耐輻射倒置變質(zhì)多結(jié)太陽(yáng)能電池的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本申請(qǐng)案涉及耐輻射倒置變質(zhì)多結(jié)太陽(yáng)能電池。一種多結(jié)太陽(yáng)能電池包含：第一太陽(yáng)能子電池，其具有第一帶隙及第一短路電流；第二太陽(yáng)能子電池，其安置于所述第一太陽(yáng)能子電池上方且具有大于所述第一帶隙的第二帶隙及比所述第一短路電流大在2％到6％的范圍內(nèi)的量的第二短路電流；第三太陽(yáng)能子電池，其安置于所述第二太陽(yáng)能子電池上方且具有大于所述第二帶隙的第三帶隙及比所述第一短路電流小在2％到6％的范圍內(nèi)的量的第三短路電流；及第四太陽(yáng)能子電池，其安置于所述第三太陽(yáng)能子電池上方，具有大于所述第三帶隙的第四帶隙及比所述第三短路電流小在6％到10％的范圍內(nèi)的量的第四短路電流，使得在AMO空間環(huán)境中在所述多結(jié)太陽(yáng)能電池的“壽命結(jié)束”狀態(tài)下，所述子電池中的每一者的所述短路電流大致相同。
【專(zhuān)利說(shuō)明】耐輻射倒置變質(zhì)多結(jié)太陽(yáng)能電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于有時(shí)稱(chēng)為零空氣質(zhì)量(AMO)環(huán)境的空間輻射環(huán)境的變質(zhì)多結(jié)太陽(yáng)能電池。此類(lèi)太陽(yáng)能電池為許多衛(wèi)星使用的電源。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)較高轉(zhuǎn)換效率的需要已推動(dòng)了多結(jié)太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)，S卩，具有兩個(gè)或兩個(gè)以上太陽(yáng)能子電池的太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能子電池具有不同帶隙且以減小帶隙的次序布置，使得高能量輻射由第一太陽(yáng)能子電池吸收且低能量的光子穿過(guò)第一太陽(yáng)能子電池并由后續(xù)太陽(yáng)能子電池吸收。為了在每一太陽(yáng)能電池中提供增加數(shù)目的太陽(yáng)能子電池，已知將不同材料用于不同太陽(yáng)能子電池，在此情況下，太陽(yáng)能電池稱(chēng)為變質(zhì)多結(jié)太陽(yáng)能電池。每一太陽(yáng)能子電池具有相關(guān)聯(lián)的短路電流且按慣例，太陽(yáng)能電池經(jīng)設(shè)計(jì)以使每一太陽(yáng)能子電池的短路電流匹配以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)換效率。
[0003]倒置變質(zhì)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的制作(例如在M.W.瓦拉斯(M.W.Wanlass)等人的用于高性能II1-V光伏能量轉(zhuǎn)換器的晶格不匹配方法(Lattice Mismatched Approaches forHighPerformance, II1-V Photovoltaic Energy Converters)(第 31 屆 IEEE 光伏專(zhuān)家會(huì)議的會(huì)議錄，2005年I月3-7日，IEEE出版社，2005)中所描述)涉及在生長(zhǎng)襯底上以反向次序生長(zhǎng)太陽(yáng)能子電池(即，從最高帶隙太陽(yáng)能子電池到最低帶隙太陽(yáng)能子電池)且接著移除生長(zhǎng)襯底。
[0004]US2010/0122724A1 (其全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文中)論述四結(jié)倒置變質(zhì)多結(jié)太陽(yáng)能電池。
[0005]對(duì)既定用于空間應(yīng)用的太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵要求是能夠耐受暴露于電子及質(zhì)子粒子福射。先前對(duì)InGaAs太陽(yáng)能子電池進(jìn)行的電子福射研究已證實(shí)相對(duì)于InGaP及GaAs的較低耐福射性，參見(jiàn)M.山口(M.Yamaguchi)的“化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的耐福射性(Radiation Resistance of Compound Semiconductor Solar Cells)，，，應(yīng)用物理期刊，78,1995，ppl476-1480。因此，InGaAs太陽(yáng)能子電池的性能在AMO環(huán)境中將比InGaP或GaAs太陽(yáng)能子電池更快地劣化。因此，將InGaAs子電池并入到“抗輻射”多結(jié)太陽(yáng)能電池中提出了挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在改進(jìn)具有至少兩個(gè)InGaAs太陽(yáng)能子電池的變質(zhì)多結(jié)太陽(yáng)能電池在AMO環(huán)境中的性能。根據(jù)本發(fā)明，在于AMO環(huán)境中部署太陽(yáng)能電池期間，在壽命開(kāi)始時(shí)將不匹配引入到與太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)能子電池相關(guān)聯(lián)的短路電流中以允許至少兩個(gè)InGaAs太陽(yáng)能子電池的轉(zhuǎn)換效率有較大劣化。與在增加的InAs含量的情況下的預(yù)期相反，已發(fā)現(xiàn)具有較低帶隙能的InGaAs太陽(yáng)能子電池比具有較高帶隙能的InGaAs太陽(yáng)能子電池更具耐福射性。因此，在太陽(yáng)能電池的壽命開(kāi)始時(shí)，使與較低帶隙InGaAs太陽(yáng)能子電池相關(guān)聯(lián)的短路電流比與較高帶隙能InGaAs太陽(yáng)能子電池相關(guān)聯(lián)的短路電流小。在本發(fā)明的實(shí)施例中，使與較低帶隙InGaAs太陽(yáng)能子電池相關(guān)聯(lián)的短路電流比與較高帶隙能InGaAs太陽(yáng)能子電池相關(guān)聯(lián)的短路電流小在2%到6%的范圍內(nèi)的量。
[0007]本發(fā)明的實(shí)施例提供一種多結(jié)太陽(yáng)能電池，所述多結(jié)太陽(yáng)能電池具有:第一太陽(yáng)能子電池，其由InGaAs構(gòu)成且具有第一帶隙及第一短路電流；第二太陽(yáng)能子電池，其由InGaAs構(gòu)成，安置于所述第一太陽(yáng)能子電池上方且具有大于所述第一帶隙的第二帶隙及比所述第一短路電流大在2%到6%的范圍內(nèi)的量的第二短路電流；第三太陽(yáng)能子電池，其由GaAs構(gòu)成，安置于所述第二太陽(yáng)能子電池上方且具有大于所述第二帶隙的第三帶隙及比所述第一短路電流小在2%到6%的范圍內(nèi)的量的第三短路電流；及第四太陽(yáng)能子電池，其由InGaP構(gòu)成，安置于所述第三太陽(yáng)能子電池上方，具有大于所述第三帶隙的第四帶隙及比所述第三短路電流小在6%到10%的范圍內(nèi)的量的第四短路電流。所述第一到第四短路電流經(jīng)設(shè)定使得在AMO空間環(huán)境中在所述多結(jié)太陽(yáng)能電池的壽命結(jié)束狀態(tài)下，所述子電池中的每一者的所述短路電流大致相同。所述壽命結(jié)束狀態(tài)可對(duì)應(yīng)于在AMO空間環(huán)境中至少15年的使用周期或暴露于每平方厘米IXlO15IMeV電子的通量。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1示意性地展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的多結(jié)太陽(yáng)能電池的主要區(qū)域；
[0009]圖2是針對(duì)圖1中所圖解說(shuō)明的多結(jié)太陽(yáng)能電池的四個(gè)太陽(yáng)能子電池中的每一者展示所述太陽(yáng)能子電池的短路電流密度與具有最大帶隙的太陽(yáng)能子電池的短路電流的比率隨時(shí)間的變化的圖表；
[0010]圖3是展示與經(jīng)電流匹配多結(jié)太陽(yáng)能電池相比在圖1中所圖解說(shuō)明的多結(jié)太陽(yáng)能電池的壽命期間轉(zhuǎn)換效率的變化的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0011]現(xiàn)在將描述本發(fā)明的細(xì)節(jié)，包含其示范性方面及實(shí)施例。參考附圖及以下描述，相似的參考編號(hào)用于識(shí)別相似或功能上類(lèi)似的元件，且意在以高度簡(jiǎn)化的圖示方式圖解說(shuō)明示范性實(shí)施例的主要特征。此外，所述圖式既不意在描繪實(shí)際實(shí)施例的每一特征，也不意在描繪所描繪元件的相對(duì)尺寸，且這些圖式并非按比例繪制。
[0012]圖1示意性地展示下文稱(chēng)為IMM4J太陽(yáng)能電池的倒置變質(zhì)四結(jié)太陽(yáng)能電池。特定來(lái)說(shuō)，圖1展示在移除生長(zhǎng)襯底I之前所述IMM4J太陽(yáng)能電池的主要層的分解視圖。將了解，圖1中所展示的IMM4J太陽(yáng)能電池通常反向安裝到替代襯底上且在使用之前移除生長(zhǎng)襯底I。
[0013]在生長(zhǎng)襯底I上沉積InGaP太陽(yáng)能子電池3，且在InGaP太陽(yáng)能子電池3上沉積GaAs太陽(yáng)能子電池5，使得InGaP太陽(yáng)能子電池3位于生長(zhǎng)襯底I與GaAs太陽(yáng)能子電池5之間。InGaP太陽(yáng)能子電池3及GaAs太陽(yáng)能子電池5與生長(zhǎng)襯底I晶格匹配。
[0014]第一緩變中間層7插置于GaAs太陽(yáng)能子電池3與第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9之間GaAs太陽(yáng)能子電池5的與InGaP太陽(yáng)能子電池I相對(duì)的側(cè)上。第一緩變中間層7為用于橋接GaAs太陽(yáng)能子電池5與第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9的晶格常數(shù)之間的差異的變質(zhì)層。
[0015]第二緩變中間層11插置于第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9與第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池13之間第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9的與第一緩變中間層7相對(duì)的側(cè)上。第二緩變中間層11為用于橋接第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9與第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池13的晶格常數(shù)之間的差異的變質(zhì)層。
[0016]InGaP太陽(yáng)能子電池3具有1.9eV的帶隙；GaAs太陽(yáng)能子電池5具有1.4eV的帶隙；第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9具有1.0eV的帶隙；且第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池13具有
0.7eV的帶隙。因此，多個(gè)太陽(yáng)能子電池從生長(zhǎng)襯底以減小帶隙的次序布置。以此方式，當(dāng)太陽(yáng)輻射從生長(zhǎng)襯底側(cè)撞擊時(shí)(在移除生長(zhǎng)襯底I之后)，具有超過(guò)1.9eV的能量的光子通常由InGaP太陽(yáng)能子電池3吸收，具有在1.4eV與1.9eV之間的能量的光子通常由GaAs太陽(yáng)能子電池5吸收，具有在1.0eV與1.4eV之間的能量的光子通常由第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9吸收，且具有在0.7eV與1.0eV之間的能量的光子通常由第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池13吸收。此產(chǎn)生40.8%的理論轉(zhuǎn)換效率。
[0017]對(duì)既定用于空間應(yīng)用的太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵要求是能夠耐受暴露于電子及質(zhì)子粒子輻射。如先前所提及，已知InGaAs太陽(yáng)能電池具有比InGaP太陽(yáng)能電池及GaAs太陽(yáng)能電池低的耐輻射性。因此，與InGaAs太陽(yáng)能電池相關(guān)聯(lián)的短路電流將以比與InGaP太陽(yáng)能電池及GaAs太陽(yáng)能電池相關(guān)聯(lián)的短路電流快的速率下降。
[0018]按慣例，多結(jié)太陽(yáng)能電池經(jīng)設(shè)計(jì)使得在太陽(yáng)能電池的壽命開(kāi)始時(shí)，所有太陽(yáng)能子電池的短路電流大致相同。在此實(shí)施例中，為了考慮到第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9及第二InGaAs太陽(yáng)能子電池13的短路電流將比InGaP太陽(yáng)能子電池3及GaAs太陽(yáng)能子電池5的短路電流更快地下降的事實(shí)，使在太陽(yáng)能電池的壽命開(kāi)始時(shí)太陽(yáng)能子電池的短路電流不匹配使得在太陽(yáng)能電池的壽命結(jié)束時(shí)的短路電流大致匹配。以此方式，改進(jìn)了在太陽(yáng)能電池的壽命內(nèi)的總能量轉(zhuǎn)換。
[0019]圖2圖解說(shuō)明在太陽(yáng)能電池的壽命內(nèi)四個(gè)太陽(yáng)能子電池的短路電流的轉(zhuǎn)換。特定來(lái)說(shuō)，y軸展示每一太陽(yáng)能電池的短路電流相對(duì)于InGaP太陽(yáng)能電池3的短路電流的值。個(gè)別太陽(yáng)能子電池在壽命內(nèi)的短路電流的變化是使用單結(jié)電池研究的，所述單結(jié)電池經(jīng)制作以表示相應(yīng)個(gè)別子電池，其中周?chē)与姵夭牧蠟橥偷囊援a(chǎn)生在生長(zhǎng)期間的相同裝置熱負(fù)載以及輻照吸收特性。接著將單結(jié)電池暴露于處于5E14及l(fā)E15e/cm2的通量的1-MeV電子福射。
[0020]如所預(yù)期，第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9及第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池11展現(xiàn)比InGaP太陽(yáng)能子電池3及GaAs太陽(yáng)能子電池5低的耐輻射性。然而，令人驚奇地，第二InGaAs太陽(yáng)能子電池11展現(xiàn)比第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9高的耐福射性。此并未預(yù)期至IJ，因?yàn)轭A(yù)期是第二 InGaAs太陽(yáng)能電池11中的較高InAs含量將導(dǎo)致與第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9相比所述子電池中的較高降解度。
[0021]可解釋與第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9相比第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池11的較高耐輻射性的一種理論是，在壽命開(kāi)始時(shí)第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池11的擴(kuò)散長(zhǎng)度比第一InGaAs太陽(yáng)能子電池9的擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)的多，此將歸因于InAs中相對(duì)于GaAs更高的少數(shù)載流子濃度。因此，雖然第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池11在經(jīng)受電子輻射時(shí)擴(kuò)散長(zhǎng)度的改變可大于第一 InGaAs太陽(yáng)能子電池9的改變，但在壽命結(jié)束時(shí)的凈擴(kuò)散長(zhǎng)度在第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池中仍較長(zhǎng)。
[0022]在壽命開(kāi)始時(shí)太陽(yáng)能子電池之間的所要電流不匹配可通過(guò)使子電池厚度及子電池帶隙變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此實(shí)施例中，通過(guò)使InGaP太陽(yáng)能子電池3與電流匹配所需的寬度相比變薄來(lái)實(shí)現(xiàn)GaAs太陽(yáng)能子電池5所需的額外電流，而第一及第二 InGaAs太陽(yáng)能子電池所需的額外電流由帶隙的略微減小產(chǎn)生，此導(dǎo)致與用于電流匹配的帶隙相比吸收帶的增加。
[0023]在制作程序的優(yōu)化之后，IMM4J太陽(yáng)能電池在壽命開(kāi)始時(shí)展現(xiàn)約34%的AMO轉(zhuǎn)換效率。與在壽命開(kāi)始時(shí)經(jīng)電流匹配的等效IMM4J太陽(yáng)能電池相比此為小的降低，但如圖3中所展示，根據(jù)本發(fā)明的IMM4J太陽(yáng)能電池的壽命結(jié)束剩余因子比在壽命開(kāi)始時(shí)經(jīng)電流匹配的等效IMM4J太陽(yáng)能電池的壽命結(jié)束剩余因子顯著更好。根據(jù)本發(fā)明的IMM4J太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)提供在多結(jié)太陽(yáng)能電池的壽命內(nèi)變化的AMO轉(zhuǎn)換效率，使得在多結(jié)太陽(yáng)能電池的壽命結(jié)束以前所產(chǎn)生的電能大于具有提供最優(yōu)壽命開(kāi)始AMO轉(zhuǎn)換效率的多結(jié)太陽(yáng)能電池的電能。
[0024]雖然上文所描述的太陽(yáng)能電池為四結(jié)太陽(yáng)能電池，但設(shè)想出本發(fā)明也可適用于其它多結(jié)太陽(yáng)能電池，例如，五結(jié)或六結(jié)變質(zhì)太陽(yáng)能電池(MM5J或IMM6J太陽(yáng)能電池)。
【權(quán)利要求】
1.一種多結(jié)太陽(yáng)能電池，其包括: 第一太陽(yáng)能子電池，其由InGaAs構(gòu)成且具有第一帶隙及第一短路電流； 第二太陽(yáng)能子電池，其由InGaAs構(gòu)成，安置于所述第一太陽(yáng)能子電池上方且具有大于所述第一帶隙的第二帶隙及比所述第一短路電流大在2%到6 %的范圍內(nèi)的量的第二短路電流； 第三太陽(yáng)能子電池，其由GaAs構(gòu)成，安置于所述第二太陽(yáng)能子電池上方且具有大于所述第二帶隙的第三帶隙及比所述第一短路電流小在2%到6%的范圍內(nèi)的量的第三短路電流；及 第四太陽(yáng)能子電池，其由InGaP構(gòu)成，安置于所述第三太陽(yáng)能子電池上方，具有大于所述第三帶隙的第四帶隙及比所述第三短路電流小在6%到10%的范圍內(nèi)的量的第四短路電流， 使得在AMO空間環(huán)境中在所述多結(jié)太陽(yáng)能電池的“壽命結(jié)束”狀態(tài)下，所述子電池中的每一者的所述短路電流大致相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中所述壽命結(jié)束狀態(tài)對(duì)應(yīng)于在AMO空間環(huán)境中至少15年的使用周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中所述壽命結(jié)束狀態(tài)對(duì)應(yīng)于暴露于每平方厘米I X IO15IMeV電子的通量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中所述第三太陽(yáng)能子電池與所述第四太陽(yáng)能子電池晶格匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中第一緩變中間層提供于所述第一與第二太陽(yáng)能子電池之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中第二緩變中間層提供于所述第二與第三太陽(yáng)能子電池之間。
7.一種用于空間輻射環(huán)境的多結(jié)太陽(yáng)能電池，所述多結(jié)太陽(yáng)能電池具有以增加帶隙的次序布置的多個(gè)太陽(yáng)能子電池，所述多個(gè)太陽(yáng)能子電池包含: 第一太陽(yáng)能子電池，其由InGaAs構(gòu)成且具有第一帶隙，所述第一太陽(yáng)能子電池具有與其相關(guān)聯(lián)的第一短路電流； 第二太陽(yáng)能子電池，其由InGaAs構(gòu)成且具有大于所述第一帶隙的第二帶隙，所述第二太陽(yáng)能子電池具有與其相關(guān)聯(lián)的第二短路電流； 其中在壽命開(kāi)始狀態(tài)中，所述第二短路電流大于所述第一短路電流使得AMO轉(zhuǎn)換效率為次優(yōu)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中所述第二短路電流比所述第一短路電流大在2%到6%的范圍內(nèi)的量。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中所述結(jié)構(gòu)提供在所述多結(jié)太陽(yáng)能電池的壽命內(nèi)變化的AMO轉(zhuǎn)換效率，使得在所述多結(jié)太陽(yáng)能電池的所述壽命結(jié)束以前，所產(chǎn)生的電能大于具有提供最優(yōu)壽命開(kāi)始AMO轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)的多結(jié)太陽(yáng)能電池的電能。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池， 其中壽命結(jié)束AMO轉(zhuǎn)換效率大于所述壽命開(kāi)始AMO效率的82%。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中所述壽命結(jié)束狀態(tài)對(duì)應(yīng)于暴露于每平方厘米IXlO15IMeV電子的通量。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中所述多個(gè)太陽(yáng)能子電池進(jìn)一步包含:第三太陽(yáng)能子電池，其由GaAs構(gòu)成且具有大于所述第二帶隙的第三帶隙，所述第三太陽(yáng)能子電池具有與其相關(guān)聯(lián)的第三短路電流，所述第三短路電流小于所述第二短路電流；及 第四太陽(yáng)能子電池，其由InGaP構(gòu)成且具有大于所述第三帶隙的第四帶隙，所述第四太陽(yáng)能子電池具有與其相關(guān)聯(lián)的第四短路電流，所述第四短路電流小于所述第三短路電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多結(jié)太陽(yáng)能電池，其中所述第二短路電流比所述第一短路電流大在2%到6%的范圍內(nèi)的量， 其中所述第三短路電流比所述第一短路電流小在2%到6%的范圍內(nèi)的量，且 其中所述第四短路電流比所述第三短路電流小在6%到10%的范圍內(nèi)的量。
【文檔編號(hào)】H01L31/0693GK103489950SQ201310225092
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月7日
【發(fā)明者】普拉溫·帕特爾, 本杰明·邱 申請(qǐng)人:安科太陽(yáng)能公司