本實用新型實施方式涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種GaAs材料的縱向多結(jié)單色光電池及其電池陣列。

背景技術(shù)：

特高壓直流技術(shù)的開展需要更高功率的非接觸式能源供給技術(shù)，在幾種非接觸式能源供給技術(shù)中，具有絕緣特性好，抗電磁特性好的單色光供能技術(shù)逐漸受到重視。

單色光供能技術(shù)是利用單色光源將光能量通過絕緣途徑輸送到單色光電池上。通常的單色光源可以是高功率激光器，絕緣途徑可以是光纖或者空氣，而單色光電池可以是各種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)，為了滿足能夠直接提供給后端傳感器單元供電使用，單色光電池還需要能夠直接輸出高電壓。

高電壓的獲取通常是依靠多個子電池串聯(lián)來獲得的，傳統(tǒng)的單色光電池通常采用橫向串聯(lián)工藝，如圖1所示。對于這樣的結(jié)構(gòu)來說，材料有源區(qū)是生長在絕緣襯底材料上，需要通過刻蝕技術(shù)在電池有源層形成隔離槽來得到若干個子電池，再采用級聯(lián)工藝將各個子電池依次平面串聯(lián)而成。電池材料通常采用禁帶寬度為1.42eV的砷化鎵材料，一般需要在同一個平面上級聯(lián)6個砷化鎵子電池才能得到6V左右的工作電壓。由于各個子電池之間是橫向串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此需要復(fù)雜的光耦合操作，來保證各個子電池上的光斑均勻特性，實現(xiàn)電池的最大功率輸出。

現(xiàn)有技術(shù)CN201310072324.1，現(xiàn)有技術(shù)CN 201310071968.9，現(xiàn)有技術(shù)CN 201310072325.6和現(xiàn)有技術(shù)CN 201420121991.4都提及到在砷化鎵材料上進行類似單色光電池的設(shè)計。一般來說，這樣的工藝設(shè)計本身通常需要復(fù)雜的半導(dǎo)體制備步驟,并且由于隔離槽和表面電極的存在，電池的有效受光面積會相對減少，效率會下降。另外，隨著串聯(lián)電池數(shù)量的增加，橫向串聯(lián)實現(xiàn)的工藝難度越來越大，因此無法級聯(lián)更多的子電池。

另外一個思路是利用縱向串聯(lián)。一個近似案例是聚光多結(jié)太陽能電池，它是利用隧穿結(jié)將不同化合物材料子電池依次縱向串聯(lián)從而能夠吸收更加廣譜的能量。例如，專利號201110168522.9描述了利用兩個隧穿結(jié)將鍺材料子電池，銦鎵砷材料子電池和砷化鎵材料子電池依次串聯(lián)起來形成能夠廣譜吸收的三結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)；專利號201310508769.X描述了利用隧穿結(jié)將碳化硅材料子電池，砷化鎵材料子電池和銦鎵砷材料子電池依次串聯(lián)起來形成的三結(jié)電池結(jié)構(gòu)；專利號201580013861.6描述了利用隧穿結(jié)將銦鎵砷材料子電池和砷化鎵材料子電池串聯(lián)起來形成的兩結(jié)電池結(jié)構(gòu)，專利號為201210026736.7還闡述了一種四結(jié)聚光太陽能電池結(jié)構(gòu)，專利號CN201010260142.3也闡述了一種五結(jié)聚光太陽能電池結(jié)構(gòu)。

盡管所檢索的相關(guān)專利包含多個結(jié)，但是這樣不同材料化合物構(gòu)成的多結(jié)串聯(lián)電池并不適合在單色光條件下使用。并且由于材料晶格常數(shù)和禁帶寬度的限制，更多結(jié)數(shù)的電池很難制作。根據(jù)我們的專利檢索，目前尚未發(fā)現(xiàn)包含更多結(jié)數(shù)(結(jié)數(shù)在10到100個之間)電池的相關(guān)專利。

因此，鑒于上述情況，結(jié)合現(xiàn)代電力電子特別是特高壓直流傳輸中高壓側(cè)的一些關(guān)鍵設(shè)備需要高功率(幾十瓦到數(shù)百瓦)和高電壓(幾伏到數(shù)百伏)以及高效率(大于50％)的取能電池需求，迫切需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓，高功率和高效率的單色光電池來滿足這些需求。

鑒于此，針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種新的單色光多結(jié)電池成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型實施方式主要解決的技術(shù)問題是提供一種GaAs材料的縱向多結(jié)單色光電池及其電池陣列。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型實施方式采用的一個技術(shù)方案是：

一種基于GaAs材料的縱向多結(jié)單色光電池，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其不同之處在于，該縱向多結(jié)單色光電池包括：

多個垂直堆疊的GaAs子電池；和

設(shè)于各個GaAs子電池之間的隧穿結(jié)；其中，各個子電池的材料完全相同，并且各個子電池都包括一個反射層；各個子電池之間依靠隧穿結(jié)進行串聯(lián)，形成NPN…PNPN式的縱向多結(jié)結(jié)構(gòu)。

其中，所述的各個GaAs子電池的厚度從下至上逐漸降低，各個子電池的厚度根據(jù)各子電池所分配的能量比例和GaAs材料系數(shù)確定。

其中，所述反射層為布拉格反射層或者為背反射層，每層的最優(yōu)反射率不一樣，根據(jù)結(jié)數(shù)和各個子電池輸出電流來確定，優(yōu)選的布拉格光柵結(jié)構(gòu)為P++AlGaAs/N++AlGaAs。

其中，所述的各個隧穿結(jié)均為P+Al_xGaAs/P++Al_xGaAs/N++Al_xGaAs/N+In_yGaAs異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié),其中x取值為0.22，y取值為0.1，所述的隧穿結(jié)同時采用了碳，鋅，銻，硅四元素摻雜，典型的四層隧穿結(jié)摻雜濃度分別達到1x10²⁰cm^-1，7.5x10²⁰cm^-1，2.5x10²⁰cm^-1和1.6x10²⁰cm^-1。

其中，位于頂層的GaAs子電池上還設(shè)有N型側(cè)向?qū)щ妳^(qū)，摻雜濃度為5x10¹⁸,所述N型側(cè)向?qū)щ妳^(qū)上設(shè)有上層N電極，電極截面呈梯形。其中，所述單色光電池的形狀可以多樣性，并且能夠通過光束優(yōu)化設(shè)計和調(diào)節(jié)電池面積的大小來保證電池表面單位面積和隧穿結(jié)上的能量密度在安全范圍內(nèi)。

其中，所述單色光電池對輸入光功率分布程度不敏感，不需要經(jīng)過復(fù)雜的光耦合操作。

其中，還能夠通過合適的非成像光路設(shè)計實現(xiàn)更多個單色光電池的級聯(lián)來實現(xiàn)更大功率的輸出。

本實用新型還提供了一種電池級聯(lián)陣列，該電池級聯(lián)陣列包括：

相互平行的第一電池單元和第二電池單元，每個電池單元均包括從第一端到第二端均勻排列的多個上述的單色光多結(jié)電池；

對應(yīng)設(shè)置于每個單色光多結(jié)電池上的勻光透鏡；

靠近第一電池單元第一端設(shè)置的輸入光準直器；

位于第一電池單元中靠近第二端設(shè)置的單色光多結(jié)電池上方的第一反射棱鏡；

位于第二電池單元中靠近第二端設(shè)置的單色光多結(jié)電池上方的第二反射棱鏡；以及

位于其他單色光電池的上方的光透反鏡組件，所述光透反鏡組件包括傾斜設(shè)置的半透半反鏡。

本實用新型實施方式的有益效果是：本實用新型的單色光電池是在同種材料上進行的縱向多結(jié)設(shè)計，通過優(yōu)化所包含的各個子電池和隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)來包含更多結(jié)數(shù)的子電池，從而實現(xiàn)更高電壓和更大功率的輸出；二是本實用新型所優(yōu)化設(shè)計的電池結(jié)構(gòu)對輸入光斑均勻性不敏感，減少了對光斑均勻化的要求。三是通過本實用新型所提出的多個電池陣列級連的方式可以組成包含更多單個電池的陣列，來提供更大功率能量的輸出。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的串聯(lián)式光電池結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型的單色光電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是光能量在本實用新型的單色光電池中傳輸路徑圖；

圖4是本實用新型的第一優(yōu)選方式的單色光電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實用新型的第二優(yōu)選方式的單色光電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本實用新型的單色光電池中上層電極的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本實用新型的具有85個子電池串聯(lián)而成的多結(jié)單色光電池的性能曲線；

圖8是本實用新型的單色光電池的形狀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本實用新型的單色光多結(jié)電池形成的陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本實用新型的主要目的在于提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓，高功率和高效率的單色光電池及陣列，用來滿足不同電力應(yīng)用場合的需求。

特別的，高電壓是指大于10V而小于100V的開路電壓，高功率是指能夠支持從輸入50瓦到1000瓦的注入光能量，而高效率是指取能電池的光電轉(zhuǎn)換效率能夠大于50％。

參閱圖2、圖3和圖4所示，本實用新型實施例提供了一種基于GaAs材料的縱向多結(jié)單色光電池100，該單色光多結(jié)電池100包括：大于十個垂直堆疊的GaAs子電池10和設(shè)于各個GaAs子電池之間的隧穿結(jié)20。多個GaAs子電池10和多個隧穿結(jié)20垂直交替堆疊，其中，每個GaAs子電池10包括從下至上依次層疊的反射層104、P型摻雜的基區(qū)101、發(fā)射區(qū)102和窗口層103。

上述的單色光多結(jié)電池100為在同種材料上將n個子電池10縱向串聯(lián)的電池結(jié)構(gòu)；每個子電池10的材料相同，均為GaAs材料，所針對的最佳單色光波長范圍在760nm到860nm之間；串聯(lián)的GaAs子電池10的總數(shù)量n可以大于十個；各個子電池10之間通過隧穿結(jié)20進行串聯(lián)。

在本實用新型實施例的單色光多結(jié)電池100結(jié)構(gòu)是在GaAs材料上的縱向多結(jié)電池結(jié)構(gòu)，各個子電池10由于制備材料相同因此不需要考慮晶格和禁帶寬度匹配問題，因此可以選擇同樣的隧穿結(jié)而包含數(shù)量更多的子電池，例如，1～100個，所對應(yīng)的輸出電壓在10V到100V之間；利用隧穿結(jié)20進行這些GaAs子電池的縱向串聯(lián)，在一個優(yōu)選實施方式中，隧穿結(jié)20為P+Al_xGaAs/P++Al_xGaAs/N++Al_xGaAs/N+In_yGaAs異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié),其中x最佳取值為0.22，y最佳取值為0.1。；所采用隧穿結(jié)比傳統(tǒng)隧穿結(jié)更適合在本實用新型中使用，具有更低的串聯(lián)電壓和更高的峰值電流，且對輸入光能量透明無吸收。單色光多結(jié)電池100。

在本實用新型實施例中單色光縱向多結(jié)電池100的各個子電池10的厚度各不相同，從下至上逐漸降低。各個子電池厚度所設(shè)計的依據(jù)可以根據(jù)各子電池所分配的能量比例和GaAs材料系數(shù)進一步確定，可以通過氣相外延生長技術(shù)(MOCVD)或者分子束外延技術(shù)(MBE)進行所設(shè)計的具體材料結(jié)構(gòu)制備。

在第一優(yōu)選實施方式中，多個GaAs子電池10厚度從下至上逐漸降低，且通過隧穿結(jié)串聯(lián)起來。所述GaAs子電池10中包含一個反射層104，所述反射層104優(yōu)先采用布拉格反射層。位于頂層的GaAs子電池10的窗口層103上設(shè)有N型側(cè)向?qū)щ妳^(qū)301，所述N型側(cè)向?qū)щ妳^(qū)301上設(shè)有歐姆接觸良好的上層N電極302。位于最底層的GaAs子電池10的反射層104下還設(shè)有一個反向GaAs隧穿結(jié)20，其通過N++緩沖層303和下層電極304相連，形成NPNP....NPN的結(jié)構(gòu)。所述的上層電極302最優(yōu)截面為正梯形結(jié)構(gòu)，上層電極302的梯形截面可以通過對光刻膠的不同溫度下的掩膜形狀調(diào)整，剝離后得到，這樣優(yōu)選的形狀能夠保證入射到電極上的部分光線被電極反射后再次入射進電池表面，從而能夠使得電池效率進一步提高。

在第一優(yōu)選實施方式中，各個GaAs子電池10的厚度應(yīng)該根據(jù)每層子電池10的所需要分配的光能量比例和材料的吸收系數(shù)共同確定。所述的各層的光分配能量應(yīng)該均衡，以保證各個子電池輸出電流接近，而不會出現(xiàn)串聯(lián)電流被鉗位的現(xiàn)象；所述的各個子電池中，最下層電池厚度是各個子電池中的最厚層，而最上層電池厚度為各個子電池中的最薄層。

在第一優(yōu)選實施方式中，各個GaAs子電池10中包含的反射層具有不同的反射率。所述反射層可以采用布拉格光柵形式，；所述的各個子電池10中的反射層104的反射率可以根據(jù)具體結(jié)數(shù)和各個子電池輸出電流來確定，最終保證各個子電池的輸出電流平衡。

在第一優(yōu)選實施方式中，單色光多結(jié)電池100最上層還有一層高摻雜濃度且對輸入光透明的橫向?qū)щ妼?，即?cè)向?qū)щ妳^(qū)301，用來表面橫向載流子的收集，所優(yōu)選的橫向?qū)щ妼訉斎牍鉄o吸收且串聯(lián)電阻較小，能夠使得電池表面的載流子能夠較小損耗的遷移或者擴散到表層電極上。

在第一優(yōu)選實施方式中，單色光多結(jié)電池100的上下輸出電極均是負電極，負電極是通過一個單獨的極性反向隧穿結(jié)20來實現(xiàn)的；優(yōu)選的雙負電極設(shè)計能夠使得電極制備工藝都使用同一種歐姆接觸材料來達到簡化電極制備工藝的目的。

在第一優(yōu)選實施方式中，單色光多結(jié)電池100的上輸出電極截面優(yōu)選設(shè)計成正梯形結(jié)構(gòu)，請參閱圖6所示，通過對光刻膠的暴光和烘烤時間的控制，可以實現(xiàn)所設(shè)計的電極截面形狀。

在第一優(yōu)選實施方式中，單色光多結(jié)電池100的形狀可以多樣性，并且還可以通過光束優(yōu)化設(shè)計和調(diào)整電池表面積大小來保證電池表面和隧穿結(jié)上的能流密度在安全范圍內(nèi)，所優(yōu)選的單位能量密度最大應(yīng)該控制在200w/cm²內(nèi)，來滿足所設(shè)計隧穿結(jié)最大峰值電流的要求；單色光多結(jié)電池100

在第一優(yōu)選實施方式中，單色光多結(jié)電池100由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計中對各個子電池的輸出特性進行了匹配，因此對輸入光功率均勻特性不敏感，不需要經(jīng)過復(fù)雜的光耦合操作，從而簡化了操作。

在第一優(yōu)選實施方式中，單色光多結(jié)電池100還可以通過多光路級連來構(gòu)成更多電池的串聯(lián)陣列，提供更大功率的輸出，如圖9所示，輸入光通過多個半反半透分光鏡后，分別輸入到各個單色光多結(jié)電池100上，各個單色光多結(jié)電池100再相互串聯(lián)，形成更多級數(shù)的電池陣列來提供更大功率能量的輸出。

在第二優(yōu)選實施方式中的設(shè)計如圖5所示，主要是將各個子電池內(nèi)部的反射層采用傳統(tǒng)背反射層結(jié)構(gòu)來代替第一優(yōu)選實施方式中的布拉格光柵反射層。所述的背面反射層可以選擇GaInP材料，通過調(diào)節(jié)摻雜濃度來實現(xiàn)不同反射率的設(shè)計，這樣的結(jié)構(gòu)可以簡化多結(jié)電池的外延制備過程。

第二優(yōu)選實施方式和第一優(yōu)選實施方式，在其它方面上具有相同的特點。

圖7是利用本實用新型所闡述的一種多結(jié)單色光電池實際測試的效果，其中包含子電池的結(jié)數(shù)為30個，電池面積12cm2,電池結(jié)構(gòu)按照前面所闡述的方式設(shè)計，采用MBE方式外延生長而成。在到300瓦的0光功率注入條件下，電池的轉(zhuǎn)換效率始終保持在50％以上，輸出功率超過140W。

具體的制備過程如下描述：

每個GaAs子電池10可以用MOCVD或者MBE依次進行反射層104，基區(qū)101，發(fā)射區(qū)102，窗口層103的材料生長；各個子電池10之間也可以利用MOCVD或者MBE進行高摻雜隧穿結(jié)的生長，采用MBE方法可以獲得更精細的結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)所設(shè)計的結(jié)數(shù)較多時，子電池較薄時，MBE方法具有更大的優(yōu)勢。制備前，需要需要根據(jù)具體結(jié)數(shù)來計算出各個子電池的具體厚度和各個反射層的反射率，整個電池的工藝流程步驟如下，可以采用正向生長方式。

1)對原始摻雜GaAs襯底進行預(yù)清潔處理。

2)在N型摻雜GaAs襯底材料上，外延生長反向隧穿結(jié)，反向隧穿結(jié)優(yōu)選P++GaInAs/N++GaInAs材料；

3)在上述隧穿結(jié)上根據(jù)反射率設(shè)計外延生長反射層，優(yōu)選的反射層可以按照實施方案1和實施方案2采用布拉格反射層或者背反射層，優(yōu)選的布拉格反射層材料為Al_0.8Ga_0.2As/Al_0.1Ga_0.9As，優(yōu)選的背反射層可以采用GaInP材料；

3)在上述反射層上依次外延生長第一個子電池的基區(qū)層、發(fā)射層、窗口層，形成第一P/N結(jié)；

4)在上述第一P/N結(jié)上繼續(xù)外延生長隧道結(jié)，所述的隧穿結(jié)為P+Al_xGaAs/P++Al_xGaAs/N++Al_xGaAs/N+In_yGaAs異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié),其中x最佳取值為0.22，y最佳取值為0.1。5)在上述隧道結(jié)上繼續(xù)外延生長第二個子電池的布拉格反射層；

6)在上述第二個子電池的布拉格反射層上再繼續(xù)外延生長第二個子電池的基區(qū)、發(fā)射區(qū)、窗口層，形成第二P/N結(jié)；

7)循環(huán)步驟4)到6)依次生長所需要的各個子電池和對應(yīng)的隧穿結(jié)直到最后一個子電池；

8)在最后一個子電池上方再次外延生長一層高摻雜的N型側(cè)向?qū)щ妼?并在其上制備正面電極；

9)對N襯底減薄并制作背面N電極,退火形成背面電極歐姆接觸；

10)對正面蒸鍍減反膜，并對正面電極做開窗處理；

11)按照標準光伏器件制備工藝進行解理，封裝和測試。

所述各個子電池中反射層104的反射率各不相同，可以根據(jù)各個子電池所分配的光能量比例來計算；所述的光能量比例應(yīng)該保證各個子電池接收的光能量均勻，防止出現(xiàn)各個子電池的光電流失配而影響效率。

本實用新型也同時給出了一種計算縱向串聯(lián)多結(jié)電池中各個子電池包含的反射層的反射率計算方法，總體的計算原則是平均化原則，計算方法過程如下：

首先根據(jù)所包含的子電池個數(shù)，按照平均化原則計算各個子電池應(yīng)該分配的光能量比例。對于包含有n個子電池的單色光電池，在不考慮光能量被材料吸收而損耗的情況下，每個子電池所分配的光能量計算公式為P_ave＝1/n。

再根據(jù)各個子電池的輸入/輸出光能量反射率計算所包含反射層的反射率，所述的各層反射率可以根據(jù)公式計算

r＝(P_in-P_out)/P_ave

舉例來說，對于本案例中對于包含有5個子電池的多結(jié)單色光電池，各層反射層的反射率應(yīng)該分別為20％，25％，33％，50％，100％；

包含有10個子電池的多結(jié)單色光電池，各層反射層的反射率應(yīng)該分別為10％，11.1％，12.5％，14.2％，16.6％，20％，25％，33.3％，50％，100％；

對于包含有20個子電池的多結(jié)單色光電池，各層反射層的最優(yōu)反射率應(yīng)該分別為5％，5.2％，5.5％，5.8％，6.2％，6.6％，7.1％，7.6％，8.3％，9％，10％，11.1％，12.5％，14.2％，16.6％，20％，25％，33％，50％，100％；

而對于包含有30個子電池的多結(jié)單色光電池，各層反射層的最優(yōu)反射率應(yīng)該分別為3.3％，3.4％，3.5％，3.7％，3.8％，4％，4.2％，4.3％，4.5％，4.7％，5％，5.3％，5.5％，5.9％，6.2％，6.6％，7.1％，7.7％，8.3％，9.1％，10％，11.1％，12.5％，15％，16.6％，20％，25％，33％，50％，100％。

所述的每個子電池都具有不一樣的厚度。最上層子電池的基區(qū)具有最薄的厚度，而最下層子電池的基區(qū)具有最厚的厚度。各個子電池的厚度分配原則應(yīng)該根據(jù)入射光波長，材料吸收系數(shù)和結(jié)數(shù)來設(shè)計，保證各個子電池的電流相互匹配。

本實用新型也同時給出了一種計算各個子電池不同有源層厚度的計算方法，計算過程如下：

根據(jù)電池結(jié)數(shù)，按照平均化原則計算各個子電池所分配的能量比例。對于包含有n個子電池的單色光電池，在不考慮光能量被材料吸收而損耗的情況下，每個子電池應(yīng)該分配到的光能量為P_ave＝1/n。

可以根據(jù)各個子電池的入射能量和出射能量計算各個子電池的厚度，即可以代入公式進行計算，其中L是各個層的厚度。

舉例來說，對于包含有5個子電池的多結(jié)單色光電池，各個子電池的最佳厚度分別為180nm,232nm,327nm,559nm,2200nm；

對于包含有10個子電池的多結(jié)單色光電池，各個子電池的最佳厚度分別為87.8nm、98.1nm、111.2nm、128.4nm、151.9nm、185.9nm、239.7nm、337.8nm、557.6nm和1600nm；

對于包含有20個子電池的多結(jié)單色光電池，最佳厚度分別為41nm,43nm,46nm,48nm,52nm,55nm,59nm,64nm,70nm,76nm,81nm,95nm,107nm,124nm,147nm,180nm,232nm,327nm,559nm,1085nm；

而對于包含30個子電池的多結(jié)單色光電池，最佳厚度分別為27nm,28nm,29nm,30nm,32nm,33nm,34nm,36nm,38nm,39nm,41nm,43nm,46nm,49nm,52nm,56nm,59nm,64nm,70nm,77nm,85nm,95nm,107nm,124nm,147nm,180nm,232nm,326nm,559nm,923nm.

所述的發(fā)射區(qū)102通常較薄，和基區(qū)101共同組成各個子電池的PN結(jié)，總厚度按照上面規(guī)則進行優(yōu)化；所述的窗口層103對輸入的單色光透明無吸收，并且能夠降低各個子電池的發(fā)射區(qū)102的表面復(fù)合特性。

所述的隧穿結(jié)20應(yīng)該具有大的峰值電流和低的串聯(lián)電阻，且對輸入光能量無吸收。本實用新型中的隧穿結(jié)選擇為P+Al_xGaAs/P++Al_xGaAs/N++Al_xGaAs/N+In_yGaAs異質(zhì)結(jié)隧穿結(jié),其中x最佳取值為0.22，y最佳取值為0.1。所選擇的材料帶隙比GaAs材料要大，因此對輸入光無吸收。另外，為了保證隧穿結(jié)的低電阻，高摻雜是不可避免的。考慮到擴散和摻雜濃度的矛盾性，對于P+Al_xGaAs層，采用碳元素摻雜；對于P++Al_xGaAs層，采用鋅元素摻雜；對于N++Al_xGaAs，采用銻元素摻雜；對于N+In_yGaAs采用硅元素摻雜。本實用新型中所提到的該隧穿結(jié)與其它實用新型文獻的隧穿結(jié)不一樣的地方是，同時采用了碳，鋅，銻，硅四元素摻雜構(gòu)成的多層隧穿結(jié)，使得其具有更高的摻雜濃度和峰值電流。典型來說，采用本實用新型所闡述的方式，可以使得所使用的四層隧穿結(jié)分別達到1x10²⁰cm^-1/7.5x10²⁰cm^-1/2.5x10²⁰cm^-1/1.6x10²⁰cm^-1的摻雜濃度，且峰值電流可以達到200A/cm²，從而能夠使用在所闡述的更多結(jié)數(shù)的縱向單色光電池上。在生長過程中，對于高摻雜的P++隧穿結(jié)，為了獲得高摻雜濃度，需要適當(dāng)降低Ⅲ-Ⅴ比和調(diào)整生長溫度，理想的Ⅲ-Ⅴ比一般在20到65之間，生長溫度一般在500到750度之間；而對于高摻雜的N++隧穿結(jié)，為了獲得高摻雜濃度，需要適當(dāng)增大Ⅲ-Ⅴ比和生長溫度，理想的Ⅲ-Ⅴ比一般在100到200之間，生長溫度一般在700度附近。依靠上述原則和方法可以生長出摻雜濃度高峰值電流大且對輸入單色光不敏感的隧穿結(jié)。

所述的隧穿結(jié)20在各個子電池10之間，上下兩層分別是第一個子電池的布拉格反射鏡層和第二個子電池的窗口層。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)點相當(dāng)于在隧穿結(jié)上下兩邊分別設(shè)置了寬禁帶寬度的兩層窗口，能夠有效防止摻雜劑的擴散。

所述的單色光電池最上層的側(cè)向?qū)щ妼?01，主要作用是收集橫向遷移的表面電荷載流子，側(cè)向?qū)щ妼?01應(yīng)對輸入單色光無吸收，并且高摻雜能夠降低橫向載流子的串聯(lián)電阻，有利于效率的提升。

所述的上電極302和下電極304分別位于多結(jié)單色光電池的上下兩側(cè)，兩個電極的極性相同。特別的，本實用新型中的兩個電極的極性都為負電極。下電極304可以通過另外一個反向隧穿結(jié)20，將原本的正電極轉(zhuǎn)換為負電極后再通過背面電極304輸出，最終構(gòu)成了雙負電極的結(jié)構(gòu)。

利用光刻，蒸鍍，鍍膜等成熟半導(dǎo)體工藝對前述成品外延片進行上下電極和表面抗反膜的制作，經(jīng)過減薄，退火等標準電池工藝后能夠得到本實用新型中的多結(jié)單色光電池成品。

另外，具體應(yīng)用中所需要的多結(jié)單色光電池最小面積應(yīng)該根據(jù)單位面積/隨穿結(jié)上的最大光能量密度來確定，本實用新型中使用隧穿結(jié)決定所入射的光能量密度應(yīng)該不超過200w/cm²。因此根據(jù)該最大光能量密度可以計算出最合適的多結(jié)電池面積大小，再通過幾何光學(xué)光束擴束方法得到合適形狀且均勻化的光斑進行入射。舉例來說，對于1000W的單色光功率輸入，電池的有效收光面積應(yīng)該不低于5cm²，同時通過擴束方法至少需要得到大于5cm²的光斑來保證隧穿結(jié)上的能量密度安全，最終能夠承受足夠的光功率能量。利用本實用新型也可以設(shè)計各種不同形狀的電池，如圖8所示，所設(shè)計形狀的依據(jù)是根據(jù)光斑形狀大小來設(shè)計不同的電池，減少因為形狀不匹配而帶來的能量損耗。于想到的，通過本實用新型，可以設(shè)計各種不同形狀不同結(jié)數(shù)和不同功率的各種電池。

本實用新型還提供了一種電池級聯(lián)陣列，請參閱圖9所示，該電池級聯(lián)陣列包括：第一電池單元81和第二電池單元82、勻光透鏡83、輸入光準直器84、第一反射棱鏡85、第二反射棱鏡86和光透反鏡組件87，其中，第一電池單元81和第二電池單元82相互平行，第一電池單元81包括從其第一端81a到第二端81b均勻排列的多個上述的單色光多結(jié)電池100，第二電池單元82包括從其第一端82a到第二端82b均勻排列的多個上述的單色光多結(jié)電池100；勻光透鏡83對應(yīng)設(shè)置于每個單色光多結(jié)電池100上；輸入光準直器84靠近第一電池單元81第一端81a設(shè)置；第一反射棱鏡85位于第一電池單元81中靠近第二端81b設(shè)置的單色光多結(jié)電池100上方；第二反射棱鏡86位于第二電池單元82中靠近第二端82b設(shè)置的單色光多結(jié)電池100上方；光透反鏡組件87位于其他(除了第一電池單元81中靠近第二端81b設(shè)置的單色光多結(jié)電池100、和第二電池單元82中靠近第二端82b設(shè)置的單色光多結(jié)電池100)單色光多結(jié)電池100的上方，所述光透反鏡組件87包括傾斜設(shè)置的半透半反鏡。

激光入射后首先經(jīng)過輸入光準直器84到達第一電池單元81，然后到達前一個光透反鏡組件87，前一個光透反鏡組件87將部分激光反射至與其對應(yīng)的單色光電池100，將部分激光透射至下一個光透反鏡組件87，然后激光到達第一反射棱鏡85，第一反射棱鏡85將激光一部分反射至其下方的單色光電池、將激光的其余部分反射至第二反射棱鏡86，進入第二電池單元82，第二反射棱鏡86將激光一部分反射至其下方的單色光電池、將激光的其余部分反射至最靠近其設(shè)置的位于第二電池單元上方的光透反鏡組件87，沿著光路方向前一個光透反鏡組件87將部分激光反射至與其對應(yīng)的單色光多結(jié)電池100，將部分激光透射至下一個光透反鏡組件87。

以上所述僅為本實用新型的實施方式，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內(nèi)。