[实用新型]一种含DBR结构的五结太阳能电池

说明书

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏的技术领域，尤其是指一种含DBR(分布式布拉格反射层，DistributedBragReflector)结构的五结太阳能电池。

背景技术

太阳能电池从技术发展来看，大体可以分为三大类：第一代晶硅太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池和第三代砷化镓聚光(多结)太阳能电池。目前，砷化镓化合物太阳能电池因其转换效率明显高于晶硅电池而被广泛地应用于聚光光伏发电(CPV)系统和空间电源系统。砷化镓多结电池的主流结构是由GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池，电池结构上整体保持晶格匹配，带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。然而，对于太阳光光谱，这种三结电池的带隙组合并不是最佳的，由于GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，这种结构下Ge底电池吸收的太阳光谱能量比中电池和顶电池吸收的多出很多，Ge电池的短路电流最大可接近中电池和顶电池的两倍(V.Sabnis,H.Yuen,andM.Wiemer,AIPConf.Proc.1477(2012)14)，由于串联结构的电流限制原因，这种结构造成了很大一部分太阳光能量不能被充分转换利用，限制了电池性能的提高。

理论分析表明，半导体化合物四结和五结太阳能电池可以优化带隙组合，提高电池的光电转换效率，但是在材料选择上必须保持晶格匹配，这样才能保证外延材料的晶体质量。近些年来，研究者发现GaInNAs四元合金材料中，通过调节In和N的组分，并保持In组分约为N组分的3倍，就能使得GaInNAs的光学带隙达到0.9～1.4eV，并且与Ge衬底(或GaAs衬底)晶格匹配。因此，基于Ge衬底可以生长得到AlGaInP/AlGaInAs/Ga1-3yIn3yNyAs1-y/Ga1-3xIn3xNxAs1-x/Ge五结太阳能电池，该五结电池的带隙组合可调节为2.0～2.1/1.6～1.7/1.25～1.35/0.95～1.05/0.67eV，接近五结电池的最佳带隙组合，其地面光谱聚光效率极限可达50％，空间光谱极限效率可达36％，远远高于传统三结电池，这主要是因为相比于三结电池，五结电池可以更加充分地利用太阳光，提高电池的开路电压和填充因子。

然而，在GaInNAs材料的实际制备过程中，由于GaInNAs需要低温生长才能保证N原子的有效并入，材料中会同时引入大量的C原子，造成背景载流子浓度过高，影响少子扩散长度。此时，若GaInNAs材料层太厚，并不能形成对光生载流子的有效收集；若GaInNAs材料层太薄则不能将相应波段的光子完全吸收。因此，在GaInNAs材料层下面插入布拉格反射层(DBR)结构可以有效解决该问题，降低GaInNAs电池设计厚度。在结构设计中，可以通过调节DBR结构反射相应波段的太阳光，使初次没有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相当于变相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解决了少子扩散长度较小和吸收厚度要求之间的矛盾。另外，由于提供N原子的N源(一般是二甲基肼源)价格比一般的有机源都要高出很多，减小GaInNAs材料层厚度还可以降低电池的生产成本。

综上，含DBR结构的AlGaInP/AlGaInAs/Ga1-3yIn3yNyAs1-y/Ga1-3xIn3xNxAs1-x/Ge五结太阳能电池既可以满足五结电池的理论设计要求，又能解决实际制备过程中GaInNAs材料少子扩散长度较小的问题，还可以节约电池的生产成本，可最大程度地发挥五结电池的优势，提高电池效率。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出一种含DBR结构的五结太阳能电池，可以提高GaInNAs子电池收集效率，增加五结电池整体短路电流，而且可以减少GaInNAs子电池厚度，节约生产成本，最终发挥五结电池的优势，提高电池整体光电转换效率。