專利名稱：具有硅清除電池的高效太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有硅清除電池(scavenger cell)的改進(jìn)的高效太陽能電池。該太陽能電池適合用于運(yùn)動(dòng)的和靜止的應(yīng)用中。
背景技術(shù)：
太陽能電池的研發(fā)已進(jìn)行了超過五十年的時(shí)間。單結(jié)硅太陽能電池在此期間已受到重視，并且被用于陸上光伏應(yīng)用中。然而，單結(jié)硅太陽能電池俘獲了不到一半的太陽能轉(zhuǎn)換理論潛能，其中目前最好的實(shí)驗(yàn)室太陽能電池提供僅僅約24. 7%的效率。這限制了這些電池的應(yīng)用。 由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面的原因，需要高性能的光伏系統(tǒng)。通過使太陽能電池的效率翻一番，可以使電成本減半。許多應(yīng)用不具有使用當(dāng)前太陽能電池提供所需功率所要求的面積。 對(duì)于更高效的太陽能電池，已提出了兩種類型的太陽能電池結(jié)構(gòu)。 一種是橫向結(jié)構(gòu)。光學(xué)色散元件被用于將太陽光譜分成其波長成分。分離的太陽能電池被置于每個(gè)波段之下，并且如此選擇電池，以使它們?yōu)槟莻€(gè)波段的光提供良好的效率。另一種結(jié)構(gòu)是垂直結(jié)構(gòu)，其中具有不同能隙的單獨(dú)的太陽能電池被設(shè)置在疊層中。這些電池通常被稱為級(jí)聯(lián)(cascade)、串列(tandem)或多結(jié)電池。太陽光穿過該疊層。
需要研發(fā)一種高效太陽能電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的高效太陽能電池，其具有"高能隙電池(HEGC)疊層-分色鏡-中能隙電池(MEGC)疊層"結(jié)構(gòu)或"高能隙電池(HEGC)疊層-分色鏡-中能隙電池(MEGC)疊層-低能隙電池(LEGC)疊層"結(jié)構(gòu)，改進(jìn)包括硅電池，該硅電池被設(shè)置為與MEGC疊層中的電池中的具有最小能隙的電池鄰近。


圖1示出電池疊層的示意性繪圖。
圖2示例出具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層"結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的太陽能電池的實(shí)施例，該結(jié)構(gòu)具有分色鏡，該分色鏡反射光子能量^ Egm的光且透射光子能量< Egm的光，該結(jié)構(gòu)還具有鄰接MEGC疊層的硅電池。 圖3示例出具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層-LEGC疊層"結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的太陽能電池的實(shí)施例，該結(jié)構(gòu)具有分色鏡，該分色鏡反射光子能量》Egm的光且透射光子能量< Egm的光，該結(jié)構(gòu)還具有鄰接MEGC疊層的硅電池。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的高效太陽能電池。該改進(jìn)的高效太陽能電池的效率超過30%，并且優(yōu)選高達(dá)和超過50%。在一個(gè)實(shí)施例中，該改進(jìn)的太陽能電池具有"HEGC疊層_分色鏡-MEGC疊層"結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中，該改進(jìn)的太陽能電池具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層-LEGC疊層"結(jié)構(gòu)。改進(jìn)在于硅電池的添加，以用作清除電池來吸收否則將不被吸收的光且將該部分能量轉(zhuǎn)換成電。本發(fā)明所提供的硅電池提高了太陽能電池的效率。 在一個(gè)實(shí)施例中，具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層"結(jié)構(gòu)或"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層-LEGC疊層"結(jié)構(gòu)的太陽能電池包括高能隙電池和分色鏡，該分色鏡用于分裂被高能隙電池透射的光。在該太陽能電池結(jié)構(gòu)中，在通過色散器件將太陽光分裂成光譜成分之前使得高能隙電池暴露于太陽光，這在使得能夠?qū)崿F(xiàn)高效太陽能電池的方面以及在提供太陽能電池的各種實(shí)施例的方面起著重要的作用。該結(jié)構(gòu)以能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)用的高效太陽能電池的方式提供對(duì)太陽光譜的所有部分的有效使用。該高能隙電池吸收能量》Egh的較高能量光子，即太陽光的藍(lán)-綠至紫外部分，并且將該部分能量轉(zhuǎn)換成電。該高能隙電池對(duì)于能量< Egh的光子透明且透射能量< Egh的光子。然后，通過分色鏡執(zhí)行對(duì)剩余的光，即，被高能隙電池透射的光，的光譜分裂。由于在光譜分裂之前藍(lán)_綠至紫外光已經(jīng)被高能隙電池吸收，因此放寬了對(duì)分色鏡的要求。因此，可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的且成本較低的對(duì)剩余光的分裂。還放寬了對(duì)用于吸收剩余光且將該部分能量轉(zhuǎn)換成電的電池的要求。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)用的高效太陽能電池。 將在Egm處工作的分色鏡設(shè)置在這樣的位置，以便被高能隙電池透射的光照射到
該分色鏡上。所謂的"冷"分色鏡反射光子能量^Egm的光且透射光子能量〈Egm的光。所謂的"熱"分色鏡透射光子能量^ E/1的光且反射光子能量< E/1的光。然后，被分色鏡反射和透射的光可以被其他電池吸收，并且將能量轉(zhuǎn)換成電。 在另一個(gè)實(shí)施例中，太陽光照射到其上的高能隙電池是具有不同能隙的兩個(gè)或多
個(gè)高能隙電池中的一個(gè)，其中所有的能隙都^ Egh。這些電池以其能隙的降序垂直設(shè)置在
HEGC疊層中，其中第一個(gè)電池具有最大的能隙。該第一個(gè)電池吸收能量大于或等于其能隙的光子，而對(duì)于能量低于其能隙的光子透明且透射這部分光子。該疊層中的第二個(gè)電池具有低于第一個(gè)電池的能隙，并且吸收能量大于或等于其能隙的光子，而對(duì)于能量低于其能隙的光子透明且透射這部分光子。存在于該疊層中的任何其他電池依此類推。在該實(shí)施例中，將工作在Egm處的分色鏡設(shè)置在這樣的位置，以便被HEGC疊層透射的光照射到分色鏡上。然后，再次地，被分色鏡反射和透射的光可以被其他電池吸收，并且將能量轉(zhuǎn)換成電。對(duì)這樣的HEGC疊層的描述包含上述兩個(gè)實(shí)施例，即，僅具有一個(gè)高能隙電池的實(shí)施例和具
5有多于一個(gè)高能隙電池的實(shí)施例，其中該HEGC疊層包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該HEGC疊層電池中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，其中太陽光照射到該HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該HEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都^ Egh，并且其中該HEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光。 除了 HEGC疊層和分色鏡之外，具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層"結(jié)構(gòu)的太陽能電池還包括中能隙電池MEGC疊層。由分色鏡提供的光子能量^Egm的光成分被設(shè)置為照射到MEGC疊層上。在此使用的具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層"結(jié)構(gòu)的太陽能電池是這樣的太陽能電池，其包括 (a)HEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該HEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，其中在將太陽光分裂成光譜成分之前太陽光照射到該HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該HEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都》Egh，并且其中該HEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光，從而提供被該HEGC疊層透射的光； (b)分色鏡，在Egm處工作且被設(shè)置在這樣的位置，以便被HEGC疊層透射的光照射到該分色鏡上，其中Egm < Egh，并且其中該分色鏡將被HEGC疊層透射的光分離成兩種光譜成分，一種光成分的光子能量^ E;，而一種光成分的光子能量〈E;，并且其中這些成分中的一種被分色鏡反射，而一種被分色鏡透射；以及 (c)MEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，該MEGC疊層被設(shè)置在這樣的位置，以便光子能量^ Egm的光成分照射到該MEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該MEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都》Egm且< Egh，并且其中該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光。 除了 HEGC疊層和分色鏡之外，具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層-LEGC疊層"結(jié)構(gòu)的太陽能電池還包括MEGC疊層和LEGC疊層。由分色鏡提供的光子能量》Egm的光成分被設(shè)置為照射到MEGC疊層上，并且由分色鏡提供的光子能量< Egm的光成分被設(shè)置為照射到LEGC疊層上。在此使用的具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層-LEGC疊層"結(jié)構(gòu)的太陽能電池是這樣的太陽能電池，其包括 (a)HEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該HEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，其中在將太陽光分裂成光譜成分之前太陽光照射到該HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該HEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都》Egh，并且其中該HEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光，從而提供被該HEGC疊層透射的光； (b)分色鏡，在Egm處工作且被設(shè)置在這樣的位置，以便被HEGC疊層透射的光照射到該分色鏡上，其中Egm < Egh，并且其中該分色鏡將被HEGC疊層透射的光分離成兩種光譜
6成分，一種光成分的光子能量^ E;，而一種光成分的光子能量〈E;，并且其中這些成分中的一種被分色鏡反射，而一種被分色鏡透射； (c)MEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，該MEGC疊層被設(shè)置在這樣的位置，以便光子能量^ Egm的光成分照射到該MEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該MEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都^ Egm且< Egh，并且其中該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光；以及 (d)LEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該LEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，該LEGC疊層被設(shè)置在這樣的位置，以便光子能量< Egm的光成分照射到該LEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該LEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都〈Egm，并且其中該LEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光。 優(yōu)選地，在上述兩種結(jié)構(gòu)中，E;"約等于在MEGC疊層中具有最低能隙的電池的能隙。 在此將"電池"用于描述在太陽能電池的各種疊層中包含的單獨(dú)的電池，且用于描述與MEGC疊層鄰近的硅電池。這些電池通常被稱為太陽能電池。在此使用術(shù)語"太陽能電池"來描述整個(gè)器件。 如上所述，在此使用的"以其能隙的降序垂直設(shè)置，其中第一個(gè)電池具有該疊層中的電池的最大能隙"意味著該疊層中的電池被順序設(shè)置，其中第一個(gè)電池具有最大能隙，緊接在第一個(gè)電池之下的第二個(gè)電池具有次大能隙，緊接在第二個(gè)電池之下的第三個(gè)電池具有第三大能隙，依此類推。在圖l中示意性示出了電池疊層的這種設(shè)置。電池疊層io具有三個(gè)電池1、2和3，其中電池1是第一個(gè)電池。這三個(gè)電池的能隙是這樣的，以便E/ > Eg2> E/，其中是電池1的能隙，Eg2是電池2的能隙，以及Eg3是電池3的能隙。電池1將吸收光子能量^ E卩的光，且透射光子能量< 的光。電池2將吸收光子能量^ Eg2的光，且透射光子能量〈E/的光。電池3依此類推。這些電池將所吸收的光子的能量轉(zhuǎn)換成電。
在此使用的"所吸收的"意味著被電池吸收的光子導(dǎo)致電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生。
在此使用的"在Egm處工作的分色鏡"意味著該分色鏡將被HEGC疊層透射的光分離成兩種光譜成分，一種光成分的光子能量^ E;"，而一種光成分的光子能量〈Egm。這些成分中的一種被分色鏡反射，而一種被分色鏡透射。"冷"分色鏡反射光子能量^ Egm的光且
透射光子能量< E/1的光，而"熱"分色鏡透射光子能量^ E/1的光且反射光子能量< Egm的
光。典型地，分色鏡被設(shè)置在這樣的位置，以使其不垂直于被HEGC疊層透射的光。這樣，被反射的光的方向不是朝向HEGC疊層直接返回，而是相對(duì)于照射在分色鏡上的光的方向成一角度，并且所反射的光可以更容易地被設(shè)置為照射到其他電池上。從透射到反射的過渡(transition)發(fā)生在能量以及對(duì)應(yīng)的波長的范圍內(nèi)。工作能量E;被取為該過渡區(qū)的中點(diǎn)。除非該過渡非常急劇，否則認(rèn)為能量> Egm的一些光子將被透射，而能量< Egm的一些光子將
被反射。在該過渡范圍中，其能量大于Egm的大多數(shù)光子被反射；其能量小于Egm的大多數(shù)光子被透射。應(yīng)根據(jù)該過渡區(qū)的本質(zhì)的這種認(rèn)可來理解和解釋"在E/1處工作的分色鏡"的上述定義。對(duì)于給定的分色鏡，隨著分色鏡旋轉(zhuǎn)離開與照射至其上的光束的入射方向垂直的方向，工作能量向較低能量(較大波長)偏移，并且"在E;處工作的分色鏡"應(yīng)被理解和解釋為應(yīng)用于這樣的位置，其中分色鏡被相對(duì)于照射光的方向設(shè)置。分色鏡是多層結(jié)構(gòu)，典型地包含兩種透明氧化物的20個(gè)以上的交替層。更急劇的過渡需要更多的層和更高的成本。
MEGC疊層包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙。該MEGC疊層被設(shè)置在這樣的位置，以便光子能量^ Egm的光成分照射到該MEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上。該MEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都^E/"且〈Egh。該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光。優(yōu)選地，MEGC疊層包含至少兩個(gè)電池。 LEGC疊層包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該LEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，該LEGC疊層被設(shè)置在這樣的位置，以便光子能量< Egm的光成分照射到該LEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上。該LEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都〈E/1。該LEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光。優(yōu)選地，LEGC疊層包含至少兩個(gè)電池。優(yōu)選地，具有最低能隙的電池的能隙足夠低，以有效吸收透射至其的大多數(shù)光子。 被分色鏡反射和/或透射的光可以直接照射到合適疊層中的第一個(gè)電池的表面上?？商鎿Q地，可以將反射鏡設(shè)置在這樣的位置，以便被分色鏡反射和/或透射的光被該反射鏡反射且被導(dǎo)向而照射到合適疊層中的第一個(gè)電池的表面上，也就是，光子能量^ Egm的光被導(dǎo)向而照射到MEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，并且，光子能量〈E;"的光被導(dǎo)向而照射到LEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上。 本發(fā)明的硅電池被設(shè)置為鄰近在MEGC疊層中的電池中的具有最小能隙的電池，即，MEGC疊層中的最后一個(gè)電池。在此使用的"鄰近"表示硅電池在MEGC疊層中的最后一個(gè)電池附近，但不一定鄰接該電池。優(yōu)選地，硅電池鄰接MEGC疊層中的最后一個(gè)電池。硅電池的目的是用于吸收被MEGC疊層透射的任何光且俘獲包含在該部分光中的至少一部分能量，以提高太陽能電池的效率。該硅電池的截面積應(yīng)至少為MEGC疊層中的電池的截面積，并且該電池應(yīng)被設(shè)置在這樣的位置，以便被MEGC疊層透射的所有光都照射到該硅電池上。所透射的光由照射到MEGC疊層上的光子能量低于MEGC疊層中的具有最低能隙的電池的能隙的那部分光構(gòu)成。該光的量取決于MEGC疊層中的具有最低能隙的電池的能隙與E^之間的差異以及分色鏡的過渡區(qū)的陡度。硅電池用作清除電池，以吸收否則被損失的能量且將該部分能量轉(zhuǎn)換成電。由此，硅電池有助于有效使用太陽光譜的所有部分的該結(jié)構(gòu)的目的，從而提高太陽能電池的效率。 在圖2和圖3中，相同的標(biāo)號(hào)用于表示相同的實(shí)體。為了簡化，由單條光射線表示各種光束。 圖2示例出具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層"結(jié)構(gòu)和硅清除電池的改進(jìn)的太陽能電池的實(shí)施例。該改進(jìn)的太陽能電池20A包括HEGC疊層21、 MEGC疊層22、"冷"分色鏡24和如交叉影線區(qū)域所示的本發(fā)明的硅電池25。所示出的HEGC疊層21包含具有能隙Egh的一個(gè)電池26。所示出的MEGC疊層22包含具有不同能隙Eg27和Eg28的兩個(gè)電池27和28，其中Eg27和Eg28都> Egm且< Egh，并且Eg27 > Eg28。分色鏡24在Egm處工作，并且反射光子能量》Egm的光且透射光子能量< Egm的光。太陽光31照射到高能隙電池26的表面上。高能隙電池26吸收光子能量》Egh的光且透射光子能量< Egh的光32。光32照射到分色鏡24上，該分色鏡24被設(shè)置在這樣的位置，以使其不垂直于光32的方向。光子能量》Egm的光33被分色鏡反射，并且照射到MEGC疊層22的第一個(gè)電池27的表面上。電池27和28中的每一個(gè)都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，并且對(duì)光子能量低于其能隙的光透明且透射該部分光。所示出的硅電池25鄰接MEGC疊層中的最后一個(gè)電池，并且接收被MEGC疊層22透射的光且吸收光子能量大于其1. 12eV能隙的光，從而從否則將會(huì)被損失掉的能量提供電。光子能量< Egm的光34被分色鏡透射，并且被設(shè)置為照射到其他電池上。
圖3示例出具有"HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層-LEGC疊層"結(jié)構(gòu)和硅清除電池的改進(jìn)的太陽能電池的實(shí)施例。該改進(jìn)的太陽能電池20B包括HEGC疊層21、MEGC疊層22、LEGC疊層23、"冷"分色鏡24和如交叉影線區(qū)域所示的本發(fā)明的硅電池25。所示出的HEGC疊層21包含具有能隙Egh的一個(gè)電池26。所示出的MEGC疊層22包含具有不同能隙Eg27和Eg28的兩個(gè)電池27和28，其中Eg27和Eg28都> Egm且< Egh，并且Eg27 > Eg28。所示出的LEGC疊層23包含具有不同能隙Eg29和Eg3°的兩個(gè)電池29和30，其中Eg29和Eg3°都< Egm，并且Eg29 > Eg3°。分色鏡24在Egm處工作，并且反射光子能量》Egm的光且透射光子能量< Egm的光。太陽光31照射到高能隙電池26的表面上。高能隙電池26吸收光子能量^Egh的光且透射光子能量< Egh的光32。光32照射到分色鏡24上，該分色鏡24被設(shè)置在這樣的位置，以使其不垂直于光32的方向。光子能量^ Egm的光33被分色鏡反射，并且照射到MEGC疊層22的第一個(gè)電池27的表面上。電池27和28中的每一個(gè)都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，并且對(duì)光子能量低于其能隙的光透明且透射該部分光。所示出的硅電池25鄰接MEGC疊層中的最后一個(gè)電池，并且接收被MEGC疊層22透射的光且吸收光子能量大于其1. 12eV能隙的光，從而從否則將會(huì)被損失掉的能量提供電。光子能量〈E;的光34被分色鏡透射，并且照射到LEGC疊層23的第一個(gè)電池29的表面上。電池29和30中的每一個(gè)都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，并且對(duì)光子能量低于其能隙的光透明且透射該部分光。 適于用于其能隙> 2. 0eV的HEGC疊層的電池的材料可以選自111-VGalnP/AlGalnP和AlInGaN材料系統(tǒng)。具有2. 4eV能隙的InGaN電池是優(yōu)選的電池材料。對(duì)于制備，參見例如0. Jani et al. ， Conference Record, 2006IEEE 4th World Conference onPhotovoltaic Energy Conversion, Mayl0，2006， Waikoloa， Hawaii。 當(dāng)HEGC疊層包含僅僅一個(gè)電池時(shí)，優(yōu)選在藍(lán)寶石基底上的InGaN。 InGaN-藍(lán)寶石組合具有低的折射率，并且減少了對(duì)光學(xué)抗反射涂層的要求，該光學(xué)抗反射涂層用于使從電池表面的太陽光反射最小化。藍(lán)寶石基底可以被成形為用作透鏡。 適于用于其能隙< 2. 0eV且> Egm其中Egm為約1. 4eV的MEGC疊層的電池的材料可以選自III-V GalnP/GaAsP/GalnAs材料系統(tǒng)。具有1. 84eV能隙的GalnP電池和具有1.43eV能隙的GaAs電池是用于MEGC疊層的優(yōu)選的電池中的兩種。如K. A. Bertness etal. ，A卯l.Phys. Letter 65,989(1994)所述，可以使用三甲基鎵、三甲基銦、磷化氫、砷化氫以及其他前體(precursor)，制備由GalnP/GaAs串列電池構(gòu)成的二電池MEGC疊層。
GaAs是用于MEGC疊層中的具有最小能隙的電池的優(yōu)選電池。因此，優(yōu)選Egm為約1. 43eV。 適于用于LEGC疊層中的其能隙< Egm其中Egm在約1. 2eV至約1. 4eV的范圍內(nèi)的電 池是具有1. 12eV能隙的硅電池以及具有< leV能隙的InGaAs和InGaAsP電池。公知硅電 池及其制備。InGaAs電池是為熱光伏應(yīng)用設(shè)計(jì)的現(xiàn)有技術(shù)器件狀態(tài)。對(duì)于制備，參見例如 R. J. Wehrer et al. ，Conference Record, IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002， p884-887。 在一個(gè)實(shí)施例中，可以串聯(lián)電連接一個(gè)或多個(gè)疊層中的電池，以提供對(duì)疊層的單 個(gè)輸出。也可以串聯(lián)電連接MEGC疊層中的電池和鄰近MEGC疊層的硅電池，以提供單個(gè)輸 出。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，在HEGC、 MEGC和LEGC疊層中的所有單獨(dú)的電池以及鄰近MEGC 疊層的硅電池都與單獨(dú)的電連接接觸。這導(dǎo)致太陽能電池的顯著簡化，并且提供將每個(gè)電 池兩端的電壓控制在一數(shù)值的機(jī)會(huì)，從而提供對(duì)電池的最優(yōu)操作。這些電池可以連接到功 率組合器(power combiner)，該功率組合器提供用于處于希望電壓下的太陽能電池的單個(gè) 電輸出。 從電池表面反射的光是降低太陽能電池效率的潛在來源?？梢詫?duì)光照射至其上的 任何電池的表面施加抗反射涂層，以最小化該損耗。 在優(yōu)選實(shí)施例中，改進(jìn)的高效太陽能電池還包括光學(xué)元件。照到表面上的太陽輻 照的強(qiáng)度或會(huì)聚度(concentration)為標(biāo)準(zhǔn)會(huì)聚度IX。與使用較高會(huì)聚度的太陽光相比， 要利用1X太陽光獲得高太陽能電池效率會(huì)更難且更昂貴。光學(xué)元件的目的是收集和會(huì)聚 照射到其上的光，并且將該光導(dǎo)向到HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上。該光學(xué)元件包括 全內(nèi)反射聚光器(concentrator)，其是一種靜態(tài)聚光器。該靜態(tài)聚光器提高了可被太陽能 電池利用的太陽光的功率密度。廣接收角聚光器可接收來自天空的大部分的光。與跟蹤聚 光器不同，靜態(tài)聚光器能夠俘獲漫射光的大部分，其中許多漫射光處于光譜的藍(lán)至紫外部 分中。該漫射光構(gòu)成太陽光譜中的入射功率的約10%。實(shí)際上，通過剔除來自天空的其中 整年太陽輻照的功率密度都很低的那些部分的光，可實(shí)現(xiàn)高的會(huì)聚度水平。這樣，太陽光的 會(huì)聚度提高到10倍(IOX)。如果可以在一年中的一些時(shí)間調(diào)整聚光器的位置，則獲得更高 的會(huì)聚度。光透射穿過聚光器的一個(gè)表面，并且該表面鄰近HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表 面。在此使用的"太陽光"是指照射到HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上的整個(gè)太陽光譜， 而不管其會(huì)聚度如何。優(yōu)選地，會(huì)聚度為iox或更高。
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權(quán)利要求
一種具有“高能隙電池(HEGC)疊層-分色鏡-中能隙電池(MEGC)疊層”結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的高效太陽能電池，包括(a)HEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該HEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，其中在將太陽光分裂成光譜成分之前太陽光照射到該HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該HEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都≥Egh，并且其中該HEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光，從而提供被該HEGC疊層透射的光；(b)分色鏡，在Egm處工作且被設(shè)置在這樣的位置，以便被HEGC疊層透射的光照射到該分色鏡上，其中Egm＜Egh，并且其中該分色鏡將被HEGC疊層透射的光分離成兩種光譜成分，一種光成分的光子能量≥Egm，而一種光成分的光子能量＜Egm，并且其中這些成分中的一種被分色鏡反射，而一種被分色鏡透射；以及(c)MEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，該MEGC疊層被設(shè)置在這樣的位置，以便光子能量≥Egm的光成分照射到該MEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該MEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都≥Egm且＜Egh，并且其中該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光，所述改進(jìn)包括硅電池，該硅電池被設(shè)置為與MEGC疊層中的電池中的具有最小能隙的電池鄰近。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，Egh^2.0eV，并且Egm約等于MEGC疊層中的具有最低能隙的電池的能隙。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，具有最低能隙的電池是GaAs電池，并且E^為約1.43eV。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，硅電池鄰接MEGC疊層中的具有最小能隙的電池。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，HEGC疊層包含一個(gè)電池。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，MEGC疊層包含至少兩個(gè)電池。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，MEGC疊層包含至少兩個(gè)電池。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，在HEGC和MEGC疊層中的所有單獨(dú)的電池以及鄰近MEGC疊層的硅電池與單獨(dú)的電連接接觸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的改進(jìn)的高效太陽能電池，還包括光學(xué)元件，用于收集和會(huì)聚太陽光，并且對(duì)會(huì)聚的太陽光導(dǎo)向以照射到HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上。
10. —種具有"高能隙電池(HEGC)疊層-分色鏡-中能隙電池(MEGC)疊層-低能隙電池(LEGC)疊層"結(jié)構(gòu)的改進(jìn)的高效太陽能電池，包括(a)HEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該HEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，其中在將太陽光分裂成光譜成分之前太陽光照射到該HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該HEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都^ Egh，并且其中該HEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光，從而提供被該HEGC疊層透射的光；(b) 分色鏡，在Egm處工作且被設(shè)置在這樣的位置，以便被HEGC疊層透射的光照射到該分色鏡上，其中Egm < Egh，并且其中該分色鏡將被HEGC疊層透射的光分離成兩種光譜成分，一種光成分的光子能量^ E;，而一種光成分的光子能量〈E^并且其中這些成分中的一種被分色鏡反射，而一種被分色鏡透射；(c) MEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，該MEGC疊層被設(shè)置在這樣的位置，以便光子能量》Egm的光成分照射到該MEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該MEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都》Egm且< Egh，并且其中該MEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光；以及(d) LEGC疊層，包含一個(gè)電池或者以其能隙的降序垂直設(shè)置的具有不同能隙的多個(gè)電池，其中第一個(gè)電池具有該LEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池的最大能隙，該LEGC疊層被設(shè)置在這樣的位置，以便光子能量< Egm的光成分照射到該LEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上，其中該LEGC疊層中的每個(gè)電池的能隙都< Egm，并且其中該LEGC疊層中的所述一個(gè)或多個(gè)電池各吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而對(duì)于光子能量低于其能隙的光透明且透射這部分光，所述改進(jìn)包括硅電池，該硅電池被設(shè)置為與MEGC疊層中的電池中的具有最小能隙的電池鄰近。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，Egh^2. OeV，并且E;"約等于MEGC疊層中的具有最低能隙的電池的能隙。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，具有最低能隙的電池是GaAs電池，并且Egm為約1.43eV。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，硅電池鄰接MEGC疊層中的具有最小能隙的電池。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，HEGC疊層包含一個(gè)電池。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，MEGC疊層包含至少兩個(gè)電池，并且LEGC疊層包含至少兩個(gè)電池。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，MEGC疊層包含至少兩個(gè)電池，并且LEGC疊層包含至少兩個(gè)電池。
17. 根據(jù)權(quán)利要求10的改進(jìn)的高效太陽能電池，其中，在HEGC、MEGC和LEGC疊層中的所有單獨(dú)的電池以及鄰近MEGC疊層的硅電池與單獨(dú)的電連接接觸。
18. 根據(jù)權(quán)利要求10的改進(jìn)的高效太陽能電池，還包括光學(xué)元件，用于收集和會(huì)聚太陽光，并且對(duì)會(huì)聚的太陽光導(dǎo)向以照射到HEGC疊層中的第一個(gè)電池的表面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的高效太陽能電池，其具有“HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層”結(jié)構(gòu)或“HEGC疊層-分色鏡-MEGC疊層-LEGC疊層”結(jié)構(gòu)。改進(jìn)包括硅電池的添加，該硅電池用作清除電池，以吸收否則將不被吸收的光且將該部分能量轉(zhuǎn)換成電。硅電池被設(shè)置為與MEGC疊層中的電池中的具有最小能隙的電池鄰近。
文檔編號(hào)H01L31/052GK101765921SQ200780035679
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2007年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
發(fā)明者A·M·巴尼特, D·薩爾茲曼, J·B·奧利弗, L·A·陶卡奇, R·F·比洛 申請(qǐng)人:特拉華大學(xué);能源焦點(diǎn)公司;萊特斯平技術(shù)公司;羅徹斯特大學(xué);羅徹斯特大學(xué)