DE102016208113A1 - Multiple solar cell and its use - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen sowie einer mittleren Teilzelle, die zwischen der Emitter-Schicht und der Basisschicht mindestens eine weitere Schicht mit erhöhter Bandlückenenergie aufweist. Diese Mehrfachsolarzelle kann sowohl im Weltraum, als auch in terrestrischen Konzentratorsystemen verwendet werden.The invention relates to a multi-junction solar cell with at least three pn junctions and a central subcell which has at least one further layer with increased bandgap energy between the emitter layer and the base layer. This multiple solar cell can be used in space as well as in terrestrial concentrator systems.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen sowie einer mittleren Teilzelle, die zwischen der Emitter-Schicht und der Basisschicht mindestens eine weitere Schicht mit erhöhter Bandlückenenergie aufweist. Diese Mehrfachsolarzelle kann sowohl im Weltraum, als auch in terrestrischen Konzentratorsystemen verwendet werden. The invention relates to a multi-junction solar cell with at least three pn junctions and a central subcell which has at least one further layer with increased bandgap energy between the emitter layer and the base layer. This multiple solar cell can be used in space as well as in terrestrial concentrator systems.

Heutige Weltraumsolarzellen degradieren unter der Bestrahlung mit hochenergetischen Teilchen (Beispiel Elektronen oder Protonen) im Weltraum. Diese Teilchen verursachen lokale Defekte im Kristall, welche als Rekombinationszentren wirken und die Effizienz der Solarzellen herabsetzen. Eine Weltraumsolarzelle nach dem Stand der Technik besteht aus drei Absorberschichten mit pn-Übergängen in GaInP/GaAs/Ge und die Leistung einer solchen Solarzelle sinkt nach einer Bestrahlung mit 1 MeV Elektronen bei 1E15 cm–2 um etwa 10–15 %. Die Degradation erfolgt dabei besonders innerhalb der GaAs Teilzelle, welche besonders empfindlich reagiert auf die Schädigung durch hochenergetische Teilchen. Neue Generationen von IMM Solarzellen sind teilweise durch Materialien wie GaInAs noch empfindlicher auf den Teilchenbeschuss. Gleichzeitig fordern die Hersteller von Satelliten immer höhere Stabilität der Solarzellen. Es sind daher Techniken gefragt, welche die Degradation verringern können. Today's space solar cells degrade under the irradiation with high-energy particles (example electrons or protons) in the space. These particles cause local defects in the crystal, which act as recombination centers and reduce the efficiency of the solar cells. A prior art space solar cell consists of three absorber layers with pn junctions in GaInP / GaAs / Ge, and the power of such a solar cell decreases by about 10-15% after irradiation with 1 MeV electrons at 1E15 cm -2 . The degradation occurs especially within the GaAs subcell, which is particularly sensitive to the damage caused by high-energy particles. New generations of IMM solar cells are sometimes even more sensitive to particle bombardment due to materials such as GaInAs. At the same time, the manufacturers of satellites are demanding ever greater stability of the solar cells. Therefore, techniques are needed that can reduce degradation.

Das Problem wurde bisher durch den Einsatz dünnerer Absorberschichten gelöst. Je dünner die Emitter und Basisschicht der Solarzellen sind, desto weniger empfindlich ist die Zelle auf eine Reduktion der Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern und damit von Schädigungen durch den Teilchenbeschuss. Diesem Verfahren sind aber Grenzen gesetzt, da die Absorption des Sonnenlichts noch gewährleistet bleiben muss. Es wurden daher auch Bragg-Reflektoren entwickelt und in die Solarzellen eingebaut, um Licht, welches in dünnen Absorberschichten nicht absorbiert wird, zu reflektieren und damit einen zweiten Durchgang durch das Material zu ermöglichen. Hierdurch kann die Dicke der Absorberschichten etwa halbiert werden. Solch ein Ansatz ist beispielsweise aus EP 2 264 788 B1 bekannt. The problem has been solved by using thinner absorber layers. The thinner the emitter and base layer of the solar cells, the less sensitive the cell is to a reduction in the diffusion length of minority carriers and thus damage from the particle bombardment. However, there are limits to this method since the absorption of the sunlight must still be ensured. Therefore, Bragg reflectors have also been developed and incorporated into the solar cells in order to reflect light which is not absorbed in thin absorber layers and thus to allow a second passage through the material. As a result, the thickness of the absorber layers can be approximately halved. Such an approach is for example off EP 2 264 788 B1 known.

Weitere eingesetzte Verfahren liegen in einer Optimierung der Dotierung im Emitter und in der Basis. Durch Gradienten können zusätzliche Felder erzeugt werden, welche ebenfalls bei der Ladungstrennung behilflich sind. Other methods used are optimization of the doping in the emitter and in the base. Gradients can be used to generate additional fields, which also help with charge separation.

Die dünneren Teilzellen mit Dotierstoffgradienten bleiben aber auch in der erfindungsgemäßen Anordnung erhalten. Die neue Idee, Materialien mit höherer Bandlücke am pn-Übergang einzusetzen, ist ein zusätzliches Merkmal, welches die Strahlungsbeständigkeit verbessern kann. However, the thinner partial cells with dopant gradients also remain in the arrangement according to the invention. The new idea of using higher bandgap materials at the pn junction is an additional feature that can improve radiation resistance.

Die Strahlungsstabilität hängt auch von dem gewählten Materialsystem ab und in manchen Fällen ist es möglich, Materialien so zu wählen, dass eine hohe Strahlungsstabilität erreicht wird. Allerdings ist das nicht immer der Fall, da man bei der Auswahl der III–V Halbleiter in der Gitterkonstante und Bandlückenenergie eingeschränkt ist. The radiation stability also depends on the chosen material system and in some cases it is possible to choose materials such that a high radiation stability is achieved. However, this is not always the case as one is limited in the choice of III-V semiconductors in lattice constant and bandgap energy.

Aus EP 2 264 788 B1 ist bekannt, dass die Strahlungshärte von III–V Mehrfachsolarzellen durch dünnere Absorberschichten in Kombination mit einem Bragg-Spiegel erreicht werden kann. Dieser wurde erfindungsgemäß in einer GaInP/GaInAs/Ge Dreifachsolarzelle dazu eingesetzt, um die Strahlungsstabilität der GaAs Mittelzelle zu verbessern. Out EP 2 264 788 B1 It is known that the radiation hardness of III-V multiple solar cells can be achieved by thinner absorber layers in combination with a Bragg mirror. This was inventively used in a GaInP / GaInAs / Ge triple solar cell to improve the radiation stability of the GaAs center cell.

Der Einsatz von dünneren GaAs Solarzellen wird beispielsweise auch in ( G. J. Bauhuis, P. Muler, J. J. Schermer, E. J. Haverkamp, J. van Deelen and P. K. Larsen: High efficiency thin film GaAs solar cells with improved radiation hardness. In 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2005. Bacelona, Spain. P. 468–471 .) beschrieben und hier durch einen Metallspiegel hinter der Zelle erreicht. The use of thinner GaAs solar cells, for example, in ( GJ Bauhuis, P. Muler, JJ Schermer, EJ Haverkamp, J. van Deelen and PK Larsen: High efficiency thin film GaAs solar cells with improved radiation hardness. In 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2005. Bacelona, Spain. P. 468-471 .) and reached here by a metal mirror behind the cell.

Weiterhin kann die Dicke der Subzellen dadurch verringert werden, dass mehr teiltransparente pn-Übergänge übereinander gestapelt werden wie in C. Baur, M. Meusel, F. Dimroth, A. W. Bett, M. Nell, G. Strobl, S. Taylor and C. Signorini: Analysis of the radiation hardness of triple- and quintuple-junction space solar cells. in: Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Converence. 2005. Orlando, Florida, USA, P. 548–551 . für 5-fach Solarzellen beschrieben. Furthermore, the thickness of the sub-cells can be reduced by stacking more semi-transparent pn junctions, as in FIG C. Baur, M. Meusel, F. Dimroth, AW Bett, M. Nell, G. Strobl, S. Taylor, and C. Signorini: Analysis of the radiation hardness of triple and quintuple-junction space solar cells. in: Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Converence. 2005. Orlando, Florida, USA, P. 548-551 , described for 5-fold solar cells.

Im Stand der Technik wird die Stromanpassung von mehreren Teilzellen mit unterschiedlicher Degradation so eingestellt, dass die schwächste Zelle erst am Ende der Lebensdauer des Satelliten stromlimitierend wird. Die Schichtdicken und Zusammensetzungen der Teilzellen können entsprechend angepasst werden ( M. Meusel, C. Baur, W. Guter, M. Hermle, F. Dimroth, A. W. Bett, T. Bergunde, R. Dietrich, R. Kern, W. Köstler, M. Nell, W. Zimmermann, G. LaRoche, G. Strobl, S. Taylor, C. Signorini and G. Hey. Development Status of European Multi-Junction Space Solar Cells with High Radiation Hardness. in: Proceedings of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2005. Barcelona, Spain. P. 20–25 ). In the prior art, the current adjustment of several partial cells with different degradation is set so that the weakest cell becomes current limiting only at the end of the life of the satellite. The layer thicknesses and compositions of the sub-cells can be adapted accordingly ( M. Meusel, C. Baur, W. Guter, M. Hermle, F. Dimroth, AW Bett, T. Bergunde, R. Dietrich, R. Kern, W. Köstler, M. Nell, W. Zimmerman, G. LaRoche, G. Strobl, S. Taylor, C. Signorini and G. Hey. Development Status of European Multi-Junction Space Solar Cells with High Radiation Hardness. in: Proceedings of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference. 2005. Barcelona, Spain. P. 20-25 ).

Alle diesen Publikationen kann nicht entnommen werden wie die Strahlungsstabilität eines pn-Übergangs aus einem Material wie GaAs oder GaInAs durch eine Änderung der Halbleiterstruktur am pn-Übergang verbessert werden kann. It can not be deduced from all these publications how the radiation stability of a pn junction made of a material such as GaAs or GaInAs can be improved by changing the semiconductor structure at the pn junction.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass der Dunkelstrom in einer GaAs-Solarzelle gesenkt werden kann, indem eine AlGaAs-Schicht mit höherem Bandabstand am pn-Übergang eingebaut wird ( F. W. Ragay, E. W. M. Ruigrok&J. H. Wolter, „GaAs-AlGaAs Heterojunction Solar Cell with Increased Open-circuit Voltage; Proc. Of first WCPEC; Dec. 5–9, Hawaii, p. 1934–1937 (1994) ). Solche p-GaAs/pin-AlGaAs/n-GaAs Heterozellen erreichen eine höhere Leerlaufspannung im Vergleich zu Einfachsolarzellen aus GaAs. Die Publikation bezieht sich allerdings lediglich auf Solarzellen mit einem pn-Übergang und offenbart auch nicht, wie eine solche Struktur dazu beitragen kann die Strahlungsbeständigkeit von Solarzellen zu erhöhen. Furthermore, it is known from the prior art that the dark current in a GaAs solar cell can be lowered by incorporating a higher bandgap AlGaAs layer at the pn junction ( FW Ragay, EWM Ruigrok & J. H. Wolter, "GaAs-AlGaAs Heterojunction Solar Cell with Increased Open-Circuit Voltage; Proc. Of first WCPEC; Dec. 5-9, Hawaii, p. 1934-1937 (1994) ). Such p-type GaAs / pin AlGaAs / n-GaAs heterocells achieve a higher open circuit voltage compared to GaAs single solar cells. However, the publication refers only to solar cells with a pn junction and also does not disclose how such a structure can contribute to increase the radiation resistance of solar cells.

Heterosolarzellen mit einem Material mit einer größeren Bandlücke am pn-Übergang nutzen bislang immer einen abrupten Übergang in der Bandlücke. Dies kann insbesondere nach Bestrahlung im Weltraum zu Problemen führen, da sich das Feld am pn-Übergang durch die Bestrahlung verringert und die Ladungsträger die Potentialbarriere dann vermehrt nicht mehr überwinden können. Hetero-solar cells with a material with a larger bandgap at the pn junction have always used an abrupt transition in the band gap. This can lead to problems, especially after irradiation in space, since the field at the pn junction is reduced by the irradiation and the charge carriers then increasingly can no longer overcome the potential barrier.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mehrfachsolarzellen bereitzustellen, die eine bessere Strahlungsbeständigkeit unter hochenergetischem Teilchenbeschuss, z. B. im Weltraum, aufweisen. Based on this, it was an object of the present invention to provide multiple solar cells, the better radiation resistance under high-energy particle bombardment, z. B. in space, have.

Diese Aufgabe wird durch die Mehrfachsolarzelle mit dem Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. In Anspruch 14 wird eine erfindungsgemäße Verwendung angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. This object is achieved by the multiple solar cell with the feature of claim 1. In claim 14, a use according to the invention is given. The other dependent claims show advantageous developments.

Erfindungsgemäß wird eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen mit einer lichtabgewandten untersten Teilzelle, einer lichtzugewandten obersten Teilzelle und mindestens einer, zwischen der lichtabgewandten und der lichtzugewandten Teilzelle angeordneten Teilzelle bereitgestellt, wobei mindestens eine der Teilzellen eine Emitterschicht und eine Basisschicht aufweisen und zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht erfindungsgemäß zusätzlich mindestens eine Schicht angeordnet ist, die eine Bandlückenenergie aufweist oder aufweisen, die größer als die Bandlückenenergie der Emitterschicht und der Basisschicht ist. According to the invention, a multi-junction solar cell with at least three pn junctions with a light-facing bottom part cell, a light-facing top part cell and at least one subcell arranged between the light-remote and light-facing sub-cell is provided, at least one of the sub-cells having an emitter layer and a base layer and between the emitter layer and the base layer according to the invention additionally at least one layer is arranged, which has or have a bandgap energy which is greater than the bandgap energy of the emitter layer and the base layer.

Das erfindungsgemäße Konzept basiert demnach darauf, dass am pn-Übergang einer der Subzellen in einer III–V-Mehrfachsolarzelle ein Material eingebaut wird, welches eine höhere Bandlückenenergie aufweist im Vergleich zu dem Material des pn-Übergangs. Vorteilhafterweise wird der Übergang zwischen den Materialien durch einen Gradienten in der Komposition so gestaltet, dass keine abrupten Potentialsprünge in der Solarzelle entstehen. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die Struktur so ausgelegt wird, dass photogenerierte Minoritätsladungsträger nach Bestrahlung nicht durch eine Potentialbarriere von dem pn-Übergang abgehalten werden. Dies erfordert eine eingehene Analyse der zu erwartenden elektrischen Felder nach der Bestrahlung. The inventive concept is therefore based on the fact that at the pn junction of one of the subcells in a III-V multiple solar cell, a material is incorporated, which has a higher bandgap energy compared to the material of the pn junction. Advantageously, the transition between the materials is designed by a gradient in the composition so that no abrupt jumps in potential arise in the solar cell. In particular, care must be taken that the structure is designed in such a way that photogenerated minority charge carriers are not prevented by a potential barrier from the pn junction after irradiation. This requires an in-depth analysis of the expected electric fields after irradiation.

Besonders vorteilhaft ist diese Heterostruktur für Teilzellen, welche eine besonders hohe Degradation unter Teilchenbestrahlung im Weltraum aufweisen. Beispiele sind GaInAs und GaAs. This heterostructure is particularly advantageous for subcells which have a particularly high degradation under particle irradiation in space. Examples are GaInAs and GaAs.

Eine erfindungsgemäße Variante einer Teilzelle weist z.B. einen n-GaInAs Emitter auf, welcher in eine undotierte (bzw. sehr niedrig dotierte) AlGaInAs Schicht mit einer höheren Bandlückenenergie übergeht und dann wiederum in eine p-GaInAs Basisschicht mündet. Eine solche Solarzelle kann in eine beliebige Teilzelle einer III–V Mehrfachsolarzelle eingebaut werden und die Strahlungsstabilität verbessern. A variant of a subcell according to the invention has e.g. an n-GaInAs emitter, which turns into an undoped (or very low doped) AlGaInAs layer with a higher bandgap energy and then in turn opens into a p-GaInAs base layer. Such a solar cell can be installed in any subcell of a III-V multiple solar cell and improve the radiation stability.

Es ist bevorzugt, dass die mindestens eine Schicht zwischen Emitter- und Basisschicht eine Bandlückenenergie aufweist, die mindestens 20 meV und höchstens 200 meV größer, insbesondere mindestens 50 meV und höchstens 150 meV größer als die Emitter- und Basisschicht ist. It is preferred that the at least one layer between emitter and base layer has a bandgap energy which is at least 20 meV and at most 200 meV larger, in particular at least 50 meV and at most 150 meV larger than the emitter and base layer.

Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Schichten zwischen Emitter- und Basisschicht in Summe eine Dicke von 50 nm bis 1000 nm, insbesondere von 100 nm bis 400 nm aufweisen. Liegt nur eine Schicht vor bezieht sich demnach die Dicke auf diese eine Schicht, bei mehreren Schichten auf das Schichtpaket, welches zwischen der Emitter- und Basisschicht eingefügt ist. A further preferred variant provides that the layers between emitter and base layer in total have a thickness of 50 nm to 1000 nm, in particular from 100 nm to 400 nm. Is only Accordingly, one layer before the thickness refers to this one layer, with several layers on the layer package, which is inserted between the emitter and base layer.

Vorzugsweise weist mindestens eine, besonders vorzugsweise alle Schichten zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht eine freie Landungsträgerkonzentration von < 1E17 cm–3 auf. Preferably, at least one, more preferably all layers between the emitter layer and the base layer have a free landing carrier concentration of <1E17 cm -3 .

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist mindestens ein Teil der zwischen Emitterschicht und Basisschicht angeordneten Schichten einen Gradienten in der Bandlückenenergie auf. Hierbei kann es sich um einen kontinuierlichen oder einen in Stufen verlaufenden Gradienten handeln. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die mehreren zwischen Emitterschicht und Basisschicht angeordneten Schichten eine Bandlückenenergie aufweisen, die ausgehend von der Emitterschicht zunächst ansteigt und dann zur Basisschicht hin wieder abfällt. In a further preferred embodiment, at least part of the layers arranged between the emitter layer and the base layer has a gradient in the bandgap energy. This may be a continuous or gradual gradient. A particularly preferred embodiment provides that the plurality of layers arranged between the emitter layer and the base layer have a bandgap energy which, starting from the emitter layer, initially rises and then drops off again towards the base layer.

Es ist weiter bevorzugt, dass die Emitterschicht und/oder die Basisschicht zu mindestens 95 % aus Ga1-xInxAs mit 0.00 < x < 0.50, bevorzugt zu mindestens 99 % aus Ga1-xInxAs mit 0.01 < x < 0.40 und besonders bevorzugt zu mindestens 99 % aus Ga1-xInxAs mit 0.01 < x < 0.40 bestehen. It is further preferred for the emitter layer and / or the base layer to be at least 95% Ga 1-x In x As with 0.00 <x <0.50, preferably at least 99% Ga 1-x In x As with 0.01 <x < 0.40 and more preferably at least 99% of Ga 1-x In x As with 0.01 <x <0.40 exist.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Emitterschicht und die Basisschicht aus III–V Halbleitern mit gleich großer Bandlückenergie bestehen. It is furthermore preferred that the emitter layer and the base layer consist of III-V semiconductors with the same band gap energy.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Emitterschicht und die Basisschicht aus III–V Halbleitern mit einem Bandlückenenergieunterschied von 30 meV bis 400 meV. In another preferred embodiment, the emitter layer and the base layer are III-V semiconductors with a bandgap energy difference of 30 meV to 400 meV.

Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Emitterschicht eine Dotierung im Bereich von 1E17 cm–3 bis 3E18 cm–3 aufweist. Die Basisschicht weist bevorzugt eine Dotierung im Bereich von 2E16 cm–3 bis 1E18 cm–3 auf. A further preferred variant provides that the emitter layer has a doping in the range of 1E17 cm -3 to 3E18 cm -3 . The base layer preferably has a doping in the range of 2E16 cm -3 to 1E18 cm -3 .

Vorzugsweise weist die Mehrfachsolarzelle drei pn-Übergänge, bevorzugt vier pn-Übergänge und besonders bevorzugt fünf oder sechs pn-Übergänge auf. Preferably, the multiple solar cell has three pn junctions, preferably four pn junctions and more preferably five or six pn junctions.

Die zwischen Basisschicht und Emitterschicht angeordneten Schichten enthalten im Wesentlichen vorzugsweise AlGaInAsP oder bestehen hieraus. The layers disposed between the base layer and the emitter layer essentially essentially contain or consist of AlGaInAsP.

Die Mehrfachsolarzelle kann vorzugsweise auf der lichtabgewandten Seite der Teilzellen mindestens einen Bragg-Reflektor aufweisen. The multiple solar cell may preferably have at least one Bragg reflector on the side of the sub-cells remote from the light.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die rückseitige Teilzelle aus Germanium besteht und bevorzugt eine Dicke im Bereich von 30 bis 200 µm aufweist. It is further preferred that the backside subcell consists of germanium and preferably has a thickness in the range of 30 to 200 microns.

Verwendung finden die erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzellen sowohl im Weltraum, als auch in terrestrischen Konzentratorsystemen. The multi-junction solar cells according to the invention are used both in space and in terrestrial concentrator systems.

Anhand der nachfolgenden Beispiele und Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, um diesen auf die hier gezeigten verschiedenen Ausführungsformen einschränken zu wollen. The subject matter according to the invention is intended to be explained in more detail with reference to the following examples and figures in order to restrict it to the various embodiments shown here.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Mehrfachsolarzelle. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a multi-junction solar cell according to the invention.

2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle. 2 shows a further embodiment of the invention of the multi-junction solar cell.

In 1 ist eine Solarzellenstruktur mit einer lichtabgewandten untersten Teilzelle 1, einer lichtzugewandten obersten Teilzelle 3 und einer weiteren Teilzelle 2, die zwischen der oberen und unteren Teilzelle angeordnet ist. Die mittlere Teilzelle 2 ist dabei aus einer Emitterschicht 4, einer Basisschicht 5, die aus III–V-Verbindungshalbleitern aufgebaut sind, und eine zwischen der Emitterschicht 4 und der Basisschicht 5 angeordnete Zwischenschicht 6, die aus einem Material besteht, das eine höhere Bandlückenenergie als die Emitterschicht 4 und die Basisschicht 5 aufweist. Dies ist am rechten Rand der 1 dargestellt, wo der Verlauf der Bandlückenenergie über die verschiedenen Schichten zu erkennen ist. Die Teilzelle 1 besteht beispielsweise aus Ga0.5In0.5P, die Teilzelle 2 aus Ga0.99In0.01As und die Teilzelle 3 aus Ge. Die Emitterschicht 4 und die Basisschicht 5 bestehen in diesem Falle aus Ga0.99In0.01As, die Zwischenschicht 6 aus AlGaInAsP mit einer Bandlücke zwischen 1.5–1.6 eV eV. In 1 is a solar cell structure with a light-remote bottom part cell 1 , a light facing uppermost subcell 3 and another subcell 2 which is arranged between the upper and lower part cell. The middle subcell 2 is from an emitter layer 4 , a base layer 5 which are composed of III-V compound semiconductors, and one between the emitter layer 4 and the base layer 5 arranged intermediate layer 6 which is made of a material having a higher bandgap energy than the emitter layer 4 and the base layer 5 having. This is on the right edge of the 1 shown where the course of the bandgap energy over the different layers can be seen. The subcell 1 consists, for example, of Ga 0.5 In 0.5 P, the subcell 2 Ga 0.99 In 0.01 As and the subcell 3 from Ge. The emitter layer 4 and the base layer 5 consist in this case of Ga 0.99 In 0.01 As, the intermediate layer 6 from AlGaInAsP with a band gap between 1.5-1.6 eV eV.

In 2 wird eine weitere erfindungsgemäße Variante dargestellt, bei der zwischen der lichtabgewandten Teilzelle 1 und der lichtzugewandten Teilzelle 3 eine weitere Teilzelle 2 angeordnet ist. Diese Teilzelle weist neben der Emitterschicht 4 und der Basisschicht 5 drei weitere Zwischenschichten 6, 6‘ und 6“ auf. In diesem Beispiel nimmt die Bandlückenenergie ausgehend von der Emitterschicht 4 zunächst zu, wobei die Zwischenschicht 6‘ die höchste Bandlückenenergie aufweist. Im Anschluss fällt dann die Bandlückenenergie der nächsten Zwischenschicht zur Basisschicht 5 wieder ab. In diesem Falle kann die Emitterschicht 4 und die Basisschicht 5 wiederum aus Ga0.99In0.01As bestehen, die Zwischenschichten aus AlGaInAsP, wobei ein entprechender Verlauf der Bandlückenenergie in den Schichten 6, 6‘, 6‘‘ durch eine Variation der Zusammensetzug erreicht wird. In 2 a further variant according to the invention is shown, in which between the light-remote part cell 1 and the light-facing subcell 3 another subcell 2 is arranged. This subcell is adjacent to the emitter layer 4 and the base layer 5 three more intermediate layers 6 . 6 ' and 6 " on. In this example, the bandgap energy increases from the emitter layer 4 first, with the intermediate layer 6 ' has the highest bandgap energy. Subsequently, the band gap energy of the next intermediate layer then falls to the base layer 5 again. In this case, the emitter layer 4 and the base layer 5 again Ga 0.99 In 0.01 As, the intermediate layers consist of AlGaInAsP, with a corresponding course of the bandgap energy in the layers 6 . 6 ' . 6 '' is achieved by a variation of the composition.

Weitere Ausführungsformen umfassen den Einsatz der Schichten 6, 6‘, 6‘‘ zwischen der Emitter- und Basischicht einer der Teilzellen in einer invertiert metamorphe Mehrfachsolarzelle z.B. aus GaInP/GaAs/GaInAs/GaInAs. Other embodiments include the use of the layers 6 . 6 ' . 6 '' between the emitter and base layers of one of the sub-cells in an inverted multi-junction metamorphic solar cell, eg of GaInP / GaAs / GaInAs / GaInAs.

Beispiel example

Als Vorversuch wurden Al0.035Ga0.965As Solarzellen mit höherbandlückiger AlxGa1-xAs Schicht am pn-Übergang hergestellt, mit 1MeV Elektronen und einem Fluss von 1E15 cm–2 bestrahlt und vermessen In Tabelle 1 sind die Aluminium-Gehalte in den einzelnen Regionen angegeben. Tabelle 1 Solarzelle Emitter Al-Gehalt (%) i-region Al-Gehalt (%) Basis Al-Gehalt (%) C2383 3.5 3.5 3.5 C2389 3.5 7.5 3.5 C2394 3.5 10 3.5 As a preliminary experiment, Al 0.035 Ga 0.965 As solar cells with a higher-band Al x Ga 1-x As layer were prepared at the pn junction, irradiated with 1 MeV electrons and a flux of 1E15 cm -2 and measured in Table 1. The aluminum contents in the individual Regions indicated. Table 1 solar cell Emitter Al content (%) i-region Al content (%) Base Al content (%) C2383 3.5 3.5 3.5 C2389 3.5 7.5 3.5 C2394 3.5 10 3.5

In Tabelle 2 sind die Messungen der Leerlaufspannung für die in Tabelle 1 aufgeführten Solarzellen angegeben. Tabelle 2

Figure DE102016208113A1_0002
Table 2 shows the open circuit voltage measurements for the solar cells listed in Table 1. Table 2
Figure DE102016208113A1_0002

Die AlGaAs Heterozelle C2389 weist vor der Bestrahlung noch eine niedrigere Leerlaufspannung auf im Vergleich zu der Referenzzelle C2383. Nach der Bestrahlung ist die Spannung der Solarzelle mit höherbandlückiger AlxGa1-xAs Schicht am pn-Übergang allerdings höher im Vergleich zur Referenz. Dies zeigt, dass die Spannung der Heterozelle unter Bestrahlung weniger degradiert. Die Zelle C2394 besitzt eine nochmal höhere Bandlücke am pn-Übergang und weist schon vor der Bestrahlung eine höhere Spannung von 1055 mV im Vergleich zu der Referenz auf, welche dann nach der Bestrahlung um 121 mV auf 934 mV sinkt. Dies entspricht einem Verlust von 11 %. Die GaAs Referenz startet hingegen bei 1046 mV und sinkt auf 895 mV um 15 %. Dies zeigt, dass sowohl eine höhere Spannung, als auch eine geringere Degradation der Spannung beobachtet werden. The AlGaAs heterocell C2389 has a lower open circuit voltage before irradiation compared to the reference cell C2383. After irradiation, however, the voltage of the solar cell with higher-band-rich Al x Ga 1-x As layer at the pn junction is higher in comparison to the reference. This shows that the voltage of the heterocell is less degraded under irradiation. The cell C2394 has an even higher band gap at the pn junction and has a higher voltage of 1055 mV compared to the reference even before the irradiation, which then drops by 121 mV to 934 mV after the irradiation. This corresponds to a loss of 11%. The GaAs reference starts at 1046 mV and drops to 895 mV by 15%. This shows that both a higher voltage and a lower degradation of the voltage are observed.

An der Zelle C2389 kann auch direkt gesehen werden, dass die Effizienz der Zelle nach Bestrahlung etwas über derjenigen der Referenz liegt, obwohl die Zelle vor Bestrahlung eine niedrigere Effizienz aufweist. Somit ist auch die höhere Strahlungsstabilität der Leistung gezeigt. It can also be directly seen from cell C2389 that the efficiency of the cell after irradiation is slightly above that of the reference, although the cell has a lower efficiency before irradiation. Thus, the higher radiation stability of the power is shown.

Aufgrund des abrupten Bandübergangs von GaAs zu AlGaAs wurde allgemein nach Bestrahlung eine höhere Degradation des Stroms für die Heterozelle beobachtet. Dies wird aber darauf zurückgeführt, dass bei dieser Zelle noch kein Gradient in der Komposition verwendet wurde. Dieser sollte helfen, Potentialbarrieren zu verringern und damit den Stromtransport der Ladungsträger nicht zu behindern. Due to the abrupt band transition from GaAs to AlGaAs, a higher degradation of the current for the heterocell was generally observed after irradiation. However, this is attributed to the fact that in this cell, no gradient was used in the composition. This should help to reduce potential barriers and thus not hinder the current transport of the charge carriers.

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Claims (14)

Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen mit einer lichtabgewandten untersten Teilzelle (1), einer lichtzugewandten obersten Teilzelle (3) und mindestens einer, zwischen der Teilzelle (1) und der Teilzelle (3) angeordneten Teilzelle (2), wobei mindestens eine der Teilzellen (1, 2, 3) eine Emitterschicht (4) und eine Basisschicht (5) aufweisen und zwischen der Emitterschicht (4) und der Basisschicht (5) mindestens eine Schicht (6, 6´, 6´´) angeordnet ist, die eine Bandlückenenergie aufweist oder aufweisen, die größer als die Bandlückenenergie der Schichten (4, 5) ist. Multi-junction solar cell with at least three pn junctions with a light-diffused lowest subcell ( 1 ), a light facing uppermost subcell ( 3 ) and at least one, between the subcell ( 1 ) and the subcell ( 3 ) arranged subcell ( 2 ), wherein at least one of the sub-cells ( 1 . 2 . 3 ) an emitter layer ( 4 ) and a base layer ( 5 ) and between the emitter layer ( 4 ) and the base layer ( 5 ) at least one layer ( 6 . 6' . 6 '' ) having a bandgap energy greater than the bandgap energy of the layers ( 4 . 5 ). Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht (6, 6´, 6´´) eine Bandlückenenergie aufweist, die mindestens 20 meV und höchstens 200 meV größer, insbesondere mindestens 50 meV und höchstens 150 meV größer als die der Schichten (4, 5) ist. Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one layer ( 6 . 6' . 6 '' ) has a bandgap energy which is at least 20 meV and at most 200 meV greater, in particular at least 50 meV and at most 150 meV greater than that of the layers ( 4 . 5 ). Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (6, 6´, 6´´) in Summe eine Dicke von 50 nm bis 1000 nm, insbesondere von 100 nm bis 400 nm aufweisen. Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that the layers ( 6 . 6' . 6 '' ) in total have a thickness of 50 nm to 1000 nm, in particular from 100 nm to 400 nm. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine, vorzugsweise all Schichten (6, 6´, 6´´) eine freie Ladungsträgerkonzentration von < 1E17 cm–3, insbesondere < 2E16 cm–3 aufweisen. Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that at least one, preferably all layers ( 6 . 6' . 6 '' ) have a free carrier concentration of <1E17 cm -3 , in particular <2E16 cm -3 . Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Schichten (6, 6´, 6´´) einen Gradienten in der Bandlückenenergie aufweisen, insbesondere ein kontinuierlicher oder ein in Stufen verlaufender Gradient.Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that at least a part of the layers ( 6 . 6' . 6 '' ) have a gradient in the bandgap energy, in particular a continuous gradient or a step gradient. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterschicht (4) und/oder die Basisschicht (5) zu mindestens 95 % aus Ga1-xInxAs mit 0.00 < x < 0.50, bevorzugt zu mindestens 99 % aus Ga1-xInxAs mit 0.05 < x < 0.40 bestehen.Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that the emitter layer ( 4 ) and / or the base layer ( 5 ) consist of at least 95% Ga 1-x In x As with 0.00 <x <0.50, preferably at least 99% Ga 1-x In x As with 0.05 <x <0.40 exist. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterschicht (4) und die Basisschicht (5) aus III–V Halbleitern mit gleich großer Bandlückenergie bestehen.Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that the emitter layer ( 4 ) and the base layer ( 5 ) consist of III-V semiconductors with equal bandgap energy. Mehrfachsolarzelle nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterschicht (4) und die Basisschicht (5) aus III–V Halbleitern mit einem Bandlückenenergieunterschied von 30 meV bis 400 meV bestehen.Multiple solar cell according to one of claims 1-6, characterized in that the emitter layer ( 4 ) and the base layer ( 5 ) consist of III-V semiconductors with a bandgap energy difference of 30 meV to 400 meV. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterschicht (4) eine Dotierung im Bereich von 1E17 cm–3 bis 3E18 cm–3 und/oder die Basisschicht (5) eine Dotierung im Bereich von 1E16 cm–3 bis 1E18 cm–3 aufweist. Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that the emitter layer ( 4 ) a doping in the range of 1E17 cm -3 to 3E18 cm -3 and / or the base layer ( 5 ) has a doping in the range of 1E16 cm -3 to 1E18 cm -3 . Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachsolarzelle drei pn-Übergänge, bevorzugt vier pn-Übergänge und besonders bevorzugt fünf oder sechs pn-Übergänge aufweist.Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that the multiple solar cell has three pn junctions, preferably four pn junctions and more preferably five or six pn junctions. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (6, 6´, 6´´) aus AlGaInAsP bestehen oder dieses im Wesentlichen enthalten.Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that the layers ( 6 . 6' . 6 '' ) consist of or essentially contain AlGaInAsP. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachsolarzelle auf der lichtabgewandten Seite der Teilzellen mindestens einen Bragg-Reflektor aufweist.Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that the multiple solar cell has on the light side facing away from the sub-cells at least one Bragg reflector. Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rückseitige Teilzelle (1) aus Germanium besteht und bevorzugt eine Dicke im Bereich von 30 bis 200 µm aufweist.Multiple solar cell according to one of the preceding claims, characterized in that the backside subcell ( 1 ) consists of germanium and preferably has a thickness in the range of 30 to 200 microns. Verwendung der Mehrfachsolarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Weltraum oder in terrestrischen Konzentratorsystemen.Use of the multiple solar cell according to one of the preceding claims in space or in terrestrial concentrator systems.
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