CN104022172A - 一种共振背反射肩并肩薄膜光伏电池结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共振背反射肩并肩薄膜光伏电池结构，包括依光路设置的分光聚焦部分和共振背反射肩并肩光伏电池结构，所述共振背反射肩并肩光伏电池结构上层为依次排列不同带隙、不同厚度、不同宽度的半导体材料，底层为由多层薄膜介质反射镜或金属薄膜构成的背反射镜，上层和底层之间可有透明导电材料构成的间隔层，各半导体薄膜或间隔层的厚度采用曲边梯形设计或普通梯形设计。本发明能有效地降低薄膜光伏电池中由于光能转换为热能所产生的损耗，提高光伏电池的效率，同时可以降低薄膜光伏电池的厚度和制作成本。

Description

一种共振背反射肩并肩薄膜光伏电池结构
技术领域
本发明涉及一种光伏电池结构，尤其涉及一种共振背反射肩并肩薄膜光伏电池结构，属于光伏电池技术领域。
背景技术
在过去十几年间光伏发电得到了快速发展，基于不同材料的光伏电池不断涌现，光伏电池的效率不断提高。然而，由于太阳光谱分布在红外至紫外这样的广谱范围，太阳光中光子能量小于半导体带隙的部分很少被半导体所吸收，太阳光中光子能量大于半导体带隙的能量部分绝大部分将转换为热量而不是电能，这极大地制约了光伏电池的效率。同时所产生的热将使得光伏电池的温度升高，这也将降低光伏电池的效率并减小光伏电池的寿命。通过级联光伏电池（也就是将不同带隙半导体从高至低、从上到下来排序）的电池结构可以部分地解决该问题。在这些光伏电池中，顶部电池具有较大的带隙从而吸收较高能量的光子，而较低能量光子通过顶部半导体层进入具有较小能带隙的下部半导体并被吸收。然而由于晶格匹配的要求，可以用来制作级联光伏电池半导体材料种类较少，一种级联光伏电池的工作介质通常只能用2到3种半导体材料，且对工艺要求非常高，成本也比较高。
此外，为了降低光伏电池的制作成本，超薄光伏电池引起了人们的广泛关注。超薄光伏电池不仅有利于降低光伏电池成本，而且有利于减小光伏电池的内阻，增加光生载流子密度，减小光生载流子的搜集时间从而降低载流子复合所产生的损耗。这些特征都将有利于提高光伏电池的效率。此外，更薄的半导体薄膜制作更为简单，且有利于降低薄膜缺陷，增加半导体薄膜中载流子的迁移率。然而在传统光伏电池中若半导体薄膜厚度过薄，太阳光将不能被完全吸收，这将降低光伏电池的转换效率，从而需要设计合适的陷光结构来增强太阳能薄膜的吸收。
为了解决以上两大问题，本发明将分光聚焦肩并肩设计方案与共振背反射光伏电池结合起来。通过将不同带隙的半导体薄膜依次排列，并通过分光聚焦系统将不同频率的太阳光聚焦到不同的半导体材料上，并使得不同半导体材料上照射的太阳光的光子能量稍大于此半导体材料的带隙。通过优化这些半导体材料的宽度和厚度，以及在这些半导体的背面设计合适的共振背反射镜，从而在超薄的半导体薄膜中分别实现太阳光的几乎完全吸收。
发明内容
本发明的目的在于提供一种共振背反射肩并肩薄膜光伏电池结构，本发明能有效降低光伏电池中太阳能转换为热能所产生的损耗，减小薄膜光伏电池中半导体层的厚度，从而提高薄膜光伏电池的效率并降低光伏电池的成本。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种共振背反射肩并肩薄膜光伏电池结构，包括依光路设置的分光聚焦部分和共振背反射肩并肩光伏电池结构，所述共振背反射肩并肩结构上层为依次排列的不同带隙、不同厚度、不同宽度的半导体材料构成的半导体薄膜，底层为由多层薄膜介质反射镜或金属薄膜构成的背反射镜，上层和底层之间可有透明导电材料构成的间隔层，顶层可有透明材料或透明电极构成的覆盖层或保护层。
所述的分光聚焦部分由三棱镜和正透镜构成，通过三棱镜后波长为的太阳光出射角度为                                               ，其中A为三棱镜顶角，为三棱镜折射率。此波长为的太阳光通过焦距为f的正透镜聚焦，汇聚于正透镜的焦平面处，此时光斑的x坐标满足。若b，c大于0，则波长越长，越小，较小，光斑的x坐标也比较小。
所述共振背反射肩并肩结构上层为依次排列不同带隙、不同厚度、不同宽度的半导体材料。半导体材的带隙分别为，，，…，半导体材料按照带隙从小到大从较小x坐标向大x坐标依次排列，第m种半导体材料位于和之间，其中h和c分别为普朗克常数和真空光速。
作为本发明的进一步优选，上述各半导体薄膜厚度采用曲边梯形设计。离中心x处的半导体薄膜厚度为，间隔层的厚度为，其中为相应波长下半导体薄膜的折射率，而满足。
作为本发明的进一步优选，当背反射镜由金属薄膜构成时，在半导体薄膜和金属薄膜之间插入一定厚度的透明导电材料构成的间隔层，以达到调节薄膜光程和减小半导体薄膜晶格失配所导致的应变。
作为本发明的进一步优选，所述多层薄膜介质背反射镜由多层介质布拉格反射镜构成。多层介质布拉格反射镜由两种介质交替构成，其折射率分别为和，两种介质的厚度分别为和，其中由半导体材料带隙决定。对于第m种半导体材料，。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明基于目前极为成熟的多层膜技术和分光聚焦方案，不涉及各半导体材料之间的晶格匹配问题，制作简单。且由于入射到各半导体材料的太阳光都稍大于半导体材料的带隙，从而可以有效地吸收太阳光并减小由于光子能量大于半导体带隙所产生热损耗。这将有利于提高光伏电池的效率并提高光伏电池的寿命。
2. 本发明为超薄光伏电池，这不仅仅可以降低光伏电池的成本，还可以减小光伏电池的内阻以及载流子复合造成的损耗，提高光生载流子密度。这也将有利于提高光伏电池的效率。
3. 本发明可以应用于各种薄膜光伏电池，对超薄光伏电池的生产和推广使用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为实施例1所述光伏电池的光谱吸收。
在图中   1、三棱镜   2、正透镜  3、薄膜半导体层A   4、薄膜半导体层B   5、薄膜半导体层C  6、间隔层  7、背反射镜。
具体实施方式
如图1所示，一种共振背反射薄膜光伏电池结构，在光传播线路上依次设置三棱镜（1）、正透镜（2）、半导体薄膜部分、薄膜半导体层A（3）、薄膜半导体层B（4）、薄膜半导体层C（5）等、间隔层（6）、背反射镜（7）；所述半导体薄膜部分由薄膜半导体层A（3）、薄膜半导体层B（4）、薄膜半导体层C（5）并排构成，但不限于A、B、C三种。为便于理解，下面结合具体实施例进一步说明本发明的优选实施方式。
实施例1
分光、聚焦系统部分设计如下：三棱镜（1）采用重火石玻璃ZF1材料，相应的折射率为，其中，，，波长单位为纳米。三棱镜（1）顶角30度，正透镜（2）是凸透镜，其焦距为20cm。通过此分光聚焦系统，400nm和870nm的聚焦光斑在焦平面上的间距为2.9cm。
太阳能共振肩并肩背反射结构如下：半导体薄膜部分由4种不同的半导体材料构成，由左至右分别为CdS、Ga0.5In0.5P、InP、GaSb薄膜构成，其厚度为曲边梯形， ，其中满足如下条件，此时半导体薄膜部分最厚处为236nm，最薄处为73nm。CdS、Ga0.5In0.5P、InP、GaSb薄膜的宽度分别1.54cm、0.9cm、0.36cm、0.35cm。CdS、Ga0.5In0.5P、InP、GaSb薄膜吸收的波长（400-500nm）、（500-670nm）、（670-830nm）、 (830-1300nm)的太阳光。
CdS、Ga0.5In0.5P、InP层下背反射镜（6）由多层交替介质布拉格反射镜构成，交替介质分别为MgF2和ITO，共有5个周期，其折射率分别为1.34（MgF2）和1.95（ITO），CdS层之下相应的厚度分别为84nm和57.7nm，Ga0.5In0.5P层之下相应的厚度分别109nm和75nm，Ga0.5In0.5P层之下相应的厚度分别140nm和96nm。GaSb层下背反射镜由多层交替介质布拉格反射镜构成，其折射率分别为1.46（SiO2）和3.4（Si），其厚度分别为182nm和74nm。
通过计算模拟可得此CdS、Ga0.5In0.5P、InP、GaSb薄膜对太阳光的吸收情况。具体结果参照图2中的201线（CdS吸收）、202线（Ga0.5In0.5P吸收）、203线（InP吸收）、204线（GaSb吸收）。从图中可以看出，即使这些半导体薄膜的平均厚度不到200nm，这些半导体薄膜也都可以将稍高于其带隙的太阳光子几乎完全吸收，由此可以大大减小由于中光子能量大于半导体带隙的能量转换为热而产生的损耗，从而可以增加光伏电池的效率并降低光伏电池的成本。

Claims (6)

1.一种共振背反射肩并肩薄膜光伏电池结构，包括依光路设置的分光聚焦部分和太阳能共振背反射肩并肩结构，所述共振背反射肩并肩结构的上层为依次排列不同带隙、不同厚度、不同宽度的半导体材料构成的半导体薄膜，各半导体薄膜厚度采用普通梯形设计或曲边梯形设计，底层为背反射镜。
2.根据权利要求1所述的一种共振背反射薄膜光伏电池结构，其特征是所述半导体薄膜和背反射镜之间有透明导电材料构成的间隔层。
3.根据权利要求1所述的一种共振背反射薄膜光伏电池结构，其特征是半导体薄膜的上面设有透明材料或透明电极构成的覆盖层或保护层。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种共振背反射薄膜光伏电池结构，其特征是所述背反射镜由多层介质反射镜或金属薄膜构成。
5.根据权利要求4所述的一种共振背反射薄膜光伏电池结构，其特征是半导体薄膜部分由4种不同的半导体材料构成，由左至右分别为CdS、Ga0.5In0.5P、InP、GaSb薄膜构成，其厚度为曲边梯形，                                                ，其中满足如下条件。
6.根据权利要求4所述的一种共振背反射薄膜光伏电池结构，其特征是所述半导体薄膜部分最厚处为236nm，最薄处为73nm；CdS、Ga0.5In0.5P、InP、GaSb薄膜的宽度分别1.54cm、0.9cm、0.36cm、0.35cm。
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