买专利卖专利找龙图腾，真高效！ 查专利查商标用IPTOP,全免费！专利年费监控用IP管家,真方便！

申请/专利权人：中山德华芯片技术有限公司

摘要：本发明公开了一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构，为叠置于晶格渐变缓冲层之上的GaInNAsAlGaInAs周期结构，由GaInNAs、AlGaInAs两种合金材料组成，GaInAs子电池叠置于该GaInNAsAlGaInAs周期结构之上，GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs折射率较AlGaInAs折射率高，且GaInNAs与AlGaInAs之间及GaInNAs与GaInAs子电池的基区材料GaInAs之间存在晶格失配，失配度不超过3％，这种应变补偿结构有助于应力的释放和位错滑移。本发明可以降低失配引入的外延层中的缺陷密度，提高材料质量，可以提升GaInAs子电池抗辐照性能，增加电池的整体短路电流、开路电压、填充因子等技术指标，提高电池整体光电转换效率。

主权项：1.一种应用于晶格失配多结太阳能电池的DBR结构，其特征在于：所述DBR结构为叠置于晶格失配多结太阳能电池的晶格渐变缓冲层之上的GaInNAsAlGaInAs周期结构，由GaInNAs、AlGaInAs两种合金材料组成，晶格失配多结太阳能电池的GaInAs子电池叠置于该GaInNAsAlGaInAs周期结构之上，其中，所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs折射率较AlGaInAs折射率高，且GaInNAs与AlGaInAs之间及GaInNAs与GaInAs子电池的基区材料GaInAs之间存在晶格失配，失配度不超过3％，这种应变补偿结构有助于应力的释放和位错滑移；所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs和AlGaInAs厚度设计遵循公式：式中，d为厚度，λ为预计反射波段的中心反射波长，n为对应材料的折射率；所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的反射波长范围为λ～1200nm，λ由电池结数决定，周期在5～25对范围内。

全文数据：一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构技术领域本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构。背景技术随着现代工业技术的发展，世界范围内的能源危机和环境污染问题日益突出，太阳能作为清洁并且可再生能源逐渐得到各国重视。从光伏发电技术的发展史来看，太阳能电池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多结太阳能电池。目前，商用单晶硅电池的转化效率约为16％～20％，多晶硅电池约为14％～16％；GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInPGaInAsGe三结太阳能电池作为传统砷化镓多结电池的主流结构，500倍聚光下转化效率超过41％，远高于晶硅电池，并且具有进一步提升的空间。传统三结电池结构上整体保持晶格匹配，带隙组合为1.851.400.67eV。然而，对于太阳光光谱，这种电池的带隙并不是最佳组合，由于GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，这种结构下底电池电流远大于中电池和顶电池，由于底中顶三结子电池是串联在一起的，根据串联结构的电流机制，电流由三个子电池中电流最小的决定，这种结构造成了很大一部分太阳光能量损失，限制了电池性能的提高。理论分析表明，为了提高三结电池光电转换效率，需要降低中电池和顶电池吸收区域的带隙，让中电池和顶电池吸收更多的光，从而提高中、顶子电池电流降低底电池电流，最终可以实现电流匹配的三结太阳能电池。据此分析，提出了晶格失配结构的MMMetramorphic结构太阳能电池，由于失配材料在外延生长过程中产生大量穿透位错，位错本身是一种缺陷，缺陷复合导致电池性能严重降低，因此必须降低外延层中的穿透位错。目前国内外常用的方法是采用能释放应力的渐变缓冲一般是InGaAs或者GaInP材料连接晶格失配的Ge衬底和InGaAs材料。MM结构三结电池最先应用于CPV市场，其转换效率可达42％以上；近些年来，MM结构三结电池产品应用于空间电池，转换效率可达32％以上，并且其辐照后衰减可达常规三结电池的水平，即效率衰减低于18％，优势远高于其它类光伏电池产品。但中顶子电池中仍存在不可忽视的穿透位错密度，为了满足航天科技发展不断提出的高要求，材料晶体质量及其抗辐照性能有待进一步提高。大量辐照实验结果表明，GaInAs子电池的抗辐照性能较GaInP子电池差很多，有分析认为其原因在于As原子半径较大，高能粒子辐照后其位置不易复原导致。而布拉格反射层DBR对于抗辐照性能的提升有显著效果。例如，在中子电池下面设置DBR，通过调节DBR结构反射相应波段的太阳光，使第一次没有被GaInAs材料所吸收的光子反射回去被二次吸收，相当于变相地增加了GaInAs的有效吸收厚度，可以有效降低GaInAs子电池设计厚度，有利于提高抗辐照性能。近些年来，研究者发现在GaInNAs四元合金材料中，由于替位N原子之间有较高键能和较小的共价半径，具有很好的可塑性和使薄膜硬化的效果，对于过滤位错有极好的作用。将此材料应用于MMMetamorphic结构电池中，起到位错阻挡层的作用，使得穿透位错等缺陷改纵向为横向传播同时应力得以释放。这样，中、顶子电池的穿透位错大幅减少，外延层的晶体质量得到提升。另外，经理论研究与实验证明，在GaAs材料中同时掺入少量的In和N形成Ga1-xInxNyAs1-y四元合金材料，通过调节x和y，能够得到不同折射率的GaInNAs材料，并且与GaInAs晶格匹配。另有研究表明，相毗邻的半导体材料之间的晶格常数存在0.05％～5％的差异，此差异产生的张应力和压应力得以相互补偿，而不会对外延层晶体质量产生明显影响，最重要的是受张应力和压应力作用的材料之间形成的界面可以使穿透位错的传播方向随着应力的释放向水平方向发生偏转，因此，将DBR设计为应变补偿的周期结构，提高少数载流子的收集同时也可以很好地发挥位错阻挡层的作用。综上，这种GaInNAsAlGaInAs材料组成的应变补偿结构DBR引入到MM结构多结太阳能电池既可以满足带隙优化要求，又能提升电池的抗辐照性能，还可以改善穿透位错导致的外延晶体质量变差的问题，可最大程度地发挥MM结构多结电池的优势，提高电池效率。发明内容本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构，可以降低失配引入的外延层中的缺陷密度，提高材料质量，可以提升GaInAs子电池抗辐照性能，增加电池的整体短路电流、开路电压、填充因子等技术指标，提高电池整体光电转换效率。为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构，所述DBR结构为叠置于晶格失配多结太阳能电池的晶格渐变缓冲层之上的GaInNAsAlGaInAs周期结构，由GaInNAs、AlGaInAs两种合金材料组成，晶格失配多结太阳能电池的GaInAs子电池叠置于该GaInNAsAlGaInAs周期结构之上，其中，所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs折射率较AlGaInAs折射率高，且GaInNAs与AlGaInAs之间及GaInNAs与GaInAs子电池的基区材料GaInAs之间存在晶格失配，失配度不超过3％，这种应变补偿结构有助于应力的释放和位错滑移。进一步，所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs和AlGaInAs厚度设计遵循公式：式中，d为厚度，λ为预计反射波段的中心反射波长，n为对应材料的折射率。进一步，所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的反射波长范围为λ～1200nm，λ由电池结数决定，周期在5～25对范围内。进一步，所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs和AlGaInAs两种材料的晶格常数不严格匹配，失配度在0.01％～3％范围内。进一步，所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的X-ray衍射摇摆曲线应与GaInAs子电池的基区摇摆曲线重合。本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、GaInNAs材料具有刚性特质，与AlGaInAs组合成DBR应用到MM结构多结太阳能电池中，提高光子吸收的同时可过滤缺陷，发挥位错阻挡层作用。2、将组成DBR的GaInNAs和AlGaInAs设计为应变补偿结构，可释放晶格失配引入的应力，受张应变和压应变作用的界面有助于穿透位错横向滑移，进一步降低位错密度。3、DBR结构引入多结太阳能电池，有助于提升电池的抗辐照性能。4、GaInNAs材料背景掺杂浓度较高，可达1×1017，由其构成的DBR结构掺杂易满足电池设计要求。采用本发明制作的三结MM结构太阳能电池能够在电池设计上保持电流匹配，并通过引入具有GaInNAs材料的DBR反射层增加GaInAs子电池电流，减小其厚度使得GaInAs子电池抗辐照性能大幅提升，改善有源区晶体质量，提高电池的光电转换性能。根据分析，在AM0空间光谱下，相比没有DBR反射层结构的三结MM结构电池，本发明制作的MM三结电池短路电流Jsc可以达到19.2mAcm2，转换效率达到32.52％，光电性能得到明显提高如表1。表1AM0条件下，无DBR反射层和有DBR反射层的三结MM结构太阳能电池光电性能分析电池类型JscmAcm2VocmV填充因子FF效率传统DBR18.526720.84530.94％新型DBR19.226900.8532.52％经过分析对比，采用本发明制作的三结MM太阳能电池，较传统DBR，抗辐照性能也有明显改善，在AM0光谱下的转换效率提升幅度可达到5.13％如表2，可大幅提高空间电源的输出功率。表2采用传统DBR、新型DBR的MM结构三结电池在AM0空间光谱下的抗辐照性能分析附图说明图1为采用新型DBR结构的晶格失配三结太阳能电池的结构示意图。具体实施方式为进一步说明本发明的内容，以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细描述。如图1所示，本实施例所提供的晶格失配三结太阳能电池，包括有Ge衬底1，所述Ge衬底为p型Ge单晶片；在所述Ge衬底1上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaInP成核层2、GaInAs缓冲层3、第一隧穿结4、晶格渐变缓冲层5、DBR结构6、GaInAs子电池7、第二隧穿结8和GaInP子电池9；其中，所述DBR结构6为GaInNAsAlGaInAs周期结构，由GaInNAs、AlGaInAs两种合金材料组成，GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs折射率较AlGaInAs折射率高，且GaInNAs与AlGaInAs之间及GaInNAs与GaInAs子电池的基区材料GaInAs之间存在晶格失配，失配度不超过3％，这种应变补偿结构有助于应力的释放和位错滑移，而在本实施例设计GaInNAs材料相较基区材料GaInAs为压应力失配，AlGaInAs材料较基区材料GaInAs为张应力失配，失配度0.5％；GaInNAs和AlGaInAs厚度设计遵循公式：式中，d为厚度，λ为预计反射波段的中心反射波长，n为对应材料的折射率；所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的反射波长范围为λ～1200nm，λ由电池结数决定，周期在5～25对范围内，而在本实施例GaInNAsAlGaInAs周期结构的反射波长范围为750～950nm，GaInNAsAlGaInAs组合层的对数为12对；所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs和AlGaInAs两种材料的晶格常数不严格匹配，失配度在0.01％～3％范围内；所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的X-ray衍射摇摆曲线应与GaInAs子电池的基区摇摆曲线重合。所述GaInP成核层2、GaInAs缓冲层3、第一隧穿结4均与Ge衬底1保持晶格匹配。所述GaInP成核层2为n型掺杂层，电子浓度为2×1018cm3,厚度为10nm。所述GaInAs缓冲层3为n型掺杂层，电子浓度为4×1018cm3,厚度为500nm。所述晶格渐变缓冲层5由In组分逐渐增加的GaInAs构成，为n型掺杂层，电子浓度为2×1018cm3,厚度为1000nm。所述第一隧穿结4为p-AlGaInAsn-GaInP结构，其中p-AlGaInAsn-GaInP的厚度均为10nm。所述GaInAs子电池7中电池总厚度为1800nm，GaInAs材料的光学带隙为1.25eV。所述第二隧穿结8为p-AlGaInAsn-GaInP结构，其中p-AlGaInAsn-GaInP的厚度均为10nm。所述GaInp子电池9中电池总厚度为800nm，GaInP子电池材料的光学带隙为1.85eV。综上所述，本发明结合GaInNAs材料自身特点，将GaInNAsAlGaInAs材料组成的应变补偿结构DBR引入到MM结构多结太阳能电池既可以满足带隙优化要求，又能提升电池的抗辐照性能，还可以解决穿透位错导致的外延晶体质量变差的问题。总之，本发明可以更加充分地利用太阳光能量，提高晶格失配结构多结电池的光电转换效率，具有实际应用价值，值得推广。以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

权利要求：1.一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构，其特征在于：所述DBR结构为叠置于晶格失配多结太阳能电池的晶格渐变缓冲层之上的GaInNAsAlGaInAs周期结构，由GaInNAs、AlGaInAs两种合金材料组成，晶格失配多结太阳能电池的GaInAs子电池叠置于该GaInNAsAlGaInAs周期结构之上，其中，所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs折射率较AlGaInAs折射率高，且GaInNAs与AlGaInAs之间及GaInNAs与GaInAs子电池的基区材料GaInAs之间存在晶格失配，失配度不超过3％，这种应变补偿结构有助于应力的释放和位错滑移。2.根据权利要求1所述的一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构，其特征在于：所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs和AlGaInAs厚度设计遵循公式：式中，d为厚度，λ为预计反射波段的中心反射波长，n为对应材料的折射率。3.根据权利要求1所述的一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构，其特征在于：所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的反射波长范围为λ～1200nm，λ由电池结数决定，周期在5～25对范围内。4.根据权利要求1所述的一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构，其特征在于：所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的GaInNAs和AlGaInAs两种材料的晶格常数不严格匹配，失配度在0.01％～3％范围内。5.根据权利要求1所述的一种应用于晶格失配多结太阳能电池的新型DBR结构，其特征在于：所述GaInNAsAlGaInAs周期结构的X-ray衍射摇摆曲线应与GaInAs子电池的基区摇摆曲线重合。

百度查询： 中山德华芯片技术有限公司 一种应用于晶格失配多结太阳能电池的DBR结构