本發(fā)明涉及一種堆疊狀的多結太陽能電池。

背景技術：

由patel等人所著的出版文獻“experimentalresultsfromperformanceimprovementandradiationhardeningofinvertedmetamorphicmulti-junctionsolarcells”(proceedingsof37^thieeepvsc，西雅圖(2011年))已知反向變質的四結太陽能電池(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)上通用的三結太陽能電池相比相對小的大約82％的壽命末期(end-of-life，eol)剩余系數(shù)。在此，與太陽能電池相對于太陽的使用和定向相比，在生長襯底上的外延沉積以相反的順序(反向地)進行。

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“developmentofadvancedspacesolarcellsatspectrolab”已知一種基于半導體鍵合技術的gainp/gaas/gainasp/gainas四結太陽能電池。

由dimroth等人在progr.photovolt：res.appl.2014；22：277-282中所著的出版文獻“waferbondedfour-junctiongainp/gaas/gainasp/gainasconcentratorsolarcellswith44.7％efficiency”也已知一種另外的四結太陽能電池。

在最后提到的兩篇出版文獻中，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，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。整個多結太陽能電池的形成通過兩個外延晶片的直接的半導體鍵合、借助gaas襯底的隨后移除以及進一步的過程步驟來進行。

文獻cn103346191a描述了一種在襯底的兩個相對置的側上生成長的四結太陽能電池。

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的生產(chǎn)率。

耐輻射性的優(yōu)化、尤其也對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。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)明的時間點上的工業(yè)標準通過與晶格匹配的和變質的gainp/gainas/ge三結太陽能電池給出。為此，通過gainp上部電池和gainas中部電池在相對于inp襯底成本有利的ge襯底上的沉積來制造多結太陽能電池，其中，ge襯底構成下部電池。

技術實現(xiàn)要素：

在此背景下，本發(fā)明的任務在于，說明一種擴展現(xiàn)有技術的設備。

該任務通過具有權利要求1的特征的堆疊狀的多結太陽能電池解決。本發(fā)明的有利構型是從屬權利要求的主題。

根據(jù)本發(fā)明的主題，提供一種堆疊狀的多結太陽能電池，其包括：至少三個子電池，其中，所述三個子電池中的每一個具有發(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)位于和之間的范圍內(nèi)，其中，所述第二子電池包括由具有至少元素gaas的化合物制成的第二層，并且所述第二層的能帶隙位于1.35ev和1.70ev之間的范圍內(nèi)，并且所述第二層的晶格常數(shù)位于和之間的范圍內(nèi)，其中，所述第三子電池包括由具有至少元素gainas的化合物制成的第三層，并且所述第三層的能帶隙小于1.25ev，并且所述第三層的晶格常數(shù)大于所述三個層的厚度分別大于100nm并且所述三個層在此構造為所述相應的三個子電池的發(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。在所述第二子電池和所述第三子電池之間構造有變質的緩沖區(qū)，其中，所述緩沖區(qū)具有至少三個層的序列，并且所述緩沖區(qū)的層的晶格常數(shù)大于所述第二層的晶格常數(shù)，并且所述緩沖區(qū)的層的晶格常數(shù)在所述序列的情況下朝所述第三子電池的方向從層到層地增加。所述第二子電池、即第二層或者所述第三子電池中的至少一個包括具有至少元素gainasp的化合物并且具有大于1％的磷含量和大于1％的銦含量。在所述整個堆疊的兩個子電池之間不構造有半導體鍵合。

不言而喻地，堆疊狀的多結太陽能電池單片式地構造。應指出，在多結太陽能電池的太陽能電池的每一個中發(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，多結太陽能電池的各個太陽能電池串聯(lián)連接，即具有最小電流的子電池進行限制地起作用。

也應指出，術語發(fā)射極和基極或者理解為在相應的子電池中的p型摻雜的層或者n型摻雜的層。

不言而喻地，半導體層通過如例如movpe這樣的外延方法沉積在生長襯底上。對于第一子電池和第二子電池或者對于第一層和第二層列舉的晶格常數(shù)范圍基本上相當于gaas襯底的或者ge襯底的晶格常數(shù)。換言之，各個子電池的層的沉積至少可看作是相對于襯底粗略地晶格匹配的。當前，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子電池的應用對于本領域技術人員而言顯得不恰當，因為四元gainasp的沉積與gaas或者gainas相比在技術上困難得多，此外，子電池的能帶隙由于磷的添加而提高。另外，在技術上更困難指的是，反應器中的流必須由至少四個源來控制并調(diào)節(jié)。

然而，另外的研究已經(jīng)表明，由于在反向變質的電池結構中的磷引起的帶隙的提高可通過變質的緩沖區(qū)的在較高的銦含量方面的匹配來補償。另一種可能性在于布置在gainasp子電池下方的一個(多個)子電池的一個(多個)能帶隙的提高——例如通過對這些子電池也使用gainasp，通過所述提高可以獲得用于多結太陽能電池的子電池的合適的帶隙組合。

意外地，根據(jù)多結太陽能電池的準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(多個)gainasp子電池的較高的輻射穩(wěn)定性實現(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。相應地，所說明的銦含量與iii族原子的總含量有關。也即，在ga1-xinxas1-ypy化合物中，銦含量為值x且磷含量為值y，并且由此對于50％的磷含量得出0.5的y值。

應指出，借助術語“半導體鍵合”尤其包括，在太陽能電池堆疊的兩個任意的子電池之間也不構造直接的半導體鍵合，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體鍵合接合的兩個子堆疊制造。

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太陽能電池(hetero-solarzelle)不被認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制成的基極的異質太陽能電池被認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)位于和之間的范圍內(nèi)。

在另一種擴展方案中，所述第一層的晶格常數(shù)和/或所述第二層的晶格常數(shù)位于和之間的范圍內(nèi)。

在一種實施方式中，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

在一種擴展方案中，所述兩個層中的至少一個由具有至少元素gainasp的化合物制成并且優(yōu)選具有小于35％的磷含量。

在一種實施方式中，兩個層具有大于0.4μm或者大于0.8μm的厚度。

在另一種實施方式中，第二子電池或者第三子電池的所述兩個層由具有至少元素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。

在一種擴展方案中，設有第四子電池，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。

在一種實施方式中，半導體鏡構造在兩個子電池之間，和/或，所述半導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，多結太陽能電池不具有ge子電池。

在一種實施方式中，變質的第二緩沖區(qū)構造在第三子電池和第四子電池之間。

在另一種實施方式中，多結太陽能電池具有第五子電池。

在一種擴展方案中，多結太陽能電池具有至少四個子電池，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，并且所述多結太陽能電池具有恰好一個變質的緩沖區(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

以下參照附圖詳細闡述本發(fā)明。在此，同類的部分標有相同的附圖標記。所示出的實施方式是強烈地示意性的，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出的相對于彼此的幾何關系。在此示出：

圖1a示出在第一替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為三結太陽能電池的實施方式的橫截面，

圖1b示出在第二替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為三結太陽能電池的實施方式的橫截面，

圖1c示出在第三替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為三結太陽能電池的實施方式的橫截面，

圖2a示出在第一替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結太陽能電池的實施方式的橫截面，

圖2b示出在第二替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結太陽能電池的實施方式的橫截面，

圖2c示出在第三替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結太陽能電池的實施方式的橫截面。

圖2d示出在第四替代方案中的根據(jù)本發(fā)明的作為四結太陽能電池的實施方式的橫截面。

具體實施方式

圖1a的圖示出堆疊狀的單片式多結太陽能電池ms的根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的橫截面，以下將堆疊的各個太陽能電池稱作子電池。多結太陽能電池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之間構造有變質的緩沖區(qū)mp1。緩沖區(qū)mp1由多個未詳細地示出的層制成，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?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，緩沖區(qū)mp1的導入是有利的。

不言而喻地，在各個子電池sc1、sc2和sc3之間分別構造有隧道二極管(未示出)。

也不言而喻地，三個子電池sc1、sc2和sc3的每一個分別具有發(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)明的作為三結太陽能電池的實施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對于與圖1a相關聯(lián)地示出的實施方式的區(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)明的作為三結太陽能電池的實施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對于與圖1a相關聯(lián)地示出的實施方式的區(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)明的作為四結太陽能電池的實施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對于與圖1a相關聯(lián)地示出的實施方式的區(qū)別。在第三子電池sc3下方構造有由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)明的作為四結太陽能電池的實施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對于之前的實施方式的區(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)明的作為四結太陽能電池的實施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對于在圖2a中示出的實施方式的區(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)明的作為四結太陽能電池的實施方式的橫截面。以下僅僅闡述相對于在圖2a中所示出的實施方式的區(qū)別。第三子電池sc3和第四子電池sc4分別由gainasp化合物制成。