[發明專利]一種應用于晶格失配多結太陽能電池的新型DBR結構

在審

• 申請號: 201811344102.X
• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109301006A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 高熙隆;劉建慶;劉雪珍;宋欣慰;劉恒昌
• 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;H01L31/054
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

本發明公開了一種應用于晶格失配多結太陽能電池的新型DBR結構，為疊置于晶格漸變緩沖層之上的GaInNAs/AlGaInAs周期結構，由GaInNAs、AlGaInAs兩種合金材料組成，GaInAs子電池疊置于該GaInNAs/AlGaInAs周期結構之上，GaInNAs/AlGaInAs周期結構的GaInNAs折射率較AlGaInAs折射率高，且GaInNAs與AlGaInAs之間及GaInNAs與GaInAs子電池的基區材料GaInAs之間存在晶格失配，失配度不超過3％，這種應變補償結構有助于應力的釋放和位錯滑移。本發明可以降低失配引入的外延層中的缺陷密度，提高材料質量，可以提升GaInAs子電池抗輻照性能，增加電池的整體短路電流、開路電壓、填充因子等技術指標，提高電池整體光電轉換效率。

技術領域

本發明涉及太陽能光伏發電的技術領域，尤其是指一種應用于晶格失配多結太陽能電池的新型DBR結構。

背景技術

隨著現代工業技術的發展，世界范圍內的能源危機和環境污染問題日益突出，太陽能作為清潔并且可再生能源逐漸得到各國重視。從光伏發電技術的發展史來看，太陽能電池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多結太陽能電池。目前，商用單晶硅電池的轉化效率約為16％～20％，多晶硅電池約為14％～16％；GaInP、GaInAs和Ge子電池組成的GaInP/GaInAs/Ge三結太陽能電池作為傳統砷化鎵多結電池的主流結構，500倍聚光下轉化效率超過41％，遠高于晶硅電池，并且具有進一步提升的空間。

傳統三結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，這種電池的帶隙并不是最佳組合，由于GaInAs子電池和Ge子電池之間較大的帶隙差距，這種結構下底電池電流遠大于中電池和頂電池，由于底中頂三結子電池是串聯在一起的，根據串聯結構的電流機制，電流由三個子電池中電流最小的決定，這種結構造成了很大一部分太陽光能量損失，限制了電池性能的提高。

理論分析表明，為了提高三結電池光電轉換效率，需要降低中電池和頂電池吸收區域的帶隙，讓中電池和頂電池吸收更多的光，從而提高中、頂子電池電流降低底電池電流，最終可以實現電流匹配的三結太陽能電池。據此分析，提出了晶格失配結構的MM(Metramorphic)結構太陽能電池，由于失配材料在外延生長過程中產生大量穿透位錯，位錯本身是一種缺陷，缺陷復合導致電池性能嚴重降低，因此必須降低外延層中的穿透位錯。目前國內外常用的方法是采用能釋放應力的漸變緩沖(一般是InGaAs或者GaInP材料)連接晶格失配的Ge襯底和InGaAs材料。

MM結構三結電池最先應用于CPV市場，其轉換效率可達42％以上；近些年來，MM結構三結電池產品應用于空間電池，轉換效率可達32％以上，并且其輻照后衰減可達常規三結電池的水平，即效率衰減低于18％，優勢遠高于其它類光伏電池產品。但中頂子電池中仍存在不可忽視的穿透位錯密度，為了滿足航天科技發展不斷提出的高要求，材料晶體質量及其抗輻照性能有待進一步提高。

大量輻照實驗結果表明，GaInAs子電池的抗輻照性能較GaInP子電池差很多，有分析認為其原因在于As原子半徑較大，高能粒子輻照后其位置不易復原導致。而布拉格反射層(DBR)對于抗輻照性能的提升有顯著效果。例如，在中子電池下面設置DBR，通過調節DBR結構反射相應波段的太陽光，使第一次沒有被GaInAs材料所吸收的光子反射回去被二次吸收，相當于變相地增加了GaInAs的有效吸收厚度，可以有效降低GaInAs子電池設計厚度，有利于提高抗輻照性能。