太阳能电池叠堆的制作方法

文档序号:9827272阅读:536来源:国知局
太阳能电池叠堆的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种太阳能电池叠堆(Solarzellenstapel)。
【背景技术】
[0002] 为了实现借助于太阳能电池将太阳光转化成电能的尽可能高的效率,数年来研究 了由不同半导体材料构成的多结太阳能电池[W.Guter所著的《Optimierung von III-V basierten Hochleistungssolarzelien》,博士论文,康斯坦茨大学,物理系,2011年]。多结 太阳能电池将入射光分布到多个相互堆叠的具有不同带隙能量的部分太阳能电池上。为了 实现最高的效率,必须使半导体材料与其带隙能量彼此匹配,从而优选地串联电连接的部 分太阳能电池中的每一个尽可能生成相同的电流。
[0003] 只要该叠堆的各个部分电池的半导体材料具有相同的晶格常数,那么部分电池就 能够借助外延方法加以制造。由Meusel等人所著的《III-VMULTIJUNCTK)NSOLARCELLS-FROM CURRENT SPACE AND TERRESTRIAL PRODUCTS TO MODERN CELL ARCHITECTURES》(第 五届世界光伏能源转换会议(WCPEC),2010年,巴伦西亚,1AP. 1.5)已知一种由AlInGaP、 I nGaA s、I nGaNA s和Ge构成的晶格匹配的4结太阳能电池。出于尤其I nGaNA s的部分电池的晶 体质量的原因仅仅实现不充分的效率。
[0004] 如果部分电池具有不同的晶格常数,则在第一替代方案中在两个部分电池之间使 用变质缓冲层。由Guter等人所著的《DEVELOPMENT,QUALIFICATION AND PRODUCTION OF SPACE SOLAR CELLS WITH30%E0L EFFICIENCY》(欧洲航天动力会议,2014年,荷兰,诺德韦 克豪特)已知由AlInGaP、AlInGaAs、InGaAs构成的部分电池、变质缓冲部和Ge的序列。此外, 由Cornfeld等人所著的《Development of a four sub-cell inverted metamorphic multi_junction(IMM)highly efficient AMOsolar cell》(第35届IEEE光伏专家会议 (?¥3〇,2010年,美国,檀香山)已知一种由11^?、6&六8构成的部分电池与第一变质缓冲部、 第一 InGaAs部分电池和第二变质缓冲部和第二InGaAs部分电池的另一序列。

【发明内容】

[0005] 在此背景下,本发明的任务在于给出一种改进现有技术的装置。
[0006] 所述任务通过具有权利要求1的特征的太阳能电池叠堆来解决。本发明的有利构 型是从属权利要求的主题。
[0007] 根据本发明的主题提供了一种太阳能电池叠堆,其具有第一半导体太阳能电池, 其中,所述第一半导体太阳能电池具有由具有第一晶格常数的第一材料构成的pn结,并且 所述太阳能电池叠堆具有第二半导体太阳能电池,其中,所述第二半导体太阳能电池具有 由具有第二晶格常数的第二材料构成的 pn结,并且所述第一晶格常数比所述第二晶格常数 小至少〇v〇〇8 A,并且所述太阳能电池叠堆具有变质缓冲部(metamorpher Puffer),其中, 所述变质缓冲部构造在所述第一半导体太阳能电池和所述第二半导体太阳能电池之间,并 且所述变质缓冲部包括三个层的序列并且在所述序列中晶格常数沿所述第二半导体太阳 能电池方向增加,并且所述变质缓冲部的层的晶格常数大于所述第一晶格常数,其中,所述 缓冲部的两个层具有掺杂,其中,所述两个层之间的掺杂物浓度方面的差别大于4E17cnf3。
[0008] 为清楚起见应当注意,第一半导体太阳能电池相较于第二半导体太阳能电池具有 更小的晶格常数。下面,对于术语"半导体太阳能电池"也同义地使用术语"部分电池"。显 然,具有最大带隙能量的部分电池构造在太阳能电池叠堆的朝向太阳的一侧上。下面,对于 术语"太阳能电池叠堆"也同义地使用术语"叠堆状集成的多结太阳能电池"。
[0009] 在光通过具有最大带隙能量的半导体太阳能电池之后,未被吸收的光、即更长波 长的范围射到具有较小带隙能量的半导体太阳能电池上。只要存在用于太阳能电池叠堆的 载体衬底,则该载体衬底总是与具有最小带隙能量的部分电池连接。应当注意,这两个半导 体太阳能电池一起单片地集成。
[0010] 在此,术语"掺杂物浓度"理解为缓冲部的相应层中的掺杂物的平均值。
[0011] 有利的是,根据本发明的太阳能电池叠堆具有高的效率,其方式是,借助变质缓冲 部使具有不同的晶格常数的两个太阳能电池相互叠堆。研究已经表明,缓冲部的区域中的 掺杂显著地减小了位错(Versetzung)的数量,也即变质缓冲部的经掺杂的层变得更硬。借 助于高品质的变质缓冲部,即借助于缓冲部的位错朝向周围活性区域的传播的抑制,也可 以如此地选择带隙能量,使得根据本发明的太阳能电池叠堆的总效率相较于由晶格匹配的 太阳能电池组成的叠堆而言提高了。
[0012] 在一种扩展方案中,所述变质缓冲部的至少一个层具有第四晶格常数,其中,所述 第四晶格常数大于所述第二半导体太阳能电池的晶格常数。优选地,在所述变质缓冲部的 多个层中晶格常数沿所述第二半导体太阳能电池方向从层到层地分别增加至少0.003/1。
[0013] 在一种优选的实施方式中,在变质缓冲部中,对于两个彼此紧邻的层,这两个层具 有不同的掺杂物浓度。
[0014] 在另一种实施方式中,在缓冲部的两个彼此紧邻的层中掺杂物浓度方面的区别大 于因子5、优选大于因子7、最优选地大于因子10。显然,变质缓冲部的多个层或者具有η型掺 杂或者具有ρ型掺杂。
[0015] 优选地,在所述变质缓冲部中设有Zn和/或C和/或Mg和/或Be作为P型掺杂物并且 设有Si和/或Te和/或Se作为η型掺杂物。研究已经表明,变质缓冲部的相应层内的掺杂物浓 度基本上是恒定的、优选是恒定的。
[0016] 在另一种扩展方案中,变质缓冲部包括多于三个层、优选地该缓冲部包括至少五 个层、最优选地至少六个层。
[0017] 在一种优选的实施方式中,变质缓冲部的两个层具有相同的掺杂物浓度。优选地, 这两个层相互材料锁合地连接。
[0018] 在另一种扩展方案中,在所述变质缓冲部的多个层的序列中,所述掺杂物浓度从 层到层地首先增加并且随后又减小。有利的是,变质缓冲层内的掺杂物浓度不超过lE19cm 一3,最优选不超过〇. 5E19cnf3。
[0019] 显然,所述变质缓冲层不是隧道二极管的pn结的一部分。
[0020] 在一种特别有利的实施中,设有Ge或者GaAs作为衬底层,其中,第一半导体太阳能 电池和或第二半导体太阳能电池由材料Ge和或GaAs和或InGaAs和或InGaP构成。
[0021] 在一种扩展方案中,所述叠堆的所有太阳能电池单片地集成和/或构造有光学反 光镜。显然,光学反光镜布置在具有最小带隙能量的半导体太阳能电池之下。优选地,由金 属来构造光学反光镜。借助反光镜能够将未被吸收的光子反射回具有最小带隙能量的半导 体太阳能电池中并且增大光学路径。
【附图说明】
[0022] 下面将参考附图详细地阐述本发明。在此,相似的部分附有相同的标记。所示出的 实施方式是高度示意性的,也就是说距离以及水平延展和垂直延展不是严格符合比例的并 且除非另有说明否则不具有可推导的相互几何关系。其中示出了 :
[0023] 图Ia示出与二结半导体太阳能电池相关联的变质缓冲部的第一实施方式,
[0024] 图Ib示出用于在图Ia中所示的二结半导体太阳能电池的晶格常数的变化过程,
[0025] 图Ic示出用于在图Ia中所示的缓冲部的第一实施方式的掺杂的变化过程,
[0026] 图2a示出变质缓冲部的第二实施方式,
[0027] 图2b示出用于在图2a中所示的变质缓冲部的第二实施方式的掺杂的变化过程,
[0028] 图2c示出用于在图2a中所示的缓冲部的第二实施方式的硬度的变化过程,
[0029]图3a示出变质缓冲部的第三实施方式,
[0030]图3b示出用于在图3a中所示的变质缓冲部的第三实施方式的掺杂的变化过程, [0031]图3c示出用于在图3a中所示的缓冲部的第三实施方式的掺杂的替代变化过程。
【具体实施方式】
[0032]图1的示图示出太阳能电池叠堆10,其具有第一半导体太阳能电池20和第二半导 体太阳能电池30以及在半导体太阳能电池20和第二半导体太阳能电池30之间构造的变质 缓冲部40。
[0033]第一半导体太阳能电池 20具有由具有第一晶格常数al和第一带隙能量Egl的第一 材料构成的Pn结。第二半导体太阳能电池30具有由具有第二晶格常数a2和第二带隙能量 Eg2的第二材料构成的pn结。第二晶格常数a2大于第一晶格常数al。太阳光射线通过第二半 导体太阳能电池30并且随后透过缓冲部并且此后射到第一半导体太阳能电池20上。在一种 未示出的实施方式中,太阳光射线通过第一半导体太阳能电池20并且随后透过缓冲部并且 此后射到第二半导体太阳能电池30上。
[0034] 在此,缓冲部40具有五个层41、42、43、44和45的序列,其中,缓冲部40的第一层41 布置在第一半导体太阳能电池20与缓冲部40的第二层42之间,并且缓冲部40的第三层43布 置在缓冲部40的第二层42与缓冲部40的第四层44之间,并且缓冲部40的第四层44布置在缓 冲部40的第三层43与缓冲部40的第五层45之间,并且缓冲部40的第五层45布置在缓冲部40 的第四层44和第二半导体太阳
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