高效多结太阳电池的发展

作为日本阳光计划的一部分，1990年，日本开始开展超高效多结太阳电池的研发项目。通过后续技术的开发，基于InGaP/GaAs多结太阳电池的转换效率得到了提高。图15.2给出了InGaP/(In)GaAs/Ge三结太阳电池的示意图以及提高其转换效率的关键技术。

图15.2　为提高电池效率提出的三结电池和采用的制造方法

15.2.1　宽带隙的隧道结

包含双异质结构p-Al(Ga)InP/p-AlGaAs/n-(Al)InGaP/n-Al(Ga)InP的宽带隙的隧道结可以提高进入中间电池(In)GaAs的入射光，而且可以为在顶电池和中间电池内产生的少数载流子提供有效的势垒。通过宽带隙隧道结可以提高电池的开路电压(Voc)和短路电流(Isc)，同时不会引起吸收和复合损失［8］。因为具有宽带隙的隧道结很难获得高隧道峰值电流，所以有必要减小具有重掺杂结耗尽层的宽度。由于在顶部电池的生长过程中杂质会发生扩散，所以把具有低扩散系数的碳和硅分别用于p型AlGaAs和n型(Al)InGaP。双异质结构假设可以抑制来自重掺杂隧道结的杂质的扩散［10］。存在于中间电池和底部电池之间的第二个隧道结是由p-InGaP/p-(In)GaAs/n-(In)GaAs/n-InGaP组成的，它比中间电池材料具有更宽的带隙。

15.2.2　锗底部电池的组合

InGaP/GaAs电池层是在p型锗基底上生长的。通过在锗基底上生长的第一层的Ⅴ族原子的扩散，p-n结在MOCVD的生长过程中会自动形成。因此，第一个异质结层的材料对于锗基底电池的性能非常重要。InGaP层适合作为第一个异质结层的材料，因为磷在锗中的扩散系数比砷在锗中的扩散系数要小，而且铟在锗中的溶解度要低于镓在锗中的溶解度。图15.3给出了第一异质结层的材料由GaAs换成InGaP的三结电池的光谱响应变化。InGaP异质结层的生长改善了锗基底电池的量子效率。对于GaAs异质结生长层来说，结深约为1μm。另一方面，由InGaP层的磷产生的n型层的厚度为0.1μm，证实了由于结深度的降低提高了锗的量子效率。