CN106449848B - 一种含有复合多光子腔的多结太阳电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有复合多光子腔的多结太阳电池，该太阳电池包含从上至下依次设置的：n个宽带隙垂直光子腔，其中n为自然数，且n≥1，m个窄带隙垂直光子腔，其中m为自然数，且m≥1，以及设置在相邻垂直光子腔之间的隧穿结。宽带隙垂直光子腔包含从上至下依次设置的：第n前置反射镜，第n子电池，第n后置反射镜。窄带隙垂直光子腔包含从上至下依次设置的：第m前置反射镜，第m子电池，第m后置反射镜。本发明的太阳电池能够提高宽带隙材料近带边自发辐射光的利用效率，提高了电池的开路电压，进而提高太阳电池的光电转换效率。

Description

一种含有复合多光子腔的多结太阳电池

技术领域

本发明涉及一种太阳电池，具体涉及一种含有复合垂直光子腔的多结太阳电池。

背景技术

III-V族化合物太阳电池因其转换效率高、抗辐照能力强、温度特性好等优点，被公认为是新一代高性能长寿命空间主电源和大规模工业发电的主要选项。随着化合物半导体生长技术(如金属有机化合物汽相外延——MOCVD) 的不断进步，III-V族太阳电池的效率得到了很大提高。目前，单结GaAs电池效率已经超过29%，五结III-V族太阳电池效率已经达到36%。众所周知的是，每种半导体材料在吸收高于自己带隙宽度能量的光产生光生载流子（电子空穴对）的同时，这些光生载流子还在不断通过辐射光的形式又复合回去，这就是所谓的光吸收与自发辐射复合，这些光往往是各向同性呈球面分布向外辐射的。对于纯度很高质量很好的化合物半导体材料来说，自发辐射复合直接限制着其开路电压，进而限制了光电转换效率。多结太阳电池结构中的自发辐射复合效应还具有另外一个特点，即上面宽带隙材料辐射出去的光又被后面窄带隙材料或子电池所吸收利用，导致了不同吸收范围的子电池性能产生一定程度的相互关联，即所谓的“荧光耦合效应”（“Solar CellCurrent–Voltage Characteristics in the Presence of Luminescent Coupling”,Daniel J. Friedman, John F. Geisz, and Myles A. Steiner, IEEE JOURNAL OFPHOTOVOLTAICS, VOL. 3, NO. 4, OCTOBER 2013），并且认为荧光耦合效应打破了传统在多结太阳电池中所采用的宽带隙子电池光学减薄策略。

然而在现实中，过高的子电池间荧光耦合效应意味着过多的高能量光子进入了窄带隙子电池中，造成了载流子能量的损失，限制了整个电池的开路电压。考虑到太阳电池在横向尺寸上要比吸收深度大得多，因此抑制荧光耦合影响需要在纵向结构上做一些修改。

在通常的多结太阳电池中，如图1所示，各个子电池包含在更宽带隙的窗口层和背场层中，不同的子电池通过隧穿结连接起来，如图5的a所示，这些结构对抑制荧光耦合效应的作用很弱。

发明内容

本发明提供一种含有复合多光子腔的多结太阳电池，该太阳电池克服了已有多结太阳电池器件结构抑制不同子电池之间荧光耦合效应能力低的缺陷，尤其是对宽带隙材料近带边自发辐射光纵向限制低的问题，能够提高宽带隙材料近带边自发辐射光的利用效率，提高了电池的开路电压，进而提高太阳电池的光电转换效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种含有复合多光子腔的多结太阳电池，该太阳电池包含从上至下依次设置的：

n个宽带隙垂直光子腔，其中n为自然数，且n≥1，

m个窄带隙垂直光子腔，其中m为自然数，且m≥1，以及

设置在相邻垂直光子腔之间的第p隧穿结，其中1≤p≤m+n-1。

其中，所述的宽带隙垂直光子腔包含从上至下依次设置的：第n前置反射镜，第n子电池，第n后置反射镜。

其中，所述的窄带隙垂直光子腔包含从上至下依次设置的：第m前置反射镜，第m子电池，第m后置反射镜。

其中，所述的第n子电池的光学折射率高于所述的第n前置反射镜与第n后置反射镜的光学折射率。

其中，所述的第m子电池的光学折射率高于所述的第m前置反射镜与第m后置反射镜的光学折射率。

所述的太阳电池还包含：

设置在所述的太阳电池最顶层的减反射膜。

所述的第n前置反射镜包含从上至下依次设置的：低折射率氧化物层和第n窗口层。

其中，所述的第n窗口层的光学折射率比低折射率氧化物层的光学折射率低0.5~1.0。

所述的低折射率氧化物层的厚度为1~500nm。

所述的第n后置反射镜包含从上至下依次设置的：第n背场层和第n低折射率层。

其中，所述的第n低折射率层的光学折射率比第n背场层的光学折射率低0~0.5，且所述的第n低折射率层和第n背场层的光学折射率不相等。

所述的第n低折射率层的厚度为10~30nm。

所述的第m前置反射镜包含从上至下依次设置的：光学反射率调节层和第m窗口层。

其中，所述的光学反射率调节层的光学折射率比第m窗口层的光学折射率低0~0.5，且所述的光学反射率调节层和第m窗口层的光学折射率不相等。

所述的光学反射率调节层的厚度为10~30 nm。

所述的第m后置反射镜包含从上至下依次设置的：第m背场层和第m低折射率层。

其中，所述的第m低折射率层的光学折射率比第m背场层的光学折射率低0~0.5，且第m低折射率层和第m背场层的光学折射率不相等。

所述的第m低折射率层的厚度为10~30 nm。

本发明提供的含有复合多光子腔的多结太阳电池，解决了已有多结太阳电池器件结构抑制不同子电池之间荧光耦合效应能力低的问题，具有以下优点：

本发明的太阳电池设有前置反射镜和后置反射镜，前置反射镜和后置反射镜对近带边光波的反射率高，将禁带边自发辐射光限制在子电池吸收层中，增强了宽带隙材料近带边自发辐射光的利用效率，提高了电池的开路电压，进而提高太阳电池的光电转换效率。

附图说明

图1为现有技术的多结太阳电池的结构示意图。

图2为本发明提供的一种含有复合多光子腔的多结太阳电池的结构示意图。

图3为本发明提供的实施例1的多结太阳电池的结构示意图。

图4为本发明提供的实施例2的多结太阳电池的结构示意图。

图5为本发明提供的多结太阳电池的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种含有复合多光子腔的多结太阳电池，该太阳电池包含从上至下依次设置的：

n个宽带隙垂直光子腔10，其中n为自然数，且n≥1，

m个窄带隙垂直光子腔20，其中m为自然数，且m≥1，以及

设置在相邻垂直光子腔之间的第p隧穿结30，其中1≤p≤m+n-1。

其中，宽带隙垂直光子腔10包含从上至下依次设置的：第n前置反射镜11，第n子电池12，第n后置反射镜13。

其中，窄带隙垂直光子腔20包含从上至下依次设置的：第m前置反射镜21，第m子电池22，第m后置反射镜23。

第n子电池12的光学折射率高于第n前置反射镜11与第n后置反射镜13的光学折射率；

第m子电池22的光学折射率高于第m前置反射镜21与第m后置反射镜23的光学折射率。

本发明的太阳电池还包含：

设置在该太阳电池最顶层的减反射膜40。

上述第n前置反射镜11包含从上至下依次设置的：低折射率氧化物层111和第n窗口层112。其中，第n窗口层112的光学折射率比低折射率氧化物层111的光学折射率低0.5~1.0。低折射率氧化物层111的1~500nm，第n窗口层112的厚度为30~50 nm。

上述第n后置反射镜13包含从上至下依次设置的：第n背场层131和第n低折射率层132。其中，第n低折射率层132的光学折射率比第n背场层131的光学折射率低0~0.5（优选0.5），且第n低折射率层132和第n背场层131的光学折射率不相等。第n低折射率层132的厚度为10~30nm，第n背场层131的厚度为10~40 nm。

上述第m前置反射镜21包含从上至下依次设置的：光学反射率调节层211和第m窗口层212。其中，光学反射率调节层211的光学折射率比第m窗口层112的光学折射率低0~0.5（优选0.5），且光学反射率调节层211和第m窗口层112的光学折射率不相等。光学反射率调节层211的厚度为10~30 nm，第m窗口层212的厚度为30~50 nm。

上述第m后置反射镜23包含从上至下依次设置的：第m背场层231和第m低折射率层232。第m低折射率层132的光学折射率比第m背场层131的光学折射率低0~0.5（优选0.5），且第m低折射率层132和第m背场层131的光学折射率不相等。第m低折射率层232的厚度为10~30 nm，第m背场层231的厚度为10~40 nm。

本发明的前置反射镜使得从该子电池向窗口层方向的自发辐射光被返回来，后置反射镜使得该子电池向背场层方向的自发辐射光被返回来，隧穿结下面的光学反射率调节层进一步提高了该子电池背场层方向的自发辐射光的反射率，同时与下面子电池窗口层耦合构成下面窄带隙子电池垂直光子腔的前置反射镜，使得从该子电池向窗口层方向的自发辐射光被返回来。

因此，本发明的前置反射镜和后置反射镜具有对自电池近带边光波具有高反射率，如图5的b所示，前置反射镜和后置反射镜将近带边自发辐射光限制在子电池吸收层中，增强了宽带隙和窄带隙材料近带边自发辐射光的利用效率，提高了电池的开路电压，进而提高太阳电池的光电转换效率。

实施例1

含有复合多光子腔的晶格大失配GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池。

如图3所示，含有复合多光子腔的晶格大失配GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池，该太阳电池包含从上至下依次设置的：

氧化物材料层320，AlGaInP窗口层319，AlGaInP子电池318，AlGaInP背场317，AlGaAs低折射率层316，AlGaAs p++掺杂层315，GaInP n++掺杂层314，AlGaInP光学反射率调节层313，AlGaAs窗口层312，GaAs子电池311，AlGaAs背场310，AlGaInP低折射率层39，p-InAlGaAs缓冲层38，InAlGaAs p++掺杂层37，InAlGaAs n++掺杂层36，反射调节层AlGaInP35，GaInP窗口层34，InGaAs子电池 33，InAlGaAs背场32，p-InGaAs低折射率层31。

其中，氧化物材料层320和AlGaInP窗口层319组成了第一前置反射镜。AlGaAs低折射率层316和AlGaInP背场317组成了第一后置反射镜。AlGaAs窗口层312和AlGaInP反射调节层313组成了第二前置反射镜，AlGaInP低折射率层39和AlGaAs背场层310组成了第二后置反射镜。氧化物材料层320厚度1-500nm，AlGaInP窗口层319厚度30-50nm，AlGaInP背场317厚度10-40nm，AlGaAs低折射率层316厚度10-30nm ，AlGaInP反射调节层313厚度10-30nm，厚度10-30nm，AlGaAs窗口层312厚度30-50nm ，AlGaAs背场层310厚度20-40nm，AlGaInP低折射率层39厚度10-30nm。

其中，AlGaAs p++掺杂层315和GaInP n++掺杂层314组成了第一隧穿结，InAlGaAsp++掺杂层37和InAlGaAs n++掺杂层36组成了第二隧穿结。

实验结果表明，采用本发明结构的GaInP/GaAs/InGaAs三结太阳电池的开路电压，皆比同样实验条件的其它结构电池提高提高50m-100mV。

实施例2

含有复合多光子腔的五结太阳电池中的顶部AlGaInP/AlGaAs/GaAs三结太阳电池。

如图4所示，含有复合多光子腔的五结太阳电池中的顶部AlGaInP/AlGaAs/GaAs三结太阳电池，该太阳电池包含从上至下依次设置的：

氧化物材料层419，AlGaInP窗口层418，AlGaInP子电池417，AlGaInP背场416，AlGaAs低折射率层415，AlGaAs p++掺杂层414，GaInP n++掺杂层413，AlGaInP光学反射率调节层412，AlGaAs窗口层411，AlGaAs子电池410，AlGaAs背场49，AlGaInP低折射率层48，AlGaAs p++掺杂层47，GaInP n++掺杂层46，光学反射率调节层AlGaInP 45，AlGaAs窗口层44，GaAs子电池43，AlGaAs背场42，p-GaAs接触层41。

其中，氧化物材料层419和AlGaInP窗口层418组成了第一前置反射镜。AlGaInP背场416和AlGaAs低折射率层415组成了第一后置反射镜。AlGaInP光学反射率调节层412和AlGaAs窗口层411组成了第二前置反射镜。AlGaAs背场49和AlGaInP低折射率层48组成了第二后置反射镜。氧化物材料层419厚度1-500nm，AlGaInP窗口层418厚度30-50nm，AlGaInP背场416厚度10-40nm，AlGaAs低折射率层415厚度10-30nm，AlGaInP反射调节层412厚度10-30nm，AlGaAs窗口层411厚度30-50nm，AlGaAs背场层49厚度20-40nm，AlGaInP低折射率层48厚度10-30nm。

其中，AlGaAs p++掺杂层414和GaInP n++掺杂层413组成了第一隧穿结。AlGaAs p++掺杂层47和GaInP n++掺杂层46组成了第二隧穿结。

实验结果表明，采用本发明结构的AlGaInP/AlGaAs/GaAs三结太阳电池的开路电压，皆比同样实验条件的其它结构电池提高提高50m-100mV。

综上所述，本发明用于提供一种含有复合多光子腔的多结太阳电池，该太阳电池，能够提高宽带隙材料近带边自发辐射光的利用效率，提高了电池的开路电压，进而提高太阳电池的光电转换效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，该太阳电池包含从上至下依次设置的：

n个宽带隙垂直光子腔（10），其中n为自然数，且n≥1，

m个窄带隙垂直光子腔（20），其中m为自然数，且m≥1，以及

设置在相邻垂直光子腔之间的第p隧穿结（30），其中1≤p≤m+n-1；

所述的宽带隙垂直光子腔（10）包含从上至下依次设置的：第n前置反射镜（11），第n子电池（12），第n后置反射镜（13）；

所述的窄带隙垂直光子腔（20）包含从上至下依次设置的：第m前置反射镜（21），第m子电池（22），第m后置反射镜（23）；

所述的第n子电池（12）的光学折射率高于所述的第n前置反射镜（11）与第n后置反射镜（13）的光学折射率；

所述的第m子电池（22）的光学折射率高于所述的第m前置反射镜（21）与第m后置反射镜（23）的光学折射率。

2.根据权利要求1所述的含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，所述的太阳电池还包含：

设置在所述的太阳电池最顶层的减反射膜（40）。

3.根据权利要求1或2所述的含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，所述的第n前置反射镜（11）包含从上至下依次设置的：

低折射率氧化物层（111）和第n窗口层（112）；

所述的第n窗口层（112）的光学折射率比低折射率氧化物层（111）的光学折射率低0.5~1.0。

4.根据权利要求3所述的含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，所述的低折射率氧化物层（111）的厚度为1~500nm。

5.根据权利要求1或2所述的含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，所述的第n后置反射镜（13）包含从上至下依次设置的：

第n背场层（131）和第n低折射率层（132）；

所述的第n低折射率层（132）的光学折射率比第n背场层（131）的光学折射率低0~0.5，且所述的第n低折射率层（132）和第n背场层（131）的光学折射率不相等。

6.根据权利要求5所述的含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，所述的第n低折射率层（132）的厚度为10~30nm。

7.根据权利要求1或2所述的含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，所述的第m前置反射镜（21）包含从上至下依次设置的：

光学反射率调节层（211）和第m窗口层（212）；

所述的光学反射率调节层（211）的光学折射率比第m窗口层（112）的光学折射率低0~0.5，且所述的光学反射率调节层（211）和第m窗口层（112）的光学折射率不相等。

8.根据权利要求7所述的含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，所述的光学反射率调节层（211）的厚度为10~30 nm。

9.根据权利要求1或2所述的含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，所述的第m后置反射镜（23）包含从上至下依次设置的：

第m背场层（231）和第m低折射率层（232）；

所述的第m低折射率层（132）的光学折射率比第m背场层（131）的光学折射率低0~0.5，且第m低折射率层（132）和第m背场层（131）的光学折射率不相等。

10.根据权利要求1或2所述的含有复合多光子腔的多结太阳电池，其特征在于，所述的第m低折射率层（232）的厚度为10~30 nm。