[发明专利]一种提高多结太阳能电池少数载流子收集的方法

说明书

本发明公开了一种提高多结太阳能电池少数载流子收集的方法，该方法是在多结太阳能电池的其中一个子电池或多个子电池或所有子电池的背场与基区之间增设应变结构量子阱，将电子和空穴存储于量子阱内，以提高少数载流子收集效率，同时过滤位错缺陷，其中，所述量子阱的阱和垒的材料光学带隙与基区带隙有关，厚度由少子扩散长度决定，晶格常数与毗邻材料失配不高于5％。本发明可以同时起到过虑位错的作用，尤其适用于失配结构太阳能电池，可以降低穿透位错密度和载流子的非辐射复合，提高短路电流、整体开路电压和填充因子，并最终提高电池的光电转换效率，从而更大程度地发挥太阳能电池的优势。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电的技术领域，尤其是指一种提高多结太阳能电池少数载流子收集的方法。

背景技术

近些年来，煤、石油等不可再生资源的日益匮乏导致能源危机争端愈演愈烈，同时，其对环境的污染带来的全球气温变暖等一系列生态问题越来越严重。考虑人类和自然的长足发展，能源问题亟待解决。该问题已逐渐得到各国的重视，对新能源的开发力度也逐渐加大，目前已经进入开发甚至应用的能源方案有核能、风能、潮汐能和太阳能等清洁能源。但是，核能的危险系数高，风能和潮汐能有地域的局限性，而这些却都是太阳能的优势。另外，太阳光能量巨大，从太阳发出来的光经过1.5亿公里的距离穿过大气层到达地球表面的能量换算成电力，高达～10¹⁴KW，约为全球平均电力的10万倍。如果这些能源能够被有效利用，达到取代传统能源的程度，则能源和环境问题得以解决。所以，世界范围内开展了大量太阳能光伏科技领域的研究项目。

太阳能电池按照材料种类划分大致可分为：硅太阳能电池、无机化合物(Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族)半导体太阳能电池、有机高分子染料电池等几类。目前，砷化镓多结太阳电池作为Ⅲ-Ⅴ族材料太阳能电池的一种，由于其光电转换效率明显高于晶硅电池，因而被广泛地应用于聚光光伏发电(CPV)系统和空间供电系统。砷化镓多结电池的主流结构是晶格匹配的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池，相应的带隙结构为1.85/1.40/0.67eV，其在500倍聚光条件下，光电转换效率已超过40％，远高于其它类太阳能电池。然而，由于其发电成本过高，成为Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池产业发展的主要制约因素。而降低成本的关键在于进一步提高电池的光电转换效率。

在外延生长技术上，提高光电转换效率的本质是提高太阳光子的吸收和有效利用。其中，提高太阳光子吸收和收集的主要途径是增加子电池结数和调整电池结构，设计电池的材料带隙与太阳光谱相匹配。计算过程显示提升电流比提升电压转换效率提升的效果更显著，理论上，子电池结数越多将光谱划分得越细，光子吸收得就越多，且多结电池的各子电池电流越接近，光电转换效率越高。上述传统三结电池的带隙组合对于太阳光光谱不是最佳的，因为GaInAs和Ge子电池带隙间隔很大，Ge底电池可吸收的太阳光谱能量比中、顶电池多很多，因此Ge电池的短路电流最大可接近中电池和顶电池的两倍，由于串联结构的限流机制，会导致一大部分光谱能量损失，最终削弱电池的光电转换效率。另外，调整电池结构方面，已有文献和实验表明在电池中引入布拉格反射层(DBR)、量子阱等结构可以大幅提高光子吸收效率，其中DBR结构已应用于成熟的太阳能电池产品中，但量子阱在多结太阳能电池中的应用还在持续开发中。而提高太阳光子利用的主要途径是提高生长材料的晶体质量，在外延生长过程中引入特殊材料、超晶格或应变缓冲层来降低甚至避免缺陷的产生，因为缺陷往往是光生载流子非辐射复合的中心，直接导致光子不能被有效利用。