專利名稱：五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能利用的光伏技術領域，尤其涉及太陽能電池系統(tǒng)的分 光結構設計和制作。
背景技術：
石油、煤炭等常規(guī)能源的日益短缺及對其過度開發(fā)所導致的地球生態(tài)問
題是人類21世紀所面臨的最大的挑戰(zhàn)。太陽能高效發(fā)電技術作為一種清潔 的、可再生能源利用技術不斷取得突破。晶體硅太陽電池、非晶硅太陽電
池、非晶硅薄膜太陽電池、ni-v族化合物半導體太陽電池、n-vi族化合物 半導體多晶薄膜太陽電池等，越來越多的太陽電池技術日趨成熟。光電轉換 效率的不斷提高及制造成本的持續(xù)降低，使得光伏技術在空間和地面都得到 了廣泛的應用。回顧光伏技術在最近io年的發(fā)展，在效率提高方面，多結
級聯(lián)式的太陽電池結構是最引人矚目的。2007年，美國再生能源實驗室的 R.R.King等人制作的InGaP/ (In) GaAs/Ge三結級聯(lián)太陽電池大規(guī)模生產的 平均效率已經接近30%。在240倍聚光下，這種多結太陽電池的實驗室 AM1.5D效率已經超過了 40%。多結結構可以有效地實現對太陽光的全光譜 吸收，從而提高光電轉換效率。
由于太陽光譜中的能量分布較寬，現有的任何一種半導體材料都只能吸 收能量大于禁帶寬度的光子。太陽光中能量較小的光子將透過電池，被背電 極金屬吸收，轉變成熱能；高能光子超出能隙寬度的多余能量，則通過光生載流子的能量熱釋作用傳給電池材料本身的點陣原子，使材料本身發(fā)熱。這 些能量都不能通過光生載流子傳給負載，變成有效的電能。因此單結太陽能 電池的理論轉換效率一般較低。
此外，半導體材料的外延生長技術，特別是III-V化合物半導體的金屬有 機物氣相外延技術的成熟發(fā)展使得制備整體集成式多結級聯(lián)太陽電池成為可 能，理論上來說，結數越多，效率越高，這已經被證明是提高效率的有效途
徑之一。然而迄今為止的實踐表明，以InGaP/ (In) GaAs/Ge三結級聯(lián)太陽 電池為代表的光伏技術仍無法達到與太陽光譜的最佳匹配；若要最大限度地 與太陽光譜匹配，就必須在此三結級聯(lián)電池中增加更多的具有不同帶隙的 結。雖然帶隙寬度可以理想搭配，但是理論上的效率提高往往由于受到不同 半導體材料間晶格常數失配和由此帶來的應力缺陷等問題的限制，而導致直 接生長的單片四結級聯(lián)式太陽能電池的最高效率僅為35.7%。同時生長三結 以上的太陽能電池十分困難，且材料的生長成品率低、成本昂貴。

發(fā)明內容
針對上述以InGaP/ (In) GaAs/Ge三結級聯(lián)太陽能電池為代表的光伏技 術仍無法達到與太陽光譜的最佳匹配，以及制作三結以上的單片級聯(lián)太陽能 電池存在的半導體材料間晶格失配的客觀困難，本發(fā)明的目的旨在提供一 種五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，在繼承以往三結機械級聯(lián)太陽能電 池光電轉換效率相對較高、穩(wěn)定、壽命長的基礎上，使得整個電池系統(tǒng)的效 率達到最優(yōu)，得到較高的開路電壓，使得光輸出功率達到最大化。
為達成上述目的，本發(fā)明提出的解決方案為
五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，其特征在于利用兩個分光裝置順次將太陽光譜分為連續(xù)的高能區(qū)、次高能區(qū)和低能區(qū)，在高能區(qū)采用一個 單結結構來匹配高能光譜；而在次高能區(qū)和低能區(qū)分別通過兩個具有不同帶 隙寬度的二結級聯(lián)結構匹配次高能光譜和低能光譜波段，實現對太陽光全光 譜的吸收轉換。
進一步地，所述分光制作方法包括如下步驟
步驟1:利用金屬有機物化學氣相沉積法生長太陽能電池的外延片； 步驟2:在外延片上制作上電極，在襯底下面制作下電極； 步驟3:選用兩個二向色鏡分光系統(tǒng)順次排列作為分光裝置，利用第一 級二向色鏡的透射和反射將太陽光從空間上分為高能光譜和相對低能光譜的 兩束光，再利用第二級二向色鏡的透射和反射將相對低能光譜的太陽光從空
間上分為次高能光譜和低能光譜的兩束光；
步驟4:將不同帶隙寬度的兩個雙結級聯(lián)電池和單結電池分別與分光后 相應波段的光束對準，進行電池的電學連接并安裝聚光單元。
進一步地，所述外延片為三組，分別由兩個雙結級聯(lián)結構和一個單結結 構搭配構成。
更進一步，所述一個雙結級聯(lián)結構為InGaP/GaAs結構，吸收應次高能 波段太陽光；所述另一個雙結級聯(lián)結構為Ina3Gao.7AS/Ge結構或者生長在InP 襯底上的InGaAsP/Ina58Ga().42As結構，吸收對應低能波段太陽光；所述單結 結構為單結lnGaN或ZnSe結構，對應吸收高能波段太陽光。
本發(fā)明設計的五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，其優(yōu)點為 (-).通過采用分光裝置和二加二再加一結的太陽能電池結構，以多種帶 隙寬度不同的半導體材料構成級聯(lián)的太陽能電池系統(tǒng)，吸收利用與其材料隙寬最相匹配的太陽光譜，減小光電轉換中的熱能損耗，更大限度地實現太陽 光全光譜的吸收，提高光電轉換效率。
(二) .采用分光裝置對聚光后的太陽光分成不同波段的三部分，分別由三 組不同的材料吸收，減少了機械級聯(lián)式太陽能電池系統(tǒng)中使用多個不同襯底 所導致的高成本，且有效避免了生長三結以上單片級聯(lián)半導體太陽電池材料 的晶格失配問題。
(三) .基于聚光、分光的多結太陽能電池的應用，可以提升太陽電池系統(tǒng) 單位面積的輸出功率，且在系統(tǒng)水平上降低單位功率的制造成本。


圖1是本發(fā)明分光多結太陽能電池系統(tǒng)一實施例結構的示意圖； 圖2是本發(fā)明分光多結太陽能電池系統(tǒng)另一實施例結構的示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易理解，下面特結合本發(fā)
明具體實施例，作詳細說明如下
如圖1和圖2所示的本發(fā)明分光多結太陽能電池系統(tǒng)結構的示意圖。由 附圖可以清楚地看到該多結太陽能電池系統(tǒng)結構包括電池板本體、外延 片及其半導體襯底、分光裝置。特別地，該太陽能電池系統(tǒng)為二加二再加一 結的構型，即由雙結Ino.3Gao.7As/Ge或者生長在InP襯底上的 InGaAsP/Ina58Gao.42As級聯(lián)的太陽能電池lc或ld、雙結InGaP/GaAs級聯(lián)太 陽能電池b與單結InGaN或ZnSe的太陽電池la進行電學相連后制成的。作 為本發(fā)明核心技術，該二加二再加一結太陽能電池系統(tǒng)的制作方法中，還包 括一分光裝置。該分光裝置2可以選用第一級二向色鏡分光系統(tǒng)2a和第二級二向色鏡分光系統(tǒng)2b搭配構成，用于將聚光后太陽光A通過第一級二向
色鏡分光系統(tǒng)2a先分為高能區(qū)Al和相對低能區(qū)A2兩部分，再將相對低能 區(qū)A2通過第二級二向色鏡分光系統(tǒng)2b分為次高能區(qū)A3和低能區(qū)A4兩部 分。在高能區(qū)Al選用一個單結InGaN或者ZnSe電池結構la，實現對2.7ev 以上光子的吸收；在次高能區(qū)則選用一雙結InGaP/GaAs級聯(lián)的電池結構 lb，實現對1.4ev 2.7eV光子的吸收，而在低能區(qū)則采用一雙結 Ina3Gao.7As/Ge或者生長在InP襯底上的InGaAsP/Ino.58Gaa42As級聯(lián)的電池結 構lc或ld，實現對1.4ev以下光子的吸收。通過這種二加二再加一結的結 構，以多種帶隙寬度不同的半導體材料構成級聯(lián)太陽電池系統(tǒng)，各級子電池 吸收利用與其材料帶隙寬度最相匹配的太陽光譜，從而減小單結電池在光電 轉換過程中的電流損失和電壓損失，來實現太陽光的全光譜高效轉換，提高 光電轉換效率。
該多結太陽能電池的制作方法，其主要實施步驟為
1. 用金屬有機物化學氣相沉積法生長太陽能電池的外延片。該電池系 統(tǒng)外延片的結構分別是雙結Ino.3Gaa7AS/Ge或者生長在InP襯底上的 InGaAsP/InQ.58Ga。.42As級聯(lián)、雙結InGaP/GaAs級聯(lián)與單結InGaN或ZnSe;
2. 三組外延片上分別進行加工制成太陽電池。在各級子電池的外延片 上制作上電極，并在襯底下面制作下電極；
3. 制作兩個二向色鏡分光系統(tǒng)順次排列的分光裝置，作為該多結太陽 能電池的分光裝置，利用該二向色鏡的透射和反射將太陽光譜在空間上分為 不同波段的三束光，實現對太陽光全光譜的高效分解。
4. 將兩個雙結結構與一個單結結構的太陽能電池分別與分光后相應波段的光束對準，對電池進行電學連接并安裝聚光元件，實現太陽電池、聚光和分光元件的集成。
依照本發(fā)明提供的分光多結太陽能電池系統(tǒng)的制作方法制成的電池，通過采用分光裝置和二加二再加一結的太陽能電池結構，以多種帶隙寬度不同的半導體材料構成級聯(lián)的太陽能電池，吸收利用與其材料隙寬最相匹配的太陽光譜波段，可以充分利用2.4eV以上的太陽光的能量。通過理論計算可知，這種構型的太陽能電池可以減小光電轉換中的熱能損耗，更大限度地實
現太陽光全光譜的吸收轉換，在90%的外量子效率下，100倍聚光條件下的電池效率可達51.2%。
此外，采用分光裝置對聚光后的太陽光進行分光，分別由多組不同的材料吸收，減少了機械級聯(lián)式太陽能電池使用多個不同襯底所導致的高成本，且有效避免了生長三結以上半導體材料的晶格失配問題?；诰酃狻⒎止獾亩嘟Y太陽能電池系統(tǒng)的應用，提升了太陽電池系統(tǒng)單位的面積的功率，且在系統(tǒng)水平上降低了單位功率的制造成本，具有廣泛實際的市場應用價值。
綜上所述，是對本發(fā)明具體實施例的詳細描述，對本案保護范圍不構成任何限制，凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術方法，均落在本發(fā)明權利保護范圍之內。
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權利要求
1. 五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，其特征在于利用兩個分光裝置順次將太陽光譜分為連續(xù)的高能區(qū)、次高能區(qū)和低能區(qū)，在高能區(qū)采用一個單結結構來匹配高能波段；而在次高能區(qū)和低能區(qū)分別通過兩個具有不同帶隙寬度的二結級聯(lián)結構匹配次高能波段和低能波段，實現對太陽光全光譜的吸收轉換。
2. 根據權利要求1所述的五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，其特征在于所述分光制作方法包括如下步驟步驟1:利用金屬有機物化學氣相沉積法生長太陽能電池的外延片； 步驟2:在外延片上制作上電極，在襯底下面制作下電極； 步驟3:選用兩個二向色鏡分光系統(tǒng)順次排列作為分光裝置，利用第一 級二向色鏡的透射和反射將太陽光從空間上分為高能光譜和相對低能光譜的 兩束光，再利用第二級二向色鏡的透射和反射將相對低能光譜的太陽光從空間上分為次高能光譜和低能光譜的兩束光；步驟4:將不同帶隙寬度的兩個雙結級聯(lián)電池和單結電池分別與分光后相應光譜波段的光束對準，進行電池的電學連接并安裝聚光單元。
3. 根據權利要求2所述的五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，其特征在于所述外延片為三組，分別由兩個雙結級聯(lián)結構和一個單結結構搭配構成。
4. 根據權利要求3所述的五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，其特 征在于所述一個雙結級聯(lián)結構為InGaP/GaAs結構，吸收對應次高能光譜 波段。
5. 根據權利要求3所述的五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，其特征在于所述另一個雙結級聯(lián)結構為In。.3Gao.7As/Ge結構或者生長在InP襯 底上的InGaAsP/In。.58Ga。.42As結構，吸收對應低能光譜波段。
6. 根據權利要求3所述的五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，其特 征在于所述單結結構為單結InGaN或ZnSe結構，吸收對應高能光譜波 段。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種五結太陽能電池系統(tǒng)的分光制作方法，其特征在于利用兩個分光裝置順次將太陽光譜分為連續(xù)的高能區(qū)、次高能區(qū)和低能區(qū)，在高能區(qū)采用一個單結結構來匹配高能光譜；而在次高能區(qū)和低能區(qū)分別通過兩個具有不同帶隙寬度的二結級聯(lián)結構匹配次高能光譜和低能光譜，實現對太陽光全光譜能量的吸收轉換。通過采用分光裝置和二加二再加一結的太陽能電池結構，吸收利用與其材料帶隙寬度相匹配的太陽光譜波段，減小了光電轉換中的熱能損耗，最大限度地實現了太陽光全光譜的吸收，提高光電轉換效率。同時也減少了機械式級聯(lián)太陽能電池系統(tǒng)中使用多個不同襯底所導致的高成本，有效避免了生長單片四結級聯(lián)半導體電池材料的晶格失配問題。
文檔編號H01L31/18GK101478014SQ20081024312
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月1日 優(yōu)先權日2008年12月1日
發(fā)明者輝 楊, 熊康林, 亦 王, 林 石, 董建榮, 陸書龍 申請人:蘇州納米技術與納米仿生研究所