具有集成光学的单晶单片式上转换太阳能电池器件叠层

能量低于单结太阳能电池带隙的太阳光子可通过两个或更多光子的上转换（UC）加以利用，从而发射出单个高于带隙的光子。由于上转换的非线性特性，需要高度集中的光，其通常远大于太阳能电池的实际聚光极限。已有研究提出，将光学元件集成到器件中的聚光型上转换太阳能电池（UC-SC）有助于实现所需的高太阳辐照度。为避免基于微晶粉末的常见上转换材料所引起的散射问题，本工作研究了在硅基叠层器件中使用单晶上转换器的聚光器。在凹面集成光学上转换器件中，于 $876 W/m^2$ 的 1493 nm 红外照明下获得了 6% 的外量子效率（EQE）。在高于 $90 W/m^2$ 的辐照度下（相当于 1450–1600 nm 范围内的 2.95 倍），非聚光型 UC-SC 的 EQE 比带 CPC 的 UC-SC 高 1.5 倍；而在低于 $90 W/m^2$ 时，CPC UC-SC 的 EQE 比非聚光参考器件高 1.95 倍。由于上转换层的散射可忽略，本文揭示了局域辐照度的分布及其对器件性能的影响。研究发现，辐照度在 UC 层的前 1 mm 内累积，并根据聚光方案在不同深度出现峰值。这些结果表明，利用集成光学可大幅改进上转换器件。