一種含dbr結構的五結太陽能電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及太陽能光伏的技術領域，尤其是指一種含DBR(分布式布拉格反射層，Distributed Brag Reflector)結構的五結太陽能電池。
【背景技術】
[0002]太陽能電池從技術發展來看，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。目前，砷化鎵化合物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電(CPV)系統和空間電源系統。砷化鎵多結電池的主流結構是由GaInP、GaInAs和Ge子電池組成的GalnP/GalnAs/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底電池吸收的太陽光譜能量比中電池和頂電池吸收的多出很多，Ge電池的短路電流最大可接近中電池和頂電池的兩倍(V.Sabnis，H.Yuen，andM.Wiemer1AIP Conf.Proc.1477(2012)14)，由于串聯結構的電流限制原因，這種結構造成了很大一部分太陽光能量不能被充分轉換利用，限制了電池性能的提高。
[0003]理論分析表明，半導體化合物四結和五結太陽能電池可以優化帶隙組合，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，研究者發現GaInNAs四元合金材料中，通過調節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/Gal-3yIn3yNyAsl-y/Gal-3xIn3xNxAs1-χ/Ge五結太陽能電池，該五結電池的帶隙組合可調節為2.0?2.1/1.6?1.7/1.25?1.35/0.95?1.05/0.67eV，接近五結電池的最佳帶隙組合，其地面光譜聚光效率極限可達50%，空間光譜極限效率可達36%，遠遠高于傳統三結電池，這主要是因為相比于三結電池，五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。
[0004]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材料層太薄則不能將相應波段的光子完全吸收。因此，在GaInNAs材料層下面插入布拉格反射層(DBR)結構可以有效解決該問題，降低GaInNAs電池設計厚度。在結構設計中，可以通過調節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。
[0005]綜上，含DBR結構的AlGaInP/AlGaInAs/Gal-3yIn3yNyAsl-y/Gal-3xIn3xNxAsl_x/Ge五結太陽能電池既可以滿足五結電池的理論設計要求，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，還可以節約電池的生產成本，可最大程度地發揮五結電池的優勢，提高電池效率。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的在于克服現有技術的不足與缺點，提出一種含DBR結構的五結太陽能電池，可以提高GaInNAs子電池收集效率，增加五結電池整體短路電流，而且可以減少GaInNAs子電池厚度，節約生產成本，最終發揮五結電池的優勢，提高電池整體光電轉換效率。
[0007]為實現上述目的，本實用新型所提供的技術方案為:一種含DBR結構的五結太陽能電池，包括有Ge襯底，所述Ge襯底為P型Ge單晶片;在所述Ge襯底上面按照層狀疊加結構由下至上依次設置有GalnAs/GalnP緩沖層、AlGaAs/GalnAs DBR、Gai—3xIn3xNxAS1—x子電池、AI As/Al GaAs 0131?、6&1—3711137化厶81—7子電池、厶16&11^8子電池和厶16&111?子電池；所述GaInAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR之間通過第一隧道結連接，所述Ga1-3xIn3xNxAS1—x子電池和AlAs/AlGaAs DBR通過第二隧道結連接，所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池和AlGaInAs子電池通過第三隧道結連接，所述AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池通過第四隧道結連接;其中，所述AlGaAs/GalnAs DBR用于反射長波光子，所述AlAs/AlGaAs DBR用于反射中長波光子。
[0008]所述AlGaAs/GalnAsDBR的反射波長為 1000?1300nm，該AlGaAs/GalnAsDBR中AlGaAs/GalnAs組合層的對數為10?30對。
[0009]所述Ga1-3xIn3xNxAS1—X 子電池中Ga1-3xIn3xNxAS1—X 材料的光學帶隙為 0.95?1.05eV。
[0010]所述AlAs/AlGaAsDBR的反射波長為800?lOOOnm，該AlAs/AlGaAs DBR中AlAs/AlGaAs組合層的對數為10?30對。
[0011 ]所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池中Ga1-3yIn3yNyAS1—y材料的光學帶隙為I.25?I.35eV。
[0012]所述AlGaInAs子電池中AlGaInAs材料的光學帶隙為1.6?1.7eV。
[0013]所述AlGaInP子電池中AlGaInP材料的光學帶隙為2.0?2.1eV0
[0014]本實用新型與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0015]本實用新型的關鍵在于將DBR反射層結構引入到五結太陽能電池中，在Ga1-3xIn3xNxAsi—X子電池和Gai—3y I n3yNyAsi—y子電池下方分別插入AlGaAs/GalnAs DBR和 Al As/AlGaAs DBR，通過調節DBR結構參數，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。該電池結構既可以滿足五結電池的理論設計要求，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，還可以節約電池的生產成本，可最大程度地發揮五結電池的優勢，提高電池效率。
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型所述含DBR結構的五結太陽能電池結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0018]如圖1所示，本實施例所述的含DBR結構的五結太陽能電池，包括有Ge襯底，所述Ge襯底為P型Ge單晶片；在所述Ge襯底上面按照層狀疊加結構由下至上依次設置有GaInAs/GaInP緩沖層、AlGaAs/GalnAs DBR、Ga1-3xIn3xNxAs1-x子電池、AlAs/AlGaAs DBR、Gai—3yIn3yNyAsi—y子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池；所述GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR之間通過第一隧道結連接，所述6&1—3χΙη3χΝχΑ81—χ子電池和AlAs/AlGaAsDBR通過第二隧道結連接，所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池和AlGaInAs子電池通過第三隧道結連接，所述AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池通過第四隧道結連接。
[0019]所述AlGaAs/GalnAs DBR用于反射長波光子，其反射波長為1000?1300nm，該AlGaAs/GalnAs DBR中AlGaAs/GalnAs組合層的對數為 10?30對。
[0020]所述Ga1-3xIn3xNxAS1—X 子電池中Ga1-3xIn3xNxAS1—X 材料的光學帶隙為 0.95?1.05eV。
[0021]所述AlAs/AlGaAs DBR用于反射中長波光子，其反射波長為800?lOOOnm，該AlAs/AlGaAs DBR中AlAs/AlGaAs組合層的對數為10?30對。
[0022]所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池中Ga1-3yIn3yNyAS1—y材料的光學帶隙為I.25?I.35eV。
[0023]所述AlGaInAs子電池中AlGaInAs材料的光學帶隙為1.6?1.7eV。
[0024]所述AlGaInP子電池中AlGaInP材料的光學帶隙為2.0?2.1eV0
[0025]下面為本實施例上述含DBR結構的五結太陽能電池的具體制備過程，其情況如下:
[0026]首先，以4英寸P型Ge單晶片為襯底，然后采用金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)或分子束外延生長技術(MBE)在Ge襯底的上表面依次生長GalnAs/GalnP緩沖層、第一隧道結、AlGaAs/GalnAs DBR、Gai—3xIn3xNxAsi—x子電池、第二隧道結、AlAs/AlGaAs DBR、Gai—3yIn3yNyAS1—y子電池、第三隧道結、AlGaInAs子電池、第四隧道結和AlGaInP子電池，即可完成含DBR結構的五結太陽能電池的制備。
[0027]綜上所述，本實用新型利用DBR反射層結構，并結合GaInNAs材料自身特點，在五結太陽能電池的6&1 — 3/1113/仏厶81—/子電池和6&1 — 3丫1113丫化厶81—丫子電池下方分別插入厶16&八8/GaInAs DBR和AlAs/AlGaAs DBR，通過調節DBR結構參數，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”，這不僅可以滿足五結電池的理論設計要求，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，還可以節約電池的生產成本，可最大程度地發揮五結電池的優勢，顯著提高電池效率。總之，本實用新型可以更加充分地利用太陽光能量，提高GaAs多結電池的光電轉換效率，值得推廣。
[0028]以上所述之實施例子只為本實用新型之較佳實施例，并非以此限制本實用新型的實施范圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本實用新型的保護范圍內。
【主權項】
1.一種含DBR結構的五結太陽能電池，包括有Ge襯底，其特征在于:所述Ge襯底為p型Ge單晶片;在所述Ge襯底上面按照層狀疊加結構由下至上依次設置有GalnAs/GalnP緩沖層、AlGaAs/GalnAs DBR、Gai—3xIn3xNxAsi—x子電池、AlAs/AlGaAs DBR、Gai—3yIn3yNyAsi—y子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池;所述GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR之間通過第一隧道結連接，所述GanlMxNxAsi—x子電池和AlAs/AlGaAs DBR通過第二隧道結連接，所述Gai—3yIn3yNyAsi—y子電池和AlGaInAs子電池通過第三隧道結連接，所述AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池通過第四隧道結連接;其中，所述AlGaAs/GalnAs DBR用于反射長波光子，所述AlAs/AlGaAs DBR用于反射中長波光子。2.根據權利要求1所述的一種含DBR結構的五結太陽能電池，其特征在于J/^AlGaAs/GaInAs DBR的反射波長為 1000?1300nm，該AlGaAs/GalnAs DBR中AlGaAs/GalnAs組合層的對數為1?30對。3.根據權利要求1所述的一種含DBR結構的五結太陽能電池，其特征在于:所述Ga1-3xIn3xNxAS1—X 子電池中 Ga1-3xIn3xNxAS1—X 材料的光學帶隙為 0.95?1.05eV。4.根據權利要求1所述的一種含DBR結構的五結太陽能電池，其特征在于:所述AlAs/AlGaAs DBR的反射波長為800?100nm，該AlAs/AlGaAs DBR中AlAs/AlGaAs組合層的對數為10?30對。5.根據權利要求1所述的一種含DBR結構的五結太陽能電池，其特征在于:所述Ga1-3yIn3yNyAS1—y子電池中Ga1-3yIn3yNyAS1—y材料的光學帶隙為1.25?1.35eV。6.根據權利要求1所述的一種含DBR結構的五結太陽能電池，其特征在于:所述AlGaInAs子電池中AlGaInAs材料的光學帶隙為1.6?1.7eV。7.根據權利要求1所述的一種含DBR結構的五結太陽能電池，其特征在于:所述AlGaInP子電池中AlGaInP材料的光學帶隙為2.0?2.leV。
【專利摘要】本實用新型公開了一種含DBR結構的五結太陽能電池，該電池以Ge單晶片為襯底，在所述Ge襯底上依次設置有GaInAs/GaInP緩沖層、AlGaAs/GaInAs DBR、Ga1-3xIn3xNxAs1-x子電池、AlAs/AlGaAs DBR、Ga1-3yIn3yNyAs1-y子電池、AlGaInAs子電池和AlGaInP子電池，其中AlGaAs/GaInAs DBR用于反射長波光子，AlAs/AlGaAs DBR用于反射中長波光子。本實用新型可以使光子被子電池二次吸收利用，提高子電池收集效率，從而提高五結太陽能電池的光電轉換效率；同時，本實用新型還可以減小子電池厚度，提高電池生產效率，降低電池生產成本。
【IPC分類】H01L31/0216
【公開號】CN205385027
【申請號】CN201520932052
【發明人】張小賓, 張楊, 馬滌非, 王雷, 毛明明, 劉雪珍, 張露, 潘旭, 楊翠柏
【申請人】中山德華芯片技術有限公司
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2015年11月19日