[发明专利]一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片及其制备方法，以p型Ge为衬底制作外延片，在外延片的正面制备减反膜ARC和正面电极，将外延片正面匀胶保护，减薄外延片，在外延片的背面蒸镀图形化的全角反射镜ODR和背面电极，且全角反射镜ODR和背面电极的图形互补，背面电极所占面积不超过整颗芯片面积的10％。本发明可提升Ge子电池电流，解决多结电池的Ge子电池限流问题，同时提升太阳电池的功率质量比，还有效改善了电池片翘曲问题。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种具有全角反射镜的超薄太阳电池芯片及其制备方法。

背景技术

近些年来，空间探测技术发展突飞猛进，空间电源技术作为重要支撑部分也得到不断发展。Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池具有效率高、寿命长、抗辐照性能强等优势广泛应用于空间电源领域。目前，Ⅲ-Ⅴ族多结电池的主流结构为GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池，500倍聚光下转化效率超过41％，远高于晶硅电池，并且具有进一步提升的空间。

上述传统三结电池结构上整体保持晶格匹配，带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。这种结构的底电池电流远大于中电池和顶电池，造成了很大一部分太阳光能量损失，限制了电池性能的提高。根据Ⅲ-Ⅴ族多结电池发展的技术路线，制备多结太阳能电池是提升电池转换效率的重要途径之一。例如，四结晶格失配结构空间电池，在三结电池基础上增加一个电池结，带隙组合更改为0.67eV/1.0～1.25eV/1.5～1.7eV/2～2.1eV，这种带隙组合不仅优化了太阳光谱的综合利用，更提升单波段光谱的利用效率，最终实现产品的整体性能提升，光电效率将从30％提升到34％以上；理论分析表明，基于Ge衬底可以生长得到晶格匹配的AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结太阳能电池，该五结电池的带隙组合可调节为2.0～2.2/1.6～1.8/1.4/1.0～1.2/0.67eV，接近五结电池的最佳带隙组合，其地面光谱聚光效率极限可达50％，空间光谱极限效率可达36％，远高于传统三结电池，主要是因为五结电池可以更加充分地利用太阳光，提高电池的开路电压和填充因子。

理论上，电池结数越多，光电转换效率越高，实际上，随着结数增加，Ge子电池可利用的光谱能量越来越少，所产生的电流也越小。由于电池组件内部，各子电池是串联关系，故电池组件的总体短路电流受制于短路电流最小的子电池。对于四结以上的多结电池，限流结转移至Ge子电池。不同于其它子电池，Ge子电池为扩散结，可调的参数很少，比如基区厚度，Ge子电池吸收的主要是近红外的长波光子，长波的穿透能力很强，需要很厚的基区厚度才能充分吸收，且Ge子电池基区取决于衬底厚度，衬底过厚有悖与空间电池对于功率质量比的要求。目前，对于Ge以外的子电池大多采用在其基区以下生长布拉格反射层(DBR)的方法提升该子电池电流，此方法应用于Ge子电池需要二次外延，技术难度很高。因此，如何提升Ge子电池性能是四结、五结甚至更多结电池实现效率最优化的关键问题。

全角反射镜(ODR)以表面等离子体共振(Surface Plasmonics Resonance(SPR))及散逸式模态(Leaky Mode Resonance(LMR))双重效应为基础，是由介质层和金属层构成，介质层包括SiO₂、ITO、TiO₂、有机物等低折射率材料，金属层包括Au、Ag、Al等高反射率材料，一般介质层和金属层厚度分别在10～600nm、50～800nm范围内。研究表明，全角反射镜(ODR)可以在很宽的波段范围内高效反射穿透电池基区的光子，并且相对于DBR，ODR还能高效反射全角度(0～90°)的入射光，例如：铝金属光柵和BCB(Benzocyclobutene苯环丁烯)组成的双层结构可以反射400nm至1600nm波长范围的光，0～89°范围内入射光的平均反射率可达95.56％。本发明提出一种具有全反射镜(ODR)的太阳电池芯片，将图形互补的ODR和电极分别蒸镀在减薄的Ge子电池衬底面，使透过电池的光反射回去，提高其对光的吸收利用率，进而提升电池的转换效率，同时大幅减薄电池厚度，提高电池的功率质量比。