[发明专利]倒装双结铟镓氮太阳能电池结构

说明书

技术领域

本发明属无机光电技术领域，具体涉及一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构。本发明采用新型InGaN三元合金半导体材料，其结构可应用于InGaN系新型高效太阳能电池的制造。

背景技术

太阳能电池是一种将太阳能直接转换为电能的器件。自从1954年贝尔实验室制成世界上第一个具有实用价值的太阳能电池以来，吸引了各国科学家相继研究开发出各种类型和用途的太阳能电池。

目前太阳能电池的发展和利用当中所碰到的一个主要问题就是其光电转换效率较低，特别在太阳能电池应用于宇宙空间领域时，对太阳能电池的光电转换效率要求更高，而且还需要材料具有一定的抗辐射性。

就空间应用来说，目前的空间站和人造地球卫星上的主要电能都是通过太阳能电池系统提供的。电源系统是卫星以及空间探测系统的重要分系统之一，有报道称在今后10年到20年间，对于空间探测来说最需要攻克的关键技术之一就是能源系统，对空间站以及卫星最大的限制就是能源。星上通信及信息处理都需要大量的能源。目前应用的空间太阳能电池主要包括单晶硅太阳能电池和砷化镓基太阳能电池，限制它们进一步应用的主要问题是光电转换效率较低。由于受材料本身性质影响，第一代空间太阳能电池单晶硅太阳能电池的光电转换效率大概在18％到23％之间，第二代空间太阳能电池砷化镓基太阳能电池，它的光电转换效率相对有些提高(为22％到26.5％之间)，但这还是满足不了在空间应用中对能量日益增加的需要。

随着对III-V族氮化物材料研究的不断深入，研究人员发现氮化铟的禁带宽度应该在0.7eV左右(J.Wu，et al.Appl.Phys.Lett.80(2002)4741.)，而不是原先大家所接受的1.9eV(T.L.Tansley，etal，J.Appl.Phys.59(1986)3241.)。这一发现表明，以含有铟、镓和氮的合金(InGaN)材料为基础的光电池将对太阳光谱的所有辐射，从近红外线一直到紫外线都很灵敏，InGaN材料的禁带宽度与太阳光谱几乎完美匹配(J.Wu，et al，J.Appl.Phys.，94(2003)6477)。利用这种合金可以研制出性价比较高的新型太阳能电池板，而且新型太阳能电池将比现有的太阳能电池具有更高的效率。理论计算表明，用InGaN合金制作双结(一结电池禁带宽度为1.1eV，另一结为1.7eV)太阳能电池效率可高达50％，如果制成多结InGaN电池，效率最高可达70％以上。

同时，空间太阳能电池也会受空间辐射的影响。在近地轨道空间环境中，当高能粒子辐照时，通过与晶格原子发生碰撞而将能量传递给晶格；当能量大于某阈值时，便使晶格原子发生位移产生缺陷，进而影响少子寿命，对太阳能电池形成辐射损伤，使输出功率随辐照累积量的增加逐渐下降，在空间站整个寿命期间需更换电池片，增加运行维护费用。而InGaN材料具有良好的抗辐射性能(J.W.Ager III，et al，Proc.of SPIE，5530(2004)308)，所以说InGaN材料非常适合应用于空间飞行器的太阳能电池。

多结InGaN太阳能电池可以充分利用不同波段的光子能量，具有光电转换效率高，功率/面积比大，耐辐照等优点，新型InGaN太阳能电池的研究和发展使真正的全光谱高效太阳能电池成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种倒装双结铟镓氮太阳能电池结构，利用本发明的结构，可以研制出理论光电转换效率达50％，且具有良好的抗辐射性的倒装双结铟镓氮太阳能电池。

本发明针对铟镓氮材料外延生长的特点，采用了倒装结构，避开了在高铟组分铟镓氮上生长低铟组分铟镓氮较为困难的问题。该倒装结构的铟镓氮太阳能电池在实际工作中，太阳光从衬底入射进入电池，不同波段的光子分别被低铟组分的、宽带隙的底层In_aGa_1-aN电池和高铟组分的、窄带隙的顶层In_cGa_1-cN电池吸收，从而可以更有效地提高电池的光电转换效率。

本发明针对双结太阳能电池理想光电转换效率与各结禁带宽度的关系，对各结电池材料选用合适的In组分以达到调节禁带宽度的目的，使得每结电池达到理想的禁带宽度，最为有效地吸收和利用太阳能，提高电池的光电转换效率。