一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列制造技术

本实用新型专利技术涉及光电技术领域，特别是涉及一种基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，该单色光多结电池包括：多个垂直堆叠的GaAs子电池和设于各个GaAs子电池之间的多层隧穿结；其中，每个GaAs子电池层的厚度各自不同并且都包含一个特殊设计的内部反射层；隧穿结将各个GaAs子电池依次串联起来，形成NPN...NPN的纵向多结结构。所述的单色光多结电池还能够通过合适的非成像光路设计实现更多个单色光电池的级联来实现更大功率的输出。

Longitudinal multi junction monochromatic light cell of GaAs material and battery array thereof

The utility model relates to the field of photoelectric technology, especially relates to a multi cell longitudinal monochromatic light based on GaAs material, the monochromatic light of multi junction solar cells comprises a multilayer tunnel between a plurality of vertically stacked GaAs battery and a GaAs battery in each sub node; wherein, each GaAs cell layer thickness is different and contains a special design of the internal reflection layer; tunneling junctions to each GaAs battery are connected in series, the formation of NPN... NPN longitudinal structure. The monochromatic light multi junction cell can also achieve a greater power output by the cascade of more than one monochromatic optical cells designed by a suitable non imaging light path.

【技术实现步骤摘要】
一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列
本技术实施方式涉及电池
，特别是涉及一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列。
技术介绍
特高压直流技术的开展需要更高功率的非接触式能源供给技术，在几种非接触式能源供给技术中，具有绝缘特性好，抗电磁特性好的单色光供能技术逐渐受到重视。单色光供能技术是利用单色光源将光能量通过绝缘途径输送到单色光电池上。通常的单色光源可以是高功率激光器，绝缘途径可以是光纤或者空气，而单色光电池可以是各种半导体材料构成的PN结，为了满足能够直接提供给后端传感器单元供电使用，单色光电池还需要能够直接输出高电压。高电压的获取通常是依靠多个子电池串联来获得的，传统的单色光电池通常采用横向串联工艺，如图1所示。对于这样的结构来说，材料有源区是生长在绝缘衬底材料上，需要通过刻蚀技术在电池有源层形成隔离槽来得到若干个子电池，再采用级联工艺将各个子电池依次平面串联而成。电池材料通常采用禁带宽度为1.42eV的砷化镓材料，一般需要在同一个平面上级联6个砷化镓子电池才能得到6V左右的工作电压。由于各个子电池之间是横向串联结构，因此需要复杂的光耦合操作，来保证各个子电池上的光斑均匀特性，实现电池的最大功率输出。现有技术CN201310072324.1，现有技术CN201310071968.9，现有技术CN201310072325.6和现有技术CN201420121991.4都提及到在砷化镓材料上进行类似单色光电池的设计。一般来说，这样的工艺设计本身通常需要复杂的半导体制备步骤,并且由于隔离槽和表面电极的存在，电池的有效受光面积会相对减少，效率会下降。另外，随着串联电池数量的增加，横向串联实现的工艺难度越来越大，因此无法级联更多的子电池。另外一个思路是利用纵向串联。一个近似案例是聚光多结太阳能电池，它是利用隧穿结将不同化合物材料子电池依次纵向串联从而能够吸收更加广谱的能量。例如，专利号201110168522.9描述了利用两个隧穿结将锗材料子电池，铟镓砷材料子电池和砷化镓材料子电池依次串联起来形成能够广谱吸收的三结太阳能电池的结构；专利号201310508769.X描述了利用隧穿结将碳化硅材料子电池，砷化镓材料子电池和铟镓砷材料子电池依次串联起来形成的三结电池结构；专利号201580013861.6描述了利用隧穿结将铟镓砷材料子电池和砷化镓材料子电池串联起来形成的两结电池结构，专利号为201210026736.7还阐述了一种四结聚光太阳能电池结构，专利号CN201010260142.3也阐述了一种五结聚光太阳能电池结构。尽管所检索的相关专利包含多个结，但是这样不同材料化合物构成的多结串联电池并不适合在单色光条件下使用。并且由于材料晶格常数和禁带宽度的限制，更多结数的电池很难制作。根据我们的专利检索，目前尚未发现包含更多结数(结数在10到100个之间)电池的相关专利。因此，鉴于上述情况，结合现代电力电子特别是特高压直流传输中高压侧的一些关键设备需要高功率(几十瓦到数百瓦)和高电压(几伏到数百伏)以及高效率(大于50％)的取能电池需求，迫切需要一种能够实现高电压，高功率和高效率的单色光电池来满足这些需求。鉴于此，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种新的单色光多结电池成为本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本技术实施方式主要解决的技术问题是提供一种GaAs材料的纵向多结单色光电池及其电池阵列。为解决上述技术问题，本技术实施方式采用的一个技术方案是：一种基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，与现有技术相比，其不同之处在于，该纵向多结单色光电池包括：多个垂直堆叠的GaAs子电池；和设于各个GaAs子电池之间的隧穿结；其中，各个子电池的材料完全相同，并且各个子电池都包括一个反射层；各个子电池之间依靠隧穿结进行串联，形成NPN…PNPN式的纵向多结结构。其中，所述的各个GaAs子电池的厚度从下至上逐渐降低，各个子电池的厚度根据各子电池所分配的能量比例和GaAs材料系数确定。其中，所述反射层为布拉格反射层或者为背反射层，每层的最优反射率不一样，根据结数和各个子电池输出电流来确定，优选的布拉格光栅结构为P++AlGaAs/N++AlGaAs。其中，所述的各个隧穿结均为P+AlxGaAs/P++AlxGaAs/N++AlxGaAs/N+InyGaAs异质结隧穿结,其中x取值为0.22，y取值为0.1，所述的隧穿结同时采用了碳，锌，锑，硅四元素掺杂，典型的四层隧穿结掺杂浓度分别达到1x1020cm-1，7.5x1020cm-1，2.5x1020cm-1和1.6x1020cm-1。其中，位于顶层的GaAs子电池上还设有N型侧向导电区，掺杂浓度为5x1018,所述N型侧向导电区上设有上层N电极，电极截面呈梯形。其中，所述单色光电池的形状可以多样性，并且能够通过光束优化设计和调节电池面积的大小来保证电池表面单位面积和隧穿结上的能量密度在安全范围内。其中，所述单色光电池对输入光功率分布程度不敏感，不需要经过复杂的光耦合操作。其中，还能够通过合适的非成像光路设计实现更多个单色光电池的级联来实现更大功率的输出。本技术还提供了一种电池级联阵列，该电池级联阵列包括：相互平行的第一电池单元和第二电池单元，每个电池单元均包括从第一端到第二端均匀排列的多个上述的单色光多结电池；对应设置于每个单色光多结电池上的匀光透镜；靠近第一电池单元第一端设置的输入光准直器；位于第一电池单元中靠近第二端设置的单色光多结电池上方的第一反射棱镜；位于第二电池单元中靠近第二端设置的单色光多结电池上方的第二反射棱镜；以及位于其他单色光电池的上方的光透反镜组件，所述光透反镜组件包括倾斜设置的半透半反镜。本技术实施方式的有益效果是：本技术的单色光电池是在同种材料上进行的纵向多结设计，通过优化所包含的各个子电池和隧穿结结构来包含更多结数的子电池，从而实现更高电压和更大功率的输出；二是本技术所优化设计的电池结构对输入光斑均匀性不敏感，减少了对光斑均匀化的要求。三是通过本技术所提出的多个电池阵列级连的方式可以组成包含更多单个电池的阵列，来提供更大功率能量的输出。附图说明图1是现有技术的串联式光电池结构示意图；图2是本技术的单色光电池的结构示意图；图3是光能量在本技术的单色光电池中传输路径图；图4是本技术的第一优选方式的单色光电池的结构示意图；图5是本技术的第二优选方式的单色光电池的结构示意图；图6是本技术的单色光电池中上层电极的结构示意图；图7是本技术的具有85个子电池串联而成的多结单色光电池的性能曲线；图8是本技术的单色光电池的形状的结构示意图；图9是本技术的单色光多结电池形成的阵列结构示意图。具体实施方式本技术的主要目的在于提出了一种能够实现高电压，高功率和高效率的单色光电池及阵列，用来满足不同电力应用场合的需求。特别的，高电压是指大于10V而小于100V的开路电压，高功率是指能够支持从输入50瓦到1000瓦的注入光能量，而高效率是指取能电池的光电转换效率能够大于50％。参阅图2、图3和图4所示，本技术实施例提供了一种基于GaAs材料的纵向多结单色光电池100，该单色光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，该单色光电池包括：多个垂直堆叠的GaAs子电池；和设于各个GaAs子电池之间的隧穿结；其中，各个子电池的材料完全相同，都包括一个反射层；各个子电池之间依靠隧穿结进行串联，形成NPN...NPN的纵向多结结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，该单色光电池包括：多个垂直堆叠的GaAs子电池；和设于各个GaAs子电池之间的隧穿结；其中，各个子电池的材料完全相同，都包括一个反射层；各个子电池之间依靠隧穿结进行串联，形成NPN...NPN的纵向多结结构。2.根据权利要求1所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，所述的各个GaAs子电池的厚度从下至上逐渐降低。3.根据权利要求1所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，当子电池的数量为5时，各个子电池的厚度分别为180nm,232nm,327nm,559nm,2200nm；当子电池的数量为10时，各个子电池的厚度分别为87.8nm、98.1nm、111.2nm、128.4nm、151.9nm、185.9nm、239.7nm、337.8nm、557.6nm和1600nm；当子电池的数量为20时，各个子电池的厚度分别为41nm,43nm,46nm,48nm,52nm,55nm,59nm,64nm,70nm,76nm,81nm,95nm,107nm,124nm,147nm,180nm,232nm,327nm,559nm,1085nm；当子电池的数量为30时，各个子电池的厚度分别为27nm,28nm,29nm,30nm,32nm,33nm,34nm,36nm,38nm,39nm,41nm,43nm,46nm,49nm,52nm,56nm,59nm,64nm,70nm,77nm,85nm,95nm,107nm,124nm,147nm,180nm,232nm,326nm,559nm,923nm。4.根据权利要求1所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，所述反射层为布拉格反射层或者为背反射层。5.根据权利要求4所述的基于GaAs材料的纵向多结单色光电池，其特征在于，对于包含有5个子电池的多结单色光电池，各层反射层的反射率分别为20％，25％，33％，50％，100％；对于包含有10个子电池的多结单色光电池，各层反射层的反射率分别为10％，11.1％，12.5％，14.2％，...

【专利技术属性】
技术研发人员：官成钢，官小雅，高倩，
申请(专利权)人：武汉凹伟能源科技有限公司，江苏华兴激光科技有限公司，
类型：新型
国别省市：湖北,42