本發(fā)明涉及一種堆疊狀的多結(jié)太陽能電池。
背景技術(shù):
由patel等人所著的出版文獻(xiàn)“experimentalresultsfromperformanceimprovementandradiationhardeningofinvertedmetamorphicmulti-junctionsolarcells”(proceedingsof37thieeepvsc,西雅圖(2011年))已知反向變質(zhì)的四結(jié)太陽能電池(imm4j),其具有大約34%(am0)的壽命初期(beginning-of-life,bol)有效作用系數(shù)和與商業(yè)上通用的三結(jié)太陽能電池相比相對(duì)小的大約82%的壽命末期(end-of-life,eol)剩余系數(shù)。在此,與太陽能電池相對(duì)于太陽的使用和定向相比,在生長(zhǎng)襯底上的外延沉積以相反的順序(反向地)進(jìn)行。
此外,由bolsvert等人在proc.of35thieeepvsc,火奴魯魯,夏威夷,2010年,isbn:978-1-4244-5891-2中所著的出版文獻(xiàn)“developmentofadvancedspacesolarcellsatspectrolab”已知一種基于半導(dǎo)體鍵合技術(shù)的gainp/gaas/gainasp/gainas四結(jié)太陽能電池。
由dimroth等人在progr.photovolt:res.appl.2014;22:277-282中所著的出版文獻(xiàn)“waferbondedfour-junctiongainp/gaas/gainasp/gainasconcentratorsolarcellswith44.7%efficiency”也已知一種另外的四結(jié)太陽能電池。
在最后提到的兩篇出版文獻(xiàn)中,從inp襯底出發(fā),gainasp太陽能電池分別以大約1.0ev的能帶隙與晶格匹配地沉積。在第二沉積時(shí),以反向的順序在gaas襯底上制造具有較高的帶隙的上部的太陽能電池。整個(gè)多結(jié)太陽能電池的形成通過兩個(gè)外延晶片的直接的半導(dǎo)體鍵合、借助gaas襯底的隨后移除以及進(jìn)一步的過程步驟來進(jìn)行。
文獻(xiàn)cn103346191a描述了一種在襯底的兩個(gè)相對(duì)置的側(cè)上生成長(zhǎng)的四結(jié)太陽能電池。
然而,借助于鍵合過程的制造過程是成本密集的并且降低在制造時(shí)的生產(chǎn)率。
耐輻射性的優(yōu)化、尤其也對(duì)于非常高的輻射劑量的耐輻射性的優(yōu)化是發(fā)展未來的宇宙航行太陽能電池的重要目標(biāo)。除了提高壽命開始或者壽命初期(bol)的有效作用系數(shù)之外,目標(biāo)也在于提高壽命末期(eol)的有效作用系數(shù)。
此外,制造成本具有決定性的意義。在本發(fā)明的時(shí)間點(diǎn)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過與晶格匹配的和變質(zhì)的gainp/gainas/ge三結(jié)太陽能電池給出。為此,通過gainp上部電池和gainas中部電池在相對(duì)于inp襯底成本有利的ge襯底上的沉積來制造多結(jié)太陽能電池,其中,ge襯底構(gòu)成下部電池。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
在此背景下,本發(fā)明的任務(wù)在于,說明一種擴(kuò)展現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備。
該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的堆疊狀的多結(jié)太陽能電池解決。本發(fā)明的有利構(gòu)型是從屬權(quán)利要求的主題。
根據(jù)本發(fā)明的主題,提供一種堆疊狀的多結(jié)太陽能電池,其包括:至少三個(gè)子電池,其中,所述三個(gè)子電池中的每一個(gè)具有發(fā)射極和基極,其中,所述第一子電池包括由具有至少元素gainp的化合物制成的第一層,并且所述第一層的能帶隙大于1.75ev,并且所述第一層的晶格常數(shù)位于
不言而喻地,堆疊狀的多結(jié)太陽能電池單片式地構(gòu)造。應(yīng)指出,在多結(jié)太陽能電池的太陽能電池的每一個(gè)中發(fā)生光子的吸收并且由此發(fā)生載流子的生成,其中,太陽光總是首先穿過具有最大帶隙的子電池入射。換言之,太陽能電池堆疊借助最上部的子電池首先吸收光的短波份額。在此,即光子首先流經(jīng)第一子電池,接著流經(jīng)第二子電池并且然后流經(jīng)第三子電池。在等效電路圖中,多結(jié)太陽能電池的各個(gè)太陽能電池串聯(lián)連接,即具有最小電流的子電池進(jìn)行限制地起作用。
也應(yīng)指出,術(shù)語發(fā)射極和基極或者理解為在相應(yīng)的子電池中的p型摻雜的層或者n型摻雜的層。
不言而喻地,半導(dǎo)體層通過如例如movpe這樣的外延方法沉積在生長(zhǎng)襯底上。對(duì)于第一子電池和第二子電池或者對(duì)于第一層和第二層列舉的晶格常數(shù)范圍基本上相當(dāng)于gaas襯底的或者ge襯底的晶格常數(shù)。換言之,各個(gè)子電池的層的沉積至少可看作是相對(duì)于襯底粗略地晶格匹配的。當(dāng)前,在此討論子電池在制造過程期間的反向布置——所謂的imm(反向變質(zhì)的)電池堆疊,即首先制造具有較高的帶隙的電池。
意外地,研究已經(jīng)表明,沉積在gaas或者ge襯底上的子電池(只要所述子電池至少主要地或者完全地由由gainasp制成的化合物制成)與由由gaas或者gainas制成的化合物制成的子電池相比具有更高的耐輻射性。
到目前為止,gainasp子電池的應(yīng)用對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯得不恰當(dāng),因?yàn)樗脑猤ainasp的沉積與gaas或者gainas相比在技術(shù)上困難得多,此外,子電池的能帶隙由于磷的添加而提高。另外,在技術(shù)上更困難指的是,反應(yīng)器中的流必須由至少四個(gè)源來控制并調(diào)節(jié)。
然而,另外的研究已經(jīng)表明,由于在反向變質(zhì)的電池結(jié)構(gòu)中的磷引起的帶隙的提高可通過變質(zhì)的緩沖區(qū)的在較高的銦含量方面的匹配來補(bǔ)償。另一種可能性在于布置在gainasp子電池下方的一個(gè)(多個(gè))子電池的一個(gè)(多個(gè))能帶隙的提高——例如通過對(duì)這些子電池也使用gainasp,通過所述提高可以獲得用于多結(jié)太陽能電池的子電池的合適的帶隙組合。
意外地,根據(jù)多結(jié)太陽能電池的準(zhǔn)確成形也可以接受通過使用gainasp子電池引起的bol有效作用系數(shù)的略微的降低,其方式是,基于一個(gè)(多個(gè))gainasp子電池的較高的輻射穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)eol有效作用系數(shù)的顯著提高。
不言而喻地,所說明的磷含量尤其與v族原子的總含量有關(guān)。相應(yīng)地,所說明的銦含量與iii族原子的總含量有關(guān)。也即,在ga1-xinxas1-ypy化合物中,銦含量為值x且磷含量為值y,并且由此對(duì)于50%的磷含量得出0.5的y值。
應(yīng)指出,借助術(shù)語“半導(dǎo)體鍵合”尤其包括,在太陽能電池堆疊的兩個(gè)任意的子電池之間也不構(gòu)造直接的半導(dǎo)體鍵合,也即太陽能電池堆疊不由已被沉積在不同的襯底上并且后來通過半導(dǎo)體鍵合接合的兩個(gè)子堆疊制造。
具有由gainp制成的發(fā)射極并且具有空間電荷區(qū)和/或由gainas制成的基極的所謂的異質(zhì)太陽能電池(hetero-solarzelle)不被認(rèn)為是具有由具有至少元素gainasp的化合物制成的層的第二和/或第三子電池。然而,具有由gainp制成的發(fā)射極并且具有空間電荷區(qū)和/或由gainasp制成的基極的異質(zhì)太陽能電池被認(rèn)為是具有由具有至少元素gainasp的化合物制成的層的第二和/或第三子電池。
在一種擴(kuò)展方案中,所述第一層的晶格常數(shù)和/或所述第二層的晶格常數(shù)位于
在另一種擴(kuò)展方案中,所述第一層的晶格常數(shù)和/或所述第二層的晶格常數(shù)位于
在一種實(shí)施方式中,所述第一層的晶格常數(shù)與所述第二層的晶格常數(shù)相差小于0.2%。優(yōu)選地,所述第三層的晶格常數(shù)大于
在一種擴(kuò)展方案中,所述兩個(gè)層中的至少一個(gè)由具有至少元素gainasp的化合物制成并且優(yōu)選具有小于35%的磷含量。
在一種實(shí)施方式中,兩個(gè)層具有大于0.4μm或者大于0.8μm的厚度。
在另一種實(shí)施方式中,第二子電池或者第三子電池的所述兩個(gè)層由具有至少元素gainasp的化合物制成并且具有大于1%的磷含量和大于1%的銦含量。
在一種擴(kuò)展方案中,設(shè)有第四子電池,其中,所述第四子電池包括由具有至少元素gainas的化合物制成的第四層,并且所述第四層的能帶隙比所述第三層的能帶隙小至少0.15ev,并且所述第四層的厚度大于100nm,并且所述第四層構(gòu)造為發(fā)射極的一部分和/或基極的一部分和/或位于發(fā)射極和基極之間的空間電荷區(qū)的一部分。
在另一種擴(kuò)展方案中,第四層由具有至少元素gainasp的化合物制成并且具有大于1%和小于35%的磷含量和大于1%的銦含量。
在一種實(shí)施方式中,半導(dǎo)體鏡構(gòu)造在兩個(gè)子電池之間,和/或,所述半導(dǎo)體鏡布置在具有最低的能帶隙的最下部的子電池下方。
在一種擴(kuò)展方案中,所述第一子電池的第一層由具有至少元素algainp的化合物制成。優(yōu)選地,多結(jié)太陽能電池不具有g(shù)e子電池。
在一種實(shí)施方式中,變質(zhì)的第二緩沖區(qū)構(gòu)造在第三子電池和第四子電池之間。
在另一種實(shí)施方式中,多結(jié)太陽能電池具有第五子電池。
在一種擴(kuò)展方案中,多結(jié)太陽能電池具有至少四個(gè)子電池,其中,所述第三層由具有至少元素gainasp的化合物制成并且具有大于50%的磷含量,并且所述多結(jié)太陽能電池具有恰好一個(gè)變質(zhì)的緩沖區(qū),和/或,所述第四層的晶格常數(shù)與所述第三層的晶格常數(shù)相差小于0.3%。
附圖說明
以下參照附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明。在此,同類的部分標(biāo)有相同的附圖標(biāo)記。所示出的實(shí)施方式是強(qiáng)烈地示意性的,即間距和橫向延展和豎向延展不是按比例的,并且只要不另作說明,它們也不具有可推導(dǎo)出的相對(duì)于彼此的幾何關(guān)系。在此示出:
圖1a示出在第一替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為三結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面,
圖1b示出在第二替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為三結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面,
圖1c示出在第三替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為三結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面,
圖2a示出在第一替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面,
圖2b示出在第二替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面,
圖2c示出在第三替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面。
圖2d示出在第四替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面。
具體實(shí)施方式
圖1a的圖示出堆疊狀的單片式多結(jié)太陽能電池ms的根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的橫截面,以下將堆疊的各個(gè)太陽能電池稱作子電池。多結(jié)太陽能電池ms具有第一子電池sc1,其中,第一子電池sc1由gainp化合物制成并且具有整個(gè)堆疊的在1.75ev以上的最大帶隙。在第一子電池sc1下方布置有由gainasp化合物制成的第二子電池sc2。第二子電池sc2比第一子電池sc1具有更小的帶隙。在第二子電池sc2下方布置有由ingaas化合物制成的第三子電池sc3,其中,第三子電池sc3具有最小的帶隙。在此,第三子電池sc3具有小于1.25ev的能帶隙。
在第二子電池sc2和第三子電池sc3之間構(gòu)造有變質(zhì)的緩沖區(qū)mp1。緩沖區(qū)mp1由多個(gè)未詳細(xì)地示出的層制成,其中,在緩沖區(qū)mp1之內(nèi)的晶格常數(shù)從緩沖區(qū)mp1的層到層朝第三子電池sc3方向通常減小。當(dāng)?shù)谌与姵豷c3的晶格常數(shù)與第二子電池sc2的晶格常數(shù)不一致時(shí),緩沖區(qū)mp1的導(dǎo)入是有利的。
不言而喻地,在各個(gè)子電池sc1、sc2和sc3之間分別構(gòu)造有隧道二極管(未示出)。
也不言而喻地,三個(gè)子電池sc1、sc2和sc3的每一個(gè)分別具有發(fā)射極和基極,其中,第二子電池sc2的厚度大于0.4μm地構(gòu)造。
第一子電池sc1的晶格常數(shù)和第二子電池sc2的晶格常數(shù)彼此匹配或者相互一致。換言之,子電池sc1和sc2彼此“晶格匹配”。
通過第一子電池sc1的帶隙大于第二子電池sc2的帶隙且第二子電池sc2的帶隙大于第三子電池sc3的帶隙的方式,日照穿過第一子電池sc1的表面地發(fā)生。
圖1b示出在第二替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為三結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對(duì)于與圖1a相關(guān)聯(lián)地示出的實(shí)施方式的區(qū)別。據(jù)此,第二子電池sc2由gaas化合物制成且第三子電池sc3由gainasp化合物制成。
圖1c示出在第三替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為三結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對(duì)于與圖1a相關(guān)聯(lián)地示出的實(shí)施方式的區(qū)別。據(jù)此,第二子電池sc2和第三子電池sc3分別由gainasp化合物制成。
圖2a示出在第一替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對(duì)于與圖1a相關(guān)聯(lián)地示出的實(shí)施方式的區(qū)別。在第三子電池sc3下方構(gòu)造有由gainas化合物制成的第四子電池sc4。第四子電池sc4的和第三子電池sc3的晶格常數(shù)彼此匹配或者相互一致。
第四子電池sc4比第三子電池sc3具有更小的帶隙。
圖2b示出在第二替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對(duì)于之前的實(shí)施方式的區(qū)別。第二子電池sc2由gaas化合物制成并且第三子電池sc3從現(xiàn)在起由ingaasp化合物制成。
圖2c示出在第三替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對(duì)于在圖2a中示出的實(shí)施方式的區(qū)別。第三子電池sc3由gainasp化合物制成。
圖2d示出在第四替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結(jié)太陽能電池的實(shí)施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對(duì)于在圖2a中所示出的實(shí)施方式的區(qū)別。第三子電池sc3和第四子電池sc4分別由gainasp化合物制成。