[发明专利]一种含有复合多光子腔的多结太阳电池

说明书

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 Cell Current–Voltage Characteristics in the Presence of Luminescent Coupling”, Daniel J. Friedman, John F. Geisz, and Myles A. Steiner, IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, 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。