在中间电池中具有低带隙吸收层的多结太阳能电池和其制备方法
【专利摘要】本申请案涉及一种在中间电池中具有低带隙吸收层的多结太阳能电池和其制备方法。本发明涉及一种多结光伏电池，其包括顶部子电池；经安置与所述顶部子电池直接相邻且产生第一光生电流的第二子电池；且包括具有不同晶格常数的第一和第二不同半导体层的序列；和经安置与所述第二子电池直接相邻且产生量实质上等于所述第一光生电流密度的第二光生电流的下部子电池。
【专利说明】在中间电池中具有低带隙吸收层的多结太阳能电池和其制备方法
[0001]政府权利声明
[0002]本发明是在合同号NR0000-10-C-0285下借助政府支持来获得的。政府在本发明中具有一定权利。
【技术领域】
[0003]本发明涉及太阳能电池和太阳能电池的制造，且更具体来说涉及基于II1-V半导体化合物的多结太阳能电池中的中间电池的设计和规范。
【背景技术】
[0004]来自光伏电池(也称作太阳能电池)的太阳能主要是由硅半导体技术来提供。然而，在过去几年中，用于太空应用的II1-V化合物半导体多结太阳能电池的大规模制造加快了所述技术的研发，其不仅用于太空应用而且用于地面太阳能应用。与硅相比，II1-V化合物半导体多结装置具有更高能量转换效率和一股更高辐射电阻，但其制造往往更复杂。典型市售II1-V化合物半导体多结太阳能电池在一个太阳照明(气团O(AMO))下具有超过27%的能量效率,而即使最有效的娃技术在相当条件下一股仅达到约18%的效率。在闻太阳浓度(例如，500X)下，市售II1-V化合物半导体多结太阳能电池在地面应用(在AML?下)中的能量效率超过37%。II1-V化合物半导体太阳能电池与硅太阳能电池相比较高的转换效率部分是基于通过使用具有不同带隙能量的多个光伏打区域达成入射辐射的光谱分裂并从每一区域积累电流的能力。
[0005]在卫星和其它太空相关应用中，卫星动力系统的大小、质量和成本取决于所用太阳能电池的功率和能量转换效率。换句话说，机载设施的净荷大小和可用度与所提供功率的量成比例。因此，随着净荷变得更复杂，太阳能电池的功率重量比变得越来越重要，且人们对更轻的重量越来越关注，“薄膜”型太阳能电池同时具有高效率和低质量。
[0006]将太阳能(或光子)转换为电能的能量转换效率取决于多种因素，例如太阳能电池结构的设计、半导体材料的选择和每个电池的厚度。简单来说，每个太阳能电池的能量转换效率取决于太阳光谱中可用日光的最适度利用。因此，半导体材料中的日光吸收特征(也称作光伏打性质)对确定达成最适度能量转换的最有效半导体至关重要。
[0007]多结太阳能电池是由太阳能子电池的垂直或堆叠序列形成，每一子电池由适宜半导体层形成且包括p-n光活性结。每一子电池经设计以将不同光谱或波长带中的光子转换为电流。在日光射在太阳能电池正面上且光子通过子电池后，波长带中在一个子电池区域中未被吸收并转换为电能的光子传播到下一个子电池，其中打算捕获所述光子并将其转换为电能，假定下游子电池经设计用于具体波长或能量带的光子。
[0008]多结太阳能电池的能量转换效率受诸如以下等因素影响:子电池数目、每一子电池的厚度以及每一子电池的能带结构、电子能级、传导和吸收。诸如短路电流密度(Js。)、开路电压(V。。)和填充因数等因素也很重要。[0009]在选择用于太阳能电池的半导体层时，一个重要的机械或结构考虑因素是太阳能电池中相邻半导体材料层的需要，即沉积并生长以形成太阳能子电池的每一结晶半导体材料层具有类似晶格常数或参数。
[0010]多种II1-V装置(包括太阳能电池)是通过II1-V化合物半导体在相对较厚衬底上的薄层外延生长来制造。衬底通常为Ge、GaAs、InP或其它块状材料，其用作形成沉积外延层的模板。外延层中的原子间距或晶格常数一股会与衬底一致，因此外延材料的选择将受限于那些晶格常数与衬底材料类似的材料。图1显示各种II1-V 二元材料与常用衬底材料的带隙之间的联系。三元II1-V半导体合金的特征也可通过参考二元材料对之间的实线从所述图来推断，例如，InGaAs合金的特征表示为GaAs与InAs之间的线,这取决于在所述三元合金中发现的In的百分比。
[0011]假定Ge或GaAs衬底，与具有预定原子间距的外延层相关的晶格失配的量展示于下表1中。
[0012]表1
【权利要求】
1.一种多结光伏电池，其包含: 由磷化镓铟组成的顶部子电池； 经安置与所述顶部子电池直接相邻且晶格匹配的第二子电池，其包括由磷化镓铟组成的发射极层；与所述发射极层晶格匹配的由砷化镓铟组成的基极层；和具有不同晶格常数的第一和第二不同半导体层的序列，所述序列形成安置在所述发射极层与所述基极层之间的低带隙层；所述第二子电池产生第一光生电流； 安置在所述第二子电池的所述基极层下方且与其相邻的分布式布拉格反射器DBR层，其中所述分布式布拉格反射器层是由多个交替的晶格匹配材料层组成且其相应折射率不连续，其中使交替层之间的折射率差异最大化以使实现给定反射率所需的周期数最小化；以及 与所述第二子电池晶格匹配且由锗组成的下部子电池，所述下部子电池经安置与所述分布式布拉格反射器DBR层相邻,且产生量实质上等于所述第一光生电流的第二光生电流。
2.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中所述DBR层包括由P型InGaAlP层组成的第一 DBR层，和安置在所述第一 DBR层上的由P型InAlP层组成的第二 DBR层。
3.根据权利要求2所述的多结光伏电池，其中所述DBR层包括由P型AlxGahAs层组成的第一 DBR层，和安置在所述第一 DBR层上的由P型AlyGai_yAs层组成的第二 DBR层，其中I大于X。
4.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中所述DBR层的所述交替层的厚度经设计以使得DBR反射率峰的中心与在所述装置的中间子电池的本征层中形成的所述低带隙层的吸收波长共振。
5.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中所述DBR层中的所述周期数决定所述反射率峰的振幅，且经选择以最优化所述低带隙层中的电流生成。
6.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中所述DBR层中的所述周期数在5到50个交替材料对周期范围内。
7.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中第一和第二不同半导体层的所述序列形成其中具有多个量子阱或量子点的本征区域。
8.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中第一和第二不同半导体层的所述序列分别包含压缩应变层和拉伸应变层。
9.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中第一和第二不同半导体层的所述序列的平均应变约等于零。
10.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中所述第一和第二半导体层各自厚约100埃到300埃。
11.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中所述低带隙层中的所述第一半导体层包含InGaAs且所述中间带隙层中的所述第二半导体层包含GaAsP。
12.根据权利要求11所述的多结光伏电池，其中所述低带隙层的每一InGaAs层中铟的百分比在10%到30%范围内。
13.根据权利要求1所述的多结光伏电池，其中所述顶部子电池的厚度应使其生成的电流比所述第一电流小约4%到5%。
14.一种使用MOCVD反应器制造多结太阳能电池的方法；其包含: 提供半导体衬底，其包括下部子电池；在所述下部子电池上形成分布式布拉格反射器DBR层，其中所述分布式布拉格反射器层是由多个交替的晶格匹配材料层组成且其相应折射率不连续； 在所述分布式布拉格反射器DBR层上形成第二子电池，其包括由磷化镓铟组成的发射极层；与所述发射极层晶格匹配的由砷化镓铟组成的基极层；和在所述基极层与所述发射极层之间的本征层，所述本征层是由具有不同晶格常数的第一和第二不同半导体层的序列组成，所述序列形成安置在所述发射极层与所述基极层之间的中间带隙层；所述第二子电池产生第一光生电流；以及 在所述第二子电池上形成顶部子电池。
15.根据权利要求14所述的方法，其中交替第一和第二半导体层的所述序列的平均晶格常数大约等于所述衬底的晶格常数。
16.根据权利要求14所述的方法，其中第一和第二半导体层的所述序列的总厚度为约3微米。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一和第二半导体层各自的厚度在100埃到300埃范围内。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述DBR层包括由P型AlxGahAs层组成的第一 DBR层，和安置在所述第一 DBR层上的由P型AlyGai_yAs层组成的第二 DBR层，其中y大于Xo
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述DBR层的所述交替层的厚度经设计以使得DBR反射率峰的中心与在所述装置的所述第二子电池的所述本征层中形成的所述中间带隙层的吸收波长共振。
20.根据权利要求14所述的方法，其中第一和第二不同半导体层的所述序列包含压缩应变层和拉伸应变层，且第一和第二不同半导体层的所述序列的平均应变约等于零，且所述第二子电池中所述层的厚度经选择以使得所述第二子电池的光生电流实质上等于与所述第二子电池相邻的所述下部子电池的光生电流密度。
21.—种多结光伏电池，其包含: 由磷化镓铟组成的顶部子电池； 经安置与所述顶部子电池直接相邻且晶格匹配的第二子电池，其包括由磷化镓铟组成的发射极层；与所述发射极层晶格匹配的由砷化镓铟组成的基极层；和具有不同晶格常数的第一和第二不同半导体层的序列，所述序列形成安置在所述发射极层与所述基极层之间的低带隙层；所述第二子电池产生第一光生电流； 安置在所述第二子电池下方且与其相邻的隧道二极管； 安置在所述隧道二极管下方且与其相邻的分布式布拉格反射器DBR层，其中所述分布式布拉格反射器层是由多个交替的晶格匹配材料层组成且其相应折射率不连续，其中使交替层之间的折射率差异最大化以使实现给定反射率所需的周期数最小化；以及 与所述第二子电池晶格匹配且由锗组成的下部子电池，所述下部子电池经安置与所述分布式布拉格反射器 DBR层相邻,且产生量实质上等于所述第一光生电流的第二光生电流。
【文档编号】H01L31/18GK103915522SQ201410003620
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2013年1月3日
【发明者】本杰明·C·理查兹, 林勇, 保罗·R·夏普斯, 普拉文·帕特尔 申请人:安科太阳能公司