本實用新型涉及太陽能光伏的
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是指一種具有反射層的雙面生長四結(jié)太陽能電池。
背景技術(shù)：
：目前，傳統(tǒng)的砷化鎵多結(jié)太陽電池因其轉(zhuǎn)換效率明顯高于晶硅電池而被廣泛地應(yīng)用于聚光光伏發(fā)電(CPV)系統(tǒng)和空間電源系統(tǒng)。砷化鎵多結(jié)電池的主流結(jié)構(gòu)是由GaInP、GaInAs和Ge子電池組成的GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)太陽電池，電池結(jié)構(gòu)上整體保持晶格匹配，帶隙結(jié)構(gòu)為1.85/1.40/0.67eV。然而，對于太陽光光譜，由于GaInAs子電池和Ge子電池之間較大的帶隙差距，這種三結(jié)電池的帶隙組合并不是最佳的，這種結(jié)構(gòu)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，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流限制原因，這種結(jié)構(gòu)造成了很大一部分光譜能量不能被充分轉(zhuǎn)換利用，限制了電池性能的提高。理論分析表明，在傳統(tǒng)三結(jié)太陽電池的GaInAs子電池和Ge子電池之間插入一層帶隙接近1.0eV的子電池，形成帶隙結(jié)構(gòu)為1.90/1.43/1.04/0.67eV的四結(jié)太陽電池，其理論效率能達到58％，結(jié)合實際因素后的效率極限能達到47％，遠遠高于傳統(tǒng)三結(jié)42％的極限效率，這主要是因為相比于三結(jié)電池，四結(jié)電池可以提高開路電壓和填充因子。經(jīng)理論研究與實驗證明，在GaAs材料中同時摻入少量的In和N形成Ga1-xInxNyAs1-y四元合金材料，當(dāng)x:y＝3、0<y<0.06時，Ga1-xInxNyAs1-y材料晶格常數(shù)與GaAs(或Ge)基本匹配，且?guī)对?.8eV至1.4eV之間變化，而當(dāng)0.02<y<0.03時，其帶隙為1.0eV至1.1eV之間。因此，針對目前傳統(tǒng)的GaInP/GaInAs/Ge三結(jié)電池結(jié)構(gòu)，在GaInAs和Ge子電池之間插入一節(jié)帶隙接近1.0eV的GaInNAs子電池形成四結(jié)電池則可大大提高電池轉(zhuǎn)換效率。由于在制備GaInNAs子電池過程中，需要結(jié)合高溫退火過程才能提高GaInNAs電池的光電性能，如果基于Ge襯底制備，則高溫退火同時會對Ge子電池結(jié)構(gòu)造成影響，使其開路電壓降低。因此，如果采用雙面拋光的GaAs襯底，在GaAs襯底的上表面先制備GaInP、GaAs和GaInNAs子電池，經(jīng)過高溫退火后，再在其下表面制備帶隙約0.7～0.8eV的GaInAs子電池，最終形成帶隙結(jié)構(gòu)為1.9/1.42/1.0～1.1/0.7～0.8eV的GaInP/GaAs/GaInNAs/GaInAs四結(jié)電池，則可最大程度地體現(xiàn)出四結(jié)電池的優(yōu)勢，明顯提高GaAs多結(jié)太陽電池的開路電壓和整體光電轉(zhuǎn)換效率。然而，由于GaInNAs材料的背景載流子濃度很高，這會使得其少子擴散長度變小。這種情況下，如果GaInNAs材料生長太厚，并不能達到對光生載流子有效收集的效果；相反地，GaInNAs材料生長太薄又不能充分吸收相應(yīng)波段的光子，其后果是GaInNAs電池的短路電流低。但在GaInNAs電池下面引入布拉格反射層(DBR)結(jié)構(gòu)，則可使上述問題有效解決。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以通過調(diào)節(jié)DBR結(jié)構(gòu)反射相應(yīng)波段的太陽光，使沒有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去，大大提高被吸收的幾率，相當(dāng)于變相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，GaInNAs電池的設(shè)計厚度得以減薄，可以更有效收集少數(shù)載流子，從而提高短路電流。另外，由于提供N原子的源(一般是二甲基肼源)價格較一般的有機源高得多，減小GaInNAs材料層厚度可以節(jié)省N源，從而降低電池的生產(chǎn)成本。相似地，GaAs子電池結(jié)構(gòu)中，通過加入反應(yīng)相應(yīng)波段的DBR結(jié)構(gòu)，降低GaAs基區(qū)厚度，可以大大減小非平衡載流子的自由程，提高光子吸收效率；可以反射透過GaAs基區(qū)的光子，使其重新參與光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，從而提高電池效率。綜上，含DBR結(jié)構(gòu)的GaInP/GaAs/Ga1-3yIn3yNyAs1-y/GaxIn1-xAs四結(jié)太陽能電池既可以滿足四結(jié)電池的理論設(shè)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和GaAs電池基區(qū)過厚的問題，還可以節(jié)約電池的生產(chǎn)成本，可最大程度地發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢，提高電池效率。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點，提供一種具有反射層的雙面生長四結(jié)太陽能電池，可以提高光子吸收效率，同時發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢，提高GaAs多結(jié)電池的整體開路電壓和填充因子，并最終提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所提供的技術(shù)方案為：一種具有反射層的雙面生長四結(jié)太陽能電池，包括GaAs襯底，所述GaAs襯底為雙面拋光的n型GaAs單晶片，在所述GaAs襯底上表面自下而上依次生長有GaAs緩沖層、第一隧道結(jié)、AlGaAs/GaInAsDBR反射層、GaInNAs子電池、第二隧道結(jié)、AlAs/AlGaAsDBR反射層、GaAs子電池、第三隧道結(jié)、GaInP子電池、歐姆接觸層、減反射膜和正面電極，在所述GaAs襯底的下表面依次設(shè)置有Ga1-zInzP應(yīng)變緩沖層、Ga1-xInxAs子電池和背面電極，其中AlGaAs/GaInAsDBR反射層用于反射長波光子，AlAs/AlGaAsDBR反射層用于反射中長波光子。所述歐姆接觸層厚度為100～1000nm，該歐姆接觸層為n型高摻Ga(In)As，摻雜濃度大于2×18/cm3。所述GaInP子電池的總厚度為500～1500nm，GaInP材料帶隙為1.85～1.9eV。所述GaAs子電池的總厚度為1000～3000nm，GaAs材料帶隙為1.42eV。所述Ga1-xInxAs子電池的總厚度為1500～5500nm，其材料帶隙為0.7～0.8eV；所述GaInNAs子電池的總厚度為1000～3000nm，其Ga1-3yIn3yNyAs1-y材料帶隙為1.0～1.1eV；所述GaAs緩沖層的厚度為500～1500nm，其n型摻雜濃度為1×18/cm3～1×19/cm3。所述第一隧道結(jié)由p++-GaAs和n++-GaAs構(gòu)成，其厚度均為5～80nm；所述第二隧道結(jié)由p++-AlGaAs和n++-GaAs構(gòu)成，其厚度均為8～100nm；所述第三隧道結(jié)由p++-GaInP和n++-GaInP構(gòu)成，其厚度均為10～150nm。所述AlAs/AlGaAsDBR反射層的反射波長為780～880nm，其組合對數(shù)為10～30對；所述AlGaAs/GaInAsDBR反射層的反射波長為900～1200nm，其組合對數(shù)為10～30對；所述Ga1-zInzP應(yīng)變緩沖層組分漸變的方式為連續(xù)漸變或步進漸變，最終層的晶格常數(shù)與Ga1-xInxAs子電池相同。所述減反射膜為氧化物、氮化物或氟化物薄膜。所述正面電極和背面電極均為金屬合金。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：本方案利用GaAs雙面襯底，并結(jié)合GaInNAs材料的自身特點，在GaAs襯底的上表面設(shè)置有GaInP、GaAs和GaInNAs子電池，在其下表面設(shè)置帶隙約0.7～0.8eV的GaInAs子電池，最終得到帶隙結(jié)構(gòu)為1.9/1.42/1.1～1.0/0.7～0.8eV的GaInP/GaAs/GaInNAs/GaInAs四結(jié)電池，滿足太陽光譜下的四結(jié)電池最佳帶隙組合，而加入AlGaAs/GaInAsDBR和AlAs/AlGaAsDBR反射層可最大程度發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢，顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)換性能，降低成本。利用本方案制備的四結(jié)太陽能電池，各子電池的帶隙得以優(yōu)化，同時結(jié)合使用具有優(yōu)異反光效果的DBR可使GaInNAs和GaAs子電池更多地吸收太陽光子，顯著減弱其對四結(jié)電池短路電流的限流程度，提高轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)分析可知，在AM0條件下，無DBR反射層的雙面生長四結(jié)電池的短路電流(Isc)為13mA/cm2,具有DBR反射層的雙面生長四結(jié)電池的Isc可達17mA/cm2，而且轉(zhuǎn)換效率也顯著提高至33.7％。利用本方案制備的四結(jié)太陽能電池，由于DBR反射層的引入，使得GaInNAs和GaAs子電池厚度減薄，即不必生長無DBR結(jié)構(gòu)時所要求的厚度即可充分吸收光子，這可大大節(jié)省昂貴源材料——二甲基阱的用量，顯著降低成本。附圖說明圖1為本實用新型的雙面生長四結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型的Ga1-zInzP應(yīng)變緩沖層結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式下面結(jié)合具體實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示，本實施例所述的雙面生長四結(jié)太陽能電池，包括GaAs襯底1，所述GaAs襯底1為雙面拋光的n型GaAs單晶片，采用金屬有機化學(xué)氣相沉積技術(shù)(MOCVD)，在4英寸GaAs襯底1的上表面按照層狀生長模式自下而上依次生長有GaAs緩沖層2、第一隧道結(jié)3、AlGaAs/GaInAsDBR反射層4、GaInNAs子電池5、第二隧道結(jié)6、AlAs/AlGaAsDBR反射層7、GaAs子電池8、第三隧道結(jié)9、GaInP子電池10、歐姆接觸層11、減反射膜12和正面電極13，在所述GaAs襯底1的下表面依次設(shè)置有Ga1-zInzP應(yīng)變緩沖層14、Ga1-xInxAs子電池15和背面電極16，其中AlGaAs/GaInAsDBR反射層4用于反射長波光子，AlAs/AlGaAsDBR反射層7用于反射中長波光子。所述歐姆接觸層11厚度為100～1000nm，優(yōu)選500nm，該歐姆接觸層一般為n型高摻Ga(In)As，摻雜濃度大于2×18/cm3。所述GaInP子電池10的總厚度為500～1500nm，優(yōu)選800nm，GaInP材料帶隙為1.85～1.9eV，優(yōu)選1.87eV。所述GaAs子電池8的總厚度為1000～3000nm，優(yōu)選1400nm，GaAs材料帶隙為1.42eV。所述Ga1-xInxAs子電池15的總厚度為1500～5500nm，優(yōu)選2200nm，其材料帶隙為0.7～0.8eV，優(yōu)選0.75eV。所述GaInNAs子電池5的總厚度為1000～3000nm，優(yōu)選1000nm，其Ga1-3yIn3yNyAs1-y材料帶隙為1.0～1.1eV，優(yōu)選1.1eV。所述GaAs緩沖層2的厚度為500～1500nm，優(yōu)選1000nm，其n型摻雜濃度為1×18/cm3～1×19/cm3，優(yōu)選2×18/cm3～6×18/cm3。所述第一隧道結(jié)3由p++-GaAs和n++-GaAs構(gòu)成，其厚度均為5～80nm，優(yōu)選8nm；所述第二隧道結(jié)6由p++-AlGaAs和n++-GaAs構(gòu)成，其厚度均為8～100nm，優(yōu)選10nm；所述第三隧道結(jié)9由p++-GaInP和n++-GaInP構(gòu)成，其厚度均為10～150nm，優(yōu)選14nm。所述AlAs/AlGaAsDBR反射層7的反射波長為780～880nm，其組合對數(shù)為10～30對，優(yōu)選16對；所述AlGaAs/GaInAsDBR反射層的反射波長為900～1200nm，其組合對數(shù)為10～30對，優(yōu)選16對。所述Ga1-zInzP應(yīng)變緩沖層14組分漸變的方式為連續(xù)漸變或步進漸變，優(yōu)先選用連續(xù)漸變方式，組分z由0.485漸變至1，即：保持0.485組分生長200nm，然后漸變至1，漸變厚度1000nm，保持組分1生長300nm，具體請參看附圖2。所述減反射膜12為氧化物、氮化物或氟化物薄膜，一般通過真空蒸鍍技術(shù)制備。所述正面電極13和背面電極16均為金屬合金，一般通過真空蒸鍍技術(shù)制備。下面為本實施例上述雙面生長四結(jié)太陽能電池的具體制備過程，其情況如下：采用MOCVD制備外延生長部分和芯片工藝部分，即：外延層生長部分采用Vecco公司MOCVD，機型K475，芯片工藝鍍膜部分采用光學(xué)蒸鍍機(IAD)和金屬蒸鍍機(EB)制備，其工藝流程包括以下步驟：1)將選定GaAs襯底載入MOCVD反應(yīng)室，反應(yīng)室壓力設(shè)定為30～50torr，優(yōu)選35～40torr；2)生長溫度設(shè)定在500～650℃范圍內(nèi)，優(yōu)選580℃，在所選襯底的上表面沉積一層GaAs緩沖層，其生長速率設(shè)為優(yōu)選此層的作用在于降低后續(xù)生長的外延層中的缺陷數(shù)量；3)在GaAs緩沖層上于450～650℃(優(yōu)選550℃)溫度范圍內(nèi)生長第一隧道結(jié)，其生長速率設(shè)為優(yōu)選4)在500～650℃(優(yōu)選600℃并保持穩(wěn)定)溫度范圍內(nèi)，繼續(xù)生長AlGaAs/GaInAsDBR反射層，其生長速率設(shè)為優(yōu)選5)在450～600℃(優(yōu)選550℃并保持穩(wěn)定)溫度范圍內(nèi)AlGaAs/GaInAsDBR反射層上生長GaInNAs子電池，生長速率設(shè)為優(yōu)選6)在500～650℃(優(yōu)選溫度550℃)溫度范圍內(nèi)，GaInNAs子電池上生長第二隧道結(jié)，其生長速率設(shè)為優(yōu)選7)在500～650℃(優(yōu)選620℃并保持穩(wěn)定)溫度范圍內(nèi)，第二隧道結(jié)上生長AlAs/AlGaAsDBR反射層，其生長速率設(shè)為優(yōu)選8)在550～650℃(優(yōu)選620℃)溫度范圍內(nèi)，AlAs/AlGaAsDBR反射層上生長GaAs子電池，其生長速率設(shè)為優(yōu)選9)在500～700℃(優(yōu)選650℃并保持穩(wěn)定)溫度范圍內(nèi)，GaAs子電池上生長第三隧道結(jié)，其生長速率設(shè)為優(yōu)選10)在600～800℃(優(yōu)選650℃)溫度范圍內(nèi)，第三隧道結(jié)上生長GaInP子電池，生長速率設(shè)為優(yōu)選11)在450～650℃(優(yōu)選550℃并保持穩(wěn)定)溫度范圍內(nèi)，GaInP子電池上生長歐姆接觸層，生長速率設(shè)為優(yōu)選12)將襯底翻轉(zhuǎn)180度，在襯底下表面生長Ga1-zInzP應(yīng)變緩沖層，其生長溫度設(shè)為600～800℃，優(yōu)選620℃，生長速率為優(yōu)選此層的作用在于降低晶格適配引入的位錯等缺陷密度；13)在Ga1-zInzP組分漸變緩沖層上生長Ga1-xInxAs子電池，其生長溫度為550～650℃，優(yōu)選620℃，其生長速率設(shè)為優(yōu)選14)外延生長部分結(jié)束后，由芯片工藝完成減反膜的制備，選用光學(xué)蒸鍍機(IAD)，真空度為1×10-5torr～1×10-7torr，優(yōu)選4×10-6torr～8×10-6torr，溫度設(shè)為50～100℃；15)由芯片工藝分別完成構(gòu)成正面電極和背面電極的合金材料的制備，選用金屬蒸鍍機(EB)，真空度為1×10-5torr～1×10-7torr，優(yōu)選4×10-6torr～8×10-6torr，溫度低于150℃。至此，便完成所需的雙面生長四結(jié)太陽能電池的制備。備注：本實用新型的外延層生長部分不局限于MOCVD技術(shù)，也可通過氣相外延、分子束外延等其它外延技術(shù)實現(xiàn)；同樣地，芯片工藝部分也不局限于金屬鍍膜機和光學(xué)蒸鍍機制備。本實用新型的關(guān)鍵在于將DBR反射層結(jié)構(gòu)引入到四結(jié)太陽能電池中，在Ga1-3yIn3yNyAs1-y子電池和GaAs子電池下方分別插入AlGaAs/GaInAsDBR和AlAs/AlGaAsDBR，通過調(diào)節(jié)DBR結(jié)構(gòu)參數(shù)，使沒有被GaInNAs和GaAs子電池吸收的光子反射回去被二次吸收，相當(dāng)于變相地增加了GaInNAs和GaAs子電池的“有效吸收厚度”，兩個子電池的設(shè)計厚度得以減薄，可以更有效收集少數(shù)載流子，提高短路電流。該電池結(jié)構(gòu)既滿足了四結(jié)電池各子電池對厚度的設(shè)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(jié)約電池的生產(chǎn)成本，可最大程度地發(fā)揮四結(jié)電池的優(yōu)勢，提高電池效率。利用本方案制備的四結(jié)太陽能電池，各子電池的帶隙得以優(yōu)化，同時結(jié)合使用具有優(yōu)異反光效果的DBR可使GaInNAs和GaAs子電池更多地吸收太陽光子，顯著減弱其對四結(jié)電池短路電流的限流程度，提高轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)分析可知，在AM0條件下，無DBR反射層的雙面生長四結(jié)電池的短路電流(Isc)為13mA/cm2,具有DBR反射層的雙面生長四結(jié)電池的Isc可達17mA/cm2，而且轉(zhuǎn)換效率也顯著提高至33.7％，如下表1所示。表1-AM0條件下，有、無DBR反射層的四結(jié)太陽能電池性能比較電池類型Isc(mA/cm2)Voc(mV)Pm(W/m2)FF(％)Eff(％)無DBR13.03310369.838627.3有DBR17.03240455.768333.7利用本方案制備的四結(jié)太陽能電池，由于DBR反射層的引入，使得GaInNAs和GaAs子電池厚度減薄，即不必生長無DBR結(jié)構(gòu)時所要求的厚度即可充分吸收光子，這可大大節(jié)省昂貴源材料——二甲基阱的用量，顯著降低成本，如下表2所示。表2-有、無DBR反射層的四結(jié)太陽能電池每爐外延片主要源用量及費用比較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(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3