[发明专利]用于光伏电池和其他光吸收装置的啁啾分布式布拉格反射器

说明书

诸如多结光伏电池的半导体光吸收装置包括在结下方的啁啾分布式布拉格反射器。啁啾分布式布拉格反射器在大波长范围内提供高反射率，并且具有改进的角容差，以便在大波长范围和入射角上在上覆结内提供增加的吸收。

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2018年3月12日提交的第62/641,482号美国临时申请的优先权，该申请通过引用清楚地并入本文。

技术领域

本发明涉及具有啁啾分布式布拉格反射器的半导体光吸收装置，具体地，涉及具有设置在结下方的啁啾分布式布拉格反射器的多结光伏电池。啁啾分布式布拉格反射器在宽波长范围内提供高反射率，以及具有改进的角度容限，以便在较宽的波长范围和入射角内在装置内提供增加的吸收。

背景技术

已知主要基于III-V化合物半导体材料的多结光伏电池产生最高效率的电池，使得该电池非常适合地面应用，诸如聚光光伏(CPV)系统和空间应用。如图1和图2A-2D所示，多结光伏电池(100)包括串联连接的多个二极管，在本领域中称为结(图1中106、107和108)，其通过在半导体基底上的堆叠部中生长薄外延区来实现。堆叠部中的每个结均具有唯一的带隙，以及优化用于吸收太阳光谱的不同部分，从而提高太阳能转换的效率。这些结可从具有不同光学和电学特性的各种半导体材料中选择，以吸收太阳光谱的不同部分。这些材料布置成使得结的带隙从顶部结(106)到底部结(108)逐渐变低。因而，在顶部结中吸收高能光子，而能量较低的光子通过顶部结到达较低的结，在该较低的结中，吸收低能量光子。在每个结中，产生电子-空穴对，以及在光伏电池(图1中的2和52)的欧姆接触处收集电流。用于形成结的半导体材料包括例如锗和元素周期表第III族和第V族的一种或多种元素的合金。这些合金的示例包括磷化铟镓、磷化铟、砷化镓、砷化铝镓、砷化铟镓、锑化镓、磷化铟和稀氮化物化合物。对于三元和四元化合物半导体，可使用大范围的合金比率。在相邻电池之间使用隧道结来使电池互连。

将稀氮化物作为光伏电池材料是有利的，因为晶格常数可变化，以匹配由除了稀氮化物之外的半导体材料形成的大范围的基底和/或结。因为稀氮化物提供高质量的、晶格匹配的且带隙可调的结，因而包含稀氮化物结的光伏电池可在工业标准基底上实现高转换效率。效率的提高很大程度上是由于较少的光能作为热而损失，因为附加结允许更多的入射光子由带隙更接近入射光子能量的半导体材料吸收。另外，与其它光伏电池相比，由于工作电流较低，因而在这些多结光伏电池中将存在较低的串联电阻损耗。在较高的阳光浓度下，降低的串联电阻损失变得更加显著。根据底部结的带隙，光伏光谱中的较大范围的光子收集也可有助于提高效率。稀氮化物材料也可用作红外光电探测器中的吸收体层。

稀氮化物的示例包括GaInNAsSb、GaInNAsBi、GaInNAsSbBi、GaNAsSb、GaNAsBi和GaNAsSbBi。稀氮化物的晶格常数和带隙可通过不同第IIIA族和第VA族元素的相对分数来控制。另外，通过选择特定晶格常数和带隙周围的组成，同时将总锑和/或铋含量限制在例如不超过第V族晶格位置的20％，可获得高质量的材料。锑和铋被认为是促进III-ASNV稀氮化物合金的平滑生长形态的表面活性剂。因而，通过调整稀氮化物材料的组成(即，元素和量)，可获得大范围的晶格常数和带隙。可调整带隙和成分，使得由光伏电池中的稀氮化物结产生的短路电流密度将与光伏电池中的其它结中的每一个的短路电流密度相同或略大于光伏电池中的其它结中的每一个的短路电流密度。还可调整稀氮化物的带隙和组成，从而为光电检测器提供改进的检测器响应性。

具有最低电流的光伏电池中的结是限流结，并且限制装置中的最大电流，从而降低效率。低电流可由光吸收系数较弱的电池产生，或由载流子收集或寿命终止问题需要薄结的结产生。因此，需要增加这种结内的吸收，并因而增加由结产生的电流。

已经提出分布式布拉格反射器(DBR)来改善多结光伏电池中的结的性能。结下方的DBR可设计成将未吸收的光反射回结中，反射的光可被吸收，并有助于改善电流的产生。