CN107195714A - 一种含有图形化光学隔离层的叠层太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种含有图形化光学隔离层的叠层太阳能电池结构。该结构在传统双单元叠层太阳能电池中间引入由多层光学介质材料以及贯穿多层光学介质材料的图形化复合通道所构成的光学隔离层，通过调节光学隔离层中光学介质材料以及层数、图形化复合通道的尺寸、数量，能够控制实现叠层电池内光能量在上下两个子单元中的合理分布，同时能够调节两个子电池中的载流子平衡，进而有利于上下子单元界面上载流子的复合，最终能够进一步提高叠层太阳能电池的光电转换效率。本发明对于突破单结太阳能电池的SQ极限，提高叠层太阳能电池中太阳光的利用效率，实现更加高效的光电能量转化效率具有益处。
Description
技术领域
本发明涉及新能源领域，特别涉及一种高效的叠层太阳能电池。
背景技术
目前市场上的太阳能电池产品主要以晶硅电池为主，包括多晶硅电池和单晶硅电池。不论哪一类电池技术，其根本目的均是通过光生伏特效应将太阳光能量直接转换为电能加以利用。提高电池转换效率，最大限度的实现太阳光能对电能的转换，是光伏电池制造的核心技术。根据Shockley-Queisser极限(SQ极限)，对于单个pn结的太阳能电池所能够达到的最高能量转化效率是有限的，如1.34ev禁带宽度的p-n结最高只能达到33.7％的能量转化效率。对于单结的晶硅电池而言，考虑俄歇复合在内时，这一极限效率为29.4％。突破目前单结晶硅电池极限效率的技术路线包括了聚光电池、叠层光伏电池等。开发叠层电池对突破单结太阳能电池的SQ极限，实现更高转换效率的电池而言具有重要意义。
叠层电池中根据材料禁带宽度的大小，一般将由较大禁带宽度材料构成的子电池放在叠层电池的顶端，让其优先吸收太阳光中较大能量的光子，低能量光子透过，继而被接下来较小禁带宽度材料构成的子电池所吸收，从而达到不同能量光子分别吸收转换的目的。为此，将对应材料吸收带隙的光子分别控制在相应的子电池内被充分吸收，对于提高叠层光伏电池的吸收效率而言非常重要。但是，目前叠层电池制备技术中所提出的种种提高电池转换效率的方案均是如何改善材料质量、如何改善界面接触、如何实现集成串联结构叠层电池两个子电池之间的载流子复合，还没有针对如何实现叠层电池中光管理与载流子复合兼顾的电池结构。本发明解决了高效叠层电池中各个子电池之间光子能量分布有效控制以及载流子有效复合兼顾的难题，对于制备高效的叠层太阳能电池而言具有重要意义。
发明内容
本发明针对叠层电池中光管理以及各个子电池之间载流子有效复合的需求，提出一种能够实现有效光管理与载流子复合两种需求的叠层电池。
一种含有光学隔离层的叠层太阳能电池，其特征在于包含太阳能光电转换单元1，由太阳能光电转换单元2，由层3-1、……、层3-n以及贯穿层3-1、……、层3-n的通道4-1、……、通道4-n构成的光学隔离层3。
所述叠层太阳能电池中的光学隔离层3，其特征在于对于太阳光谱中波长≤600nm的光谱反射率≥40％，对于太阳光谱中波长＞600nm的光谱反射率＜60％。
所述叠层太阳能电池中的光学隔离层3，其特征在于所包含的层3-1、……、3-n分别为光学介质材料SiO2、Si3N4、ZnO、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2、LiF、ZrO2、TiO2、Al2O3、AlN、HfO2、MgO、MoO3、Ta2O5中的一种。
所述叠层太阳能电池中的光学隔离层3，其特征在于通道4-1、……、通道4-n为圆形通道、方形通道、菱形通道中的一种或多种。
所述叠层太阳能电池中的光学隔离层3，其特征在于通道4-1、……、通道4-n，各通道的尺寸在10nm到100mm之间，且所有通道与两侧太阳能光电转换单元1、太阳能光电转换单元2接触总面积在光学隔离层表面的占有率在0.1％到60％之间。
所述叠层太阳能电池中的光学隔离层3，其特征在于通道4-1、……、通道4-n中充满导电材料Ag、Au、Cu、Fe、C、m-MTDATA、PEDOT：PSS、IZO、ITO、IGZO、Bphen、Alq3、Bphen、CuPc、C60、石墨烯、磷烯、NPB、TPBi中的一种。
所述叠层太阳能电池中的光学隔离层3，其特征在于通道4-1、……、通道4-n连接太阳能光电转换单元1中的层1-1与太阳能光电转换单元2中的层2-n。
所述叠层太阳能电池中的太阳能光电转换单元1、太阳能光电转换单元2，其特征在于与光学隔离层3相邻的电荷收集端极性相反，且通过通道4-1、……、通道4-n以串联方式实现电气连接。
所述叠层太阳能电池中太阳能光电转换单元1，其特征在于太阳光谱中波长≤600nm的太阳光谱其透过率≤30％，波长＞600nm的光谱其透过率＞60％。
作为优选，所述叠层太阳能电池中太阳能光电转换单元1为钙钛矿太阳能电池、非晶硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池、III-V族化合物太阳能电池、II-VI族化合物太阳能电池、CIGS太阳能电池中的一种。。
作为优选，所述叠层太阳能电池中太阳能光电转换单元2的源层为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、非晶硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池、III-V族化合物太阳能电池、II-VI族化合物太阳能电池、CIGS太阳能电池中的一种。
本发明益处在于能够对入射到叠层电池内部的光通过光学隔离层进行有效管理，使相应波段的光能够在能带匹配太阳能光电转换子单元中进行充分吸收利用，同时兼顾了各个太阳能光电转换子单元内载流子的复合，有助于实现较高效率的叠层结构太阳能电池。
附图说明
图1含有光学隔离层的叠层电池结构示意图；
图2光学隔离层的结构示意图；
图3实施例1含有光学隔离层的叠层电池结构示意图
图4实施例1光学隔离层结构示意图
图5实施例1中光学隔离层所产生有益反射透射效果示意图
具体实施方式
在下文描述中，出于解释目的，阐明了许多特定细节以提供对所揭示实施例的全面了解。然而，显而易见可在没有这些特定细节的其他情况下实施一或多个实施例。
图3为含有光学隔离层的实施例1叠层电池结构的示意图。实施例1中钙钛矿太阳能电池为太阳能光电转换单元器件1，p型衬底的单晶硅太阳能电池为太阳能光电转换单元器件2。钙钛矿太阳能电池与单晶硅太阳能电池之间为由多层光学介质层以及复合通道构成的光学隔离层3。如图4所示，实施例1光学隔离层3中由6层光学介质材料构成，其中层1为30nm TiO2，层2为100nmMgF2，层3为60nmTiO2，层4为100nmAl2O3，层5为100nmMgF2，层6为140nmTiO2。光学隔离层3上含有30个500nm×500nm的正方形通道，分别为通道4-1，通道4-2，……，通道4-30。通道中填充了导电材料Au，保证了光学隔离层3表面仍然为平整的平面。
太阳光从顶端入射进入太阳能光电转换单元器件1钙钛矿太阳能电池，太阳光谱波长≤550nm的波段中10％透过太阳能光电转换单元器件1钙钛矿太阳能电池，太阳光谱波长＞550nm的波段中80％透过太阳能光电转换单元器件1钙钛矿太阳能电池。由于由多层光学介质材料并且含有填充了Au微纳通道构成的光学隔离层3具有如图5所示对不同波段光谱的透光特性，从而将到达光学隔离层3表面的波长≤550nm的光重新反射到钙钛矿电池中，而波长＞550nm的光则透射过光学隔离层被太阳能光电转换单元器件2单晶硅太阳能电池吸收。
太阳能光电转换单元器件1钙钛矿太阳能电池与太阳能光电转换单元器件2单晶硅太阳能电池将吸收的太阳光转换为电子和空穴。钙钛矿太阳能电池将转换得到的电子空穴在电池的顶端和紧邻光学隔离层3的底端进行收集，分别形成负极和正极。单晶硅太阳能电池将转换得到的电子、空穴在临近光学隔离层3的顶端和电池底端进行收集，分别形成负极和正极。钙钛矿太阳能电池的正极通过光学隔离层3上的纳米通道4-1、纳米通道4-2、……、纳米通道4-30与单晶硅太阳能电池的负极连接，作为两个太阳能光电转换单元中空穴与电子的复合通道，形成电气结构上的串联。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种含有光学隔离层的叠层太阳能电池，其特征在于包含太阳能光电转换单元1，太阳能光电转换单元2，由层3-1、……、层3-n以及贯穿层3-1、……、层3-n的通道4-1、……、通道4-n构成的光学隔离层3。
2.根据权利要求1所述的光学隔离层3，其特征在于对于太阳光谱中波长≤600nm的光谱反射率≥40％，对于太阳光谱中波长＞600nm的光谱反射率＜60％。
3.根据权利要求1所述的光学隔离层3，其特征在于包含的层3-1、……、3-n分别为光学介质材料SiO2、Si3N4、ZnO、ZnS、ZnSe、MgF2、CaF2、LiF、ZrO2、TiO2、Al2O3、AlN、HfO2、MgO、MoO3、Ta2O5中的一种。
4.根据权利要求1所述的光学隔离层3，其特征在于通道4-1、……、通道4-n为圆形通道、方形通道、菱形通道中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的光学隔离层3，其特征在于通道4-1、……、通道4-n，各通道的尺寸在10nm到100mm之间，且所有通道与两侧太阳能光电转换单元1、太阳能光电转换单元2接触总面积在光学隔离层表面的占有率在0.1％到60％之间。
6.根据权利要求1所述的光学隔离层3，其特征在于通道4-1、……、通道4-n中充满导电材料Ag、Au、Cu、Fe、C、m-MTDATA、PEDOT：PSS、IZO、ITO、IGZO、Bphen、Alq3、Bphen、CuPc、C60、石墨烯、磷烯、NPB、TPBi中的一种。
7.根据权利要求1所述的光学隔离层3，其特征在于通道4-1、……、通道4-n连接太阳能光电转换单元1中的层1-1与太阳能光电转换单元2中的层2-n。
8.根据权利要求1所述的太阳能光电转换单元1、太阳能光电转换单元2，其特征在于与光学隔离层3相邻的电荷收集端极性相反，且通过通道4-1、……、通道4-n以串联方式实现电气连接。
9.根据权利要求1所述的太阳能光电转换单元1，其特征在于太阳光谱中波长≤600nm的太阳光谱其透过率≤30％，波长＞600nm的光谱其透过率＞60％。
10.根据权利要求1所述的太阳能光电转换单元1为钙钛矿太阳能电池、非晶硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池、III-V族化合物太阳能电池、II-VI族化合物太阳能电池、CIGS太阳能电池中的一种。
11.根据权利要求1所述的太阳能光电转换单元2为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、非晶硅太阳能电池、微晶硅太阳能电池、III-V族化合物太阳能电池、II-VI族化合物太阳能电池、CIGS太阳能电池中的一种。
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