[发明专利]光伏电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种在本征区(intrinsic region)内具有多量子阱(multiple quantum well)的光生伏打结(photovoltaic junction)，并且涉及一种包括这种结以便从入射光(例如太阳光)产生电能的光伏电池。特别地，但并非仅限此，该结可以在级联的多结太阳能电池中用作顶结(top junction)，该级联的多结太阳能电池适于接收高度会聚的太阳光并且具有基于GaAs的下部(lower)光生伏打结，该下部光生伏打结通过利用本征区中的多应力平衡量子阱/势垒而具有扩展至较长波长的吸收限(absorption edge)。

背景技术

US2005/0247339描述了一种在该文献的图7中例示的级联太阳能电池，并且该级联太阳能电池在这里复述为图1。例示的太阳能电池包括GaAs基板10(另选地，可以是有源或无源Ge基板)、在该基板上生长并且适于由波长高达约1040nm的光子来生成电能的下部光生伏打结12和在下部光生伏打结上生长并且适于由波长高达约720nm的光子来生成电能的上部光生伏打结16。利用隧道结(tunnel junction)将两个光生伏打结连接起来，使得相同的光电流流经这两个光生伏打结，通过设置在基板下面和上部结顶部的电极而耦接至电路。

所以，多个半导体层能够以最小缺陷(否则会显著降低器件效率)在彼此顶部生长，各个半导体层的晶格常数都必须与下面层的晶格常数相匹配，因此必须与GaAs或者Ge基板的晶格常数相匹配。这对能够用于各个层的材料提出了严格限制，这在半导体技术的许多领域中都是熟悉的，尽管如下面解释的这种限制可能有一些偏差。

下部结12能够以高量子效率从太阳光谱区中波长高达约1040nm的光子来生成电能。但是，较长波长吸收限通常导致在下部结电压处生成光电流，使得较短波长的光子的多数潜在电能在该结内从释放的电荷载流子的快速热化流失到对应于吸收限的带隙能中。为了在较高的电压下捕获较短波长的光子，上部结被构造为具有较短波长吸收限。为了在最高电压下获得各个结的光电流，该原则是具有三个、四个或更多个结的级联多结太阳能电池发展的根据。对这种多结级联电池的限制是：当这些结生长为堆叠使得较长波长向下穿透到吸收这些较长波长的结(靠近适当的能带边缘)时，整个堆叠的光电流必须与流过各个结的光电流相同。因此，这种器件受限于生成最小光电流的结。

利用标准的太阳光谱和各个结的特性，能够依据诸如各个结的吸收限等因素计算出多结级联器件的期望效率。这里图2中复述了下部结和上部结带隙(与吸收限密切相关)的效率的示例轮廓图，该轮廓图取自US2005/0247339并且与类似于图1中的级联电池的级联电池相关。由GaAs p-n结形成的下部电池和由GaInP p-n结(GaInP是与GaAs晶格匹配的合成物)形成的上部电池的特性被示为粗十字线(heavy cross hairs)。可以看出，为了得到最佳效率，这两个结的带隙都应当降低为与在较长波长处的吸收限相等。该轮廓图的强对角结构是因为需要匹配由这两个结生成的光电流。

在图1例示的结构中，下部结的吸收限被扩展到比大约880nm更长的波长，这能够通过使用本征区18由简单的GaAs/GaAs p-n结来实现，本征区18包含InGaAs材料形成的具有大约1040nm吸收限的薄层(量子阱)，尽管薄阱(thin well)中的量子效应只是很小地改变该值。InGaAs材料与GaAs基板并不晶格匹配，但是各个量子阱都位于提供补偿晶格失配的由GaAsP材料形成的势垒层之间。只要量子阱和势垒足够薄并且层的晶格常数、弹性系数和厚度被平衡，本征区就能够以低缺陷水平进行生长，以匹配GaAs基板的晶格常数。在WO03/012881中描述了实现这些条件的“应力平衡”技术。

上部GaInP电池与包含增加了铟浓度以将吸收限偏移到更长波长的量子阱的本征区相类似地构造。这些量子阱中增加的晶格常数通过插入铟浓度降低的势垒而平衡，使得由势垒和阱构成的本征区具有能使相邻的GaInP体相区的晶格常数与下面的GaAs基板的晶格常数相匹配的晶格常数。