用于改善低温下性能的太阳能电池设计制造技术

本发明专利技术的名称是用于改善在低温下性能的太阳能电池设计。一种太阳能电池，该太阳能电池具有由砷化镓(GaAs)或砷化铟镓(InGaAs)组成的电池，该太阳能电池具有由p型掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)或砷化铟铝镓(InAlGaAs)组成的背面场(BSF)，用于在低于‑50℃的温度下增强太阳能电池的运行。在一个实例中，背面场包括Al

【技术实现步骤摘要】
用于改善低温下性能的太阳能电池设计
本公开一般地涉及用于改善低温下性能的太阳能电池设计。
技术介绍
尽管标准的天基太阳能电池在运行在接近或高于室温的任务中使用，但现在太阳能电池的许多新应用需要在远低于-50℃的温度下运行。例如，UAV(无人飞行器)可以在温度接近-70℃的超过50,000英尺的高度上运行。在另一个实例中，对木星和土星的深空探索在-140至-165℃之间运行。因此，对于这些越来越常见的应用，低温下的太阳能电池性能至关重要。不幸的是，许多太阳能电池针对接近室温的性能进行优化，而在低温下的性能明显丧失。因此，具有对在低于约-50℃的温度下运行而优化的装置的太阳能电池设计的需求。
技术实现思路
本公开描述了一种装置，其包括：太阳能电池，其具有由砷化镓(GaAs)或砷化铟镓(InGaAs)组成的电池，该太阳能电池具有由p型掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)或砷化铟铝镓(InAlGaAs)组成的背面场(BSF)，用于增强在低于约-50℃的温度下的太阳能电池运行。背面场可包括AlxGa1-xAs或In0.01AlxGa1-xAs，其中x小于约0.8，例如，其中x＝0.2。背面场可以利用锌(Zn)或碳(C)p型掺杂的。与由磷化铟镓(GaInP)组成的中间电池背面场相比，上述背面场可以与具有较低的势垒高度的中间电池(MC)基体形成异质结。上述背面场可以与在价带中具有约90meV或更低的势垒高度的中间电池基体形成异质结。势垒高度允许大多数载流子空穴的热化降至低于约-50℃的温度，其消除了与势垒相关的电阻损耗。势垒高度消除了电阻损耗。在室温和约-150℃的温度之间的温度范围内，太阳能电池的效率随温度降低而单调递增。本公开还描述了一种方法，其包括：制造太阳能电池，该太阳能电池具有由锌掺杂的砷化铝镓组成的中间电池背面场，用于在低于约-50℃的温度下增强太阳能电池的运行。此外，本公开描述了一种方法，其包括：使用太阳能电池产生电流，该太阳能电池具有由砷化镓(GaAs)或砷化铟镓(InGaAs)组成的电池，该太阳能电池具有由p型掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)或砷化铟铝镓(InAlGaAs)组成的背面场，用于在低于约-50℃的温度下增强太阳能电池的运行。最后，本公开描述了一种装置，其包括：太阳能电池，其具有中间电池基体和中间电池背面场，用于增强在低于约-50℃的温度下太阳能电池运行；其中基体由砷化镓(GaAs)或砷化镓铟(GaInAs)组成，并且背面场由一种材料组成，致使：背面场相对于基体具有小于约100meV的价带偏移；背面场相对于基体具有I型或II型带排列；并且背面场相对于基体保持大于约0meV的导带偏移，以便背面场充当异级(hetero-step)钝化层，并且将少数载流子电子反射回p-n结进行收集。基面场的晶格常数可以与中间电池基体的晶格常数大约相同。背面场可以由AlxGa1-xAs组成，其中x小于约0.8。背面场可以由砷化铝镓铟(AlxGa1-x-yInyAs)组成，其中x小于约0.8，并且选择y以便背面场的晶格常数与基体的晶格常数大约相同。背面场可以由砷化铝镓锑(aluminumgalliumarsenideantimony)(AlxGa1-xAs1-ySby)组成，其中x小于约0.8，并且选择y以相对于基体匹配I型或II型带排列。附图说明现在参考附图，其中相似的参考标记始终代表相应的部分：图1是三结太阳能电池的层示意图，图解了图1(左图)中的基线太阳能电池和图1(右图)中的新太阳能电池。图2是对于基线太阳能电池从-150℃至30℃测量的LIV(光-电流-电压)曲线的图。图3A和3B是提供新的和基线太阳能电池的背面场与基体异质结的带隙图的比较的图。图4A、4B和4C是显示用于改善低温性能的不同材料情况的可能带排列的图。图5是对于新太阳能电池从-150℃到30℃测量的LIV曲线的图。图6是基线和新太阳能电池的背面场的最大功率作为温度的函数的图。具体实施方式在下面的描述中，参考构成其一部分的附图，并且其中通过图解的方式显示了可以实践本公开的具体实例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实例并且可以进行结构改变。概览本公开描述了用于改善在低温(例如低于-50℃)下的太阳能电池性能的太阳能电池的设计规则。具体地，在低温性能中的主要限制是异质结电阻的存在，其随温度的降低呈指数增加。在标准三结(3J)太阳能电池中的主要异质结电阻出现在中间电池基体和BSF之间。在价带中材料的偏移充当整流二极管。在标称运行温度下，势垒很容易被收集在电路中的光生空穴克服。在低温下，价带能量的中断或异级充当整流势垒。先前曾尝试解决在低温下3J太阳能电池性能的该问题。一种尝试是在低温下使用标准的3J空间太阳能电池并忍受任何低温性能下降。另一个尝试是改变与中间电池BSF的界面附近的中间电池基体中的p型掺杂。掺杂的变化可以使异质结势垒的宽度变窄，允许增加穿过异质结势垒的隧穿传输并降低异质结电阻。这缓解了问题，但取决于温度和确切的掺杂水平充其量是脆弱的。本公开通过替换基线BSF材料以减小、消除或重新定向异质结势垒来减小该异质结电阻。具体地，本公开描述的一个实例描述了一种新太阳能电池，该太阳能电池具有由AlGaAs或InAlGaAs组成的中间电池BSF，用于改善在低于约-50℃的温度下的太阳能电池性能。在一个实例中，新BSF包括AlxGa1-xAs或In0.01AlxGa1-xAs，其中x＝0.2。实验数据表明，相对于基线BSF，在-150℃下，新BSF的效率提高了25％。实际上，新太阳能电池性能比基线太阳能电池高20-30％。技术描述图1是层示意图，每个显示了分别包括基线和新III-V3J太阳能电池100a、100b的装置的横截面。图1(左图)显示了如当前制造的基线III-V3J太阳能电池100a。太阳能电池100a包括5-15mΩ的p掺杂的锗(p-Ge)衬底102，在其上沉积和/或制造标准(std)成核层104、缓冲层106、下隧道结108、Zn掺杂的GaInPBSF110a、由GaInAs基体112和InGaAs发射极114组成的中间电池(MC)、MC窗口116、顶部隧道结118、由GaInP组成的顶部电池(TC)BSF120、由GaInP组成的TC122、磷化铝铟(AlInP)窗口124和GaInAs盖126。图1(右图)显示了根据本公开的新III-V3J太阳能电池100b，其中利用Znp型掺杂的AlGaAsBSF110b替代了基线太阳能电池100a的中间电池中的GaInPBSF110a。在一个实例中，BSF110b包括AlxGa1-xAs，其中x＝0.2。在可选的实例中，BSF110b可包含In0.01AlxGa1-xAs，其中x＝0.2。在可选的实例中，BSF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，其包括：太阳能电池，其具有由砷化镓(GaAs)或砷化铟镓(InGaAs)组成的电池，所述太阳能电池具有由p型掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)或砷化铟铝镓(InAlGaAs)组成的背面场(BSF)，用于在低于约-50℃的温度下增强所述太阳能电池的运行。/n

【技术特征摘要】
20190419 US 62/836,453;20200210 US 16/786,8321.一种装置，其包括：太阳能电池，其具有由砷化镓(GaAs)或砷化铟镓(InGaAs)组成的电池，所述太阳能电池具有由p型掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)或砷化铟铝镓(InAlGaAs)组成的背面场(BSF)，用于在低于约-50℃的温度下增强所述太阳能电池的运行。


2.根据权利要求1所述的装置，其中所述背面场由AlxGa1-xAs或In0.01AlxGa1-xAs组成。


3.根据权利要求2所述的装置，其中x小于约0.8。


4.根据权利要求3所述的装置，其中x＝0.2。


5.根据权利要求1所述的装置，其中所述背面场是利用锌(Zn)或碳(C)p型掺杂的。


6.根据权利要求1所述的装置，其中与由磷化铟镓(GaInP)组成的中间电池背面场相比，所述背面场与具有较低的势垒高度的中间电池基体形成异质结。


7.根据权利要求1所述的装置，其中所述背面场与在价带中具有约90meV或更小的势垒高度的中间电池基体形成异质结。


8.根据权利要求7所述的装置，其中所述势垒高度允许将大多数载流子空穴的热化降低至低于约-50℃的温度，其消除了与所述势垒相关的电阻损耗。


9.根据权利要求7所述的装置，其中所述势垒高度消除了电阻损耗。


10.根据权利要求1所述的装置，其中在室温和约-150℃的温度之间的温度范围内，所述太阳能电池的效率随温度降低而单调增加。


11.一种方法，其包括：制造太阳能电池，所述太阳能电池具有由砷化镓(GaAs)或砷化铟镓(InGaAs)组成的电池，所述太阳能电池具有由p型掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)或砷化铝镓铟(InAlGaAs)组成的背面场，用于在低于约-50℃的温度下增强所述太阳能电池的运行。


12.根据权利要求11所...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·T·肖，C·M·菲泽，X·刘，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US