專利名稱：Power generating device including a photovoltaic converter as well as a ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能量恢復(fù)和變換系統(tǒng)的領(lǐng)域。特別涉及一種能夠使光伏變換器和熱電 變換器耦合以產(chǎn)生電能的裝置。
背景技術(shù)：
光伏(photovoltaic)變換器也稱為太陽(yáng)電池，用來(lái)將光能變換成為電能。主要 地包含有支撐基體，由電絕緣和熱絕緣材料形成，在其上沉積有堆棧層，該堆棧層包括n/p 結(jié)，包含兩層半導(dǎo)體層(一層半導(dǎo)體層為η型層，另一層半導(dǎo)體層為P型層)；兩層導(dǎo)電層， 位于該η/ρ結(jié)的各側(cè)，η/ρ結(jié)的一個(gè)面用來(lái)接受光線照射。光伏變換器所具有的問(wèn)題是其輸出功率隨著溫度的上升而大幅地減小。例如，對(duì) 于晶體硅制成的光伏變換器，每增加一攝氏度，輸出功率的損失在0. 4%至0. 5%的范圍內(nèi) (詳見(jiàn)本說(shuō)明的最后的參考文獻(xiàn)[1])。用來(lái)減輕該功率的減小的解決方法包含使光伏變換器與熱電變換器耦合。通過(guò)使 用存在于熱電材料的兩端之間的溫度差，熱電變換器可以有效地使熱變換成為電能。在現(xiàn)有技術(shù)中，在光伏變換器和熱電變換器之間有兩種已知的耦合型式。首先，依照本說(shuō)明的最后的參考文獻(xiàn)[2]，可以通過(guò)將熱電變換器2配置在光伏 變換器1的下面而使熱電變換器和光伏變換器耦合，光伏變換器被定向成使其面向光線照 射。如圖1所示，由此所獲得的裝置包含有支撐基體3，在支撐基體3的一個(gè)面上沉積 有光伏變換器1，光伏變換器1包含有被包夾在導(dǎo)電層(上電極10)和另一導(dǎo)電層(下電極 11)之間的一層η型摻雜半導(dǎo)體材料12和一層ρ型摻雜半導(dǎo)體材料13的堆棧(形成η/ρ 結(jié)14)，在支撐基體3的相反面上沉積有熱電變換器2，熱電變換器2包含有被包夾在導(dǎo)電 層20和另一導(dǎo)電層21之間的熱電材料層24(在圖1中熱電效應(yīng)由符號(hào)Δ T表示)。這種特別的構(gòu)造的問(wèn)題是不能使用在光伏變換器中所產(chǎn)生的最大熱梯度，S卩，由 于其熱絕緣性質(zhì)，不能使用由光伏變換器的支撐基體所產(chǎn)生的熱梯度。另外，由于支撐基體的熱絕緣性質(zhì)，經(jīng)由支撐基體的光伏變換器和熱電變換器之 間的熱耦合相對(duì)較差。因此，熱電變換器中的熱-冷溫度差相應(yīng)地較低，且就電能產(chǎn)量而言 產(chǎn)量小。參照本說(shuō)明的最后的參考文獻(xiàn)[3]來(lái)說(shuō)明另一種已知的耦合型式。由熱電和導(dǎo)電 材料形成的兩個(gè)電極被配置成一個(gè)電極在光伏變換器的面對(duì)光線照射的面上，另一個(gè)電極 被埋入到光伏變換器之下。這種型式的耦合以圖2示意。在支撐基體3上配置包含有η型半導(dǎo)體材料層120 和P型半導(dǎo)體材料層130 (形成η/ρ結(jié)140)的堆棧層，該堆棧被包夾在導(dǎo)電和熱電材料層 (用來(lái)形成光伏變換器的上電極30和熱電變換器的熱結(jié)30兩者)與導(dǎo)電和熱電材料層(用來(lái)形成光伏變換器的下電極31和熱電變換器的冷結(jié)31兩者)之間。利用這種型式的耦合，其優(yōu)點(diǎn)是獲得溫度差，該溫度差存在于光伏變換器的η/ρ 結(jié)的厚度中，即，存在于光伏變換器的前面和其埋入部分之間。當(dāng)光伏變換器的η/ρ結(jié)受到 光線照射，例如，太陽(yáng)照射時(shí)，可產(chǎn)生溫度差。通過(guò)在光伏變換器的相反面上沉積熱電材料(使前面和埋入面與光伏變換器的 支撐基體接觸)，使經(jīng)由熱電變換使用該溫度差成為可能。通常所知，由熱電變換器恢復(fù)的電能越高，溫度差就越大，可以確定，只有在形成 光伏變換器的η/ρ結(jié)的材料的熱阻很高時(shí)，第二種構(gòu)造才會(huì)有利。所以，可以推論為這種型 式的耦合限于由低導(dǎo)熱系數(shù)的材料(例如，GaN型的光伏材料)制成的光伏變換器，以使光 線能夠加熱光伏變換器的上部并使下部保持為”冷"。這種型式的耦合不能適用于由熱阻很低的硅制成的光伏變換器，因?yàn)闇囟炔钜约?由熱電效應(yīng)恢復(fù)的電能將小至可以忽視。另外，硅制成的光伏變換器為最常見(jiàn)的光伏變換
ο另外，在薄層光伏變換器的特別情況中，這種型式的耦合甚至不起作用，因?yàn)楣夥?變換器的熱梯度保持為零。應(yīng)該記住的是，由光吸收產(chǎn)生的熱能，S卩，80 %的光能不由光伏變換器單獨(dú)使用， 已知的解決方法不能滿意地克服此問(wèn)題，本發(fā)明者通過(guò)以新穎的方式將光伏變換器與熱電 變換器耦合來(lái)達(dá)成恢復(fù)該熱能的部分熱能的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是獲得一種用來(lái)產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，該裝置包含有光伏變換器和 熱電變換器，
光伏變換器包含有沉積在熱絕緣材料制成的支撐基體上的堆棧層，該堆棧層包含有作 為上電極的第一導(dǎo)電層和作為下電極的第二導(dǎo)電層，在上電極和下電極之間包夾光敏材料 層；
熱電變換器包含有作為熱結(jié)的第三導(dǎo)電層和作為冷結(jié)的第四導(dǎo)電層，在熱結(jié)和冷結(jié)之 間包夾熱電和導(dǎo)電材料制成的元件，
其特征在于，熱電和導(dǎo)電元件被包括在光伏變換器的熱絕緣材料制成的支撐基體的厚 度中，以使該元件的一端與熱結(jié)接觸且使該元件的另一端與冷結(jié)接觸。此處，依照本發(fā)明，光伏變換器與熱電變換器以這樣的方式耦合，以便可以使用光 伏變換器的由電絕緣材料(通常為玻璃)制成的支撐基體所產(chǎn)生的熱梯度。優(yōu)選地，第一導(dǎo)電層對(duì)入射光線是透明的。優(yōu)選地，熱結(jié)和下電極為一個(gè)且相同的導(dǎo)電層。優(yōu)選地，熱電和導(dǎo)電元件被包括在支撐基體的整個(gè)厚度中。依照一個(gè)實(shí)施例，支撐基體是玻璃(即，二氧化硅)制成的基體。依照另一實(shí)施例，支撐基體是氣凝膠制成的基體。優(yōu)選地，支撐基體是二氧化硅氣 凝膠制成的基體。如上所述，氣凝膠是以氣體代替液體混合物的與凝膠相似的材料。氣凝膠是具有高的熱絕緣性(導(dǎo)熱系數(shù)小于0. 2W · πΓ1 · k—1)的密度非常低的固體。優(yōu)選地，光伏變換器的光敏材料層包含有η型的第一半導(dǎo)體材料層和P型的第二 半導(dǎo)體材料層。熱電和導(dǎo)電元件可以由金屬或半導(dǎo)體材料制成。優(yōu)選地，熱電和導(dǎo)電元件包含有η型的第一熱電和導(dǎo)電材料和P型的第二熱電和 導(dǎo)電材料。優(yōu)選地，熱電和導(dǎo)電元件包含有η型的第一熱電和半導(dǎo)體材料和P型的第二熱電 和半導(dǎo)體材料。本發(fā)明還涉及用來(lái)產(chǎn)生電能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含有i個(gè)光伏變換器和i個(gè)熱電變 換器，i為2或2以上的整數(shù)，該i個(gè)光伏變換器和該i個(gè)熱電變換器分別串聯(lián)地電連接，
各個(gè)光伏變換器包含有沉積在熱絕緣材料制成的支撐基體上的堆棧層，該堆棧層包含 有作為上電極的第一導(dǎo)電層和作為下電極的第二導(dǎo)電層，在上電極和下電極之間包夾光敏 材料層；
各個(gè)熱電變換器包含有作為熱結(jié)的第三導(dǎo)電層和作為冷結(jié)的第四導(dǎo)電層，在熱結(jié)和冷 結(jié)之間包夾η型的熱電和導(dǎo)電材料制成的元件和ρ型的熱電和導(dǎo)電材料制成的元件，η型 元件和P型元件互相隔開(kāi)，
其特征在于，各個(gè)熱電變換器的η型元件和P型元件被包括在熱絕緣材料制成的各個(gè) 光伏變換器的支撐基體的厚度中，以使η型元件的一端和ρ型元件的一端與同一熱結(jié)接觸， 并使η型元件的另一端和ρ型元件的另一端與屬于相鄰的熱電變換器的冷結(jié)接觸。優(yōu)選地，光伏變換器的支撐基體對(duì)于所有的光伏變換器為一個(gè)且相同的支撐基 體。優(yōu)選地，各個(gè)熱結(jié)和各個(gè)下電極為一個(gè)且相同的導(dǎo)電層。優(yōu)選地，η型和ρ型的熱電材料為η型和ρ型的半導(dǎo)體材料。依照一個(gè)實(shí)施例，支撐基體為玻璃(即，二氧化硅)制成的基體。依照另一實(shí)施例，支撐基體為氣凝膠制成的基體。優(yōu)選地，支撐基體為二氧化硅氣 凝膠制成的基體。本發(fā)明涉及一種制造如上所述的基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的方法。該方法包含有下列步 驟
(a)設(shè)置熱絕緣和電絕緣材料制成的支撐基體；
(b)在支撐基體的一個(gè)面上沉積導(dǎo)電層；
(c)從與包含有在步驟(b)沉積的導(dǎo)電層的面相反的面開(kāi)始在支撐基體的厚度中蝕刻 延伸至該導(dǎo)電層的孔；
(d)對(duì)該孔填充熱電和導(dǎo)電混合物并燒結(jié)該混合物；
(e)在與包含有在步驟(b)沉積的導(dǎo)電層的面相反的支撐基體的面上沉積導(dǎo)電層；
(f)在所述導(dǎo)電層中的一層導(dǎo)電層上沉積光敏材料層；
(g)在光敏材料層上沉積導(dǎo)電層，
在步驟(g)沉積的導(dǎo)電層形成光伏變換器的上電極；
在步驟(f)于其上沉積有光敏材料層的導(dǎo)電層形成光伏變換器的下電極和熱電變換 器的熱結(jié)兩者；其余的導(dǎo)電層形成熱電變換器的冷結(jié)。應(yīng)該說(shuō)明的是，熱電和導(dǎo)電混合物的燒結(jié)是在依照選用的材料決定的溫度和壓力 條件下進(jìn)行的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地確定該溫度和該壓力。依照一個(gè)實(shí)施例，步驟(f)在步驟(b)之后和步驟(C)之前進(jìn)行。依照另一實(shí)施例，步驟(f)和步驟(g)在步驟(b)之后和步驟(C)之前進(jìn)行。優(yōu)選地，該方法還包含有在步驟(b)之后和步驟(f)之前的步驟(m)，步驟(m)用 來(lái)將導(dǎo)電層沉積在已經(jīng)沉積的導(dǎo)電層上，步驟(f)由步驟(f’)代替，步驟(f’)用來(lái)將光敏 材料層沉積在支撐基體的包含有兩層導(dǎo)電層的面上，
在步驟(g)沉積的導(dǎo)電層形成光伏變換器的上電極； 在步驟(m)沉積的導(dǎo)電層形成光伏變換器的下電極；
存在于支撐基體和在步驟(m)沉積的導(dǎo)電層之間的導(dǎo)電層形成熱電變換器的熱結(jié)； 其余的導(dǎo)電層形成熱電變換器的冷結(jié)。優(yōu)選地，用來(lái)形成上電極的導(dǎo)電層由對(duì)光線透明的材料制成。依照一個(gè)具體實(shí)施例，該方法還包含有步驟(h)，步驟(h)用來(lái)構(gòu)造在步驟(g)沉 積的導(dǎo)電層，以獲得網(wǎng)狀導(dǎo)電層。該構(gòu)造可以包含有蝕刻，用來(lái)使導(dǎo)電層成為柵網(wǎng)形狀。優(yōu)選地，支撐基體是由玻璃或氣凝膠、最好為二氧化硅氣凝膠制成的基體。本發(fā)明還涉及一種獲得如上所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法。該方法包含有下列步 驟
(a)設(shè)置熱絕緣和電絕緣材料制成的支撐基體；
(b)在支撐基體的前面上沉積導(dǎo)電層；
(c)構(gòu)造在步驟(b)沉積的導(dǎo)電層，用來(lái)形成互相電絕緣的i個(gè)導(dǎo)電蹤跡，i為2或2 以上的整數(shù)；
(d)從該支撐基體的背面開(kāi)始在該支撐基體的厚度中蝕刻延伸至支撐基體的前面的導(dǎo) 電蹤跡的2i個(gè)孔，用來(lái)獲得每一導(dǎo)電蹤跡的成對(duì)的兩個(gè)孔；
(e)在該2i個(gè)孔處形成熱電和導(dǎo)電材料制成的2i個(gè)元件，成對(duì)的兩個(gè)孔中的每一對(duì)孔 的元件中的一個(gè)元件為η型熱電混合物，成對(duì)的兩個(gè)孔中的每一對(duì)孔的元件中的另一元件 為P型熱電混合物；
(f)在支撐基體的背面上沉積導(dǎo)電層；
(g)構(gòu)造在步驟(f)沉積的導(dǎo)電層，用來(lái)形成互相電絕緣的j個(gè)導(dǎo)電蹤跡，其中，j= i + 1，前面的i個(gè)導(dǎo)電蹤跡和背面的j個(gè)導(dǎo)電蹤跡被配置成用來(lái)串聯(lián)連接η型元件和ρ型 元件，一種類型的各個(gè)元件分別通過(guò)蹤跡i和蹤跡j連接到另一種類型的兩個(gè)元件；
(h)將光敏材料層沉積在包含有構(gòu)造的導(dǎo)電層的支撐基體的一面上；
(i)構(gòu)造光敏材料制成的該層，用來(lái)形成塊，以連接在步驟(g)獲得的兩個(gè)相鄰的導(dǎo)電 蹤跡；
(j)在支撐基體的包含光敏材料層的面上沉積導(dǎo)電層；
(k)構(gòu)造在步驟(j)沉積的導(dǎo)電層，用來(lái)形成互相電絕緣并連接兩個(gè)相鄰的塊的導(dǎo)電 蹤跡，
在步驟(k)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的上電極；
位于光敏材料的構(gòu)造層和支撐基體之間的構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的下電極和各個(gè)熱電變換器的熱結(jié)兩者；
其余的構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的冷結(jié)。依照一個(gè)實(shí)施例，步驟(h)和步驟(i)在步驟(C)之后和步驟(d)之前進(jìn)行。依照另一實(shí)施例，步驟(h)、步驟(i)、步驟(j)和步驟(k)在步驟(C)之后和步驟 (d)之前進(jìn)行。依照一個(gè)變化例，該方法還包含有在步驟(b)之后和步驟(C)之前的步驟(b’)，步 驟(b’)用來(lái)在步驟(b)沉積的導(dǎo)電層上沉積導(dǎo)電層，步驟(C)變成步驟(C’)，用來(lái)構(gòu)造在 步驟(b)和步驟(b’)沉積的導(dǎo)電層，以形成互相電絕緣的i個(gè)導(dǎo)電蹤跡，i為2或2以上 的整數(shù)，步驟(h)變成步驟(h’)，用來(lái)在支撐基體的前面上沉積光敏材料層，
在步驟(k)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的上電極； 在步驟(b’)沉積并在步驟(c’)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的下電極； 在步驟(b)沉積并在步驟(c’)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的熱結(jié)； 其余的構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的冷結(jié)。依照另一變化例，該方法還包含有在步驟(f)之后和步驟(g)之前的步驟(f’)，步 驟(f’)用來(lái)在步驟(f)沉積的導(dǎo)電層上沉積導(dǎo)電層，步驟(g)變成步驟(g’)，用來(lái)構(gòu)造在 步驟(f)和步驟(f’)沉積的導(dǎo)電層，以形成互相電絕緣的j個(gè)導(dǎo)電蹤跡，其中，j = i + 1， 前面的i個(gè)導(dǎo)電蹤跡和背面的j個(gè)導(dǎo)電蹤跡被配置成用來(lái)串聯(lián)連接η型元件和P型元件， 一種類型的各個(gè)元件分別通過(guò)蹤跡i和蹤跡j連接到另一種類型的兩個(gè)元件，
在步驟(k)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的上電極； 在步驟(f’)沉積并在步驟(g’)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的下電極； 在步驟(f)沉積并在步驟(g’)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的熱結(jié)； 其余的構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的冷結(jié)。優(yōu)選地，用來(lái)形成2i個(gè)元件的步驟(e)包含有下列步驟
填充2i個(gè)孔，對(duì)成對(duì)的兩個(gè)孔中的每一對(duì)孔中的一個(gè)孔填充η型的熱電混合物，對(duì)成 對(duì)的兩個(gè)孔中的每一對(duì)孔中的另一個(gè)孔填充P型的熱電混合物； 燒結(jié)該混合物。優(yōu)選地，熱電材料為通過(guò)混合粉末和結(jié)合劑所獲得的粉末形式或膏狀形式。優(yōu)選地，在步驟(h)，光敏材料層包含有η型的半導(dǎo)體材料層和P型的半導(dǎo)體材料層。最后，本發(fā)明涉及第一，使用如上所述的基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的熱電變換器來(lái)冷卻 該基礎(chǔ)裝置的光伏變換器；第二，使用如上所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)的熱電變換器來(lái)冷卻該系 統(tǒng)的光伏變換器。


通過(guò)結(jié)合附圖閱讀對(duì)非限制性示例的下列說(shuō)明，本發(fā)明將會(huì)被更好地理解并且其 它優(yōu)點(diǎn)和方面將會(huì)變得清楚，其中
如上所述，圖1表示依照現(xiàn)有技術(shù)的光伏變換器和熱電變換器之間的一種耦合型式。如上所述，圖2表示現(xiàn)有技術(shù)中已知的光伏變換器和熱電變換器之間的另一種耦合型式。圖3表示依照本發(fā)明的基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置。圖4表示依照本發(fā)明的能量產(chǎn)生系統(tǒng)。圖5是圖4中所示的系統(tǒng)的等效電路布置圖。圖6A至圖6D表示依照本發(fā)明的獲得基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的方法的步驟。圖7A至圖7F表示依照本發(fā)明的獲得能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法的步驟。
具體實(shí)施例方式如圖3中的示例所示，現(xiàn)在將說(shuō)明依照本發(fā)明的用來(lái)產(chǎn)生能量的基礎(chǔ)裝置。依照第一實(shí)施例，將導(dǎo)電層沉積在電絕緣和熱絕緣材料制成的支撐基體3的上面 上。例如，可以將鉬層沉積在玻璃基體上(圖6A)。在本實(shí)施例中，同一導(dǎo)電層將作為光伏 變換器的下電極200和作為熱電變換器的熱結(jié)200兩者。然而，也可以選擇沉積兩層導(dǎo)電 層，一層導(dǎo)電層在另外一層導(dǎo)電層之上，其中一層導(dǎo)電層作為光伏變換器的下電極，另一層 導(dǎo)電層作為熱電變換器的熱結(jié)。接著，(例如)通過(guò)化學(xué)蝕刻(光刻)在支撐基體3的厚度中形成通孔，該通孔從 支撐基體的下面開(kāi)始延伸至存在于其上面的導(dǎo)電層(圖6B)。然后，在該通孔中填充熱電和導(dǎo)電材料。最好是使用通過(guò)將粉末和結(jié)合劑混合而獲得的粉末形式或膏狀形式的材料來(lái)達(dá) 成通孔的適當(dāng)填充。然后將粉末或膏狀形式的材料進(jìn)行燒結(jié)，用來(lái)獲得在通孔內(nèi)的熱電材 料的良好的內(nèi)聚性，并用來(lái)保證在熱電材料和導(dǎo)電層之間具有良好的歐姆接觸。利用這種 方式產(chǎn)生熱電元件400，在此處為棒形(對(duì)應(yīng)于通孔的形狀)(圖6C)。例如，該燒結(jié)可以在410°C的溫度和2噸/cm2的壓強(qiáng)條件下進(jìn)行。然后，使支撐基體的背面金屬化。利用這種方式，可以形成熱電變換器的冷結(jié) 300 (圖 6C)。 接著，在支撐基體3的上面上，即，在鉬層上，沉積ρ型半導(dǎo)體材料層103，然后沉積 η型半導(dǎo)體材料層102，用來(lái)獲得η/ρ結(jié)。可考慮的材料分別為ρ摻雜硅和η摻雜硅。最后，將導(dǎo)電層(例如，Ni-Cu金屬層)沉積在該η/ρ結(jié)上，用來(lái)形成光伏變換器 的上電極100(圖6D)。對(duì)該金屬層進(jìn)行蝕刻以形成柵網(wǎng)，使底層能夠接收光線。為了提高 電荷載流子的收集效率，可以使蝕刻的金屬層和直接沉積在該結(jié)上的透明導(dǎo)電層(例如， TC0)組合。依照另一實(shí)施例，可以在支撐基體的厚度中形成兩個(gè)通孔。在這種情況時(shí)，在兩個(gè) 通孔中分別填充η型熱電材料和ρ型熱電材料，例如，可以對(duì)一個(gè)通孔填充粉末形式的P型 半導(dǎo)體材料并對(duì)另一個(gè)通孔填充粉末形式的η型半導(dǎo)體材料，然后將該材料進(jìn)行燒結(jié)。利 用這種方式，獲得η型棒和P型棒。繼續(xù)如上所述，按照?qǐng)D案設(shè)計(jì)，通過(guò)將導(dǎo)電層沉積在支撐基體的背面上，使ρ型半 導(dǎo)體棒的端部和η型半導(dǎo)體棒的端部不會(huì)經(jīng)由該金屬化層而產(chǎn)生電接觸。例如，可以通過(guò) 導(dǎo)電層的絲網(wǎng)印刷或光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)該金屬化。其它未說(shuō)明的步驟與第一實(shí)施例所述的步驟相同。
現(xiàn)在將說(shuō)明能量產(chǎn)生系統(tǒng)的形成，其包含有串聯(lián)連接的數(shù)個(gè)光伏變換器和數(shù)個(gè)熱 電變換器，如圖4中的示例所示。該能量產(chǎn)生系統(tǒng)的等效電路布置以圖5表示。在由電絕緣和熱絕緣材料制成的支撐基體3，例如，由玻璃制成的基體的前面上沉 積導(dǎo)電層并蝕刻圖案，用來(lái)獲得導(dǎo)電蹤跡(trace)(利用這種方式形成光伏變換器的下電 極200和熱電變換器的熱結(jié)200)(圖7A)。導(dǎo)電層可以是(例如)鉬層。接著，對(duì)支撐基體3的背面進(jìn)行蝕刻，用來(lái)獲得成對(duì)的兩個(gè)孔，成對(duì)的兩個(gè)孔中的 每一對(duì)孔通向位于支撐基體的前面上的導(dǎo)電蹤跡(圖7B)。然后，對(duì)該孔填充η型和ρ型的熱電和導(dǎo)電材料，例如，半導(dǎo)體材料的粉末或膏， 以在對(duì)各個(gè)導(dǎo)電蹤跡進(jìn)行燒結(jié)之后獲得η型材料棒401和ρ型材料棒402。通過(guò)燒結(jié)可以 獲得孔內(nèi)的材料的內(nèi)聚性并可以保證在棒及其相應(yīng)的導(dǎo)電蹤跡之間具有良好的歐姆接觸 (圖 7D)。然后，按照?qǐng)D案，對(duì)支撐基體的背面進(jìn)行金屬化，用來(lái)在屬于不同對(duì)的相鄰棒(一 個(gè)為P型，另一個(gè)為η型)之間形成電連接(圖7D)。利用這種方式，獲得熱電變換器的串 聯(lián)連接。為了制造該裝置的光伏變換器，將第一半導(dǎo)體材料層103沉積在支撐基體的前面 上，并沉積第二半導(dǎo)體材料層102。該半導(dǎo)體材料可以是η型半導(dǎo)體材料和ρ型半導(dǎo)體材 料，反之亦然，例如，η摻雜硅層和P摻雜硅層。然后，按照?qǐng)D案(例如，條帶)在整個(gè)厚度 范圍內(nèi)對(duì)這兩個(gè)層進(jìn)行蝕刻，用來(lái)連接兩個(gè)相鄰的導(dǎo)電蹤跡(圖7Ε)。應(yīng)該說(shuō)明的是，在所 示的示例中，光伏變換器通常具有η/ρ結(jié)(即，兩層，一層為η型半導(dǎo)體層，一層為ρ型半導(dǎo) 體層)，但是也可以以單層的光敏材料層代替η/ρ結(jié)。最后，將導(dǎo)電層沉積在支撐基體的前面上，并通過(guò)(例如)蝕刻構(gòu)造該導(dǎo)電層，使 其至少部分地覆蓋兩個(gè)相鄰的η/ρ結(jié)，從而在相鄰的η/ρ結(jié)之間形成電連接(圖7F)。在由此形成的系統(tǒng)中，使用光伏變換器的串聯(lián)交互連接和經(jīng)由支撐基體的下電極 的電絕緣來(lái)實(shí)現(xiàn)熱電變換器的串聯(lián)連接。與已知的現(xiàn)有技術(shù)的裝置相反，光伏變換器的下 電極既用來(lái)串聯(lián)地電連接光伏變換器，又作為熱電變換器的熱結(jié)，在這種情況，下電極用來(lái) 連接同一熱電變換器的η棒和ρ棒。在依照本發(fā)明的包含有數(shù)個(gè)光伏變換器和數(shù)個(gè)熱電變換器的能量產(chǎn)生系統(tǒng)的具 體情況中，特別重要的是，對(duì)于層的配置及其圖案的蝕刻，要注意特別的構(gòu)造，以避免在該 能量產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)的任何電短路。在上述的兩個(gè)實(shí)施例中，在用來(lái)支撐一個(gè)或多個(gè)光伏變換器的支撐基體的厚度中 集成一個(gè)或多個(gè)熱電變換器所獲得的裝置和系統(tǒng)中，光伏變換器的下電極作為熱電變換器 的熱結(jié)。依照本發(fā)明，從一個(gè)或多個(gè)光伏變換器的支撐基體(通常由玻璃制成)的熱絕緣特 性獲得優(yōu)點(diǎn)，支撐基體除了作為一個(gè)或多個(gè)光伏變換器的支撐體之外，還用來(lái)產(chǎn)生熱梯度， 該熱梯度可以被一個(gè)或多個(gè)熱電變換器使用。依照一個(gè)具體的實(shí)施例，支撐基體可以是使用具有低導(dǎo)熱系數(shù)(小于 0. 2W · πΓ1 · Γ1)的材料(例如，二氧化硅氣凝膠)制成的氣凝膠層。使用氣凝膠可以獲得 更容易在其中蝕刻通孔的層。在這種情況下，為了加強(qiáng)氣凝膠制成的支撐基體的支撐作用， 可選地，可以提供比氣凝膠層更堅(jiān)固的額外的支撐體，例如，在作為熱電變換器的冷結(jié)的金 屬化層之下的玻璃基體。可以在制造該裝置的方法的結(jié)尾，將該額外的支撐體設(shè)置在作為冷結(jié)的金屬化層之下的位置。也可以在該制造方法的開(kāi)始將其設(shè)置在適當(dāng)?shù)奈恢茫僭O(shè)將 上述方法的步驟的順序顛倒，即，在該支撐體上形成冷結(jié)；在其上沉積氣凝膠制成的支撐基 體并在支撐基體的厚度中形成通孔；在通孔中形成η型棒和P型棒；形成熱結(jié)；形成光伏變 換器的η/ρ結(jié)和上電極。在所有的情況下，依照本發(fā)明，不考慮選用的支撐基體的剛性，重要的是選擇具有 非常低的導(dǎo)熱系數(shù)和電絕緣的材料，應(yīng)該記住的是，材料的熱絕緣越大，越可能使該裝置的 熱電變換器部分的性能水平最佳化。因此，有關(guān)于用來(lái)形成支撐基體所選擇的材料，可以適 于由該裝置的光伏變換器所產(chǎn)生的熱量的操作領(lǐng)域。依照本發(fā)明的基礎(chǔ)裝置和系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以使其功率最佳化。因?yàn)橥瑫r(shí)使用光伏 電流和熱電電流，所以需要使光伏變換器和熱電變換器的內(nèi)阻達(dá)到最佳化，以從兩個(gè)能量 源中獲得最大電功率和最佳變換率。如圖5所示，光伏變換器4的功能可以如同二極管與電阻串聯(lián)(Rs)和并聯(lián)(Rsh) 的功能，同時(shí)熱電變換器5的功能可以如同電阻Rth，其中，Rth = Rth(n) + Rth(p)，Rth(η)為 η型棒的電阻，Rth(P)為ρ型棒的電阻。在圖5中，應(yīng)該確認(rèn)的是，為了防止電流在熱電變換器5中流動(dòng)，需要滿足下列條 件
權(quán)利要求
一種產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，包含有光伏變換器和熱電變換器，光伏變換器包含有沉積在熱絕緣材料制成的支撐基體(3)上的堆棧層，該堆棧層包含有作為上電極(100)的第一導(dǎo)電層和作為下電極(200)的第二導(dǎo)電層，在上電極和下電極之間包夾光敏材料層；熱電變換器包含有作為熱結(jié)(200)的第三導(dǎo)電層和作為冷結(jié)(300)的第四導(dǎo)電層，在熱結(jié)和冷結(jié)之間包夾熱電和導(dǎo)電材料制成的元件(400)，其特征在于，熱電和導(dǎo)電元件(400)被包括在光伏變換器的熱絕緣材料制成的支撐基體(3)的厚度中，以使該元件的一端與熱結(jié)(200)接觸且使該元件的另一端與冷結(jié)(300)接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，其中，第一導(dǎo)電層對(duì)入射光線是透明的。
3.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，其中，熱結(jié)(200)和下電極(200)為一個(gè) 且相同的導(dǎo)電層。
4.如權(quán)利要求1或3所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，其中，熱電和導(dǎo)電元件(400)被包括 在支撐基體(3)的整個(gè)厚度中。
5.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，其中，支撐基體(3)是玻璃制成的基體。
6.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，，其中，支撐基體(3)是氣凝膠制成的基體。
7.如權(quán)利要求6所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，其中，支撐基體(3)是二氧化硅氣凝膠制 成的基體。
8.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，其中，光敏材料層包含有η型的第一半導(dǎo) 體材料層(102)和ρ型的第二半導(dǎo)體材料層(103)。
9.如權(quán)利要求1或3所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，其中，熱電和導(dǎo)電元件(400)包含有 η型的第一熱電和導(dǎo)電材料和ρ型的第二熱電和導(dǎo)電材料。
10.如權(quán)利要求1或3所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置，其中，熱電和導(dǎo)電元件(400)包含 有η型的第一熱電和半導(dǎo)體材料和ρ型的第二熱電和半導(dǎo)體材料。
11.一種產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，包含有i個(gè)光伏變換器和i個(gè)熱電變換器，i為2或2以上 的整數(shù)，該i個(gè)光伏變換器和該i個(gè)熱電變換器分別串聯(lián)地電連接，各個(gè)光伏變換器包含有沉積在熱絕緣材料制成的支撐基體(3)上的堆棧層，該堆棧層 包含有作為上電極(100)的第一導(dǎo)電層和作為下電極(200)的第二導(dǎo)電層，在上電極和下 電極之間包夾光敏材料層；各個(gè)熱電變換器包含有作為熱結(jié)(200)的第三導(dǎo)電層和作為冷結(jié)(300)的第四導(dǎo)電 層，在熱結(jié)和冷結(jié)之間包夾η型的熱電和導(dǎo)電材料制成的元件(401)和ρ型的熱電和導(dǎo)電 材料制成的元件(402)，η型元件和ρ型元件互相隔開(kāi)，其特征在于，各個(gè)熱電變換器的η型元件(401)和ρ型元件(402)被包括在熱絕緣材 料制成的各個(gè)光伏變換器的支撐基體(3)的厚度中，以使η型元件(401)的一端和ρ型元 件(402)的一端與同一熱結(jié)(200)接觸，并使η型元件(401)的另一端和ρ型元件(402) 的另一端與屬于相鄰的熱電變換器的冷結(jié)(300)接觸。
12.12、如權(quán)利要求11所述的產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，其中，光伏變換器的支撐基體對(duì)于所有 的光伏變換器為一個(gè)且相同的支撐基體(3)。
13.如權(quán)利要求11所述的產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，其中，各個(gè)熱結(jié)(200)和各個(gè)下電極(200) 為一個(gè)且相同的導(dǎo)電層。
14.如權(quán)利要求11至13中的任何一項(xiàng)所述的產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，其中，η型(401)和ρ 型(402)的熱電材料為η型和ρ型的半導(dǎo)體材料。
15.如權(quán)利要求11所述的產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，其中，支撐基體(3)為玻璃制成的基體。
16.如權(quán)利要求11所述的產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，其中，支撐基體(3)為氣凝膠制成的基體。
17.如權(quán)利要求16所述的產(chǎn)生電能的系統(tǒng)，其中，支撐基體(3)為二氧化硅氣凝膠制成 的基體。
18.—種制造如權(quán)利要求1至10中的任何一項(xiàng)所述的產(chǎn)生電能的基礎(chǔ)裝置的方法，該 方法包含有下列步驟a)設(shè)置熱絕緣和電絕緣材料制成的支撐基體(3)；b)在支撐基體(3)的一個(gè)面上沉積導(dǎo)電層；c)從與包含有在步驟b)沉積的導(dǎo)電層的面相反的面開(kāi)始在支撐基體(3)的厚度中蝕 刻延伸至該導(dǎo)電層的孔；d)對(duì)該孔填充熱電和導(dǎo)電混合物并燒結(jié)該混合物；e)在與包含有在步驟b)沉積的導(dǎo)電層的面相反的支撐基體(3)的面上，沉積導(dǎo)電層；f)在所述導(dǎo)電層中的一層導(dǎo)電層上沉積光敏材料層；g)在光敏材料層上沉積導(dǎo)電層，在步驟g)沉積的導(dǎo)電層形成光伏變換器的上電極(100)；在步驟f)于其上沉積有光敏材料層的導(dǎo)電層形成光伏變換器的下電極(200)和熱電 變換器的熱結(jié)(200)兩者；其余的導(dǎo)電層形成熱電變換器的冷結(jié)(300)。
19.如權(quán)利要求18所述的制造基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的方法，其中，步驟f)是在步驟b)之 后和步驟c)之前進(jìn)行。
20.如權(quán)利要求18所述的制造基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的方法，其中，步驟f)和步驟g)是在 步驟b)之后和步驟c)之前進(jìn)行。
21.如權(quán)利要求18至20中的任何一項(xiàng)所述的制造基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的方法，還包含有在步驟b)之后和步驟f)之前的步驟m)，步驟m)用來(lái)將導(dǎo)電層沉積在已經(jīng)沉積的導(dǎo)電 層上，步驟f)由步驟f’)代替，步驟f’)用來(lái)將光敏材料層沉積在支撐基體的包含有兩層 導(dǎo)電層的面上；在步驟g)沉積的導(dǎo)電層形成光伏變換器的上電極(100)；在步驟m)沉積的導(dǎo)電層形成光伏變換器的下電極；存在于支撐基體和在步驟m)沉積的導(dǎo)電層之間的導(dǎo)電層形成熱電變換器的熱結(jié)；其余的導(dǎo)電層形成熱電變換器的冷結(jié)(300)。
22.如權(quán)利要求18或21所述的制造基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的方法，其中，用來(lái)形成上電極 (100)的導(dǎo)電層由對(duì)光線透明的材料制成。
23.如權(quán)利要求18所述的制造基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的方法，還包含有步驟h)，步驟h)用 來(lái)構(gòu)造在步驟g)沉積的導(dǎo)電層，以獲得網(wǎng)狀導(dǎo)電層。
24.如權(quán)利要求18所述的制造基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的方法，其中，支撐基體(3)是由玻璃 或氣凝膠、最好為二氧化硅氣凝膠制成的基體。
25.一種獲得如權(quán)利要求11至17中的任何一項(xiàng)所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，該方法包 含有下列步驟a)設(shè)置熱絕緣和電絕緣材料制成的支撐基體(3)；b)在支撐基體的前面上沉積導(dǎo)電層；c)構(gòu)造在步驟b)沉積的導(dǎo)電層，用來(lái)形成互相電絕緣的i個(gè)導(dǎo)電蹤跡，i為2或2以 上的整數(shù)；d)從該支撐基體的背面開(kāi)始在該支撐基體的厚度中蝕刻延伸至支撐基體的前面的導(dǎo) 電蹤跡的2i個(gè)孔，用來(lái)獲得每一導(dǎo)電蹤跡的成對(duì)的兩個(gè)孔；e)在該2i個(gè)孔處形成熱電和導(dǎo)電材料制成的2i個(gè)元件(401；402)，成對(duì)的兩個(gè)孔中 的每一對(duì)孔的元件中的一個(gè)元件為η型熱電混合物，成對(duì)的兩個(gè)孔中的每一對(duì)孔的元件中 的另一元件為ρ型熱電混合物；f)在支撐基體的背面上沉積導(dǎo)電層；g)構(gòu)造在步驟f)沉積的導(dǎo)電層，用來(lái)形成互相絕緣的j個(gè)導(dǎo)電蹤跡，其中，j= i + 1， 前面的i個(gè)導(dǎo)電蹤跡和背面的j個(gè)導(dǎo)電蹤跡被配置成用來(lái)串聯(lián)連接η型元件和ρ型元件， 一種類型的各個(gè)元件分別通過(guò)蹤跡i和蹤跡j連接到另一種類型的兩個(gè)元件；h)將光敏材料層沉積在包含有構(gòu)造的導(dǎo)電層的支撐基體的一個(gè)面上；i)構(gòu)造光敏材料制成的該層，用來(lái)形成塊，以連接在步驟g)獲得的兩個(gè)相鄰的導(dǎo)電蹤跡；j)在支撐基體的包含光敏材料層的面上沉積導(dǎo)電層；k)構(gòu)造在步驟j)沉積的導(dǎo)電層，用來(lái)形成互相電絕緣并連接兩個(gè)相鄰的塊的導(dǎo)電蹤跡，在步驟k)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的上電極(100)； 位于光敏材料的構(gòu)造層和支撐基體之間的構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的下電 極(200)和各個(gè)熱電變換器的熱結(jié)(200)兩者；其余的構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的冷結(jié)(300)。
26.如權(quán)利要求25所述的獲得能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，其中，步驟h)和步驟i)在步驟 c)之后和步驟d)之前進(jìn)行。
27.如權(quán)利要求25所述的獲得能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，其中，步驟h)、步驟i)、步驟j)和 步驟k)在步驟c)之后和步驟d)之前進(jìn)行。
28.如權(quán)利要求25至27中的任何一項(xiàng)所述的獲得能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，還包含有在 步驟b)之后和步驟c)之前的步驟b’)，步驟b’)用來(lái)在步驟b)沉積的導(dǎo)電層上沉積導(dǎo)電 層，步驟c)由步驟c’)代替，步驟c’)用來(lái)構(gòu)造在步驟b)和步驟b’)沉積的導(dǎo)電層，以形 成互相電絕緣的i個(gè)導(dǎo)電蹤跡，i為2或2以上的整數(shù)，步驟h)由步驟h’)代替，步驟h’) 用來(lái)在支撐基體的前面上沉積光敏材料層，在步驟k)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的上電極(100)；在步驟b’)沉積并在步驟c’)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的下電極；在步驟b)沉積并在步驟c’)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的熱結(jié)；其余的構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的冷結(jié)(300)。
29.如權(quán)利要求25至27中的任何一項(xiàng)所述的獲得能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，還包含有在 步驟f)之后和步驟g)之前的步驟f’)，步驟f’)用來(lái)在步驟f)沉積的導(dǎo)電層上沉積導(dǎo)電 層，步驟g)由步驟g’)代替，步驟g’)用來(lái)構(gòu)造在步驟f)和步驟f’)沉積的導(dǎo)電層，以形 成互相電絕緣的j個(gè)導(dǎo)電蹤跡，其中，j = i + 1，前面的i個(gè)導(dǎo)電蹤跡和背面的j個(gè)導(dǎo)電蹤 跡被配置成用來(lái)串聯(lián)連接η型元件和ρ型元件，一種類型的各個(gè)元件分別通過(guò)蹤跡i和蹤 跡j連接到另一種類型的兩個(gè)元件，在步驟k)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的上電極(100)；在步驟f’)沉積并在步驟g’)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)光伏變換器的下電極；在步驟f)沉積并在步驟g’)構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的熱結(jié)；其余的構(gòu)造的導(dǎo)電層形成各個(gè)熱電變換器的冷結(jié)(300)。
30.如權(quán)利要求25所述的獲得能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，其中，形成2i個(gè)元件(401;402) 的步驟e)包含有下列步驟填充2i個(gè)孔，對(duì)成對(duì)的兩個(gè)孔中的每一對(duì)孔中的一個(gè)孔填充η型的熱電混合物，對(duì)成 對(duì)的兩個(gè)孔中的每一對(duì)孔中的另一個(gè)孔填充P型的熱電混合物；燒結(jié)該混合物。
31.如權(quán)利要求25所述的獲得能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，其中，熱電材料為通過(guò)混合粉末 和結(jié)合劑所獲得的粉末形式或膏狀形式。
32.如權(quán)利要求25所述的獲得能量產(chǎn)生系統(tǒng)的方法，其中，光敏材料層包含有η型的半 導(dǎo)體材料層(102)和ρ型的半導(dǎo)體材料層(103)。
33.使用如權(quán)利要求1至10中的任何一項(xiàng)所述的基礎(chǔ)能量產(chǎn)生裝置的熱電變換器來(lái)冷 卻該基礎(chǔ)裝置的光伏變換器。
34.使用如權(quán)利要求11至17中的任何一項(xiàng)所述的能量產(chǎn)生系統(tǒng)的熱電變換器來(lái)冷卻 該系統(tǒng)的光伏變換器。
全文摘要
文檔編號(hào)H01L35/02GK101952978SQ20088012655
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月17日
發(fā)明者Plissonnier Marc, Capdeville Stephanie, Gaillard Frederic, Mulet Jean-Philippe, Noel Sebastien, Schweitzer Jean-Philippe, Gilles Jerome 申請(qǐng)人:Commissariat Energie Atomique, Saint Gobain