年10月27日 優先權日2008年10月27日
發明者張雙翔, 張銀橋, 王向武, 蔡建九 申請人:廈門乾照光電股份有限公司