[发明专利]高效多结太阳能电池

说明书

本申请根据35U．S．C．要求2011年11月15日提交的美国临时申请61/559,982的权益，该美国临时申请经引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及太阳能电池，具体涉及基本由III-V族半导体合金形成的多结太阳能电池。

背景技术

最高的已知太阳能电池效率由基本由III-V族半导体合金构成的多结太阳能电池制备。这样的合金是来自标准周期表的IIIA和VA族的元素的组合，下文用它们的标准化学符号、名称和缩写标识，其中，来自IIIA族的元素总数等于来自VA族的元素的总数。这些太阳能电池的高效率使得它们对于地球上的聚光光伏系统和设计用于空间的系统是引人瞩目的。

历史上，最高效率的太阳能电池由在锗(Ge)或砷化镓(GaAs)衬底上生长的三个亚电池的整体叠层组成，所述亚电池又称为结。所述亚电池含有一定范围波长的光能被吸收并转换成可以从外部收集的电能的太阳能电池区域。所述亚电池通过隧道结彼此相互连接。其它层，例如缓冲层，也可能存在于亚电池之间。在到目前为止的最高效率的太阳能电池中，上层亚电池具有用(Al)GaInP制成的一个或更多个吸收层，中间的亚电池具有用(In)GaAs制成的一个或更多个吸收层，底层亚电池包括Ge衬底或具有用III-V族材料制成的吸收层。III-V族合金的上述命名，其中组成元素在括号中表示，例如在(A1)InGaP中的Al，表示其中具体元素可以为零的变化条件。

每个亚电池包含若干关联层，通常包括窗口、发射极、基极和后表面场(BSF)。这些术语是本领域技术人员熟知的，并且这里不需要进一步定义。前述层的每一个本身可以包括一个或更多个亚层。窗口和发射极将具有一种掺杂极性(例如n-型)，基极和背表面场将具有相反的极性(例如p型)，在基极和发射极之间形成p-n或n-p结。如果除了故意掺杂的区域以外，基极还含有本征区，则可以认为是p-i-n或n-i-p结，如本领域技术人员熟知的。按照常规，指定亚电池的具体合金和带隙分别被认为是形成基极的材料的名称和带隙。该材料也可以或不可以用于该亚电池的窗口、发射极和背表面场。例如，包含AlInP窗口、InGaP发射极、GaAs基极和AlGaAs背表面场的亚电池被表示为GaAs亚电池，其带隙为GaAs的带隙，即1．4eV。包含AlInP窗口、InGaP发射极、InGaP基极和InGaP背表面场的亚电池被表示为InGaP亚电池，并且其带隙是InGaP基极的带隙。以外，亚电池还可以包括除了上面列出的层。本领域技术人员也会认识到没有上述层的一个或更多个也可以构成亚电池。例如，没有窗口或没有背表面场也可以构成亚电池。

在提到从顶层到底层的亚电池的叠层顺序时，顶层亚电池被定义为在太阳能电池运行过程中最靠近光源的亚电池，底层亚电池最远离光源。相对的术语如“在…上”、“在…下”、“上”和“下’’也指叠层相对于光源的位置。生长亚电池的顺序与该定义无关。顶层亚电池还表示为“J1”，“J2”是从顶层开始的第二亚电池，“J3”是从顶层开始的第三亚电池，最大的数是底层亚电池。

三结太阳能电池达到迄今为止的任何太阳能电池的最高效率。见M．A．Green等，Progress in Photovoltaics：Research and Applications 19(2011)565-572。但是，这些三结太阳能电池正在接近它们的实际效率极限。为了达到明显更高的效率，需要额外的结或亚电池。用额外的亚电池，光子可以被具有更接近光子能量的带隙的材料更有效地吸收，其能够将更多的光能转变成电能而不是热。此外，对于一定量的入射光，具有额外亚电池的总太阳能电池电流可能较低，这可能降低串联电阻损耗。提高效率的另一个机理是用额外的亚电池吸收更大部分的太阳光光谱。许多年来，存在对更多数量的结的需要的广泛认识，但是迄今为止，制备四、五和六个结的电池的尝试都没有产生效率超过最好的三结太阳能电池的效率的太阳能电池。失败的原因还不清楚，尽管怀疑材料和涉及缺陷，包括材料质量差，这是使用晶格失配的层产生的位错的结果。存在与相互连接额外的亚电池所需的隧道结数量增大相关的额外挑战，包括由于隧道结吸收所产生的光损失。．一