[發(fā)明專利]實現(xiàn)光子循環(huán)增強的多結(jié)太陽電池及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011372923.1
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112490301B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李欣益;陸宏波;李戈;張瑋;錢子勍;楊瑰婷;楊丞;鄭奕
• 申請（專利權(quán)）人: 上海空間電源研究所
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L31/0232;H01L31/0687;H01L31/0725;H01L31/076;H01L31/18
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 余岢

本發(fā)明提供一種實現(xiàn)光子循環(huán)增強的多結(jié)太陽電池及其制作方法，本發(fā)明通過分別在獨立制備的頂層子電池背面與底層子電池表面蒸鍍金屬柵線后，通過圖形鍵合實現(xiàn)子電池的集成。頂層子電池背面與底層子電池表面的特殊設(shè)計的光學膜層與圖形鍵合后自然產(chǎn)生的空氣層，形成多結(jié)太陽電池器件內(nèi)部的光學限制腔，增強對子電池間光子入射、透過與反射的管控能力。通過圖形鍵合，子電池在完成物理連接的同時實現(xiàn)了內(nèi)部的電學級聯(lián)，使器件可以雙端模式輸出電能，方便器件的后續(xù)使用。本發(fā)明不受太陽電池材料體系限制，可廣泛運用于各種多結(jié)或疊層太陽電池。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)光子循環(huán)增強的多結(jié)太陽電池及其制作方法。

背景技術(shù)

太陽電池是利用光生伏特效應把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，已廣泛運用于航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域與民用領(lǐng)域。多結(jié)太陽電池，即級聯(lián)多個子電池對入射光分段轉(zhuǎn)換，是現(xiàn)階段半導體制造與加工技術(shù)制約下提升太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率最有效的手段。目前，四結(jié)太陽電池在標準空間光譜(AM0光譜)下轉(zhuǎn)換效率達到35.2％，在標準地面光譜(AM1.5光譜)下約37.4％；五結(jié)太陽電池在AM0光譜下轉(zhuǎn)換效率為36.0％，在AM1.5光譜下轉(zhuǎn)換效率為38.8％；六結(jié)太陽電池在AM1.5光譜下轉(zhuǎn)換效率為39.2％。可以看出，隨著結(jié)數(shù)的增加太陽電池轉(zhuǎn)換效率得到了提高。但是，材料兼容性矛盾與制備工藝復雜程度隨著結(jié)數(shù)的增加將大幅提升，而轉(zhuǎn)換效率的增量趨微。

需要指出的是，多結(jié)太陽電池轉(zhuǎn)換效率與其理論極限仍有較大差距。對單結(jié)太陽電池的細致平衡理論的拓展研究表明，通過能帶組合與器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，雙結(jié)、三結(jié)及四結(jié)太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率為45.7％、51.5％及55.3％；同時理論模型指出，在太陽電池器件內(nèi)部實現(xiàn)最大程度的光子循環(huán)(photon recycling，PR)，即除從器件表面出射外，輻射復合產(chǎn)生的光子均將被再次吸收并產(chǎn)生電子空穴對，從而增加光生載流子數(shù)量與載流子壽命，是提高太陽電池轉(zhuǎn)換效率的一個關(guān)鍵因素。

近年來，通過在太陽電池外延層背面蒸鍍金屬膜層或特殊光學設(shè)計的介質(zhì)膜層，構(gòu)建背反射層限制輻射復合光子從背面出射，從而增強器件內(nèi)光子循環(huán)，單結(jié)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率得到顯著的提高。對于多結(jié)太陽電池，在子電池間插入背反射層，構(gòu)建光學限制腔增強器件內(nèi)的光子循環(huán)，亦可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的提升。但其實現(xiàn)方法存在著兩個困難：

首先，如圖1所示，背反射層4必須是高度選擇性的，在高效限制頂層子電池1輻射復合光子61(hν＝Eg1)出射的同時，對低能入射光子52(hνEg1)無附加吸收，避免對底層子電池2的光學損耗；

其次，如何在多結(jié)太陽電池的子電池間插入背反射層，對器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝實現(xiàn)均提出了很大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有技術(shù)中，由于需兼顧多結(jié)太陽電池器件工藝，子電池間的背反射器或光學限制腔對光子的選擇性較差，對輻射復合光子的反射能力與低能入射光子的透過能力偏低，導致多結(jié)太陽電池開路電壓提升有限而短路電流密度降低，制約著器件轉(zhuǎn)換效率的提升。一個較為有效的手段是，對多結(jié)太陽電池各子電池獨立進行光學管控設(shè)計并分別制備，再將獨立制備的子電池通過介質(zhì)材料進行粘合形成多結(jié)太陽電池。該方法在一定程度上可實現(xiàn)較好的光子光控，提升了光子循環(huán)效果，但子電池間的物理連接成為制約多結(jié)太陽電池器件結(jié)構(gòu)及工作模式的明顯的弊端。由于實現(xiàn)方法的先天限制，制備的多結(jié)太陽電池只能以四端模式工作，其各子電池處于不同的最大工作點，給后續(xù)的使用帶來很大的不便。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)光子循環(huán)增強的多結(jié)太陽電池及其制作方法。

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)光子循環(huán)增強的多結(jié)太陽電池，包括：

獨立制備的多結(jié)太陽電池子電池，所述多結(jié)太陽電池的子電池通過圖形鍵合的方式進行級聯(lián)；

所述圖形鍵合自然引入的子電池間的空氣腔與所述子電池的靠近空氣腔表面的光學膜層形成高度選擇性的光學限制腔；