一種具有反射層的四結太陽能電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能光伏的技術領域，尤其是指一種具有反射層的四結太陽能電池。
【背景技術】
[0002]目前，傳統的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GalnP、GalnAs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，帶隙結構為1.85/1.40/0.67eV。然而，對于太陽光光譜，由于GalnAs子電池和Ge子電池之間較大的帶隙差距，這種三結電池的帶隙組合并不是最佳的，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，因此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, and M.ffiemer, ΑΙΡ 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光譜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，在傳統三結電池的GalnAs子電池和Ge子電池之間插入帶隙接近l.0eV的GalnNAs子電池，形成帶隙結構為1.90/1.43/1.04/0.67eV的四結太陽能電池，既可以保持晶格匹配，又可以達到四結電池的最佳帶隙組合，其理論效率能達到58%，結合實際因素后的效率極限達到47%，遠遠高于傳統三結42%的極限效率(R.R.King, D.C.Law, Κ.M.Edmondson et al., Advances in OptoElectronics，2007 (2007) 29523)，這主要是因為相比于三結電池，四結電池可以提高開路電壓和填充因子。
[0004]在GalnNAs材料的實際制備過程中，由于提供N原子的N源(一般是二甲基肼源)價格較高，GalnNAs材料層厚度不能太厚，否則材料制備成本會很高；另外，由于GalnNAs需要低溫生長才能保證N原子的有效并入，因此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，此時材料層太厚還是不能形成對光生載流子的有效收集。然而，GalnNAs材料層厚度不夠的話，并不能將波長為900?1200nm的光子完全吸收，其電流密度會降低，嚴重影響四結電池的光電轉換性能。因此，引入布拉格反射層(DBR)結構可以有效解決該問題。在GalnNAs子電池下方插入一 AlGaAs/GalnAs DBR反射層，通過調節其厚度和周期等結構參數，使其反射波長為900?1200nm，即可形成GalnNAs材料對該波段光子的二次吸收，相當于增加了電池基區對入射光子的有效吸收。該電池結構既可以減少GalnNAs子電池的設計厚度降低成本，又可以解決GalnNAs材料中少子擴散長度較小的問題，有效增加光生載流子的收集效率，使GalnNAs子電池的電流滿足四結電池的需要，最終提高四結電池的光電轉換效率。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足與缺點，提出一種具有反射層的四結太陽能電池，可以減少GalnNAs子電池厚度，并提尚其收集效率，提尚四結電池的整體電流，最終提高四結電池的光電轉換效率。
[0006]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種具有反射層的四結太陽能電池，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反射層、GalnNAs子電池、GalnAs子電池和GalnP子電池；所述GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR反射層之間通過第一隧道結連接，所述GalnNAs子電池和GalnAs子電池通過第二隧道結連接，所述GalnAs子電池和GalnP子電池通過第三隧道結連接；其中，所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層用于反射長波光子，使長波光子被GalnNAs子電池二次吸收。
[0007]所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層的反射波長為900?1200nm。
[0008]所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層中AlGaAs/GalnAs組合層的對數為10對到30對。
[0009]本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0010]本發明的關鍵在于將DBR反射層結構引入到四結太陽能電池中，在GalnNAs子電池下方插入一AlGaAs/GalnAs DBR反射層，通過調節其厚度和周期等結構參數，使其反射波長為900?1200nm，形成GalnNAs材料對該波段光子的二次吸收，相當于增加了電池基區對入射光子的有效吸收。該電池結構既可以減少GalnNAs子電池的設計厚度降低成本，又可以解決GalnNAs材料中少子擴散長度較小的問題，有效增加光生載流子的收集效率，提高四結電池整體電流，最終提高四結電池的光電轉換效率。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明所述具有反射層的四結太陽能電池結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0013]如圖1所示，本實施例所述的具有反射層的四結太陽能電池，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 反射層、GalnNAs 子電池、GalnAs 子電池和GalnP子電池；所述GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR反射層之間通過第一隧道結連接，所述GalnNAs子電池和GalnAs子電池通過第二隧道結連接，所述GalnAs子電池和GalnP子電池通過第三隧道結連接。
[0014]所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層用于反射長波光子，使長波光子被GalnNAs子電池二次吸收，本實施例在GalnNAs子電池下方插入一 AlGaAs/GalnAs DBR反射層，通過調節其厚度和周期等結構參數，使其反射波長為900?1200nm，形成GalnNAs材料對該波段光子的二次吸收，相當于增加了電池基區對入射光子的有效吸收。此外，所述AlGaAs/GalnAsDBR反射層中AlGaAs/GalnAs組合層的對數為10對到30對。
[0015]下面為本實施例上述雙面生長的GaAs四結太陽電池的具體制備過程，其情況如下:
[0016]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(M0CVD)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反射層、GalnNAs子電池、第二隧道結、GalnAs子電池、第三隧道結和GalnP子電池，即可完成具有反射層的四結太陽能電池的制備。
[0017]綜上所述，本發明利用DBR反射層結構，并結合GalnNAs材料自身特點，在四結太陽能電池中的GalnNAs子電池下面插入AlGaAs/GalnAs DBR反射層，不僅可以減少GalnNAs子電池的設計厚度降低成本，又可以解決GalnNAs材料中少子擴散長度較小的問題，有效增加光生載流子的收集效率，使GalnNAs子電池的電流滿足四結電池的需要，可最大程度發揮四結電池的優勢，顯著提高電池的光電轉換效率。總之，本發明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。
[0018]以上所述之實施例子只為本發明之較佳實施例，并非以此限制本發明的實施范圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種具有反射層的四結太陽能電池，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反射層、GaInNAs子電池、GaInAs子電池和GaInP子電池；所述GalnAs/GalnP緩沖層和AlGaAs/GalnAs DBR反射層之間通過第一隧道結連接，所述GaInNAs子電池和GaInAs子電池通過第二隧道結連接，所述GaInAs子電池和GaInP子電池通過第三隧道結連接；其中，所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層用于反射長波光子，使長波光子被GaInNAs子電池二次吸收。2.根據權利要求1所述的一種具有反射層的四結太陽能電池，其特征在于:所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層的反射波長為900?1200nm。3.根據權利要求1所述的一種具有反射層的四結太陽能電池，其特征在于:所述AlGaAs/GalnAs DBR反射層中AlGaAs/GalnAs組合層的對數為10對到30對。
【專利摘要】本發明公開了一種具有反射層的四結太陽能電池，可應用于聚光光伏發電系統，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反射層、GaInNAs子電池、GaInAs子電池和GaInP子電池，其中AlGaAs/GaInAs？DBR反射層用于反射長波光子，使長波光子被GaInNAs子電池二次吸收。本發明可以減少GaInNAs子電池厚度，并提高其收集效率，從而提高四結太陽能電池的光電轉換效率。
【IPC分類】H01L31/0216
【公開號】CN105355669
【申請號】CN201510811506
【發明人】張小賓, 劉建慶, 陳丙振, 王雷, 馬滌非, 劉雪珍, 吳波, 張楊, 楊翠柏
【申請人】中山德華芯片技術有限公司
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月19日