空间太阳能电池

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2024-02-22 11:26:36

权利要求书： 1.一种空间太阳能电池，其特征在于，包括依次叠加的底电池、底中电池隧穿结、中电池、中顶电池隧穿结和顶电池；所述顶电池包括自中顶电池隧穿结开始依次叠加的顶电池反射层、顶电池基区、顶电池发射区、顶电池窗口层和帽子层；所述顶电池反射层为P型AlGaInP层和P型AlInP层交替生长形成的复合层。

2.根据权利要求1所述的空间太阳能电池，其特征在于，所述复合层，由15～30对AlGaInP/AlInP结构叠加而成。

3.根据权利要求1所述的空间太阳能电池，其特征在于，所述复合层为锌掺杂复合层、镁掺杂复合层和碳掺杂复合层中的一种或多种形成的复合层。

4.根据权利要求3所述的空间太阳能电池，其特征在于，所述掺杂复合层为锌掺杂复合层。

5.根据权利要求4所述的空间太阳能电池，其特征在于，所述锌掺杂复合层，锌的浓度

17 3

≥8×10 /cm。

6.根据权利要求1所述的空间太阳能电池，其特征在于，所述底电池与所述底中电池隧穿结之间，还包括自底电池开始，依次叠加的底中电池缓冲层和中电池反射层。

7.根据权利要求6所述的空间太阳能电池，其特征在于，所述中电池反射层由P型AlAs层和P型AlGaAs交替生长形成。

8.根据权利要求6所述的空间太阳能电池，其特征在于，所述底中电池缓冲层，为N型GaInAs层。

9.根据权利要求1所述的空间太阳能电池，其特征在于，所述中顶电池隧穿结由P++型GaInP层和N++型AlGaAs层交替生长形成。

10.根据权利要求1所述的空间太阳能电池，其特征在于，所述底中电池隧穿结由P++型GaAs层和N++型GaAs层交替生长形成。

说明书：一种空间太阳能电池技术领域[0001] 本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种空间太阳能电池。背景技术[0002] 太阳能电池是一种高效率、长寿命、高可靠性的空间能源。现代科学在对宇宙的探索过程中，太阳能电池是卫星和空间电站的主要能量来源。在已发射的3000多颗各类人造

卫星中，80％以上的卫星都利用了太阳能电池组件，因此空间太阳能电池需求量增长迅速。

[0003] 硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池是目前常用的几种空间太阳能电池。其中砷化镓太阳能电池作为第三代太阳能电池，具有转化效率高、温度特性好、耐辐照性能强和重量

轻等优点。但是现有的砷化镓空间太阳能电池，对空间可吸收光谱的利用率较低。

发明内容[0004] 本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种空间太阳能电池，能够提升对空间中可吸收光的利用率。

[0005] 一种空间太阳能电池，包括依次叠加的底电池、底中电池隧穿结、中电池、中顶电池隧穿结和顶电池；所述顶电池包括自中顶电池隧穿结开始依次叠加的顶电池反射层、顶

电池基区、顶电池发射区、顶电池窗口层和帽子层；所述顶电池反射层为P型AlGaInP层和P

型AlInP层交替生长形成的复合层。

[0006] 根据本发明的一些优选的实施方式，所述空间太阳能电池，至少具有以下有益效果：

[0007] (1)本发明提供的顶电池反射层，兼具反射层和背电场层的功能，因此可在保持空间太阳能电池功重比的前提上，提升顶电池对可吸收光的利用率。

[0008] (2)由于顶电池反射层和顶电池晶格常数匹配一致，因此形成的空间太阳能电池晶格失配低。

[0009] (3)本发明中可通过调整P型AlGaInP层、P型AlInP层的厚度，P型AlGaInP层中元素Al和元素Ga的摩尔比例，调整可反射光的波长，因此本发明提供的顶电池反射层适用范围

广。

[0010] 在本发明的一些实施方式中，所述底电池包括依次叠加的底电池基区、底电池发射区和底电池窗口层，所述底电池窗口层与所述底中电池缓冲层接触。

[0011] 在本发明的一些实施方式中，所述底电池基区为P型Ge层。[0012] 在本发明的一些实施方式中，所述底电池发射区为N型Ge层，厚度约为0.2μm。[0013] 在本发明的一些实施方式中，所述底电池发射区进行了磷掺杂，掺杂源为PH3。[0014] 在本发明的一些实施方式中，所述底电池窗口层为N型GaInP层，厚度约为0.05μm。[0015] 在本发明的一些实施方式中，所述底电池的禁带宽度约为0.67e。[0016] 在本发明的一些实施方式中，所述底电池与所述底中电池隧穿结之间，还包括自底电池开始，依次叠加的底中电池缓冲层和中电池反射层。

[0017] 在本发明的一些实施方式中，所述底中电池缓冲层，为N型GaInAs层。[0018] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池反射层由P型AlAs层和P型AlGaAs层交替生长形成。

[0019] 在本发明的一些优选的实施方式中，所述中电池反射层由16对AlAs/AlGaAs结构组成。

[0020] 在本发明的一些优选的实施方式中，所述中电池反射层，需反射光的波长为650nm～900nm。

[0021] 在本发明的一些优选的实施方式中，所述中电池反射层中，所述P型AlAs层和P型AlGaAs层的厚度根据式(1)进行计算。

[0022] d＝Nλ/4n(1)。[0023] 其中厚度d为目标材料的厚度，n为目标材料的折射率，λ为需反射光的波长，N为正整数。

[0024] 在本发明的一些实施方式中，所述底中电池隧穿结由P++型GaAs层和N++型GaAs层交替生长形成。

[0025] 所述P++表示p型重掺杂，所述N++表示N型重掺杂。[0026] 在本发明的一些实施方式中，所述底中电池隧穿结中，所述P++型GaAs层的厚度约为0.03μm；所述N++型GaAs层的厚度约为0.03μm。

[0027] 在本发明的一些实施方式中，所述底中电池隧穿结中，所述P++型GaAs层的掺杂原19 3 19

子为碳，掺杂浓度约为3×10 /cm ；所述N++型GaAs层的掺杂原子为Te，掺杂浓度约为10 /

3

cm。

[0028] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池，包括自底中电池隧穿结开始，依次叠加的中电池背场层、中电池基区、中电池发射区和中电池窗口层。

[0029] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池背场层为P型GaInP层。[0030] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池基区为P型GaxIn1?xAs层，0.01≤x≤0.22。

[0031] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池基区厚度约为1.8μm。[0032] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池发射区为N型GaInP层。[0033] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池发射区厚度约为0.2μm。[0034] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池窗口层为N型AlInP层。[0035] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池窗口层厚度约为0.15μm。[0036] 在本发明的一些实施方式中，所述中电池禁带宽度约为1.4e，该禁带宽度有利于中电池吸收更多的太阳光，提高中电池的电流密度。

[0037] 在本发明的一些实施方式中，所述中顶电池隧穿结由P++型GaInP层和N++型AlGaAs层交替生长形成。

[0038] 在本发明的一些实施方式中，所述中顶电池隧穿结中，所述P++型GaInP层，厚度约19 3

为0.02μm，进行了约1×10 /cm的Te掺杂。

[0039] 在本发明的一些实施方式中，所述中顶电池隧穿结中，所述N++型AlGaAs层，厚度19 3

约为0.02μm，进行了约3×10 /cm的碳掺杂。

[0040] 所述顶电池反射层，所述顶电池反射层同时兼具传统顶电池背电场层的功能。因此在保持所述空间太阳能电池功重比的前提上，提升了所述顶电池对可吸收光的利用率。

[0041] 在本发明的一些实施方式中，由于AlGaInP层和AlInP层形成的复合层，和顶电池晶格常数匹配一致，因此形成的空间太阳能电池晶格失配低，所述空间太阳能电池的性能

优异。

[0042] 在本发明的一些实施方式中，当入射光的波长λ、P型AlGaInP层和P型AlInP层的厚度d，P型AlGaInP层和P型AlInP层的折射率n、正整数N满足式(1)所示关系时，则入射至所述

顶电池反射层的光可被反射至顶电池所在区域，继续被顶电池利用，因此可增加顶电池对

可吸收光的利用率。

[0043] 在本发明的一些实施方式中，所述顶电池反射层的折射率，调整方法为：调整P型AlGaInP层中，元素Al和元素Ga的摩尔比例。

[0044] 在本发明的一些实施方式中，所述顶电池的可吸收光的波长为400nm～650nm。[0045] 在本发明的一些实施方式中，所述复合层，由15～30对AlGaInP/AlInP结构叠加而成。

[0046] 在本发明的一些优选的实施方式中，所述复合层，由16对AlGaInP/AlInP结构叠加而成。

[0047] 在本发明的一些优选的实施方式中，与所述中顶电池隧穿结接触的第一对AlGaInP/AlInP结构，与中电池晶格常数匹配一致，其中AlInP层和AlGaInP层中，In的摩尔

组分梯度均约为1％。

[0048] 在本发明的一些实施方式中，所述AlGaInP/AlInP结构的对数，与所述空间太阳能电池的最大电压(oc)、最大电流(Isc)和电流密度(Jsc)性能相关。

[0049] 传统空间太阳电池的背电场层需要有较高的透光率。[0050] 传统空间太阳电池的背电场层需要有较宽的带隙以与顶电池基区形成较高的导带失配，进而形成势垒、钝化顶电池基区和背电场层之间的表面复合，最终提高载流子的收

集效率。

[0051] 因此本发明提供的顶电池反射层若要更好的兼具传统背电场层的作用，需进行掺杂，以提高空穴浓度、改变费米能级，使费米能级偏向价带、偏离导带，减少所述顶电池反射

层与所述顶电池基区之间的复合损失。

[0052] 在本发明的一些实施方式中，所述复合层为锌掺杂复合层、镁掺杂复合层和碳掺杂复合层中的一种或多种形成的复合层。

[0053] 在本发明的一些优选的实施方式中，所述掺杂复合层为锌掺杂复合层。[0054] 在本发明的一些优选的实施方式中，所述锌掺杂复合层，锌的浓度≥8×1017/cm3。[0055] 在本发明的一些实施方式中，当掺杂源为镁时，可起到减少所述顶电池反射层与所述顶电池基区之间的复合损失的作用。

[0056] 在本发明的一些实施方式中，当掺杂源为碳时，可起到减少所述顶电池反射层与所述顶电池基区之间的复合损失的作用。

[0057] 在本发明的一些实施方式中，当掺杂源为锌时，一方面形成高浓度的掺杂，另一方面锌的扩散系数适中，因此是产生的效果最优。

[0058] 在本发明的一些实施方式中，所述顶电池基区为P型GayIn1?yP层，0.3≤y≤0.5。[0059] 在本发明的一些实施方式中，所述顶电池发射区为N型GayIn1?yP层，0.3≤y≤0.5。[0060] 在本发明的一些优选的实施方式中，所述顶电池基区与所述顶电池发射区的总厚度约为0.5μm。

[0061] 在本发明的一些实施方式中，所述顶电池窗口层为N型AlInP层。[0062] 在本发明的一些实施方式中，所述顶电池窗口层的厚度约为0.03μm。[0063] 在本发明的一些实施方式中，所述顶电池禁带宽度为1.6e～1.9e。[0064] 在本发明的一些实施方式中，所述帽子层为N型GaAs层。[0065] 在本发明的一些实施方式中，所述帽子层厚度约为0.3μm。[0066] 在本发明的一些实施方式中，所述帽子层进行了硅掺杂，掺杂浓度约为6×1018/3

cm。

附图说明[0067] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：[0068] 图1为本发明实施例1所得空间太阳能电池的结构示意图。[0069] 图2为本发明实施例1所得空间太阳能电池底电池的结构示意图。[0070] 图3为本发明实施例1所得空间太阳能电池中电池的结构示意图。[0071] 图4为本发明实施例1所得空间太阳能电池顶电池的结构示意图。[0072] 附图标记：[0073] 100、底电池；101、底电池基区；102、底电池发射区；103、底电池窗口层；200、底中电池缓冲层；300、中电池反射层；400、底中电池隧穿结；500、中电池；501、中电池背场层；

502、中电池基区；503、中电池发射区；504、中电池窗口层；600、中顶电池隧穿结；700、顶电

池；701、顶电池反射层；702、顶电池基区；703、顶电池发射区；704、顶电池窗口层；705、帽子

层。

具体实施方式[0074] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附

图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0075] 在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简

化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和

操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0076] 在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只

是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的

技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

[0077] 本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体

含义。

[0078] 本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、

材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示

意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点

可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0079] 实施例1[0080] 本实施例提供了一种空间太阳能电池，包括依次叠加的：[0081] 底电池，包括底电池基区(P型Ge)、底电池发射区(磷掺杂的N型Ge，0.2μm)，底电池窗口层(N型GaInP，0.05μm)；

[0082] 底中电池缓冲层(N型GaInAs层)；[0083] 中电池反射层(16对AlAs/AlGaAs结构)；[0084] 底中电池隧穿结(碳掺杂浓度为3×1019/cm3的P++型GaAs层和Te掺杂浓度为1019/3

cmN++型GaAs层交替生长形成，每层厚度为0.03μm)；

[0085] 中电池，包括中电池背场层(P型GaInP)、中电池基区(P型Ga0.1In0.9As，1.8μm)、中电池发射区(N型GaInP，0.2μm)、中电池窗口层(N型AlInP层，0.15μm)；

[0086] 中顶电池隧穿结(Te掺杂浓度为1019/cm3的P++型GaInP层和碳掺杂浓度为3×1019/3

cmN++型AlGaAs层交替生长形成，每层厚度为0.02μm)；

[0087] 顶电池，包括顶电池反射层(16对AlGaInP/AlInP结构叠加而成，进行了≥8×1017/3

cm浓度的锌掺杂)、顶电池基区(P型Ga0.5In0.5P层)、顶电池发射区(N型Ga0.5In0.5P)、顶电池

18 3

窗口层(N型AlInP，0.03μm)、帽子层(N型GaAs，0.3μm，硅掺杂浓度为6×10 /cm)。

[0088] 本实施例所得空间太阳能电池的结构示意图如图1所示。[0089] 本实施例底电池的结构示意图如图2所示。[0090] 本实施例中电池的结构示意图如图3所示。[0091] 本实施例顶电池的结构示意图如图4所示。[0092] 对比例1[0093] 本对比例提供了一种空间太阳能电池，具体结构与实施例1的区别为：以材质为P型AlCaInP的顶电池背场层，替代实施例1中的顶电池反射层。

[0094] 试验例[0095] 本实验例表征了实施例1和对比例1所得空间太阳能电池的性能，具体测试方法为：使用太阳能模拟器照射，并同时使用I测试仪获取空间太阳能电池进行I?曲线。每组

样品包括8个样本，各样本的测试结果记录于表1。

[0096] 表1实施例1和对比例1所得空间太阳能电池的性能结果。[0097][0098][0099] 表1结果说明，本发明提供的空间太阳能电池，性能一致性好；并且，本发明通过设置顶电池反射层，将光电转换效率提升了1％，这在工业上是具有极大难度的。

[0100] 上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作

出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。