应用于多结太阳能电池的复合DBR结构及其制备方法与流程

本发明涉及太阳能光伏发电的
技术领域：
，尤其是指一种应用于多结太阳能电池的复合dbr结构及其制备方法。
背景技术：
：近年来，不断有通讯报道航空航天科技取得令人瞩目的新成果，说明其相关领域的技术水也在不断进步和提高。其中，空间电源是航天器通信、数据传输、空间观测以及试验研究的能量来源，随着世界宇航业的迅猛发展和空间竞争的不断加剧，对空间主电源提出了更高的要求：长寿命、高功率、耐高温、低成本，这也是空间电源研究和提升的方向。高效三结gaas太阳电池与目前广泛使用的硅太阳电池相比，具有更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力、更好的耐高温性能、更小的重量，是国际公认最具竞争力的新一代太阳电池，正在航天领域逐步得到广泛应用。但实际上，gainp/gaas/ge三结太阳能电池作为砷化镓多结电池的主流结构，其带隙组合1.85/1.42/0.67ev对于太阳光光谱并不是最佳的，原因在于ge底电池的短路电流要比中电池和顶电池的大很多，由于串联结构的电流限制原因，造成很大部分底电池电流转换成热量损失掉。为了提高电池性能，途径一是调整优化带隙组成，即通过提高中顶电池的in组分将带隙调整为1.82～1.87/1.3～1.4/0.67ev；途径二是增加电池结数充分吸收利用光谱能量，比如algainp/algainas/gainas/ga1-3yin3ynyas1-y/ga1-3xin3xnxas1-x/ge六结太阳能电池结构设计。目前，途径一是日渐趋于成熟的技术路线。设计与实验表明，为了将分段光谱能量充分吸收，各子电池厚度必须足够厚，基本在2～3.5微米，这种情况下，太阳能电池在太空环境中受到大量高能粒子辐照，材料质量变差，尤其是砷化物子电池更为严重，导致各子电池性能有不同程度地衰减，最终影响电池整体的性能。研究表明，在子电池下方加入适当的dbr(distributedbragreflector分布式布拉格反射层)结构可以在很大程度上使问题得到缓解。这是因为通过调节dbr结构反射相应波段的太阳光，可使初次没有被材料吸收的光子反射回去被二次吸收，相当于变相地增加了“有效吸收厚度”，因此该子电池设计厚度得以大幅降低，电池厚度减薄可以使电池的抗辐照性能显著提升，对于材料质量差少子寿命短的材料还可有效提高少子收集数量。然而，传统dbr结构的反射波段较窄，不能够很好地涵盖子电池的吸收波段，比如带隙组合1.85/1.33/0.67ev三结电池的中子电池，本该吸收波段670～920nm，但由于材料本身性质的限制，传统dbr(一般为algainas/algainas组合层)反射波段仅涵盖150nm左右，导致部分光子不能被反射回有源区再次吸收利用。如果用两种dbr范围的组合层材料简单叠加，每套dbr必须生长足够的对数才会达到理想反射效果，这无疑会增加整体dbr厚度，提高外延源耗及时间成本。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种应用于多结太阳能电池的复合dbr结构及其制备方法，可以避免传统dbr结构反射光子能量的范围不够宽，造成e+δe范围内一部分高能粒子不能被有效吸收的情况，将dbr本身的优势作用发挥到极致，最终提高电池整体光电转换效率。为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：一种应用于多结太阳能电池的复合dbr结构，包括按层状结构依次叠加的3～15层alas/alxoy/algainas组合层和5～25层alinp/algainp组合层，所述alas/alxoy/algainas组合层和alinp/algainp组合层的层数总和不超过35层，且该alas/alxoy/algainas组合层中的x＝1,2,3,4…，y＝1,2,3,4…；所述alinp/algainp组合层是由层状叠加的alinp层和algainp层构成，所述alas/alxoy/algainas组合层是由层状叠加的alas/alxoy组合层和algainas层构成，其中，所述alas/alxoy组合层中的alxoy是由一部分alas经过高温湿法氧化而成，且生成的alxoy折射率比余下的alas低，从而能拓宽dbr的反射光子范围。所述alinp层、algainp层、alas/alxoy组合层、algainas层的厚度设计遵循公式：式中，d为厚度，λ为预计反射波段的中心反射波长，n为对应材料的折射率，其中，alas/alxoy组合层选用alxoy的折射率。上述应用于多结太阳能电池的复合dbr结构的制备方法，包括以下步骤：1)采用金属有机物化学气相沉积技术，在外延生长过程中进行沉积：按层状结构依次叠加3～15层alas/algainas组合层和5～25层alinp/algainp组合层，得到所需的样品，其中，所述alas/algainas组合层是由层状叠加的alas层和algainas层构成；2)将样品放置在反应舟内；3)将反应舟置放在密闭腔室，腔室压力恒定，设置温度处于50～300℃范围内；4)以氮气为载气，将载有水蒸气的混合气通入腔室，并记录氧化时间，其中在氧化的过程当中，alas层的部分结构被氧化，生成alxoy和ash3有毒气体，即所述alas层最终会被氧化成所需的alas/alxoy组合层，且alas的氧化总深度不超过电池芯片长度的2/3；5)将ash3有毒气体排出，并进行妥善处理。本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、本发明的复合dbr结构联合高温湿法氧化的工艺较传统结构工艺有很大优势，一方面，采用alas/algainas、alinp/algainp组合dbr加氧化的方法可以在保持反射率效果的基础上展宽反射范围，使透射的光子被二次吸收的几率增加，有利于提高电池效率；另一方面，高温湿法工艺所需装置简单，控制参数为氧化炉压力、氧化温度和时间，在芯片端容易实现稳定工艺。此外，本发明的复合dbr总层数较常规dbr几乎没有增加，即不会增加外延成本。总之，本发明的复合dbr结构及氧化工艺可以使dbr的反射范围展宽到基本覆盖其子电池的吸收带宽，可进一步减薄基区厚度，降低外延成本，使砷化物子电池抗辐照性能得到一定程度的提升，并使一些材料质量差少子扩散长度较小(如：gainnas材料)的问题得到进一步缓解。2、本发明的关键在于通过控制高温湿法氧化的时间等参数，可以准确控制高铝层的氧化深度，保证电池器件整体导通(保留的部分铝砷起连通电池作用，消除alxoy不导电的影响)，在提高太阳能电池转换效率的研究中，本发明的复合dbr结构作用可以得到更为极致地应用。附图说明图1为本发明所述复合dbr结构示意图。图2为本发明所述复合dbr经高温湿法氧化后的效果示意图之一图3为本发明所述复合dbr经高温湿法氧化后的效果示意图之二。图4为含复合dbr结构的四结太阳能电池示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，本实施例所提供的复合dbr结构，包括按层状结构依次叠加的3～15层alas/alxoy/algainas组合层和5～25层alinp/algainp组合层，所述alas/alxoy/algainas组合层和alinp/algainp组合层的层数总和不超过35层，且该alas/alxoy/algainas组合层中的x＝1,2,3,4…，y＝1,2,3,4…；所述alinp/algainp组合层是由层状叠加的alinp层和algainp层构成，所述alas/alxoy/algainas组合层是由层状叠加的alas/alxoy组合层和algainas层构成，其中，所述alas/alxoy组合层中的alxoy(即al的氧化物)是由一部分alas经过高温湿法氧化而成，即alas/alxoy组合层实质是由alas层通过高温湿法氧化工艺转变而成，具体请见图2和图3所示，且生成的alxoy折射率比余下的alas低，由于生成物alxoy具有更低的折射率，这样可使得复合dbr反射光子范围拓宽，而保留的部分alas起连通电池作用，消除alxoy不导电的影响。此外，所述alinp层、algainp层、alas/alxoy组合层、algainas层的厚度设计遵循公式：式中，d为厚度，λ为预计反射波段的中心反射波长，n为对应材料的折射率，其中，alas/alxoy组合层选用alxoy的折射率。如图4所示，为含本实施例上述复合dbr结构的四结太阳能电池，该四结太阳能电池是采用金属有机物化学气相沉积(mocvd)技术，外延生长过程中沉积复合dbr，电池芯片制程中添加高温湿法氧化的工艺流程。其中，所述四结太阳能电池以ge单晶片为衬底，在所述ge衬底上按照层状叠加结构由下至上依次设置有gainp/gainas渐变缓冲层、第一套复合dbr、gainas子电池、第二套复合dbr、algainas子电池和algainp子电池，各子电池之间由隧道结连接。所述第一套复合dbr的反射波长为780～950nm，alas/alxoy/algainas组合层的层数为8层，alinp/algainp组合层的层数为18层。所述gainas子电池中gainas材料的光学带隙约为1.25～1.3ev。所述第二套复合dbr的反射波长为600～780nm，alas/alxoy/algainas组合层的层数为6层，alinp/algainp组合层的层数为14层。所述algainas子电池中algainas材料的光学带隙约为1.5～1.6ev。所述algainp子电池中algainp材料的光学带隙约为2.1～2.15ev。本实施例上述的高温湿法氧化工艺作为一种特殊工艺处理步骤，设在芯片制程中的适当工艺段(本实施例优选安排在切割且蒸镀电极保护层之后)，经高温湿法氧化后，复合dbr中的一部分alas被氧化生成alxoy和ash3有毒气体，具体工艺步骤如下：步骤一：将裸露出切割边的样品(该样品上已沉积有按层状结构依次叠加的3～15层alas/algainas组合层和5～25层alinp/algainp组合层，其中所述的alas/algainas组合层是由层状叠加的alas层和algainas层构成)放置在反应舟内；步骤二：反应舟置放在密闭腔室，腔室压力恒定(本实施例优先选用1atm)，温度100～300℃(本实施例优先选用260℃)；步骤三：以氮气为载气，将载有水蒸气的混合气通入腔室，并记录氧化时间，其中在氧化的过程当中，alas层的部分结构被氧化，生成alxoy和ash3有毒气体，即所述alas层最终会被氧化成所需的alas/alxoy组合层；步骤四：将尾气(具体是ash3有毒气体)排出，进行专业妥善处理(本实施例优选通入喷淋式尾气处理器)。此外，经多次实验验证alas氧化总深度不超过电池芯片长度的2/3，而较佳氧化层效果示意图请参见图2和图3所示。经验证，利用本方案制备的四结太阳能电池，在各子电池的带隙得以优化基础上，结合使用具有更为优异反光效果的dbr可使gainas和algainas子电池更多地吸收太阳光子，显著减弱其对四结太阳能电池短路电流的限流程度，提高转换效率。分析可知，在am0条件下，传统dbr结构的四结太阳能电池的短路电流(isc)为16.0ma/cm2，而具有本发明的复合dbr结构的四结太阳能电池的isc可达17.0ma/cm2，且其转换效率可提高至33.4％，具体请参见下表1所示。表1am0条件下，含传统dbr结构的四结太阳能电池与含本发明的复合dbr结构的四结太阳能电池的性能比较电池类型isc(ma/cm2)voc(mv)pm(w/m2)ff(％)eff(％)传统dbr16.03250441.828532.6复合dbr17.03210452.318333.4以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。当前第1页12