本發(fā)明涉及一種太陽電池，具體涉及一種含有復合垂直光子腔的多結太陽電池。

背景技術：

III-V族化合物太陽電池因其轉換效率高、抗輻照能力強、溫度特性好等優(yōu)點，被公認為是新一代高性能長壽命空間主電源和大規(guī)模工業(yè)發(fā)電的主要選項。隨著化合物半導體生長技術(如金屬有機化合物汽相外延——MOCVD) 的不斷進步，III-V族太陽電池的效率得到了很大提高。目前，單結GaAs電池效率已經(jīng)超過29%，五結III-V族太陽電池效率已經(jīng)達到36%。眾所周知的是，每種半導體材料在吸收高于自己帶隙寬度能量的光產生光生載流子（電子空穴對）的同時，這些光生載流子還在不斷通過輻射光的形式又復合回去，這就是所謂的光吸收與自發(fā)輻射復合，這些光往往是各向同性呈球面分布向外輻射的。對于純度很高質量很好的化合物半導體材料來說，自發(fā)輻射復合直接限制著其開路電壓，進而限制了光電轉換效率。多結太陽電池結構中的自發(fā)輻射復合效應還具有另外一個特點，即上面寬帶隙材料輻射出去的光又被后面窄帶隙材料或子電池所吸收利用，導致了不同吸收范圍的子電池性能產生一定程度的相互關聯(lián)，即所謂的“熒光耦合效應”（“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），并且認為熒光耦合效應打破了傳統(tǒng)在多結太陽電池中所采用的寬帶隙子電池光學減薄策略。

然而在現(xiàn)實中，過高的子電池間熒光耦合效應意味著過多的高能量光子進入了窄帶隙子電池中，造成了載流子能量的損失，限制了整個電池的開路電壓?？紤]到太陽電池在橫向尺寸上要比吸收深度大得多，因此抑制熒光耦合影響需要在縱向結構上做一些修改。

在通常的多結太陽電池中，如圖1所示，各個子電池包含在更寬帶隙的窗口層和背場層中，不同的子電池通過隧穿結連接起來，如圖5的a所示，這些結構對抑制熒光耦合效應的作用很弱。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種含有復合多光子腔的多結太陽電池，該太陽電池克服了已有多結太陽電池器件結構抑制不同子電池之間熒光耦合效應能力低的缺陷，尤其是對寬帶隙材料近帶邊自發(fā)輻射光縱向限制低的問題，能夠提高寬帶隙材料近帶邊自發(fā)輻射光的利用效率，提高了電池的開路電壓，進而提高太陽電池的光電轉換效率。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種含有復合多光子腔的多結太陽電池，該太陽電池包含從上至下依次設置的：

n個寬帶隙垂直光子腔，其中n為自然數(shù)，且n≥1，

m個窄帶隙垂直光子腔，其中m為自然數(shù)，且m≥1，以及

設置在相鄰垂直光子腔之間的第p隧穿結，其中p=m+n-1。

其中，所述的寬帶隙垂直光子腔包含從上至下依次設置的：第n前置反射鏡，第n子電池，第n后置反射鏡。

其中，所述的窄帶隙垂直光子腔包含從上至下依次設置的：第m前置反射鏡，第m子電池，第m后置反射鏡。

其中，所述的第n子電池的光學折射率高于所述的第n前置反射鏡與第n后置反射鏡的光學折射率。

其中，所述的第m子電池的光學折射率高于所述的第m前置反射鏡與第m后置反射鏡的光學折射率。

所述的太陽電池還包含：

設置在所述的太陽電池最頂層的減反射膜。

所述的第n前置反射鏡包含從上至下依次設置的：低折射率氧化物層和第n窗口層。

其中，所述的第n窗口層的光學折射率比第n光學反射率調節(jié)層的光學折射率低0.5~1.0。

所述的低折射率氧化物層的厚度為1~500nm。

所述的第n后置反射鏡包含從上至下依次設置的：第n背場層和第n低折射率層。

其中，所述的第n低折射率層的光學折射率比第n背場層的光學折射率低0~0.5，且所述的第n低折射率層和第n背場層的光學折射率不相等。

所述的第n低折射率層的厚度為10~30nm。

所述的第m前置反射鏡包含從上至下依次設置的：光學反射率調節(jié)層和第m窗口層。

其中，所述的光學反射率調節(jié)層的光學折射率比第m窗口層的光學折射率低0~0.5，且所述的光學反射率調節(jié)層和第m窗口層的光學折射率不相等。

所述的光學反射率調節(jié)層的厚度為10~30 nm。

所述的第m后置反射鏡包含從上至下依次設置的：第m背場層和第m低折射率層。

其中，所述的第m低折射率層的光學折射率比第m背場層的光學折射率低0~0.5，且第m低折射率層和第m背場層的光學折射率不相等。

所述的第m低折射率層的厚度為10~30 nm。

本發(fā)明提供的含有復合多光子腔的多結太陽電池，解決了已有多結太陽電池器件結構抑制不同子電池之間熒光耦合效應能力低的問題，具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明的太陽電池設有前置反射鏡和后置反射鏡，前置反射鏡和后置反射鏡對近帶邊光波的反射率高，將禁帶邊自發(fā)輻射光限制在子電池吸收層中，增強了寬帶隙材料近帶邊自發(fā)輻射光的利用效率，提高了電池的開路電壓，進而提高太陽電池的光電轉換效率。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術的多結太陽電池的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明提供的一種含有復合多光子腔的多結太陽電池的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明提供的實施例1的多結太陽電池的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明提供的實施例2的多結太陽電池的結構示意圖。

圖5為本發(fā)明提供的多結太陽電池的原理圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種含有復合多光子腔的多結太陽電池，該太陽電池包含從上至下依次設置的：

n個寬帶隙垂直光子腔10，其中n為自然數(shù)，且n≥1，

m個窄帶隙垂直光子腔20，其中m為自然數(shù)，且m≥1，以及

設置在相鄰垂直光子腔之間的第p隧穿結30，其中p=m+n-1。

其中，寬帶隙垂直光子腔10包含從上至下依次設置的：第n前置反射鏡11，第n子電池12，第n后置反射鏡13。

其中，窄帶隙垂直光子腔20包含從上至下依次設置的：第m前置反射鏡21，第m子電池22，第m后置反射鏡23。

第n子電池12的光學折射率高于第n前置反射鏡11與第n后置反射鏡13的光學折射率；

第m子電池22的光學折射率高于第m前置反射鏡21與第m后置反射鏡23的光學折射率。

本發(fā)明的太陽電池還包含：

設置在該太陽電池最頂層的減反射膜40。

上述第n前置反射鏡11包含從上至下依次設置的：低折射率氧化物層111和第n窗口層112。其中，第n窗口層112的光學折射率比第n光學反射率調節(jié)層111的光學折射率低0.5~1.0。低折射率氧化物層111的1~500nm，第n窗口層112的厚度為30~50 nm。

上述第n后置反射鏡13包含從上至下依次設置的：第n背場層131和第n低折射率層132。其中，第n低折射率層132的光學折射率比第n背場層131的光學折射率低0~0.5（優(yōu)選0.5），且第n低折射率層132和第n背場層131的光學折射率不相等。第n低折射率層132的厚度為10~30nm，第n背場層131的厚度為10~40 nm。

上述第m前置反射鏡21包含從上至下依次設置的：光學反射率調節(jié)層211和第m窗口層212。其中，光學反射率調節(jié)層211的光學折射率比第m窗口層112的光學折射率低0~0.5（優(yōu)選0.5），且光學反射率調節(jié)層211和第m窗口層112的光學折射率不相等。光學反射率調節(jié)層211的厚度為10~30 nm，第m窗口層212的厚度為30~50 nm。

上述第m后置反射鏡23包含從上至下依次設置的：第m背場層231和第m低折射率層232。第m低折射率層132的光學折射率比第m背場層131的光學折射率低0~0.5（優(yōu)選0.5），且第m低折射率層132和第m背場層131的光學折射率不相等。第m低折射率層232的厚度為10~30 nm，第m背場層231的厚度為10~40 nm。

本發(fā)明的前置反射鏡使得從該子電池向窗口層方向的自發(fā)輻射光被返回來，后置反射鏡使得該子電池向背場層方向的自發(fā)輻射光被返回來，隧穿結下面的光學反射率調節(jié)層進一步提高了該子電池背場層方向的自發(fā)輻射光的反射率，同時與下面子電池窗口層耦合構成下面窄帶隙子電池垂直光子腔的前置反射鏡，使得從該子電池向窗口層方向的自發(fā)輻射光被返回來。

因此，本發(fā)明的前置反射鏡和后置反射鏡具有對自電池近帶邊光波具有高反射率，如圖5的b所示，前置反射鏡和后置反射鏡將近帶邊自發(fā)輻射光限制在子電池吸收層中，增強了寬帶隙和窄帶隙材料近帶邊自發(fā)輻射光的利用效率，提高了電池的開路電壓，進而提高太陽電池的光電轉換效率。

實施例1

含有復合多光子腔的晶格大失配GaInP/GaAs/InGaAs三結太陽電池。

如圖3所示，含有復合多光子腔的晶格大失配GaInP/GaAs/InGaAs三結太陽電池，該太陽電池包含從上至下依次設置的：

氧化物材料層320，AlGaInP窗口層319，AlGaInP子電池318，AlGaInP背場317，AlGaAs低折射率層316，AlGaAs p++摻雜層315，GaInP n++摻雜層314，AlGaInP光學反射率調節(jié)層313，AlGaAs窗口層312，GaAs子電池311，AlGaAs背場310，AlGaInP低折射率層39，p-InAlGaAs緩沖層38，InAlGaAs p++摻雜層37，InAlGaAs n++摻雜層36，反射調節(jié)層AlGaInP 35，GaInP窗口層34，InGaAs子電池 33，InAlGaAs背場32，p-InGaAs低折射率層31。

其中，氧化物材料層320和AlGaInP窗口層319組成了第一前置反射鏡。AlGaAs低折射率層316和AlGaInP背場317組成了第一后置反射鏡。AlGaAs窗口層312和AlGaInP反射調節(jié)層313組成了第二前置反射鏡，AlGaInP低折射率層39和AlGaAs背場層310組成了第二后置反射鏡。氧化物材料層320厚度1-500nm，AlGaInP窗口層319厚度30-50nm，AlGaInP背場317厚度10-40nm，AlGaAs低折射率層316厚度10-30nm ，AlGaInP反射調節(jié)層313厚度10-30nm，厚度10-30nm，AlGaAs窗口層312厚度30-50nm ，AlGaAs背場層310厚度20-40nm，AlGaInP低折射率層39厚度10-30nm。

其中，AlGaAs p++摻雜層315和GaInP n++摻雜層314組成了第一隧穿結，InAlGaAs p++摻雜層37和InAlGaAs n++摻雜層36組成了第二隧穿結。

實驗結果表明，采用本發(fā)明結構的GaInP/GaAs/InGaAs三結太陽電池的開路電壓，皆比同樣實驗條件的其它結構電池提高提高50m-100mV。

實施例2

含有復合多光子腔的五結太陽電池中的頂部AlGaInP/AlGaAs/GaAs三結太陽電池。

如圖4所示，含有復合多光子腔的五結太陽電池中的頂部AlGaInP/AlGaAs/GaAs三結太陽電池，該太陽電池包含從上至下依次設置的：

氧化物材料層419，AlGaInP窗口層418，AlGaInP子電池417，AlGaInP背場416，AlGaAs低折射率層415，AlGaAs p++摻雜層414，GaInP n++摻雜層413，AlGaInP光學反射率調節(jié)層412，AlGaAs窗口層411，AlGaAs子電池410，AlGaAs背場49，AlGaInP低折射率層48，AlGaAs p++摻雜層47，GaInP n++摻雜層46，光學反射率調節(jié)層AlGaInP 45，AlGaAs窗口層44，GaAs子電池43，AlGaAs背場42，p-GaAs接觸層41。

其中，氧化物材料層419和AlGaInP窗口層418組成了第一前置反射鏡。AlGaInP背場416和AlGaAs低折射率層415組成了第一后置反射鏡。AlGaInP光學反射率調節(jié)層412和AlGaAs窗口層411組成了第二前置反射鏡。AlGaAs背場49和AlGaInP低折射率層48組成了第二后置反射鏡。氧化物材料層419厚度1-500nm，AlGaInP窗口層418厚度30-50nm，AlGaInP背場416厚度10-40nm，AlGaAs低折射率層415厚度10-30nm，AlGaInP反射調節(jié)層412厚度10-30nm，AlGaAs窗口層411厚度30-50nm，AlGaAs背場層49厚度20-40nm，AlGaInP低折射率層48厚度10-30nm。

其中，AlGaAs p++摻雜層414和GaInP n++摻雜層413組成了第一隧穿結。AlGaAs p++摻雜層47和GaInP n++摻雜層46組成了第二隧穿結。

實驗結果表明，采用本發(fā)明結構的AlGaInP/AlGaAs/GaAs三結太陽電池的開路電壓，皆比同樣實驗條件的其它結構電池提高提高50m-100mV。

綜上所述，本發(fā)明用于提供一種含有復合多光子腔的多結太陽電池，該太陽電池，能夠提高寬帶隙材料近帶邊自發(fā)輻射光的利用效率，提高了電池的開路電壓，進而提高太陽電池的光電轉換效率。

盡管本發(fā)明的內容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。