應(yīng)用于多結(jié)太陽(yáng)能電池的復(fù)合DBR結(jié)構(gòu)及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光伏發(fā)電的
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其是指一種應(yīng)用于多結(jié)太陽(yáng)能電池的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
：近年來(lái)，不斷有通訊報(bào)道航空航天科技取得令人矚目的新成果，說(shuō)明其相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水也在不斷進(jìn)步和提高。其中，空間電源是航天器通信、數(shù)據(jù)傳輸、空間觀測(cè)以及試驗(yàn)研究的能量來(lái)源，隨著世界宇航業(yè)的迅猛發(fā)展和空間競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，對(duì)空間主電源提出了更高的要求：長(zhǎng)壽命、高功率、耐高溫、低成本，這也是空間電源研究和提升的方向。高效三結(jié)gaas太陽(yáng)電池與目前廣泛使用的硅太陽(yáng)電池相比，具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率、更強(qiáng)的抗輻照能力、更好的耐高溫性能、更小的重量，是國(guó)際公認(rèn)最具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代太陽(yáng)電池，正在航天領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用。但實(shí)際上，gainp/gaas/ge三結(jié)太陽(yáng)能電池作為砷化鎵多結(jié)電池的主流結(jié)構(gòu)，其帶隙組合1.85/1.42/0.67ev對(duì)于太陽(yáng)光光譜并不是最佳的，原因在于ge底電池的短路電流要比中電池和頂電池的大很多，由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電流限制原因，造成很大部分底電池電流轉(zhuǎn)換成熱量損失掉。為了提高電池性能，途徑一是調(diào)整優(yōu)化帶隙組成，即通過(guò)提高中頂電池的in組分將帶隙調(diào)整為1.82～1.87/1.3～1.4/0.67ev；途徑二是增加電池結(jié)數(shù)充分吸收利用光譜能量，比如algainp/algainas/gainas/ga1-3yin3ynyas1-y/ga1-3xin3xnxas1-x/ge六結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前，途徑一是日漸趨于成熟的技術(shù)路線。設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)表明，為了將分段光譜能量充分吸收，各子電池厚度必須足夠厚，基本在2～3.5微米，這種情況下，太陽(yáng)能電池在太空環(huán)境中受到大量高能粒子輻照，材料質(zhì)量變差，尤其是砷化物子電池更為嚴(yán)重，導(dǎo)致各子電池性能有不同程度地衰減，最終影響電池整體的性能。研究表明，在子電池下方加入適當(dāng)?shù)膁br(distributedbragreflector分布式布拉格反射層)結(jié)構(gòu)可以在很大程度上使問(wèn)題得到緩解。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)dbr結(jié)構(gòu)反射相應(yīng)波段的太陽(yáng)光，可使初次沒(méi)有被材料吸收的光子反射回去被二次吸收，相當(dāng)于變相地增加了“有效吸收厚度”，因此該子電池設(shè)計(jì)厚度得以大幅降低，電池厚度減薄可以使電池的抗輻照性能顯著提升，對(duì)于材料質(zhì)量差少子壽命短的材料還可有效提高少子收集數(shù)量。然而，傳統(tǒng)dbr結(jié)構(gòu)的反射波段較窄，不能夠很好地涵蓋子電池的吸收波段，比如帶隙組合1.85/1.33/0.67ev三結(jié)電池的中子電池，本該吸收波段670～920nm，但由于材料本身性質(zhì)的限制，傳統(tǒng)dbr(一般為algainas/algainas組合層)反射波段僅涵蓋150nm左右，導(dǎo)致部分光子不能被反射回有源區(qū)再次吸收利用。如果用兩種dbr范圍的組合層材料簡(jiǎn)單疊加，每套dbr必須生長(zhǎng)足夠的對(duì)數(shù)才會(huì)達(dá)到理想反射效果，這無(wú)疑會(huì)增加整體dbr厚度，提高外延源耗及時(shí)間成本。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供了一種應(yīng)用于多結(jié)太陽(yáng)能電池的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)及其制備方法，可以避免傳統(tǒng)dbr結(jié)構(gòu)反射光子能量的范圍不夠?qū)?，造成e+δe范圍內(nèi)一部分高能粒子不能被有效吸收的情況，將dbr本身的優(yōu)勢(shì)作用發(fā)揮到極致，最終提高電池整體光電轉(zhuǎn)換效率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案如下：一種應(yīng)用于多結(jié)太陽(yáng)能電池的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)，包括按層狀結(jié)構(gòu)依次疊加的3～15層alas/alxoy/algainas組合層和5～25層alinp/algainp組合層，所述alas/alxoy/algainas組合層和alinp/algainp組合層的層數(shù)總和不超過(guò)35層，且該alas/alxoy/algainas組合層中的x＝1,2,3,4…，y＝1,2,3,4…；所述alinp/algainp組合層是由層狀疊加的alinp層和algainp層構(gòu)成，所述alas/alxoy/algainas組合層是由層狀疊加的alas/alxoy組合層和algainas層構(gòu)成，其中，所述alas/alxoy組合層中的alxoy是由一部分alas經(jīng)過(guò)高溫濕法氧化而成，且生成的alxoy折射率比余下的alas低，從而能拓寬dbr的反射光子范圍。所述alinp層、algainp層、alas/alxoy組合層、algainas層的厚度設(shè)計(jì)遵循公式：式中，d為厚度，λ為預(yù)計(jì)反射波段的中心反射波長(zhǎng)，n為對(duì)應(yīng)材料的折射率，其中，alas/alxoy組合層選用alxoy的折射率。上述應(yīng)用于多結(jié)太陽(yáng)能電池的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：1)采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在外延生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)行沉積：按層狀結(jié)構(gòu)依次疊加3～15層alas/algainas組合層和5～25層alinp/algainp組合層，得到所需的樣品，其中，所述alas/algainas組合層是由層狀疊加的alas層和algainas層構(gòu)成；2)將樣品放置在反應(yīng)舟內(nèi)；3)將反應(yīng)舟置放在密閉腔室，腔室壓力恒定，設(shè)置溫度處于50～300℃范圍內(nèi)；4)以氮?dú)鉃檩d氣，將載有水蒸氣的混合氣通入腔室，并記錄氧化時(shí)間，其中在氧化的過(guò)程當(dāng)中，alas層的部分結(jié)構(gòu)被氧化，生成alxoy和ash3有毒氣體，即所述alas層最終會(huì)被氧化成所需的alas/alxoy組合層，且alas的氧化總深度不超過(guò)電池芯片長(zhǎng)度的2/3；5)將ash3有毒氣體排出，并進(jìn)行妥善處理。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：1、本發(fā)明的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)聯(lián)合高溫濕法氧化的工藝較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工藝有很大優(yōu)勢(shì)，一方面，采用alas/algainas、alinp/algainp組合dbr加氧化的方法可以在保持反射率效果的基礎(chǔ)上展寬反射范圍，使透射的光子被二次吸收的幾率增加，有利于提高電池效率；另一方面，高溫濕法工藝所需裝置簡(jiǎn)單，控制參數(shù)為氧化爐壓力、氧化溫度和時(shí)間，在芯片端容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工藝。此外，本發(fā)明的復(fù)合dbr總層數(shù)較常規(guī)dbr幾乎沒(méi)有增加，即不會(huì)增加外延成本。總之，本發(fā)明的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)及氧化工藝可以使dbr的反射范圍展寬到基本覆蓋其子電池的吸收帶寬，可進(jìn)一步減薄基區(qū)厚度，降低外延成本，使砷化物子電池抗輻照性能得到一定程度的提升，并使一些材料質(zhì)量差少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較小(如：gainnas材料)的問(wèn)題得到進(jìn)一步緩解。2、本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過(guò)控制高溫濕法氧化的時(shí)間等參數(shù)，可以準(zhǔn)確控制高鋁層的氧化深度，保證電池器件整體導(dǎo)通(保留的部分鋁砷起連通電池作用，消除alxoy不導(dǎo)電的影響)，在提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的研究中，本發(fā)明的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)作用可以得到更為極致地應(yīng)用。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明所述復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述復(fù)合dbr經(jīng)高溫濕法氧化后的效果示意圖之一圖3為本發(fā)明所述復(fù)合dbr經(jīng)高溫濕法氧化后的效果示意圖之二。圖4為含復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)的四結(jié)太陽(yáng)能電池示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本實(shí)施例所提供的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)，包括按層狀結(jié)構(gòu)依次疊加的3～15層alas/alxoy/algainas組合層和5～25層alinp/algainp組合層，所述alas/alxoy/algainas組合層和alinp/algainp組合層的層數(shù)總和不超過(guò)35層，且該alas/alxoy/algainas組合層中的x＝1,2,3,4…，y＝1,2,3,4…；所述alinp/algainp組合層是由層狀疊加的alinp層和algainp層構(gòu)成，所述alas/alxoy/algainas組合層是由層狀疊加的alas/alxoy組合層和algainas層構(gòu)成，其中，所述alas/alxoy組合層中的alxoy(即al的氧化物)是由一部分alas經(jīng)過(guò)高溫濕法氧化而成，即alas/alxoy組合層實(shí)質(zhì)是由alas層通過(guò)高溫濕法氧化工藝轉(zhuǎn)變而成，具體請(qǐng)見(jiàn)圖2和圖3所示，且生成的alxoy折射率比余下的alas低，由于生成物alxoy具有更低的折射率，這樣可使得復(fù)合dbr反射光子范圍拓寬，而保留的部分alas起連通電池作用，消除alxoy不導(dǎo)電的影響。此外，所述alinp層、algainp層、alas/alxoy組合層、algainas層的厚度設(shè)計(jì)遵循公式：式中，d為厚度，λ為預(yù)計(jì)反射波段的中心反射波長(zhǎng)，n為對(duì)應(yīng)材料的折射率，其中，alas/alxoy組合層選用alxoy的折射率。如圖4所示，為含本實(shí)施例上述復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)的四結(jié)太陽(yáng)能電池，該四結(jié)太陽(yáng)能電池是采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(mocvd)技術(shù)，外延生長(zhǎng)過(guò)程中沉積復(fù)合dbr，電池芯片制程中添加高溫濕法氧化的工藝流程。其中，所述四結(jié)太陽(yáng)能電池以ge單晶片為襯底，在所述ge襯底上按照層狀疊加結(jié)構(gòu)由下至上依次設(shè)置有g(shù)ainp/gainas漸變緩沖層、第一套復(fù)合dbr、gainas子電池、第二套復(fù)合dbr、algainas子電池和algainp子電池，各子電池之間由隧道結(jié)連接。所述第一套復(fù)合dbr的反射波長(zhǎng)為780～950nm，alas/alxoy/algainas組合層的層數(shù)為8層，alinp/algainp組合層的層數(shù)為18層。所述gainas子電池中g(shù)ainas材料的光學(xué)帶隙約為1.25～1.3ev。所述第二套復(fù)合dbr的反射波長(zhǎng)為600～780nm，alas/alxoy/algainas組合層的層數(shù)為6層，alinp/algainp組合層的層數(shù)為14層。所述algainas子電池中algainas材料的光學(xué)帶隙約為1.5～1.6ev。所述algainp子電池中algainp材料的光學(xué)帶隙約為2.1～2.15ev。本實(shí)施例上述的高溫濕法氧化工藝作為一種特殊工藝處理步驟，設(shè)在芯片制程中的適當(dāng)工藝段(本實(shí)施例優(yōu)選安排在切割且蒸鍍電極保護(hù)層之后)，經(jīng)高溫濕法氧化后，復(fù)合dbr中的一部分alas被氧化生成alxoy和ash3有毒氣體，具體工藝步驟如下：步驟一：將裸露出切割邊的樣品(該樣品上已沉積有按層狀結(jié)構(gòu)依次疊加的3～15層alas/algainas組合層和5～25層alinp/algainp組合層，其中所述的alas/algainas組合層是由層狀疊加的alas層和algainas層構(gòu)成)放置在反應(yīng)舟內(nèi)；步驟二：反應(yīng)舟置放在密閉腔室，腔室壓力恒定(本實(shí)施例優(yōu)先選用1atm)，溫度100～300℃(本實(shí)施例優(yōu)先選用260℃)；步驟三：以氮?dú)鉃檩d氣，將載有水蒸氣的混合氣通入腔室，并記錄氧化時(shí)間，其中在氧化的過(guò)程當(dāng)中，alas層的部分結(jié)構(gòu)被氧化，生成alxoy和ash3有毒氣體，即所述alas層最終會(huì)被氧化成所需的alas/alxoy組合層；步驟四：將尾氣(具體是ash3有毒氣體)排出，進(jìn)行專業(yè)妥善處理(本實(shí)施例優(yōu)選通入噴淋式尾氣處理器)。此外，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證alas氧化總深度不超過(guò)電池芯片長(zhǎng)度的2/3，而較佳氧化層效果示意圖請(qǐng)參見(jiàn)圖2和圖3所示。經(jīng)驗(yàn)證，利用本方案制備的四結(jié)太陽(yáng)能電池，在各子電池的帶隙得以優(yōu)化基礎(chǔ)上，結(jié)合使用具有更為優(yōu)異反光效果的dbr可使gainas和algainas子電池更多地吸收太陽(yáng)光子，顯著減弱其對(duì)四結(jié)太陽(yáng)能電池短路電流的限流程度，提高轉(zhuǎn)換效率。分析可知，在am0條件下，傳統(tǒng)dbr結(jié)構(gòu)的四結(jié)太陽(yáng)能電池的短路電流(isc)為16.0ma/cm2，而具有本發(fā)明的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)的四結(jié)太陽(yáng)能電池的isc可達(dá)17.0ma/cm2，且其轉(zhuǎn)換效率可提高至33.4％，具體請(qǐng)參見(jiàn)下表1所示。表1am0條件下，含傳統(tǒng)dbr結(jié)構(gòu)的四結(jié)太陽(yáng)能電池與含本發(fā)明的復(fù)合dbr結(jié)構(gòu)的四結(jié)太陽(yáng)能電池的性能比較電池類型isc(ma/cm2)voc(mv)pm(w/m2)ff(％)eff(％)傳統(tǒng)dbr16.03250441.828532.6復(fù)合dbr17.03210452.318333.4以上所述實(shí)施例只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12