《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》是廈門乾照光電有限公司於2008年10月27日申請的專利，該專利的申請號為2008100720257，公布號為CN101388419，授權公布日為2009年3月18日，發明人是張銀橋、蔡建九、張雙翔、王向武。
《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》公開一種具有反射層的三結太陽電池及其製造方法。在P－Ge襯底上生長形成包含兩套布拉格反射層（DBR）的三結太陽電池的半導體材料層；兩套布拉格反射層（DBR）是一套用於反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷AlGaInP頂電池反射層和一套用於反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁鎵砷AlGaAs中電池反射層。此結構可以減少電池的厚度，減小非平衡載流子的自由程，提高光電轉換效率。
2016年12月7日，《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：具有反射層的三結太陽電池及其製造方法
- 公布號：CN101388419
- 授權日：2009年3月18日
- 申請號：2008100720257
- 申請日：2008年10月27日
- 申請人：廈門乾照光電有限公司
- 地址：福建省廈門市火炬高新區創業大廈108A
- 發明人：張銀橋、蔡建九、張雙翔、王向武
- Int.Cl.：H01L31/052(2006.01)I、H01L31/0232(2006.01)I、H01L31/18(2006.01)I
- 代理機構：廈門市新華專利商標代理有限公司
- 代理人：李寧
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
太陽能是新能源與可再生能源的一種，具有獨特的優勢和巨大的開發利用潛力，這一點已經得到了人們充分認識。通過轉換裝置直接把太陽輻射能轉換成電能，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉換的，太陽能光伏技術已經飛速發展。
截至2008年10月，以光伏技術為代表的光電轉換技術迅猛發展，新技術不斷出現，電池效率不斷提高。多結疊層光電池的研究更是令人振奮，聚光條件下GaInP/Ga（In）As/Ge[鎵銦磷/鎵（銦）砷/鍺]多結光電池的實驗室轉化效率已經突破了40％，高效率的電池受到廣泛重視。隨著空間科學技術的發展，太空飛行器的功率要求也越來越高。尤其是年代以後微小衛星和長壽命衛星的發展，對太陽電池的轉換效率和抗輻射能力提出了更高的要求。由於多結太陽電池具有高的轉換效率，能滿足空間套用的飛速發展，成為近年來太陽電池研究的熱點。
1990年，研製出AM（airmass，大氣質量，定義為1/cosφ，φ為太陽光線與法線的夾角）1.5效率為27.3％的GaInP/GaAs/Ge（鎵銦磷/砷化鎵/鍺）的雙結光電池。經過對電池結構和柵線的進一步改進，1994年，效率又提高到29.5％（AM1.5）。1997年，採用GaInP隧道結結構，GaInP/GaAs/Ge雙結光電池的AM1.5效率提高到30.28％。1998年，研製出效率為33.3％的整體級聯三結GaInP/GaAs/Ge光電池。此外人們還從理論上設計了4結和5結的疊層光電池，給出了多結光電池的理論效率、期望效率和實驗效率，但經過進展緩慢。造成這一結果的一個重要原因是，為了充分吸收太陽光，電池的材料厚度偏厚造成了非平衡載流子的自由程加大，嚴重降低了電池效率。並且，帶隙的調整也帶來了晶格常數的不匹配，內應力的存在使這種電池的可靠性下降。
有鑒於此，《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》發明人利用在太陽電池材料中生長兩套布拉格反射層（DBR），藉以通過增加光吸收的方法，減少電池的生長厚度，減小非平衡載流子的自由程，很好地提高光電轉換效率，該案由此產生。
發明內容
專利目的
《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》的目的在於提出一種具有反射層的三結太陽電池及其製造方法，以減少電池的厚度，減小非平衡載流子的自由程，提高光電轉換效率。
技術方案
《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》的解決方案是：
一種具有反射層的三結太陽電池，在P-Ge襯底上生長形成包含兩套布拉格反射層（DBR）的三結太陽電池的半導體材料層；兩套布拉格反射層（DBR）是一套用於反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷AlGaInP頂電池反射層和一套用於反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁鎵砷AlGaAs中電池反射層。
所述的三結太陽電池是採用金屬有機氣相沉澱技術在P-Ge襯底上依序生長P-Ge底電池基區、N-Ge底電池發射區、N-GaInP底電池視窗層、N-GaAs底中電池緩衝層、P-GaAs/N-GaAs底中電池隧穿結、P-AlAs/AlGaAs中電池反射層、P-AlGaAs中電池BSF（背電場）、P-InGaAs中電池基區、N-InGaAs中電池發射區、N-Al（Ga）InP或N-GaInP中電池視窗層、P-AlGaAs/N-GaInP中頂電池隧穿結、P-AlInP/AlGaInP頂電池反射層、P-AlGaInP頂電池BSF、P-（Al）GaInP頂電池基區、N-（Al）GaInP頂電池發射區、N-AlInP頂電池視窗層、N-GaAs帽層、N-GaAs接觸層。
所述AlInP/AlGaInP頂電池反射層的反射波長為380～500納米。
所述AlAs/AlGaAs中電池反射層的反射波長為600～880納米。
所述AlInP/AlGaInP頂電池反射層為2對～10對。所述AlAs/AlGaAs中電池反射層為15對～25對。對數少了起不到反射作用，多了會增加內電阻，影響填充因子，從而降低效率，因此必須進行最佳化，取得最佳的對數。
一種具有反射層的三結太陽電池的製造方法，在P-Ge襯底上利用金屬有機氣相沉澱MOCVD技術生長半導體材料層，步驟如下：
（1）在P-Ge襯底上面在500～700℃下進行P擴散，形成P-Ge底電池基區/N-Ge底電池發射區；
（2）再依序生長N-GaInP底電池視窗層、N-GaAs底中電池緩衝層、P-GaAs/N-GaAs底中電池隧穿結；
（3）接著，生長P-AlAs/AlGaAs中電池反射層；
（4）再依序生長P-AlGaAs中電池BSF、P-InGaAs中電池基區、N-InGaAs中電池發射區、N-Al（Ga）InP或N-GaInP作為中電池視窗層、P-AlGaAs/N-GaInP中頂電池隧穿結；
（5）然後，生長P-AlInP/AlGaInP作為頂電池反射層；
（6）再依序生長P-AlGaInP頂電池BSF、P-（Al）GaInP頂電池基區、N-（Al）GaInP頂電池發射區、N-AlInP頂電池視窗層、N-GaAs帽層和N-GaAs接觸層。
改善效果
採用上述方案後，《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》因為在三結太陽電池中增加兩套布拉格反射層（DBR），一套用於反射短波光子的頂電池反射層，提高頂電池的吸收效率，一套用於反射中波光子的中電池反射層，提高中電池的吸收效率，所以，該結構可減少頂電池厚度和中電池的厚度，從而大大減小非平衡載流子的自由程，提高轉換效率。
另一方面，兩套布拉格反射層（DBR）採用的材料分別為AlInP/AlGaInP和AlAs/AlGaAs，頂電池反射層採用的AlInP/AlGaInP禁頻寬度大於頂電池的禁頻寬度，可以大大減小頂電池反射層對短波光的吸收，同時這種頂電池反射層與頂電池是同一系列的材料，有利於材料的生長，中電池反射層採用的AlAs/AlGaAs禁頻寬度大於中電池的禁頻寬度，可以大大減小中電池反射層對中波光的吸收，同時這種中電池反射層與中電池是同一系列的材料，同樣有利於材料的生長。
附圖說明
圖1是《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》的結構示意圖。
技術領域
《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》屬於半導體技術領域，涉及套用於太空和地面的三結太陽電池的結構及其製造方法。
權利要求
1、具有反射層的三結太陽電池，其特徵在於：在P-Ge襯底上生長形成包含兩套布拉格反射層的三結太陽電池的半導體材料層；兩套布拉格反射層是一套用於反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷AlGaInP頂電池反射層和一套用於反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁鎵砷AlGaAs中電池反射層。
2、根據權利要求1所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在於：所述的三結太陽電池是採用金屬有機氣相沉澱技術在P-Ge襯底上依序生長P-Ge底電池基區、N-Ge底電池發射區、N-GaInP底電池視窗層、N-GaAs底中電池緩衝層、P-GaAs/N-GaAs底中電池隧穿結、P-AlAs/AlGaAs中電池反射層、P-AlGaAs中電池背電場、P-InGaAs中電池基區、N-InGaAs中電池發射區、N-Al（Ga）InP或N-GaInP中電池視窗層、P-AlGaAs/N-GaInP中頂電池隧穿結、P-AlInP/AlGaInP頂電池反射層、P-AlGaInP頂電池背電場、P-（Al）GaInP頂電池基區、N-（Al）GaInP頂電池發射區、N-AlInP頂電池視窗層、N-GaAs帽層、N-GaAs接觸層。
3、根據權利要求2所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在於：所述AlInP/AlGaInP頂電池反射層的反射波長為380～500納米。
4、根據權利要求2所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在於：所述AlAs/AlGaAs中電池反射層的反射波長為600～880納米。
5、根據權利要求2所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在於：所述AlInP/AlGaInP頂電池反射層為2對-10對。
6、根據權利要求2所述具有反射層的三結太陽電池，其特徵在於：所述AlAs/AlGaAs中電池反射層為15對-25對。
7、具有反射層的三結太陽電池的製造方法，其特徵在於：在P-Ge襯底上利用金屬有機氣相沉澱MOCVD技術生長半導體材料層，步驟如下：
（1）在P-Ge襯底上面在500～700℃下進行P擴散，形成P-Ge底電池基區/N-Ge底電池發射區；
（2）再依序生長N-GaInP底電池視窗層、N-GaAs底中電池緩衝層、P-GaAs/N-GaAs底中電池隧穿結；
（3）接著，生長P-AlAs/AlGaAs中電池反射層；
（4）再依序生長P-AlGaAs中電池背電場、P-InGaAs中電池基區、N-InGaAs中電池發射區、N-Al（Ga）InP或N-GaInP作為中電池視窗層、P-AlGaAs/N-GaInP中頂電池隧穿結；
（5）然後，生長P-AlInP/AlGaInP作為頂電池反射層；
（6）再依序生長P-AlGaInP頂電池背電場、P-（Al）GaInP頂電池基區、N-（Al）GaInP頂電池發射區、N-AlInP頂電池視窗層、N-GaAs帽層和N-GaAs接觸層。
實施方式
如圖1所示，是《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》揭示的一種具有反射層的三結太陽電池。在P-Ge襯底上生長形成包含兩套布拉格反射層（DBR）的三結太陽電池（底電池、中電池和頂電池）的半導體材料層。兩套布拉格反射層（DBR）是一套用於反射短波光子的鋁銦磷AlInP/鋁鎵銦磷AlGaInP頂電池反射層20和一套用於反射中波光子的砷化鋁AlAs/鋁鎵砷AlGaAs中電池反射層14。
具體結構和製造如下，各生長都是利用金屬有機氣相沉澱MOCVD技術。
在P-Ge襯底上面在500～700℃下進行P擴散，形成一個P-Ge底電池基區/N-Ge底電池發射區10。
由於用P擴散，採用N-GaInP作為底電池視窗層11。目的在於減少複合損失，並且採用材料利於底電池所吸收的光透過。
進一步沉積N-GaAs作為Buffer底中電池緩衝層12，在N-GaAs底中電池緩衝層12上生長P-GaAs/N-GaAs底中電池隧穿結13。所述的隧穿結作用是將底電池和中電池連線起來。
接著生長15-25對P-AlAs/AlGaAs作為中電池反射層14。其作用是反射中電池所要吸收的光。AlAs/AlGaAs中電池反射層14的反射波長通過調節AlAs/AlGaAs的厚度來調節，反射波長範圍通過AlGaAs的Al組分調節，把反射波長的範圍調節到600-880納米。
接著生長P-AlGaAs中電池BSF15。作用是使分界面附近的區域驅動少數載流子，從而減少複合損失。
再在P-AlGaAs中電池BSF15上生長P-InGaAs中電池基區16和N-InGaAs中電池發射區17。
並在N-InGaAs中電池發射區17上生長N-Al（Ga）InP或N-GaInP作為中電池視窗層18。目的在於減少複合損失，並且採用材料利於中電池所吸收的光透過。
在中電池視窗層18上生長P-AlGaAs/N-GaInP中頂電池隧穿結19。所述的中頂電池隧穿結19作用是將中電池和頂電池連線起來。
進一步生長2-10對P-AlInP/AlGaInP作為頂電池反射層20。其作用是反射頂電池所要吸收的光。P-AlInP/AlGaInP頂電池反射層20的反射波長通過調節AlInP/AlGaInP的厚度調節，反射波長範圍通過AlGaInP的Al和Ga組分比調節，把反射波長的範圍調節到380-500納米。
接著在頂電池反射層20上生長P-AlGaInP頂電池BSF21。作用是減少複合損失。
在P-AlGaInP頂電池BSF21上生長P-（Al）GaInP頂電池基區22和N-（Al）GaInP頂電池發射區23。
在N-（Al）GaInP頂電池發射區23上生長N-AlInP頂電池視窗層24。目的在於減少複合損失，並且採用材料利於頂電池所吸收的光透過。
在N-AlInP頂電池視窗層24上生長N-GaAs帽層（Cap層）25和N-GaAs接觸層26。
至此，形成《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》的具有反射層的三結太陽電池。
榮譽表彰
2016年12月7日，《具有反射層的三結太陽電池及其製造方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
