[发明专利]在中间电池中具有低带隙吸收层的多结太阳能电池和其制备方法

说明书

政府权利声明

本发明是在合同号NRO000-10-C-0285下借助政府支持来获得的。政府在本发明中具有一定权利。

技术领域

本发明涉及太阳能电池和太阳能电池的制造，且更具体来说涉及基于III-V半导体化合物的多结太阳能电池中的中间电池的设计和规范。

背景技术

来自光伏电池(也称作太阳能电池)的太阳能主要是由硅半导体技术来提供。然而，在过去几年中，用于太空应用的III-V化合物半导体多结太阳能电池的大规模制造加快了所述技术的研发，其不仅用于太空应用而且用于地面太阳能应用。与硅相比，III-V化合物半导体多结装置具有更高能量转换效率和一股更高辐射电阻，但其制造往往更复杂。典型市售III-V化合物半导体多结太阳能电池在一个太阳照明(气团0(AM0))下具有超过27％的能量效率，而即使最有效的硅技术在相当条件下一股仅达到约18％的效率。在高太阳浓度(例如，500×)下，市售III-V化合物半导体多结太阳能电池在地面应用(在AM1.5D下)中的能量效率超过37％。III-V化合物半导体太阳能电池与硅太阳能电池相比较高的转换效率部分是基于通过使用具有不同带隙能量的多个光伏打区域达成入射辐射的光谱分裂并从每一区域积累电流的能力。

在卫星和其它太空相关应用中，卫星动力系统的大小、质量和成本取决于所用太阳能电池的功率和能量转换效率。换句话说，机载设施的净荷大小和可用度与所提供功率的量成比例。因此，随着净荷变得更复杂，太阳能电池的功率重量比变得越来越重要，且人们对更轻的重量越来越关注，“薄膜”型太阳能电池同时具有高效率和低质量。

将太阳能(或光子)转换为电能的能量转换效率取决于多种因素，例如太阳能电池结构的设计、半导体材料的选择和每个电池的厚度。简单来说，每个太阳能电池的能量转换效率取决于太阳光谱中可用日光的最适度利用。因此，半导体材料中的日光吸收特征(也称作光伏打性质)对确定达成最适度能量转换的最有效半导体至关重要。

多结太阳能电池是由太阳能子电池的垂直或堆叠序列形成，每一子电池由适宜半导体层形成且包括p-n光活性结。每一子电池经设计以将不同光谱或波长带中的光子转换为电流。在日光射在太阳能电池正面上且光子通过子电池后，波长带中在一个子电池区域中未被吸收并转换为电能的光子传播到下一个子电池，其中打算捕获所述光子并将其转换为电能，假定下游子电池经设计用于具体波长或能量带的光子。

多结太阳能电池的能量转换效率受诸如以下等因素影响：子电池数目、每一子电池的厚度以及每一子电池的能带结构、电子能级、传导和吸收。诸如短路电流密度(J_sc)、开路电压(V_oc)和填充因数等因素也很重要。

在选择用于太阳能电池的半导体层时，一个重要的机械或结构考虑因素是太阳能电池中相邻半导体材料层的需要，即沉积并生长以形成太阳能子电池的每一结晶半导体材料层具有类似晶格常数或参数。

多种III-V装置(包括太阳能电池)是通过III-V化合物半导体在相对较厚衬底上的薄层外延生长来制造。衬底通常为Ge、GaAs、InP或其它块状材料，其用作形成沉积外延层的模板。外延层中的原子间距或晶格常数一股会与衬底一致，因此外延材料的选择将受限于那些晶格常数与衬底材料类似的材料。图1显示各种III-V二元材料与常用衬底材料的带隙之间的联系。三元III-V半导体合金的特征也可通过参考二元材料对之间的实线从所述图来推断，例如，InGaAs合金的特征表示为GaAs与InAs之间的线，这取决于在所述三元合金中发现的In的百分比。

假定Ge或GaAs衬底，与具有预定原子间距的外延层相关的晶格失配的量展示于下表1中。

表1

太阳能电池中相邻半导体层之间的晶格常数失配造成晶体中的缺陷或位错，其又导致光伏打效率因不期望的现象(称作开路电压、短路电流和填充因数)而下降。

能量转换效率(即太阳能电池上的给定量或通量的入射光子产生的电功率的量)是通过所得电流和电压(称作光电流和光电压)来测量。如果半导体装置的每个太阳能电池结都电流匹配，换句话说，多结装置中每个太阳能子电池的电特征使得每个子电池产生的电流都相同，那么可改良聚集的光电流流动。