[實用新型]一種晶格匹配的六結太陽能電池

有效

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• 申請日: 2015-11-19
• 公開（公告）號: CN205385028U
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發(fā)明（設計）人: 張小賓;王雷;馬滌非;劉雪珍;劉建慶;張楊;楊翠柏
• 申請（專利權）人: 中山德華芯片技術有限公司
• 主分類號: H01L31/0304
• 分類號: H01L31/0304;H01L31/052;H01L31/0725;H01L31/074
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 梁瑩

技術領域

本實用新型涉及太陽能光伏的技術領域，尤其是指一種晶格匹配的六結太陽能電池。

背景技術

目前，太陽能電池從技術發(fā)展歷史來看，大體可以分為三大類：第一代晶硅太陽能電池、第二代薄膜太陽能電池和第三代砷化鎵聚光(多結)太陽能電池。砷化鎵多結太陽能電池因其轉換效率明顯高于晶硅電池而被廣泛地應用于聚光光伏發(fā)電(CPV)系統(tǒng)和空間電源系統(tǒng)。砷化鎵多結電池的主流結構是由GaInP、GaInAs和Ge子電池組成的GaInP/GaInAs/Ge三結太陽能電池，電池結構上整體保持晶格匹配，帶隙組合為1.85/1.40/0.67eV。然而，對于太陽光光譜，這種三結電池的帶隙組合并不是最佳的，由于GaInAs子電池和Ge子電池之間較大的帶隙差距，這種結構下Ge底電池的短路電流要比中電池和頂電池的大很多，由于串聯(lián)結構的電流限制原因，這種結構造成了很大一部分光子能量不能被充分轉換利用，限制了電池性能的提高。

理論分析表明，半導體化合物六結太陽能電池可以優(yōu)化帶隙組合，提高電池的光電轉換效率，但是在材料選擇上必須保持晶格匹配，這樣才能保證外延材料的晶體質量。近些年來，研究者發(fā)現(xiàn)GaInNAs四元合金材料中，通過調節(jié)In和N的組分，并保持In組分約為N組分的3倍，就能使得GaInNAs的光學帶隙達到0.9～1.4eV，并且與Ge襯底(或GaAs襯底)晶格匹配。因此，基于Ge襯底可以生長得到AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/Ga1-3yIn3yNyAs1-y/Ga1-3xIn3xNxAs1-x/Ge六結太陽能電池，該六結電池可以通過調節(jié)各個子電池的材料參數(shù)保持晶格匹配，并可以將帶隙組合優(yōu)化為2.1/1.7/1.4/1.1/0.9/0.67eV，接近六結電池的最佳理論帶隙組合，其地面光譜聚光效率極限可達50％以上，空間光譜極限效率可達38％以上，遠遠高于傳統(tǒng)三結電池，這主要是因為六結電池可以更加充分地利用太陽光，提高電池的開路電壓和填充因子。

然而，在GaInNAs材料的實際制備過程中，由于GaInNAs需要低溫生長才能保證N原子的有效并入，材料中會同時引入大量的C原子，造成背景載流子濃度過高，影響少子擴散長度。此時，若GaInNAs材料層太厚，并不能形成對光生載流子的有效收集；若GaInNAs材料層太薄則造成電池吸收率太低，不能將相應波段的光子完全吸收。因此，如果在GaInNAs材料層下面插入分布式布拉格反射層(DBR，DistributedBragReflector)結構則可以有效解決該問題，降低GaInNAs子電池設計厚度。在結構設計中，可以通過調節(jié)DBR結構反射相應波段的太陽光，使初次沒有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相當于變相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解決了少子擴散長度較小和吸收厚度要求之間的矛盾。另外，由于提供N原子的N源(一般是二甲基肼源)價格比一般的有機源都要高出很多，減小GaInNAs材料層厚度還可以降低電池的生產成本。

總之，這種包含GaInNAs材料和DBR結構的AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/Ga1-3yIn3yNyAs1-y/Ga1-3xIn3xNxAs1-x/Ge六結太陽能電池在保證晶格匹配的基礎上，既可以滿足六結電池帶隙組合的理論設計要求，又能解決實際制備過程中GaInNAs材料少子擴散長度較小的問題，還可以節(jié)約電池的生產成本，可最大程度地發(fā)揮六結電池的優(yōu)勢，提高電池轉換效率。

發(fā)明內容

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足與缺點，提出一種晶格匹配的高效六結太陽能電池，可以提高GaInNAs子電池收集效率，增加六結電池短路電流，還可以減少GaInNAs子電池厚度，節(jié)約生產成本，最終發(fā)揮六結電池的優(yōu)勢，提高電池整體光電轉換效率。