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辐射倒置变质多结太阳能电池

阅读:136发布:2023-01-18

专利汇可以提供辐射倒置变质多结太阳能电池专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 申请 案涉及耐 辐射 倒置变质多结 太阳能 电池 。一种多结 太阳能电池 包含:第一太阳能子电池,其具有第一带隙及第一 短路 电流 ;第二太阳能子电池,其安置于所述第一太阳能子电池上方且具有大于所述第一带隙的第二带隙及比所述第一短路电流大在2%到6%的范围内的量的第二短路电流;第三太阳能子电池,其安置于所述第二太阳能子电池上方且具有大于所述第二带隙的第三带隙及比所述第一短路电流小在2%到6%的范围内的量的第三短路电流;及第四太阳能子电池,其安置于所述第三太阳能子电池上方,具有大于所述第三带隙的第四带隙及比所述第三短路电流小在6%到10%的范围内的量的第四短路电流,使得在AMO空间环境中在所述多结太阳能电池的“寿命结束”状态下,所述子电池中的每一者的所述短路电流大致相同。,下面是辐射倒置变质多结太阳能电池专利的具体信息内容。

1.一种多结太阳能电池,其包括:
第一太阳能子电池,其由InGaAs构成且具有第一带隙及第一短路电流
第二太阳能子电池,其由InGaAs构成,安置于所述第一太阳能子电池上方且具有大于所述第一带隙的第二带隙及比所述第一短路电流大在2%到6%的范围内的量的第二短路电流;
第三太阳能子电池,其由GaAs构成,安置于所述第二太阳能子电池上方且具有大于所述第二带隙的第三带隙及比所述第一短路电流小在2%到6%的范围内的量的第三短路电流;及
第四太阳能子电池,其由InGaP构成,安置于所述第三太阳能子电池上方,具有大于所述第三带隙的第四带隙及比所述第三短路电流小在6%到10%的范围内的量的第四短路电流,
使得在AM0空间环境中在所述多结太阳能电池的“寿命结束”状态下,所述子电池中的每一者的所述短路电流大致相同。
2.根据权利要求1所述的多结太阳能电池,其中所述寿命结束状态对应于在AM0空间环境中至少15年的使用周期。
3.根据权利要求1所述的多结太阳能电池,其中所述寿命结束状态对应于暴露于每平
15
方厘米1×10 1MeV电子的通量。
4.根据权利要求1所述的多结太阳能电池,其中所述第三太阳能子电池与所述第四太阳能子电池晶格匹配
5.根据权利要求4所述的多结太阳能电池,其中第一缓变中间层提供于所述第一与第二太阳能子电池之间。
6.根据权利要求5所述的多结太阳能电池,其中第二缓变中间层提供于所述第二与第三太阳能子电池之间。
7.一种用于空间辐射环境的多结太阳能电池,所述多结太阳能电池具有以增加带隙的次序布置的多个太阳能子电池,所述多个太阳能子电池包含:
第一太阳能子电池,其由InGaAs构成且具有第一带隙,所述第一太阳能子电池具有与其相关联的第一短路电流;
第二太阳能子电池,其由InGaAs构成且具有大于所述第一带隙的第二带隙,所述第二太阳能子电池具有与其相关联的第二短路电流;
其中在寿命开始状态中,所述第二短路电流大于所述第一短路电流使得AM0转换效率为次优的。
8.根据权利要求7所述的多结太阳能电池,其中所述第二短路电流比所述第一短路电流大在2%到6%的范围内的量。
9.根据权利要求7所述的多结太阳能电池,其中所述结构提供在所述多结太阳能电池的寿命内变化的AM0转换效率,使得在所述多结太阳能电池的所述寿命结束以前,所产生的电能大于具有提供最优寿命开始AM0转换效率的结构的多结太阳能电池的电能。
10.根据权利要求9所述的多结太阳能电池,其中寿命结束AM0转换效率大于所述寿命开始AM0效率的82%。
11.根据权利要求10所述的多结太阳能电池,其中所述寿命结束状态对应于暴露于每
15
平方厘米1×10 1MeV电子的通量。
12.根据权利要求8所述的多结太阳能电池,其中所述多个太阳能子电池进一步包含:
第三太阳能子电池,其由GaAs构成且具有大于所述第二带隙的第三带隙,所述第三太阳能子电池具有与其相关联的第三短路电流,所述第三短路电流小于所述第二短路电流;

第四太阳能子电池,其由InGaP构成且具有大于所述第三带隙的第四带隙,所述第四太阳能子电池具有与其相关联的第四短路电流,所述第四短路电流小于所述第三短路电流。
13.根据权利要求12所述的多结太阳能电池,其中所述第二短路电流比所述第一短路电流大在2%到6%的范围内的量,
其中所述第三短路电流比所述第一短路电流小在2%到6%的范围内的量,且其中所述第四短路电流比所述第三短路电流小在6%到10%的范围内的量。

说明书全文

辐射倒置变质多结太阳能电池

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于有时称为零空气质量(AM0)环境的空间辐射环境的变质多结太阳能电池。此类太阳能电池为许多卫星使用的电源。

背景技术

[0002] 对较高转换效率的需要已推动了多结太阳能电池的开发,即,具有两个或两个以上太阳能子电池的太阳能电池,所述太阳能子电池具有不同带隙且以减小带隙的次序布置,使得高能量辐射由第一太阳能子电池吸收且低能量的光子穿过第一太阳能子电池并由后续太阳能子电池吸收。为了在每一太阳能电池中提供增加数目的太阳能子电池,已知将不同材料用于不同太阳能子电池,在此情况下,太阳能电池称为变质多结太阳能电池。每一太阳能子电池具有相关联的短路电流且按惯例,太阳能电池经设计以使每一太阳能子电池的短路电流匹配以实现最大转换效率。
[0003] 倒置变质太阳能电池结构的制作(例如在M.W.瓦拉斯(M.W.Wanlass)等人的用于高性能III-V光伏能量转换器的晶格不匹配方法(Lattice Mismatched Approaches for HighPerformance,III-V Photovoltaic Energy Converters)(第31届IEEE光伏专家会议的会议录,2005年1月3-7日,IEEE出版社,2005)中所描述)涉及在生长衬底上以反向次序生长太阳能子电池(即,从最高带隙太阳能子电池到最低带隙太阳能子电池)且接着移除生长衬底。
[0004] US2010/0122724A1(其全部内容以引用的方式并入本文中)论述四结倒置变质多结太阳能电池。
[0005] 对既定用于空间应用的太阳能电池的关键要求是能够耐受暴露于电子及质子粒子辐射。先前对InGaAs太阳能子电池进行的电子辐射研究已证实相对于InGaP及GaAs的较低耐辐射性,参见M.山口(M.Yamaguchi)的“化合物半导体太阳能电池的耐辐射性(Radiation Resistance of Compound Semiconductor Solar Cells)”,应用物理期刊,78,1995,pp1476-1480。因此,InGaAs太阳能子电池的性能在AM0环境中将比InGaP或GaAs太阳能子电池更快地劣化。因此,将InGaAs子电池并入到“抗辐射”多结太阳能电池中提出了挑战。

发明内容

[0006] 本发明旨在改进具有至少两个InGaAs太阳能子电池的变质多结太阳能电池在AM0环境中的性能。根据本发明,在于AM0环境中部署太阳能电池期间,在寿命开始时将不匹配引入到与太阳能电池的太阳能子电池相关联的短路电流中以允许至少两个InGaAs太阳能子电池的转换效率有较大劣化。与在增加的InAs含量的情况下的预期相反,已发现具有较低带隙能的InGaAs太阳能子电池比具有较高带隙能的InGaAs太阳能子电池更具耐辐射性。因此,在太阳能电池的寿命开始时,使与较低带隙InGaAs太阳能子电池相关联的短路电流比与较高带隙能InGaAs太阳能子电池相关联的短路电流小。在本发明的实施例中,使与较低带隙InGaAs太阳能子电池相关联的短路电流比与较高带隙能InGaAs太阳能子电池相关联的短路电流小在2%到6%的范围内的量。
[0007] 本发明的实施例提供一种多结太阳能电池,所述多结太阳能电池具有:第一太阳能子电池,其由InGaAs构成且具有第一带隙及第一短路电流;第二太阳能子电池,其由InGaAs构成,安置于所述第一太阳能子电池上方且具有大于所述第一带隙的第二带隙及比所述第一短路电流大在2%到6%的范围内的量的第二短路电流;第三太阳能子电池,其由GaAs构成,安置于所述第二太阳能子电池上方且具有大于所述第二带隙的第三带隙及比所述第一短路电流小在2%到6%的范围内的量的第三短路电流;及第四太阳能子电池,其由InGaP构成,安置于所述第三太阳能子电池上方,具有大于所述第三带隙的第四带隙及比所述第三短路电流小在6%到10%的范围内的量的第四短路电流。所述第一到第四短路电流经设定使得在AM0空间环境中在所述多结太阳能电池的寿命结束状态下,所述子电池中的每一者的所述短路电流大致相同。所述寿命结束状态可对应于在AM0空间环境中至少1515
年的使用周期或暴露于每平方厘米1×10 1MeV电子的通量。
附图说明
[0008] 图1示意性地展示根据本发明的实施例的多结太阳能电池的主要区域;
[0009] 图2是针对图1中所图解说明的多结太阳能电池的四个太阳能子电池中的每一者展示所述太阳能子电池的短路电流密度与具有最大带隙的太阳能子电池的短路电流的比率随时间的变化的图表;
[0010] 图3是展示与经电流匹配多结太阳能电池相比在图1中所图解说明的多结太阳能电池的寿命期间转换效率的变化的图表。

具体实施方式

[0011] 现在将描述本发明的细节,包含其示范性方面及实施例。参考附图及以下描述,相似的参考编号用于识别相似或功能上类似的元件,且意在以高度简化的图示方式图解说明示范性实施例的主要特征。此外,所述图式既不意在描绘实际实施例的每一特征,也不意在描绘所描绘元件的相对尺寸,且这些图式并非按比例绘制。
[0012] 图1示意性地展示下文称为IMM4J太阳能电池的倒置变质四结太阳能电池。特定来说,图1展示在移除生长衬底1之前所述IMM4J太阳能电池的主要层的分解视图。将了解,图1中所展示的IMM4J太阳能电池通常反向安装到替代衬底上且在使用之前移除生长衬底1。
[0013] 在生长衬底1上沉积InGaP太阳能子电池3,且在InGaP太阳能子电池3上沉积GaAs太阳能子电池5,使得InGaP太阳能子电池3位于生长衬底1与GaAs太阳能子电池5之间。InGaP太阳能子电池3及GaAs太阳能子电池5与生长衬底1晶格匹配
[0014] 第一缓变中间层7插置于GaAs太阳能子电池3与第一InGaAs太阳能子电池9之间GaAs太阳能子电池5的与InGaP太阳能子电池1相对的侧上。第一缓变中间层7为用于桥接GaAs太阳能子电池5与第一InGaAs太阳能子电池9的晶格常数之间的差异的变质层。
[0015] 第二缓变中间层11插置于第一InGaAs太阳能子电池9与第二InGaAs太阳能子电池13之间第一InGaAs太阳能子电池9的与第一缓变中间层7相对的侧上。第二缓变中间层11为用于桥接第一InGaAs太阳能子电池9与第二InGaAs太阳能子电池13的晶格常数之间的差异的变质层。
[0016] InGaP太阳能子电池3具有1.9eV的带隙;GaAs太阳能子电池5具有1.4eV的带隙;第一InGaAs太阳能子电池9具有1.0eV的带隙;且第二InGaAs太阳能子电池13具有0.7eV的带隙。因此,多个太阳能子电池从生长衬底以减小带隙的次序布置。以此方式,当太阳辐射从生长衬底侧撞击时(在移除生长衬底1之后),具有超过1.9eV的能量的光子通常由InGaP太阳能子电池3吸收,具有在1.4eV与1.9eV之间的能量的光子通常由GaAs太阳能子电池5吸收,具有在1.0eV与1.4eV之间的能量的光子通常由第一InGaAs太阳能子电池9吸收,且具有在0.7eV与1.0eV之间的能量的光子通常由第二InGaAs太阳能子电池
13吸收。此产生40.8%的理论转换效率。
[0017] 对既定用于空间应用的太阳能电池的关键要求是能够耐受暴露于电子及质子粒子辐射。如先前所提及,已知InGaAs太阳能电池具有比InGaP太阳能电池及GaAs太阳能电池低的耐辐射性。因此,与InGaAs太阳能电池相关联的短路电流将以比与InGaP太阳能电池及GaAs太阳能电池相关联的短路电流快的速率下降。
[0018] 按惯例,多结太阳能电池经设计使得在太阳能电池的寿命开始时,所有太阳能子电池的短路电流大致相同。在此实施例中,为了考虑到第一InGaAs太阳能子电池9及第二InGaAs太阳能子电池13的短路电流将比InGaP太阳能子电池3及GaAs太阳能子电池5的短路电流更快地下降的事实,使在太阳能电池的寿命开始时太阳能子电池的短路电流不匹配使得在太阳能电池的寿命结束时的短路电流大致匹配。以此方式,改进了在太阳能电池的寿命内的总能量转换。
[0019] 图2图解说明在太阳能电池的寿命内四个太阳能子电池的短路电流的转换。特定来说,y轴展示每一太阳能电池的短路电流相对于InGaP太阳能电池3的短路电流的值。个别太阳能子电池在寿命内的短路电流的变化是使用单结电池研究的,所述单结电池经制作以表示相应个别子电池,其中周围子电池材料为同型的以产生在生长期间的相同装置热负2
载以及辐照吸收特性。接着将单结电池暴露于处于5E14及1E15e/cm 的通量的1-MeV电子辐射。
[0020] 如所预期,第一InGaAs太阳能子电池9及第二InGaAs太阳能子电池11展现比InGaP太阳能子电池3及GaAs太阳能子电池5低的耐辐射性。然而,令人惊奇地,第二InGaAs太阳能子电池11展现比第一InGaAs太阳能子电池9高的耐辐射性。此并未预期到,因为预期是第二InGaAs太阳能电池11中的较高InAs含量将导致与第一InGaAs太阳能子电池9相比所述子电池中的较高降解度。
[0021] 可解释与第一InGaAs太阳能子电池9相比第二InGaAs太阳能子电池11的较高耐辐射性的一种理论是,在寿命开始时第二InGaAs太阳能子电池11的扩散长度比第一InGaAs太阳能子电池9的扩散长度长的多,此将归因于InAs中相对于GaAs更高的少数载流子浓度。因此,虽然第二InGaAs太阳能子电池11在经受电子辐射时扩散长度的改变可大于第一InGaAs太阳能子电池9的改变,但在寿命结束时的净扩散长度在第二InGaAs太阳能子电池中仍较长。
[0022] 在寿命开始时太阳能子电池之间的所要电流不匹配可通过使子电池厚度及子电池带隙变化来实现。在此实施例中,通过使InGaP太阳能子电池3与电流匹配所需的宽度相比变薄来实现GaAs太阳能子电池5所需的额外电流,而第一及第二InGaAs太阳能子电池所需的额外电流由带隙的略微减小产生,此导致与用于电流匹配的带隙相比吸收带的增加。
[0023] 在制作程序的优化之后,IMM4J太阳能电池在寿命开始时展现约34%的AM0转换效率。与在寿命开始时经电流匹配的等效IMM4J太阳能电池相比此为小的降低,但如图3中所展示,根据本发明的IMM4J太阳能电池的寿命结束剩余因子比在寿命开始时经电流匹配的等效IMM4J太阳能电池的寿命结束剩余因子显著更好。根据本发明的IMM4J太阳能电池的结构提供在多结太阳能电池的寿命内变化的AM0转换效率,使得在多结太阳能电池的寿命结束以前所产生的电能大于具有提供最优寿命开始AM0转换效率的多结太阳能电池的电能。
[0024] 虽然上文所描述的太阳能电池为四结太阳能电池,但设想出本发明也可适用于其它多结太阳能电池,例如,五结或六结变质太阳能电池(IMM5J或IMM6J太阳能电池)。
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