【专利交易】【专利代理】【商标和版权申请】【高新技术企业认定】Tel:18215660330

具有反射层的三结太阳电池及其制造方法

xiaoxiao2020-08-01  2

【专利交易】【专利代理】【商标和版权申请】【高新技术企业认定】Tel:18215660330

专利名称:具有反射层的三结太阳电池及其制造方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域,涉及应用于太空和地面的三结太阳 电池的结构及其制造方法。
背景技术
太阳能是新能源与可再生能源的一种,具有独特的优势和巨大的 开发利用潜力,这一点已经得到了人们充分认识。通过转换装置直接 把太阳辐射能转换成电能,光电转换装置通常是利用半导体器件的光 伏效应原理进行光电转换的,太阳能光伏技术已经飞速发展。
近年来,以光伏技术为代表的光电转换技术迅猛发展,新技术不 断出现,电池效率不断提高。多结叠层光电池的研究更是令人振奋,
聚光条件下GalnP /Ga(In)As /Ge[镓铟磷/镓(铟)砷/锗]多结光电 池的实验室转化效率己经突破了 40%,高效率的电池受到广泛重视。 随着空间科学技术的发展,航天器的功率要求也越来越高。尤其是年 代以后微小卫星和长寿命卫星的发展,对太阳电池的转换效率和抗 辐射能力提出了更高的要求。由于多结太阳电池具有高的转换效率, 能满足空间应用的飞速发展,成为近年来太阳电池研究的热点。
1990年,研制出AM (airmass,大气质量,定义为1/cos 4>, * 为太阳光线与法线的夹角)1. 5效率为27. 3%的GalnP/GaAs/Ge (镓 铟磷/砷化镓/锗)的双结光电池。经过对电池结构和栅线的进一步改
进,1994年,效率又提高到29. 5%(AM1.5)。 1997年,采用GalnP 隧道结结构,GalnP/GaAs/Ge双结光电池的AMI. 5效率提高到30. 28 %。 1998年,研制出效率为33.3%的整体级联三结GalnP/GaAs/Ge 光电池。此外人们还从理论上设计了 4结和5结的叠层光电池,给出 了多结光电池的理论效率、期望效率和实验效率,但经过近多年来进 展缓慢。造成这一结果的一个重要原因是,为了充分吸收太阳光,电 池的材料厚度偏厚造成了非平衡载流子的自由程加大,严重降低了电 池效率。并且,带隙的调整也带来了晶格常数的不匹配,内应力的存 在使这种电池的可靠性下降。
有鉴于此,本发明人利用在太阳电池材料中生长两套布拉格反射 层(DBR),藉以通过增加光吸收的方法,减少电池的生长厚度,减小 非平衡载流子的自由程,很好地提高光电转换效率,本案由此产生。

发明内容
本发明的目的在于提出一种具有反射层的三结太阳电池及其制 造方法,以减少电池的厚度,减小非平衡载流子的自由程,提高光电 转换效率。
为了实现上述目的,本发明的解决方案是
一种具有反射层的三结太阳电池,在P-Ge衬底上生长形成包含 两套布拉格反射层(DBR)的三结太阳电池的半导体材料层;两套布 拉格反射层(DBR)是一套用于反射短波光子的铝铟磷AlInP/铝镓铟 磷AlGalnP顶电池反射层和一套用于反射中波光子的砷化铝AlAs/铝 镓砷AlGaAs中电池反射层。
所述的三结太阳电池是采用金属有机气相沉淀技术在P-Ge衬底
上依序生长P-Ge底电池基区、N-Ge底电池发射区、N-GalnP底电池 窗口层、N-GaAs底中电池缓冲层、?++^3八5/>1++^&八3底中电池隧穿结、 P-AlAs/AlGaAs中电池反射层、P-AlGaAs中电池BSF (背电场)、 P—-InGaAs中电池基区、N-InGaAs中电池发射区、N-Al (Ga) InP或 N-GalnP中电池窗口层、P++_ AlGaAs/N++-GalnP中顶电池隧穿结、 P-AlInP/AlGalnP顶电池反射层、P-AlGalnP顶电池BSF、P—-(Al)GaInP 顶电池基区、N-(Al)GalnP顶电池发射区、N-AlInP顶电池窗口层、 N-GaAs帽层、N++-GaAs接触层。
所述AlInP/AlGalnP顶电池反射层的反射波长为380 500nm。 所述AlAs/AlGaAs中电池反射层的反射波长为600 880nm。 所述AlInP/AlGalnP顶电池反射层为2对 10对。所述 AlAs/AlGaAs中电池反射层为15对 25对。对数少了起不到反射作 用,多了会增加内电阻,影响填充因子,从而降低效率,因此必须进 行优化,取得最佳的对数。
一种具有反射层的三结太阳电池的制造方法,在P-Ge衬底上利 用金属有机气相沉淀MOCVD技术生长半导体材料层,步骤如下
(1) 在P-Ge衬底上面在500 70(TC下进行P扩散,形成P-Ge 底电池基区/N-Ge底电池发射区;
(2) 再依序生长N-GalnP底电池窗口层、N-GaAs底中电池缓冲
层、?++^3八3/^-03八5底中电池隧穿结;
(3) 接着,生长P-AlAs/AlGaAs中电池反射层;
(4) 再依序生长P-AlGaAs中电池BSF、 P—-InGaAs中电池基区、 N-In GaAs中电池发射区、N_ Al (Ga) InP或N-GalnP作为中电池窗 口层、P++-AlGaAs/N++-GalnP中顶电池隧穿结;
(5) 然后,生长P-AlInP/AlGalnP作为顶电池反射层;
(6)再依序生长P-AlGalnP顶电池BSF 、 P—-(Al)GaInP顶电池 基区、N-(Al)GalnP顶电池发射区、N-AlInP顶电池窗口层、N-GaAs 帽层和『+-6&八3接触层。
采用上述方案后,本发明因为在三结太阳电池中增加两套布拉格 反射层(DBR), 一套用于反射短波光子的顶电池反射层,提高顶电池 的吸收效率, 一套用于反射中波光子的中电池反射层,提高中电池的 吸收效率,所以,该结构可减少顶电池厚度和中电池的厚度,从而大 大减小非平衡载流子的自由程,提高转换效率。
另一方面,两套布拉格反射层(DBR)采用的材料分别为 AlInP/AlGalnP和AlAs/AlGaAs,顶电池反射层采用的AlInP/AlGalnP
禁带宽度大于顶电池的禁带宽度,可以大大减小顶电池反射层对短波 光的吸收,同时这种顶电池反射层与顶电池是同一系列的材料,有利 于材料的生长,中电池反射层采用的AlAs/AlGaAs禁带宽度大于中电 池的禁带宽度,可以大大减小中电池反射层对中波光的吸收,同时这 种中电池反射层与中电池是同一系列的材料,同样有利于材料的生 长。


图l是本发明的结构示意图。
具体实施例方式
如图l所示,是本发明揭示的一种具有反射层的三结太阳电池。 在P-Ge衬底上生长形成包含两套布拉格反射层(DBR)的三结太阳电
池(底电池、中电池和顶电池)的半导体材料层。两套布拉格反射层
(DBR)是一套用于反射短波光子的铝铟磷AlInP/铝镓铟磷AlGalnP 顶电池反射层20和一套用于反射中波光子的砷化铝AlAs/铝镓砷 AlGaAs中电池反射层14。
具体结构和制造如下,各生长都是利用金属有机气相沉淀M0CVD技术。
在P-Ge衬底上面在500 70(TC下进行P扩散,形成一个P-Ge 底电池基区/N-Ge底电池发射区10。
由于用P扩散,采用N-GaInP作为底电池窗口层ll。目的在于 减少复合损失,并且采用材料利于底电池所吸收的光透过。
进一步沉积N-GaAs作为Buffer底中电池缓冲层12,在N-GaAs 底中电池缓冲层12上生长P++-GaAs/lT-GaAs底中电池隧穿结13。所 述的隧穿结作用是将底电池和中电池连接起来。
接着生长15-25对P-AlAs/AlGaAs作为中电池反射层14。其作 用是反射中电池所要吸收的光。AlAs/AlGaAs中电池反射层14的反 射波长通过调节AlAs/AlGaAs的厚度来调节,反射波长范围通过 AlGaAs的Al组分调节,把反射波长的范围调节到600-880nm。
接着生长P-AlGaAs中电池BSF15。作用是使分界面附近的区域
驱动少数载流子,从而减少复合损失。
再在P-AlGaAs中电池BSF 15上生长P—-InGaAs中电池基区16 和N-InGaAs中电池发射区17。
并在N-InGaAs中电池发射区17上生长N- Al (Ga) InP或N-GalnP 作为中电池窗口层18。目的在于减少复合损失,并且采用材料利于 中电池所吸收的光透过。
在中电池窗口层18上生长P++- AlGaAs/N++-GaInP中顶电池隧穿
结19。所述的中顶电池隧穿结19作用是将中电池和顶电池连接起来。
进一步生长2-10对P-AlInP/AlGalnP作为顶电池反射层20。其 作用是反射顶电池所要吸收的光。P-AlInP/AlGalnP顶电池反射层20 的反射波长通过调节AlInP/AlGalnP的厚度调节,反射波长范围通过 AlGalnP的Al和Ga组分比调节,把反射波长的范围调节到 380-500nm。
接着在顶电池反射层20上生长P-AlGalnP顶电池BSF21。作用
是减少复合损失。
在P-AlGalnP顶电池BSF 21上生长P—-(Al)GaInP顶电池基区 22和N-(Al)GalnP顶电池发射区23。
在N-(Al)GalnP顶电池发射区23上生长N-AlInP顶电池窗口层 24。目的在于减少复合损失,并且采用材料利于顶电池所吸收的光透 过。
在N-AlInP顶电池窗口层24上生长N-GaAs帽层(Cap层)25和 N++-GaAs接触层26。
至此,形成本发明的具有反射层的三结太阳电池。
权利要求
1、具有反射层的三结太阳电池,其特征在于在P-Ge衬底上生长形成包含两套布拉格反射层的三结太阳电池的半导体材料层;两套布拉格反射层是一套用于反射短波光子的铝铟磷AlInP/铝镓铟磷AlGaInP顶电池反射层和一套用于反射中波光子的砷化铝AlAs/铝镓砷AlGaAs中电池反射层。
2、 根据权利要求1所述具有反射层的三结太阳电池,其特征在 于所述的三结太阳电池是采用金属有机气相沉淀技术在P-Ge衬底上依序生长P-Ge底电池基区、N-Ge底电池发射区、N-GalnP底电池 窗口层、N-GaAs底中电池缓冲层、N++-GaAs/N++-GaAs底中电池隧穿结、 P-AlAs/AlGaAs中电池反射层、P-AlGaAs中电池背电场、P—-InGaAs 中电池基区、N-InGaAs中电池发射区、N_ Al (Ga) InP或N-GalnP 中电池窗口层、P++-AlGaAs/N++-GaInP中顶电池隧穿结、 P-AlInP/AlGalnP顶电池反射层、P-AlGalnP顶电池背电场、 P—-(Al)GalnP顶电池基区、N-(Al)GalnP顶电池发射区、N-AlInP顶 电池窗口层、N-GaAs帽层、N++-GaAs接触层。
3、 根据权利要求2所述具有反射层的三结太阳电池,其特征在 于所述AlInP/AlGalnP顶电池反射层的反射波长为380 500nm。
4、 根据权利要求2所述具有反射层的三结太阳电池,其特征在 于所述AlAs/AlGaAs中电池反射层的反射波长为600 880nm。
5、 根据权利要求2所述具有反射层的三结太阳电池,其特征在 于所述AlInP/AlGalnP顶电池反射层为2对-10对。
6、 根据权利要求2所述具有反射层的三结太阳电池,其特征在 于所述AlAs/AlGaAs中电池反射层为15对-25对。
7、具有反射层的三结太阳电池的制造方法,其特征在于在P-Ge 衬底上利用金属有机气相沉淀M0CVD技术生长半导体材料层,步骤如下(1) 在P-Ge衬底上面在500 70(TC下进行P扩散,形成P-Ge 底电池基区/N-Ge底电池发射区;(2) 再依序生长N-GalnP底电池窗口层、N-GaAs底中电池缓冲 层、P++-GaAs/N++-GaAs底中电池隧穿结;(3) 接着,生长P-AlAs/AlGaAs中电池反射层;(4) 再依序生长P-AlGaAs中电池背电场、P—-InGaAs中电池基 区、N-In GaAs中电池发射区、N- Al (Ga) InP或N-GalnP作为中电 池窗口层、P++-AlGaAs/N++-GaInP中顶电池隧穿结;(5) 然后,生长P-AlInP/AlGalnP作为顶电池反射层;(6) 再依序生长P-AlGalnP顶电池背电场、P—-(Al)GalnP顶电 池基区、N-(Al)GalnP顶电池发射区、N-AlInP顶电池窗口层、N-GaAs 帽层和^+-0^5接触层。全文摘要
本发明公开一种具有反射层的三结太阳电池及其制造方法。在P-Ge衬底上生长形成包含两套布拉格反射层(DBR)的三结太阳电池的半导体材料层;两套布拉格反射层(DBR)是一套用于反射短波光子的铝铟磷AlInP/铝镓铟磷AlGaInP顶电池反射层和一套用于反射中波光子的砷化铝AlAs/铝镓砷AlGaAs中电池反射层。此结构可以减少电池的厚度,减小非平衡载流子的自由程,提高光电转换效率。
文档编号H01L31/18GK101388419SQ20081007202
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月27日 优先权日2008年10月27日
发明者张双翔, 张银桥, 王向武, 蔡建九 申请人:厦门乾照光电有限公司

【专利交易】【专利代理】【商标和版权申请】【高新技术企业认定】Tel:18215660330

最新回复(0)