專利名稱：用于高功率太陽能電池的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于提高太陽能電池產生的功率和效率的方法和裝置。
背景技術：
光伏太陽能電池是最近發(fā)現(xiàn)的產生能量的新方法，該方法始于二十世紀五十年代前蘇聯(lián)和美國的衛(wèi)星電源系統(tǒng)。光伏太陽能電池以非常小的環(huán)境影響產生電力，并由此而為公眾所需要。目前的光伏太陽能電池的問題在于，不能夠對于其成本和/或表面積來說產生足夠的能量，以使得其在經濟上是可行的。因此，已經提出許多技術來提高太陽能電池的效率。EP 1724841A1描述了一種多層太陽能電池，其中并入并且一體地層壓多個太陽能電池模塊，從而不同靈敏度波長帶是這樣的靈敏度波長帶的中心波長越短的模塊越靠近陽光入射側。該文獻以引用方式并入本文中。目前尚不清楚導致多層太陽能電池的效率方面的缺陷的全部因素。然而，根據(jù)本申請人的研究，一般的疊層太陽能電池主要受累于光子-聲子過程，該過程發(fā)生在太陽能電池的最大量子效率的帶以外，即頻率空間內太陽能電池產生大量熱能的位置。與缺點有關的各個因素也在US6689949的第1和第2欄中列出，其以引用方式并入本文中。US 6689949公開了一種光伏反射腔，腔中具有若干太陽能電池。腔內的太陽能電池在濾波器下面，該濾波器對光進行濾波，使得入射光子通量更適合太陽能電池的量子效率，即更適合其響應或檢測器響應。NASA和JPL (噴氣推進實驗室)也已提出一種稱為“Rainbow” (彩虹)的替代技術，該技術使用分束器和聚光器將太陽光譜分裂成不同的帶，并將不同帶的光會聚到不同的分立的太陽能電池中，這些太陽能電池能夠最佳地處理分裂且會聚的光譜。該方案需要非常復雜的光學裝置，并且到目前為止還沒有投入實用。US 5021100公開了一種疊層太陽能電池，該電池在第一太陽能電池和第二太陽能電池(在該公開中為陽光側的入射電池)之間具有反射膜，假設反射膜將高能光子反射到第二太陽能電池，并將低能光子留給第一太陽能電池(在該公開中位于第二太陽能電池后面)。該文獻以引用方式并入本文中。US 5021100有一個嚴重的問題，即反射膜是雙向的， 也就是說，第一太陽能電池中的任何反射光子將通過反射膜泄漏回第二太陽能電池，并且由于這些光子不能在第二太陽能電池內被吸收而產生聲子和熱。

發(fā)明內容
所研究的本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)和方法，用于有效解決現(xiàn)有技術的問題和實現(xiàn)更大功率的太陽能電池。本發(fā)明的更具體的目的是提供上述太陽能電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高的設計成本， 但最終具有較低的生產成本和大的規(guī)模經濟。為了實現(xiàn)這個目的，本發(fā)明提出了一種疊層太陽能電池，其中每個太陽能電池層利用具有一定能量的光子工作，在該能量下，太陽能電
池層具有最高量子效率。
本發(fā)明的一個方面涉及一種在與陽光入射側相反的一側具有光子反射器的太陽能電池。該反射器被布置成將波長適于太陽能電池的量子效率函數(shù)的光子反射回太陽能電池。在本發(fā)明的一個方面，存在一種具有兩個太陽能電池層的疊層太陽能電池。在這兩個太陽能電池之間存在光子濾波器。入射陽光的太陽能電池被暴露，并且該太陽能電池層通常具有較高能量的帶隙。太陽光子進入該第一太陽能電池，并且太陽光譜的較高能量部分可能轉化為光電流。一些高能量光子不與半導體相互作用，而只是穿過其中或通過光子-聲子過程被分離成具有較低能量的光子和聲子。仍具有足以在第一層(即光子的能量(E)ESEbgl大于第一太陽能電池的帶隙(Ebgl)的地方)中轉化為光電流的高能量的那些光子被光子濾波器反射回第一太陽能電池層。這些光子將獲得轉化為光電流的第二次機會。優(yōu)選地，第一太陽能電池層非常薄且非常純，使得存在較少時間和空間用于非吸收過程 (即由不匹配帶隙的光子進行的熱轉換)。此時，具有能量E < Ebgl帶隙的光子穿過濾波器到達具有較低帶隙的第二太陽能電池層。這些光子中的大部分此時可與第二帶隙相互作用。光子濾波器將收集較低能量的光子，然后通過濾波器另一側上非常小的孔將較低能量的光子會聚到第二太陽能電池層內。這些小孔是光子可穿透的。光子濾波器的另一側上的其余區(qū)域也被反射材料覆蓋。這是因為在第二太陽能電池層的底部也存在反射器，該反射器將能夠在第二太陽能電池層內轉化為光電流的光子反射回第二太陽能電池層。從該反射器反射的一些光子在其返程中第二次穿過第二太陽能電池層之后仍未被吸收。這些光子被上述小孔周圍的反射材料送回。在光子濾波器的與陽光入射側相反的一側和疊層太陽能電池系統(tǒng)的底部的反射器捕獲能夠在第二太陽能電池層中產生光電流的光子，即通常E > Ebg2的光子。這些光子來回跳動，直到其被吸收或分離成能量小于的光子。光子被截留在第二太陽能電池內是由于第一光子濾波器具有單向性。也就是說， 除了泄漏的光子經小孔返回的非常小的可能性之外，光子群的大部分在具有有利于光電吸收和電流產生的帶隙的第二太陽能電池內的兩個反射器之間跳動。上述光子濾波器依靠由本發(fā)明人開發(fā)并命名為空間光譜調制(spatiospectral modulation)的技術。在上述實例中，單向光子濾波器也可通過根據(jù)本發(fā)明的兩個反射性光子濾波器來實現(xiàn)，這兩個反射性光子濾波器其間具有粗糙和/或抗反射涂層。另外，根據(jù)本發(fā)明，太陽能電池和光子濾波器的材料可選擇為基于材料的折射率來實現(xiàn)光子的單向濾波。相比之下，這些光子濾波器在理想單向性方面有從雜散角度泄漏光子的形式的一定損失。在本發(fā)明的實施例的一個方面，疊層太陽能電池包括若干太陽能電池層，并且在兩層之間存在光子濾波器。光子濾波器經過調諧，使其僅捕獲一定能量的光子，在該一定能量下，太陽能電池層以理想地接近1的良好的量子效率(QE)工作。其余光子僅被光子濾波器傳送到下一層。實際上可存在許多層，這些層優(yōu)選地非常薄，或換句話講，設計成太陽能電池和量子效率不很好(即遠小于1)的能量的光子群之間的相互作用最小。所謂“量子效率”是指如 Larousse Dictionary of Science and Technology (拉魯斯科技詞典)中所定義的一般涵義量子效率(物理學)“光電池中指定波長的入射輻射的每個光子釋放的電子數(shù)”。本發(fā)明人進一步指出，該參數(shù)可在必要時被歸一化，以產生通常100-0%的范圍。量子效率是光電池將光子轉化為電力的良好程度的極佳量度。檢測器響應或響應是作為波長的函數(shù)的量子效率，也就是說，它說明了光電池如何對不同能量的入射光子做出響應。就本申請中的太陽能電池而言，高量子效率(QE)是指比在相同光子能量下的其它替代太陽能電池層的QE高的QE。實際上，可能值得保持在特定太陽能電池層中的譜帶是當QE超過10% (即目前批發(fā)市場上的太陽能電池的總QE)時的譜帶。然而，如果疊層太陽能電池要在目前的市場環(huán)境下經濟地替代石油和天然氣，則應將大約30-50%視為閾值 QE。如本申請的下文中將描述的，使太陽能電池層具有小于30-50%的QE的能量的光子應移動到具有較高QE的其它太陽能電池層。對于便攜式電子設備，30-50%能夠類似地被視為良好的QE，但這應取決于根據(jù)本發(fā)明的器件要求。例如，Nokia E71移動電話具有72cm2 的面積和電壓3. 7V的1. 5Ah的電池。如果本發(fā)明的太陽能電池實現(xiàn)50%的效率并覆蓋具有72cm2的面積的電話的表面(假設太陽光通量為1000W/m2)，則這意味著按照本申請人的計算，電池將在暴露大約1. 5小時后充滿電。很顯然，如果其提供大部分時間不必使用電網充電器的額外的有益效果，則暴露1. 5小時夠用大約一周的電池將開始投放市場。本發(fā)明的一些或全部上述優(yōu)點出現(xiàn)在一個實施例中，其中可存在具有由上述反射光子濾波器分離的不同帶隙的許多(例如一百個)太陽能電池層。通常，半導體結只能在非常窄的帶下保持高量子效率。離最佳能量越遠，QE變得越小。在本發(fā)明的一個實施例中，存在一百個太陽能電池層，這些太陽能電池層在波長空間內10-20nm寬的帶處具有高 QE。通過使用這些電池，可以用以非常高的量子效率工作的半導體結對從150nm(紫外線) 至1500nm(紅外線)的整個太陽光譜進行采樣。光子濾波器被設置成使得第一太陽能電池層將具有在波長空間內150-160nm能量的光子，第二太陽能電池層的情況為160-170nm， 第三太陽能電池層的情況為170-190nm，依此類推。自然地，第一太陽能電池層只需要在 150nm-160nm的帶內有效，這比較容易實現(xiàn)。此外，應當盡可能少地干擾具有160nm以上的波長的光子。這些光子將傳送到后面的層，并且如上所述分別被捕獲到其各自的10-20nm 帶內，使得太陽能電池層在該帶處具有最高效率。根據(jù)本發(fā)明的疊層太陽能電池包括至少兩層太陽能電池第一層和第二層，其特征在于，-在第一太陽能電池層和第二太陽能電池層之間布置第一光子濾波器，-該太陽能電池被布置成光子濾波器在與陽光入射側相反的一側上，-光子濾波器被布置成將一定能量的光子反射回第一太陽能電池，-光子濾波器被布置成可透過不布置成被反射的其它能量的光子，并且這些光子被布置成進入第二太陽能電池。上述光子濾波器也被布置成將從第二太陽能電池返回的光子反射回去，并防止它們進入第一太陽能電池，從而實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的光子濾波器的單向性。在一些實施例中， 在第二太陽能電池的底部存在反射器，以實現(xiàn)在第二太陽能電池內截留具有合適能量的光子。根據(jù)本發(fā)明提供了一種制備上述疊層太陽能電池的方法。根據(jù)本發(fā)明的光子濾波器被布置成從其第一側反射具有比λχ短的波長的光子， 并且被布置成將具有比λ χ長的波長的光子會聚，以使其離開與光子濾波器第一側相反的另一側上的小面積孔，通過這種方式透過具有比λ χ長的波長的光子，并且光子濾波器的另一側被布置成反射具有比λ χ長的波長的所述光子中的至少一些。
疊層太陽能電池包括根據(jù)本發(fā)明的至少兩個太陽能電池層，其特征在于，所述疊層太陽能電池被布置成將入射光子傳送到下述太陽能電池層，相比疊層太陽能電池內的其它所述太陽能電池層，該太陽能電池層在所述入射光子的能量處具有最高量子效率(QE)。根據(jù)本發(fā)明的疊層太陽能電池包括至少兩層太陽能電池第一層和第二層，其特征在于，-在第一太陽能電池層和第二太陽能電池層之間布置第一光子濾波器，-在第一光子濾波器和第二太陽能電池層之間布置抗反射涂層，-在所述抗反射涂層和第二太陽能電池層之間布置第二光子濾波器。根據(jù)本發(fā)明的疊層太陽能電池包括至少兩層太陽能電池第一太陽能電池層和第二太陽能電池層，其特征在于，在第一和第二太陽能電池層之間布置至少一個單向光子濾波器。在本申請的上下文中，“單向光子濾波器”是指這樣的光子濾波器其被布置成反射一組光子，并被布置成單向通過一組光子，而且被布置成不允許已通過的光子再次返回并穿過所述光子濾波器。雖然這種理想的光子濾波器難以(如果還有可能)在現(xiàn)實生活中制造，但本發(fā)明提供了四種單向光子濾波器空間光譜調制濾波器、抗反射涂層濾波器、 粗糙抗反射濾波器和/或折射率濾波器。雖然認識到這些濾波器單向濾波光子的實用局限性，但在本申請中將這些濾波器看作單向的。根據(jù)本發(fā)明的疊層太陽能電池包括至少兩層太陽能電池具有能帶隙El3g的第一太陽能電池層和第二太陽能電池層，其特征在于，第二太陽能電池在等于或大于El3g的光子能量處具有比第一太陽能電池層小的折射率。根據(jù)本發(fā)明，在上述疊層太陽能電池中，第二太陽能電池通常在小于&8的光子能量處也具有比第一太陽能電池層大的折射率，并且具有小于的帶隙。根據(jù)本發(fā)明的疊層太陽能電池包括至少兩層太陽能電池第一太陽能電池層和第二太陽能電池層，其特征在于，至少一個所述太陽能電池層被布置成其量子效率(QE)-波長函數(shù)和其折射率-波長函數(shù)在相同波長下達到峰值和/或高值。一種根據(jù)本發(fā)明的便攜式電子設備包括至少一個太陽能電池，其特征在于，所述便攜式電子設備的特征是被布置成由所述便攜式電子設備的機械運動產生電力的至少一個壓電晶體和/或至少一個機械裝置。所述太陽能電池優(yōu)選地為疊層太陽能電池，最優(yōu)選地為本申請所描述的疊層太陽能電池，但在一些實施例中，也可以為常規(guī)太陽能電池。除了和結合上述產生優(yōu)點的實施例，本發(fā)明的最佳方式目前被視為雙結或三結疊層太陽能電池，其在太陽能電池層之間分別具有一個或兩個本發(fā)明的光子濾波器。該疊層太陽能電池用來為自充電移動電話供電，該移動電話可具有作為備用的機械/動能發(fā)電機，例如壓電晶體或可見于例如手表中的擺動/彈簧系統(tǒng)，以用于在移動電話被遮光(例如，在使用者的口袋中)時充電。


在下文中，將結合根據(jù)附圖的示例性實施例更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中圖1以框圖示出本發(fā)明的單向光子濾波器10的實施例。圖2以框圖20示出具有兩個太陽能電池層的本發(fā)明的疊層太陽能電池。
圖2B以框圖21示出具有帶有替代的單向光子濾波器的兩個太陽能電池層的本發(fā)明的疊層太陽能電池的實施例。圖2C以框圖22示出本發(fā)明的疊層太陽能電池的實施例，其具有帶有替代的單向光子濾波器的兩個太陽能電池層和在陽光入射側的聚光裝置。圖2D以框圖23示出具有帶有通過選擇太陽能電池的材料的折射率實現(xiàn)的替代的光子濾波的兩個太陽能電池層的本發(fā)明的疊層太陽能電池。圖3以框圖30示出具有四個太陽能電池層的本發(fā)明的疊層太陽能電池的實施例 30。圖4示出本發(fā)明的疊層太陽能電池的光譜(即在能量-波長空間內)操作的實施例40。圖5以流程圖示出本發(fā)明的疊層太陽能電池的操作的實施例50。一些實施例在從屬權利要求中描述。
具體實施例方式圖1示出在疊層太陽能電池內隔離(即被置于兩個太陽能電池層之間)的光子濾波器100的示例性實施例。在該圖中，假設陽光入射側在上方。在一些實施例中，λ2的光子比A1的光子具有更高能量，g卩λ2< X1，但根據(jù)本發(fā)明也能夠相反地構造濾波器100，即其反射低E光子，同時讓高E光子通過。光子濾波器100具有在陽光入射側的反射罩110。 反射罩110可以是梳狀(Rugate)濾波器或根據(jù)本發(fā)明的任何其它光學帶通濾波器。反射罩下面是至少一個聚光裝置，該裝置用于未被反射的光子，即穿過反射罩110的光子。這些聚光裝置通常為任何形狀(可以是圖中所示圓形)的透鏡，并且將光子群會聚到斷面縮小的漏斗(horn) 130內。該漏斗可從內部涂以反射材料，使得穿過其中的光子被導向到至少一個小孔140之外。在一些實施例中，可以沒有漏斗，但在這些實施例中，光子在離開濾波器100時，仍然被聚焦成小斑。在入射陽光的相反側，大部分面積被另一個光子反射器150 占據(jù)。小孔被嵌入反射器150中，并且僅占光子濾波器100另一側的一小部分面積。反射器150被設計成將這樣的光子反射回去該光子從至少一個小孔140進入下面的太陽能電池，但不與該太陽能電池層相互作用，而是被第二太陽能電池層另一側上的另一個濾波器反射。在一些實施例中，根據(jù)本發(fā)明，反射器150與小孔140的面積比被使得盡可能大。這是因為小孔的面積相比反射器150越小，反射的光子泄漏回第一太陽能電池200 (從而違背濾波器的單向性)的概率越小。在一些實施例中，除了將入射光會聚到小孔內之外，可通過其它方式實現(xiàn)允許反射器150的反射的空間調制的效果。例如，在一些實施例中，可使用單向透光濾波器來替代根據(jù)本發(fā)明的聚光裝置120和小孔140。在該實施例中，根據(jù)本發(fā)明重要的是，透光性確實是單向的，濾波器100絕不讓那些濾波至下一層的光子返回到第一層200。根據(jù)本發(fā)明，濾波器100、110、150可以是任何帶通、短通、長通和/或陷波濾波器、 梳狀濾波器和/或分立層疊層濾波器。雖然在本發(fā)明的一些實施例中太陽能電池層可以僅有幾納米厚，但根據(jù)本發(fā)明也可能的是，光子濾波器非常薄，僅僅幾納米厚。在一些實施例中，至少一個小孔140包含將光子從小孔有效地分散到第二太陽能電池內的衍射或分散元件。至少一個聚光裝置120、漏斗130、孔140、反射器110和/或150可由根據(jù)本發(fā)明的任何材料制成。光學濾波器和/或反射器部件110、130、150和/或聚光元件120、121、 140、141可由根據(jù)本發(fā)明的下列任何材料制成反射箔，例如金屬箔；紫外線/可見光/紅外線反射鏡，例如，鋁或金鏡或在低膨脹玻璃襯底上帶有不透明真空沉積金屬涂層的所述鏡或鏡箔、鋁/MgF2鏡、鋁/SiO鏡、鋁/電介質鏡、受保護金鏡和/或普通鏡和/或任何梳狀濾波器材料和/或介電堆疊材料和/或任何帶通、短通、長通和/或陷波濾波器。反射和 /或聚光材料的選擇應根據(jù)材料的反射率-波長函數(shù)，并且在本發(fā)明的一些實施例中，還應根據(jù)其它實際情況，例如成本和可用性。在一些實施例中，優(yōu)選的是，反射和/或聚光應最高對于遠紅外的波長是有效的，或者在任何情況下，對于和太陽能電池層中的最小帶隙相對應的波長是有效的。聚光結構也可被替換成濾波器，即梳狀濾波器和/或疊層介電濾波器或將所述兩種技術組合以實現(xiàn)單向濾波器的濾波器。這可以實現(xiàn)為由于濾波器100之后的光子的角度和能量分布，在外表面150上實際上始終存在對已穿過濾波器的光子的全內反射，從而防止其返回。然而，當光子來自另一側(110，即未被反射的那些)時，這些光子被對齊以從內部穿透面150。應該指出的是，根據(jù)本發(fā)明，實施例10可與在下文中的實施例20、21、30、40和50
自由排列與組合。圖2A、2B、2C和2D示出本發(fā)明的實施例，其中兩個太陽能電池層與本發(fā)明的光子濾波器組合以實現(xiàn)本發(fā)明的疊層太陽能電池20。入射陽光在所示圖的頂部。根據(jù)本發(fā)明， 第一太陽能電池層200或本申請?zhí)峒暗娜魏魏罄m(xù)的太陽能電池層通?？捎上铝胁牧现瞥苫虬铝胁牧?Si (硅)、多晶硅、薄膜硅、非晶硅、Ge (鍺),GaAs (砷化鎵),GaAlAs (鎵鋁砷)、GaAlAs/GaAs、GaP (磷化鎵)、MGaAs (銦鎵砷)、hP (磷化銦)、hGaAs/lnP、GaAsP (鎵砷磷)、GaAsP/GaP、CdS (硫化鎘)、CIS (銅銦硒)、CdTe (碲化鎘)、InGaP (磷化鎵銦)、 AlGaInP (磷化鋁銦鎵)、hSb (銻化銦)、CIGS (銅銦鎵硒)和/或InGaN (氮化銦鎵)。同樣，第一太陽能電池層200或本申請?zhí)峒暗娜魏魏罄m(xù)的太陽能電池層的特征可以為能夠產生光電效應的任何元件或合金組合或任何材料，這種光電效應在下列公開物中有所描述:FI20070264 ；FI20070743 ；FI20070801 ；EP 09154530. 1 ；授予 Josuke Nakata 的名稱為 "Multilayer Solar Cell”(疊層型太陽能電池)的EP 1724841A1 ；授予 James P. Campbell 等人的名稱為"Transparent solar cell and method of fabrication”(透明太陽能電池及制備方法)的 US 6320117 ；Solar Electricity, Thomas Markvart，2nd Edition, ISBN 0-471-98852-9 (Thomas Markvart，《太陽能發(fā)電(第二版)》ISBN 0-471-98852-9)； 禾口〃 An unexpected discovery could yield a full spectrum solar cell,Paul Preuss, Research News, Lawrence Berkeley National Laboratory (Paul Preuss, “意夕卜發(fā)現(xiàn)可產生全光譜太陽能電池”，Research News，勞倫斯伯克力國家實驗室)，這些公開物均以引用方式并入本申請中。在附圖中，入射光子撞擊太陽能電池p-n結并激發(fā)電子，從而產生可用來為負載供電的光電流。第一光子濾波器100布置在太陽能電池層200和201之間，太陽能電池200 被布置成光子濾波器100位于與陽光入射側相反的一側。光子濾波器100被布置成將具有一定能量的光子(λ2光子)反射回第一太陽能電池200內，所述一定能量使得第一太陽能電池200具有高量子效率。另一方面，光子濾波器100被布置成可透過其它能量或波長X1 的光子，并且這些光子被布置成進入第二太陽能電池001)。光子濾波器100不允許入工光子返回到第一太陽能電池層，從而實現(xiàn)單向性。因此，具有可在第一太陽能電池層200內轉化為光電流的能量/波長λ 2的光子被例如反射器110反射回第一太陽能電池層200，那些不能轉化的光子被布置成被傳送到另一個太陽能電池層(例如第二太陽能電池層201)，并且如果處于比第二太陽能電池層201的能帶隙高的能量，則被截留。在一些實施例中，太陽能電池層非常薄，以最小化不期望的光子相互作用(即在使太陽能電池層的量子效率較低的能量處發(fā)生的相互作用)的散射截面。這些相互作用使太陽能電池變熱。在一些實施例中，太陽能電池200的陽光入射側被半滲透膜或圖2Β所示的抗反射涂層167覆蓋。在一些實施例中，在太陽能電池200的陽光入射側存在膜，該膜只允許太陽光子進入，而不允許其出去。在本發(fā)明的一些實施例中，這種抗反射效應通過粗糙化第一太陽能電池200的陽光入射表面來獲得。在本發(fā)明的一些實施例中，入射陽光在第一太陽能電池200的一部分上會聚，并且所得光束被布置成在穿過第一太陽能電池層200之后被反射器110分散，S卩，在本發(fā)明的一些實施例中，反射器也可具有不同的形狀。這在圖2C中更詳細地示出，在該圖中，透鏡 190將光子會聚到耗盡區(qū)，并且反射器具有分散裝置195，用于將光子分散到耗盡區(qū)內并進一步分散到反射器180、181上。尤其在該實施例中，根據(jù)本發(fā)明，第一太陽能電池200的陽光入射表面的一些部分被布置有光子反射器180、181，尤其是上面不再具有許多入射光子的那些部分，因為入射光子已經會聚到第一太陽能電池200的其它部分。反射器180、181 通常針對整個太陽光譜，但也可專門設計用于λ2光子。在一些實施例中，反射濾波器110通常為梳狀濾波器，但可以是根據(jù)本發(fā)明的任何其它帶通光子濾波器。濾波器110將光子分成兩個群反射光子λ2和穿過的光子λρ 在本發(fā)明的一些實施例中，存在將光子群分開的截止頻率/波長/能量λ χ，就第一光子濾波器而言，讓我們稱其為截止λχ1ω。在圖2Α中，第二太陽能電池201被布置成在與陽光入射側相反的一側111和陽光入射側150上具有光子濾波器。光子濾波器100被布置成會聚具有不能被反射器110反射的其它能量的光子，并且所述光子從與陽光入射側相反的光子濾波器100側穿過小孔140。 這些光子在進入第二太陽能電池層時再次經歷上述過程，但在不同的帶隙和截止波長的情況下。X1光子與第二太陽能電池層201的帶隙相互作用(即至少具有相互作用的能量的那些光子)。可以總結的是，本發(fā)明的光子濾波器對太陽光譜進行空間光譜調制，即，其在圖2Α 所示的物理空間(會聚到小孔)和頻率空間(濾波)內改變光子信號/群。在一些實施例中，第二太陽能電池201被布置成在與陽光入射側相反的一側上具有第二光子濾波器101。第二光子濾波器101將X1光子群分成兩部分。此處，讓我們將截止波長命名為λχ111。第二光子濾波器101被布置成將具有一定能量的光子反射回第二太陽能電池201，所述能量使得第二太陽能電池201具有高量子效率。這些光子在圖2Α、2Β、 2C、2D中標有λ 4。第一光子濾波器100也被布置成將具有一定能量的光子反射回第二太陽能電池201，所述能量使得第二太陽能電池201具有高量子效率，并且在一些實施例中，在與陽光入射側相反的第一光子濾波器100的一側上具有光子反射器150。這些光子在圖2Α中標有λ5。在一些實施例中，這些波長相同，S卩，這些光子標有λ4= λ 5，但在根據(jù)本發(fā)明的其它實施例中也可以不同。在一些實施例中，光子濾波器100、101被布置成將一定能量的光子截留在第二太陽能電池內，所述能量使得第二太陽能電池201具有高量子效率。具有這樣的能量的光子將在濾波器100和101之間跳動，直到其被第二太陽能電池層201吸收或經過光子-聲子過程為止，該過程允許這些光子逸入具有能量/波長λ 3的光子群并離開濾波器101。換句話講，第二光子濾波器101被布置成可透過不處于使第二太陽能電池201具有高量子效率的能量的光子，并且這些可透過光子被布置成進入第三太陽能電池 202(此處未示出)或離開疊層太陽能電池系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明還提供了一種制備上述太陽能電池的方法。在本發(fā)明的一些實施例中，通過以下方法制備、制造和/或生長太陽能電池層和/或光子濾波器光亥IJ、 分子束外延(MBE)、金屬有機氣相外延(M0VPE)、直拉(CZ)硅晶生長法、限邊饋膜生長 (Ere)、浮區(qū)硅晶生長法、硅錠生長法和/或液相外延(LPE)。下列參考文獻中所述的任何制備方法都可用于生產根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池名稱為“An active solar cell and method of manufacture”(有源太陽能電池和制造方法)的FI2007(^64 ；名稱為 "Thermodynamically shielded solar cell”(熱力學屏蔽的太陽能電池)的 FI20070743; 名稱為“Method and means for designing a solar cell”(設計太陽能電池的方法和裝置)的FI20070801 ；名稱為“Low cost solar cell”(低成本太陽能電池)的EP 09154530. 1 ；授予 Josuke Nakata 的名稱為 “Multilayer Solar Cell”(疊層型太陽能電池)的 EP 1724841A1 ；授予 James P. Campbell 等人的名稱為 “Transparent solar cell and method of fabrication”(透明太陽能電池及制造方法)的US 6320117 ； Solar Electricity, Thomas Markvart,2nd Edition, ISBN 0-471-98852-9 (Thomas Markvart，《太陽能發(fā)電(第二版)》ISBN0-471-98852-9)；禾口" An unexpected discovery could yield a full spectrum solar cell, Paul Preuss, Research News, Lawrence Berkeley National6320117Laboratory (Paul Preuss，“意外發(fā)現(xiàn)可產生全光譜太陽能電池”，Research News，勞倫斯伯克力國家實驗室)；授予Ugur Ortabasi的名稱為 “Concentrating photovoltaic cavity converters for extreme solar-to-electric conversion efficiencies"(用于極端光電轉換效率的集中光伏腔轉換器)的US 6689949 ；Si^ David g. Jenkins 白勺名禾爾為"Concentrating photovoltaic kaleidoscope and method” (集中光伏萬花筒及方法)的US 2008/0251112A1。光學濾波器部件、反射器元件110、111、130、131、150、151和/或聚光元件120、 121、140、141可由根據(jù)本發(fā)明的下列任何材料制成反射箔，例如金屬箔；紫外線/可見光 /紅外線反射鏡，例如，鋁或金鏡或在低膨脹玻璃襯底上帶有不透明真空沉積金屬涂層的所述鏡或鏡箔、鋁/MgF2鏡、鋁/SiO鏡、鋁/電介質鏡、受保護金鏡和/或普通鏡和/或任何梳狀濾波器材料和/或介電堆疊材料和/或任何帶通、短通、長通和/或陷波濾波器。反射和/或聚光材料的選擇應根據(jù)材料的反射率-波長函數(shù)，并且在本發(fā)明的一些實施例中，還應根據(jù)其它實際情況，例如成本和可用性。在一些實施例中，優(yōu)選的是，反射和/或聚光應最高對于遠紅外的波長是有效的，或者在任何情況下，對于和太陽能電池層中的最小帶隙相對應的波長是有效的。應該指出的是，根據(jù)本發(fā)明，實施例20可與在上文和下文中的實施例10、21、22、
1123、30、40和/或50自由排列與組合。圖2B提供了一種用于本發(fā)明的疊層太陽能電池的替代的有創(chuàng)新性的光子濾波器構造。如上所述，陽光進入疊層太陽能電池的第一太陽能電池200。濾波器110優(yōu)選地被調節(jié)為將高能量和短波長λ 2光子反射回太陽能電池200，并且第一太陽能電池200通常被布置成具有高能帶隙和在這些較高能量下具有高效率的響應或量子效率(QE)函數(shù)。濾波器 100被布置成通過具有較長波長λ工的較低能量光子。這些λ工光子被布置成進入第二太陽能電池201，第二太陽能電池201具有在這些光子的能量下具有較高量子效率的響應和帶隙。然而，第二太陽能電池201需要在陽光入射側上的光子濾波器170，并且需要將X1* 子布置成通過該濾波器，以確保將光子截留在第二太陽能電池201中。為了上述目的，在兩個濾波器110和170之間布置有抗反射涂層160。濾波器170被布置成將第二太陽能電池 201入射側的λ i光子反射回第二太陽能電池201，因此，這些光子需要小心穿過濾波器170 以到達第二太陽能電池201，以使得濾波器170不將其反射回第一太陽能電池200，因為那里不需要X1光子，原因是根據(jù)本發(fā)明它們不能轉化為電流?？狗瓷渫繉?60通常為具有折射率V (n110n170)的四分之一波長層，其中n11(1是濾波器110的折射率，Ii17tl是濾波器170的折射率。如上所述，抗反射涂層通常具有(IAhX1 或類似的厚度。應該指出的是，由于最佳厚度隨波長變化，在本發(fā)明的一些實施例中，抗反射涂層的最佳厚度可以明顯偏離λ ”具體取決于穿過光子濾波器110的二次光子光譜。在本發(fā)明的一些實施例中，抗反射涂層160包含若干層上述四分之一波長層，通?；诓煌牟ㄩL來增加抗反射涂層160的光譜范圍。在本發(fā)明的一些實施例中，折射率可偏離V (η11(1η17(1)，優(yōu)選地適應根據(jù)本發(fā)明的其它設計要求?？狗瓷渫繉?60被設計成實現(xiàn)A1光子進入第二太陽能電池層201的平滑過渡，并且在濾波器170和第二太陽能電池層 201之間沒有抗反射涂層的事實被設計成防止此時在第二太陽能電池層201內的任何光子經濾波器170朝第一太陽能電池層200返回。在本發(fā)明的一個實施例中，材料的折射率被調節(jié)為在濾波器170和第二太陽能電池層201之間存在全內反射。在該實施例中，優(yōu)選地，濾波器170將具有低折射率，而第二太陽能電池層201則應具有高折射率。根據(jù)本發(fā)明且考慮到臨界角定律θ =arcsin(nt0/ nfM)，這將是優(yōu)選的，其中nt。為光子將進入的目標材料的折射率，nft。m為下述材料的折射率，光子試圖從該材料離開以進入目標材料。因此，如果濾波器170具有相對第二太陽能電池層201較低的折射率，一對于從濾波器170到第二太陽能電池層201的光子 arcsin(high)—未限定，即使在掠射角也沒有全內反射，則光子將通過。然而在返回時， arcsin(low)—即使對于幾乎垂直入射的返回光子，也會發(fā)生全內反射。在一些特定界面中，材料的折射率可用來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選分布。事實上，在本發(fā)明的一些實施例中，當適當調節(jié)材料的折射率時，不需要使用抗反射涂層160。事實上，在一個實施例中，在兩個太陽能電池層200和201之間沒有濾波器，相反， 在某些波長處材料的折射率被選擇為在適當光子能量處對于適當太陽能電池層產生光子截留，并且在兩個太陽能電池層200和201之間的界面實現(xiàn)了本發(fā)明的單向光子濾波器。該實施例在圖2D中示出。例如，在一個實施例中，第二太陽能電池201在低于第一太陽能電池200的能帶隙的能量處具有高相對折射率，在高于第一太陽能電池200的能帶隙的能量處具有低相對折射率。通過這樣選擇折射率，更適合第一太陽能電池層200的帶隙的高能量光子在第二太陽能電池201的界面處被反射回第一太陽能電池200中。此外，更適合第二太陽能電池層201的帶隙的低能量光子此時將透過該界面。此外，被透射至第二太陽能電池201內的光子通常從第二太陽能電池201底部的反射器反射回來。當這些光子返回該界面時，全內反射的可能性非常大，因為對于返回的被反射光子來說，界面具有高相對折射率nfM和低相對折射率nt(l。因此，返回的光子被捕獲到第二太陽能電池層201內，除非其能夠傳送至另一個第三太陽能電池層或穿過具有類似折射率的界面或此前提及的其它單向濾波器選項中的一些離開。此外，由此產生了破壞(disruptive) 的發(fā)明實際上，在疊層太陽能電池中，太陽能電池材料的折射率-波長函數(shù)應在所述太陽能電池材料的帶隙附近達到峰值，甚至更優(yōu)選地在遠離該帶隙的能量下具有低折射率。因此，疊層太陽能電池中的太陽能電池層應具有與折射率-波長函數(shù)一起達到峰值的QE(量子效率)_波長函數(shù)，即，在本發(fā)明的疊層太陽能電池的太陽能電池層中，高折射率將理想地與高QE相關。很顯然，根據(jù)本發(fā)明具有通過如上所述選擇太陽能電池層材料的折射率實現(xiàn)的一個以上的光子濾波器。例如，具有四個太陽能電池層的疊層太陽能電池可具有通過選擇具有合適的折射率的各個太陽能電池層實現(xiàn)的兩個界面，以及具有一些更精致的單向光子濾波器構造的一個界面，例如，如前所述的空間光譜調制、抗反射涂層和/或粗糙化的界面。 當然，還根據(jù)本發(fā)明的是，在太陽能電池層之間具有單個濾波器層，如圖2C所示。λ工光子接著通過濾波器170進入第二太陽能電池201，A4光子被布置成截留在第二太陽能電池201中，而λ3光子被布置成穿過濾波器111并離開第二太陽能電池201。 與此前所述一致，第二太陽能電池201通常被布置成在光子λ 4的能量處具有高量子效率， 該光子通常為光子群入工的高能量光子。通常根據(jù)本發(fā)明，光子入3具有較低能量和較長波長，在該波長下，第二太陽能電池201不再有效率。因此，λ 3光子被布置成離開第二太陽能電池，并且可以進入第三太陽能電池(未示出)，或者僅僅離開疊層太陽能電池。λ3光子通常透過根據(jù)本發(fā)明的濾波器111并到達抗反射界面165，因為如上所述，λ 3光子是第二太陽能電池中不需要的。在這種特定情況下，已通過將兩個光子濾波器111和171之間的界面粗糙化來實現(xiàn)抗反射界面165。粗糙化的界面165被布置成通常通過光子濾波器171來防止全內反射和反射。這是因為在粗糙化的界面中，光子不能以全內反射的角度通過單次反射逸出界面， 相反，它們將在通常允許透射的粗糙界面中某些地方以入射角到達光子濾波器171。很顯然，在本發(fā)明的一些實施例中，圖2Β的抗反射涂層160和/或抗反射界面165 可用來替代圖2Α的空間光譜調制光學濾波器構造(120、130、140)。很顯然，本發(fā)明的疊層太陽能電池的特征可以在于具有任何數(shù)量和任何類型的濾波器構造的太陽能電池，這些濾波器構造可包括具有根據(jù)本發(fā)明的任何組合和/或排列的抗反射涂層160、抗反射界面165、適當選擇的折射率nt。、nfroffl和/或空間光譜調制。應該指出的是，可根據(jù)本發(fā)明將任何界面粗糙化以增強抗反射性，例如，也可根據(jù)本發(fā)明使基于如上所述所選折射率布置到濾波器光子的界面粗糙化。為清楚起見，應該指出的是，疊層太陽能電池具有與圖2A、2B、2C和2D中的入射陽光平行的耗盡區(qū)界面。很顯然，耗盡區(qū)界面也可以與入射陽光垂直或事實上成任何角度，因為重點是讓光子進入根據(jù)本發(fā)明具有光電活性的第一太陽能電池200。在本發(fā)明的一些實施例中，P區(qū)和N區(qū)之間的耗盡區(qū)界面被布置成垂直于入射陽光，但根據(jù)本發(fā)明，任何布置都是可能的。收集產生的光電流的電觸點在圖2B中示出為前觸點250和后觸點251，但很顯然，它們可以根據(jù)本發(fā)明被設置成適應不同構造。電觸點通常被隱藏以最小化遮蔽損失， 例如通過如前觸點250所示的斜埋觸點(Angled Buried Contacts)，其中觸點實際上以一定角度埋在表面下面，從而不產生對入射輻射的遮蔽。甚至內埋觸點也應根據(jù)本發(fā)明制備成反射光子。相似地，可使用任何光學集中器、透鏡等將陽光或來自其它光源的光聚焦到本發(fā)明的太陽能電池，尤其是聚焦到根據(jù)本發(fā)明的第一太陽能電池200的入射側，圖2C中僅示出一個實例。應該指出的是，根據(jù)本發(fā)明，實施例21可與在上文和下文中的實施例10、20、22、 23、30、40和/或50自由排列與組合。圖2C示出了具有在陽光入射側的聚光裝置190和截留反射器180、181的實施例22。光子通常被會聚到耗盡區(qū)，并且在第一太陽能電池層200的頂部可存在分散反射器 195，以確保反射的光子不被反射并通過進入時的小孔離開太陽能電池。圖2C還示出在所述太陽能電池層200和201之間的單個單向濾波器100，這是本發(fā)明的有用實施例。應該指出的是，實施例22可根據(jù)本發(fā)明與在上文和下文中的實施例10、21、23、 30,40和/或50自由排列與組合。圖2D示出本發(fā)明的最簡單實施例23，但該實施例對所選材料的標準最嚴格。在該實施例中，濾波器100純粹通過兩個太陽能電池層200和201之間的界面100來實現(xiàn)，這些太陽能電池層具有如上所述經選擇的帶隙和折射率。應該指出的是，實施例23可根據(jù)本發(fā)明與在上文和下文中的實施例10、21、22、 30,40和/或50自由排列與組合。圖3示出本發(fā)明的一個實施例，其中存在四個太陽能電池層200、201、202和203 以及三個或四個光子濾波器100、101、102和103。應當認識到，本發(fā)明的其中一個關鍵的創(chuàng)新概念是讓每個太陽能電池層在一定能帶處工作，在該能帶處，太陽能電池層利用盡可能多的所述能帶的光子而具有高量子效率(QE)，并且將不在該能帶的光子移動到在這些被移動的光子的能帶處具有更好QE的另一個太陽能電池層。因此，太陽能電池層的QE-波長分布對于在設計中實施多少太陽能電池層很重要。通常，對于半導體結來說，最佳能量周圍的能帶越窄，量子效率越高。當進入的能帶包括具有僅略大于帶隙的能量的光子時，光子中的幾乎所有能量會被光電轉換，從而產生高效率。在本發(fā)明的一個實施例30中，疊層太陽能電池包括若干太陽能電池層200、201、 202、203，并且在兩個太陽能電池層之間存在光子濾波器100、101、102。光子濾波器調整為僅捕獲具有適當能量的那些光子，在該能量下，太陽能電池層以理想地接近1的良好的量子效率(QE)工作。其余光子僅被光子濾波器傳遞到下一層。太陽能電池層200、201、202 優(yōu)選地非常薄或以其它方式設計，使得太陽能電池和一定能量的光子群之間的相互作用最小，在該能量下，量子效率不很好(即遠小于1)。在一些實施例中，最末太陽能電池層(即本例中的20 可以較厚。其也可以具有在與陽光入射側相反的一側上的反射鏡或光子濾波器103，該濾波器可被設計成讓熱光子出去，但捕獲具有光伏帶隙吸收勢(即足以被吸收的能量)的光子。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，第一太陽能電池層200為具有3. 電子伏)的帶隙的GaN層。在本發(fā)明的一些實施例中，第二太陽能電池層201為具有1. 93eV的帶隙的 InGaP層。在本發(fā)明的一些實施例中，第三太陽能電池層202為具有1. IeV的帶隙的多晶硅層。在本發(fā)明的另一些實施例中，最末太陽能電池層203為具有0. 17eV的帶隙的hSb層。 截止波長入!￡可能是什么呢？在層200中，具有小于3. ^V的帶隙的光子是沒用的，因為其不能被吸收為光電流。因此，λχ■應對應于3.4eV左右，S卩365nm，即可以讓波長365nm(納米)以上的光子通過的UV反射鏡。因此，帶隙1.93eV的hGaP第二太陽能電池層201將需要λ χ101對應于1. 93eV左右，即643nm，即可以讓波長643nm以上的光子通過的可見光反射鏡。帶隙1. IeV的多晶硅第三太陽能電池層202將需要用于λχΚΙ2的lU8nm，即紅外反射鏡。波長在閾值IUSnm左右以上的光子將被透射到具有hSb帶隙0. 17eV — 7301nm的第四層203。在本發(fā)明的一些實施例中，該最末層203將被制備得較厚，因為所有剩余光子都應在該層203中相互作用。在本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選地將太陽能電池系統(tǒng)制備得較薄。在本發(fā)明的一些實施例中，每個太陽能電池層的厚度是與帶隙相當?shù)牟ㄩL的合理倍數(shù)，以確保太陽能電池層中的光子的粒子性質。例如，如果倍數(shù)為10，則太陽能電池層200、201、202和203將分別具有3650nm、6430nm、11280nm和73010nm的厚度。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，四分之一波長抗反射涂層將分別具有大致91. 25nm、160. 75nm、282nm和1825nm的厚度。假設濾波器具有可比較的厚度，則根據(jù)本發(fā)明的該實施例，該結構將為約1毫米厚。自然地，這些參數(shù)可以根據(jù)本發(fā)明調整。顯然，四層疊層太陽能電池為優(yōu)選實施例，因為其非常好地對太陽光譜和所得二次光譜(在第一太陽能電池層之后出現(xiàn)的光譜)、三次光譜(在第二太陽能電池層之后出現(xiàn)的光譜)和四次光譜(在第三太陽能電池層之后出現(xiàn)的光譜)進行采樣。應注意的是，實施例30可根據(jù)本發(fā)明與在上文和下文中的實施例10、20、21、22、 23,40和/或50自由排列與組合。圖4示出了在能量空間(即光譜空間)中的本發(fā)明的示例性實施例。入射太陽光譜300從UV區(qū)的200nm延續(xù)至大約MOOnm，光譜300為通常在地球上出現(xiàn)的AM 1. 5G 1000ff/m2太陽光譜。第一太陽能電池層200具有能量比GaN略低并且能量比InGaP略高的太陽能電池響應。其在365-645nm之間(即藍光)具有相當高的QE，如在光譜300下面的 QE圖中所示。由于太陽能電池響應實際上與入射光譜300中密集的大凸起重合，示出收集的光電流功率譜的光譜分布(從而由第一太陽能電池層200產生的能量和功率)的光電流功率譜400在形狀上與第一太陽能電池層200的響應非常類似。然而，光子光譜401在到達第一光子濾波器100時將有較大變化。光子濾波器100在本發(fā)明的一些實施例中將對光子光譜401進行空間光譜調制，或者如上所述使用另一個單向濾波器。光子濾波器100將優(yōu)選地反射具有較高能量和較短波長的λ 2光子，即具有應與根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池層 200的能帶隙相對應的λ χ1(ΚΙ的較短波長的光子。λ工光子將被聚光裝置或其它空間調制裝置(產生調制的空間分量)或者被另一個單向濾波器透射至第二太陽能電池層201，并且在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，該層將再次具有不同的截止頻率λ χ101。太陽能電池響應201從該光子群轉化光電流。光子濾波器101將把λ 4光子反射回太陽能電池層201，并且進行反射的反射器位于與陽光入射側面向相同方向的一側上。光子濾波器100將具有在小孔140(將X1光子釋放到第二層201內)周圍的反射器150或另一個反射濾波器170或界面，該反射濾波器或界面如前所述位于面向第二太陽能電池層的陽光入射側上。該反射器將把λ 5光子再次從光子濾波器100的與陽光入射側相反的一側反射回去，導致光子被截留在光子濾波器100和101之間，以便光子可與第二太陽能電池層的帶隙相互作用。盡管光子濾波器將是單向的，但在實際情況下，可能無法實現(xiàn)完全理想的單向濾波結果在采用空間光譜調制的情況下，通過返回的光子不大可能地入射到小孔，將發(fā)生少量光子泄漏，在折射率結構中可能保留一些散射角光子，在該入射角下，一小部分光子或許能夠違背單向性，即使其處于本應將其截留在當前所處的太陽能電池層內的能量。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，其余低能量光子λ 3被傳送到第三太陽能電池層 202，或者在本發(fā)明的一些實施例中只是離開疊層太陽能電池被釋放或保留在晶格中。應該指出的是，實施例40可根據(jù)本發(fā)明與在上文和下文中的實施例10、20、21、 22、23、30和/或50自由排列與組合。圖5以流程圖50示出本發(fā)明的方法和裝置的操作的實施例。我們首先觀察光子進入第一太陽能電池層200之后的情況。一旦光子群穿過第一太陽能電池層200，一些光子即被吸收和在該太陽能電池層中激發(fā)光電流。在穿過優(yōu)選地很薄的第一太陽能電池層200 之后，光子在步驟600中到達光子濾波器100，在該步驟中，具有比λ χ1(ΚΙ短的波長的光子被反射回第一太陽能電池層200。入射和反射的光子產生太陽能電池200的光功率。在步驟610中，具有比λ χ■長的波長的光子被至少一個透鏡120聚光。該透鏡可具有根據(jù)本發(fā)明的任何形狀和任何材料，但也可被任何其它聚光裝置代替，事實上可被能夠以所需方式將光子群分開的任何裝置(例如被單向濾波器)代替。關于將穿過的光子聚光的關鍵是進行空間方面的調制，以便在光子濾波器100的面向第二太陽能電池層201的另一壁實現(xiàn)足夠的反射表面。根據(jù)本發(fā)明，在一些實施例中，采用其它等同裝置來進行聚光和空間調制。例如和替代地，在一些實施例中，具有比λ χ1(ΚΙ長的波長的光子可傳送到抗反射涂層或如圖2Β中所解釋的粗糙界面，或者可以傳送到具有一定折射率的界面或如圖2C所示和如前所述的單向濾波器100，所述折射率被調節(jié)為確保如圖2D所示和如前所述的光子選擇和截留。在步驟620中，具有比λ χ■長的波長的光子經至少一個小孔140進入太陽能電池 201，該小孔通常非常小，以便最大化光子濾波器100的面向第二太陽能電池層201的另一壁的反射區(qū)域150。這些入射光子中的一些此時從第二太陽能電池層201產生光功率。在步驟630中，具有比λχ1(ΚΙ短的波長的光子被光子濾波器101反射。這些光子因而只是被反射回第二太陽能電池層201。這些被反射的光子中的一些被吸收并且產生太陽能電池201 的光功率。被反射的光子中的一些再次穿過第二太陽能電池層201，而沒有被吸收。假設其波長比λ χΚΙ1短，則這些光子被再次反射，這次是被光子濾波器100的反射器150反射。在本發(fā)明的一些實施例中，在面向第二太陽能電池層201的壁上的光子濾波器的反射器150被設計成簡單地反射回所有光子或根據(jù)本發(fā)明在盡可能寬的帶上反射盡可能多的光子。在步驟630中，此時將存在在根據(jù)本發(fā)明的光子濾波器100和101之間來回跳動的光子群。這種光子截留為光子被吸收到第二太陽能電池層201內提供了若干機會。在步驟640中，不再有機會被轉化為光電流的光子被透鏡121或其它聚光裝置會聚。合理的是調節(jié)截止λχ1(ι1，以便將確實有機會在第二太陽能電池層201內被吸收的所有光子反射回去，但自然地，可根據(jù)本發(fā)明以其它方式(例如基于其它設計標準)選擇λχΚΙ1。在步驟650中，具有比λ xlQ1長的波長的光子進入太陽能電池202，優(yōu)選地，從光子濾波器101面向第三太陽能電池層202的壁內的小孔141進入。該過程在第三太陽能電池層202內以上述相同的原理進行，所不同的是以更長的波長來產生太陽能電池202的光功率。應該指出的是，實施例50可根據(jù)本發(fā)明與在上文和下文中的實施例10、20、21、 22、23、30和/或40自由排列與組合。結合提供對光子單向濾波的空間光譜調制來解釋方法50的操作。根據(jù)本發(fā)明，使用前述其它單向光子濾波器來實現(xiàn)對已作必要修正的實施例50的操作。還應該注意的是，在所有或一些實施例中，除了帶隙間半導體之外，也可使用帶隙內半導體結(例如量子級聯(lián)半導體結)來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的特定太陽能電池層的所需光電性質。此外，還應該指出的是，本發(fā)明的太陽能電池不一定是正方形或平坦的，實際上，其可以實現(xiàn)為任何形狀，例如在一些實施例中為球形，如名稱為“Hiermodynamically shielded solar cell”(熱力學屏蔽的太陽能電池)的FI20070743及其對等專利或其它文獻中所述。 此外，還應強調的是，在本發(fā)明的一些實施例中，本發(fā)明的太陽能電池或疊層太陽能電池系統(tǒng)可以實現(xiàn)為從納米級結構到大型結構的任何尺寸。從發(fā)電廠級別的裝置到非常小的便攜式裝置的電源解決方案，根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池和光子濾波系統(tǒng)可在許多市場中使用。還應該注意的是，此處已將本發(fā)明描述為最高帶隙太陽能電池和最高帶通濾波器首先入射陽光。應該注意的是，本發(fā)明也可以相反的順序實施，即在一些實施例中首先存在較小能量的太陽能電池層和濾波器。實際上，在本發(fā)明的一些實施例中，太陽能電池層的帶隙可具有任何順序，重要的是，這些太陽能電池層利用適當?shù)哪芰康墓庾庸ぷ鳎谠撃芰肯?，太陽能電池層具有良好的QE，并且不利用使QE較低的能量的光子工作。然而，在本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選的是，在從疊層太陽能電池的陽光入射側向反面移動時，首先是最高帶隙的材料，并且濾波的進行和帶隙具有從高到低的順序，因為這樣產生能量的每個第一光電單元產生最少次數(shù)的光電吸收。通俗地講，吸收其自身的較大能量的光子首先以較少量的吸收產生較多能量，因為吸收具有較高能量。這導致較少量的二次光子和聲子的產生，并且我們確實想要避免小能量光子，尤其是當其能量過小使得迫使我們在連續(xù)的太陽能電池層中尋找足夠小的帶隙時。然而，當首先從低帶隙材料開始時， 會發(fā)生多次的吸收，但以每次吸收是在低單位能量進行的。在這種情況下，能量較高的光子將產生大量二次光子，并且光譜將“變冷”，即相當快地移動至較低E的光子。一旦這些光子開始接近我們無法再進行光電收集的能量，它們就開始寄生，因而不是優(yōu)選的。應該注意的是，此處所述實施例可以任何組合或排列方式與本發(fā)明人的下列其它專利申請和/或其對應的國際專利中描述的任何實施例結合使用名稱為“An active solar cell and method of manufacture”(有源太陽能電池和制造方法)的 FI20070264; 名稱為“Thermodynamically shielded solar cell”(熱力學屏蔽的太陽能電池)的 FI20070743 ；名稱為“Method and means for designing a solar cell”(設計太陽能電池的方法和裝置)的FI20070801 ；和名稱為“Low cost solar cell”(低成本太陽能電池)的EP 09154530. 1，這些專利明確地并入本申請中。例如，在本發(fā)明的一些實施例中，優(yōu)選地尤其在較下層太陽能電池層中使用如 FI20070264中所述的偏置電壓，以便在非常低的帶隙下實現(xiàn)光電轉換。例如，在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，可通過非常有效的方式實現(xiàn)FI20070743中的聚光和對流、傳導和/或輻射屏蔽方案，以確保高光子通量。同樣，可使用FI20070801中的軟件設計方法來設計根據(jù)本發(fā)明的疊層電池中的一些。EP 091M530. 1中的一些成本降低實施例或其它實施例可與本發(fā)明的實施例結合。因此，通過將同一發(fā)明人的這五個專利申請的實施例組合，可得到許多可用的實施例，這些專利都涉及相同的主題，即為全球能源問題提供光電解決方案。應該注意的是，從上述太陽能電池層收集光電流的電極可被布置成根據(jù)本發(fā)明的任何構造。此外，p-n結相對于入射陽光通量或人工光的位置和/或角度可被布置成任何位置和/或角度，并且本發(fā)明的系統(tǒng)可以任何幾何形狀實現(xiàn)。目前尚不清楚導致太陽能電池效率不足的全部因素。然而，根據(jù)本申請人的研究， 一般的疊層太陽能電池主要受累于光子-聲子過程，該過程發(fā)生在太陽能電池的最大量子效率的譜帶以外。本申請中提出的創(chuàng)新性概念，即過濾光子群以使得疊層太陽能電池的所有層都以其最佳量子效率(QE)工作，將大大提高太陽能電池的效率和所產生的功率。由于將光子返回前面的太陽能電池層的不期望的泄漏最小化，因此本發(fā)明的光子濾波器的單向性實現(xiàn)了這個優(yōu)點。上述發(fā)明具有多個應用場景。本發(fā)明的太陽能電池可安裝到發(fā)電廠，以產生入網的電能。本發(fā)明可安裝到任何建筑物上，以便為該建筑物或別處的空調和家用電器等提供電能。本發(fā)明的太陽能電池可安裝到車輛上，以便為車輛的馬達供電、為電池充電或為車輛的電器供電。然而，由于本發(fā)明的太陽能電池具有相當高的設計和初始制造成本，最有利的應用可能是在便攜式電子設備領域。膝上型計算機、移動電話、電剃須刀、脫毛機、電牙刷、 計算器、諸如MP3播放器(如ipod)的音樂播放器、掌上電腦、電視機、收音機、屏幕、監(jiān)視器、打印機、閃存驅動器、外接硬盤驅動器、手表和/或目前需要充電器的任何其它類型的電動設備都可以安裝本發(fā)明的太陽能電池。由于本發(fā)明的太陽能電池可非常有效地產生單位面積的高功率，因此該太陽能電池可使裝置的電池始終保持大量電能，而不會增加便攜式裝置的尺寸。本發(fā)明的另一個突出優(yōu)點是，其也可以非常有效地將人工光轉化為電能。在一個有利的實施例中，疊層太陽能電池的至少一個太陽能電池層被專門布置成使其具有一定的帶隙和光譜響應，可以有效地將室內的燈(例如，熒光燈、LED(發(fā)光二極管)或燈泡) 發(fā)射的光子轉化為電能。通過根據(jù)本發(fā)明選擇具有適當光譜響應和帶隙的太陽能電池層材料，本發(fā)明的太陽能電池層也可被布置成在室內和室外陽光下均良好地工作。很顯然，本發(fā)明的太陽能電池可以被偽裝，以在美學上適合任何產品或建筑物。另外，很顯然，本發(fā)明的太陽能電池可與其它發(fā)電機制(例如，通過壓電晶體等進行動能發(fā)電)結合，以增加便攜式電子設備的電池時間，甚至在本發(fā)明的一些實施例中可以不使用電網充電器。事實上，包括被布置成通過光電轉換發(fā)電的太陽能電池(由陽光和室內燈光)和被布置成由其機械運動(例如，通過使用和攜帶電力系統(tǒng)的人的機械運動)發(fā)電的壓電晶體的發(fā)電系統(tǒng)本身就是一項發(fā)明。該系統(tǒng)可用來實現(xiàn)具有長得多的電池時間的新裝置，或者甚至不受電網充電限制的新的便攜式裝置。機械和光伏電源的組合尤其優(yōu)選，因為光伏發(fā)電在便攜式裝置暴露時工作，而壓電和/或基于例如可見于手表中的擺動和/或彈簧的其它機械發(fā)電系統(tǒng)通常在便攜式電子設備被隱藏在使用者口袋中(即被移動到暗處)時使用。這樣，本發(fā)明的系統(tǒng)幾乎隨時都在為便攜式電子設備充電。尤其是在一個實施例中，機械發(fā)電機和太陽能電池的組合電力系統(tǒng)的特征在于具有在一定能量處的帶隙的太陽能電池，該能量與從熒光燈或其它室內照明系統(tǒng)發(fā)射的光子(通常在400-500nm的波長)相關。本發(fā)明的疊層太陽能電池將完美地適合用于便攜式裝置的上述電源解決方案，因為其可以處理各種入射光光譜，例如在一些實施例中的室內燈光光譜。上文已經結合上述實施例說明了本發(fā)明，并且已經展示了若干種商業(yè)和工業(yè)優(yōu)點。本發(fā)明的方法和裝置允許構造這樣的太陽能電池其中大量非常薄的太陽能電池層分別以幾乎100%的量子效率工作，因為本發(fā)明的光子濾波器將光子群限制在太陽能電池層的最有效譜帶內，從而通過本發(fā)明使實踐中理想的太陽能電池成為可能，該電池提供了接近太空中的太陽常數(shù)1. 37kff/m2和地面上大約lkW/m2的功率。上文已結合上述實施例說明了本發(fā)明。然而，很顯然，本發(fā)明并不限于這些實施例，還包括在下列權利要求和本發(fā)明的精神和范圍內的所有可能的實施例。參考文獻FI20070264An active solar cell and method of manufactureFI20070743Thermodynamically shielded solar cell FI20070801Method and means for designing a solar cellEP 09154530. ILow cost solar cellEP 1724841A1, Josuke Nakata, “ Multilayer Solar Cell"US 6320117,James P.Campbell et al. ," Transparent solar cell and method of fabrication " US 6689949, Ugur Ortabasi, Concentrating photovoltaic cavity converters for extreme solar-to-electric conversion efficiencies.US 2008/0251112A1, David g. Jenkins, Concentrating photovoltaic kaleidoscope and method.Solar Electricity, Thomas Markvart,2nd Edition, ISBN0-471-98852-9" An unexpected discovery could yield a full spectrum solar cell, Paul Preuss,Research News, Lawrence Berkeley National Laboratory.US 5021100, Takashi Ishihara et al. Tandem Solar Cell。
19
權利要求
1.一種疊層太陽能電池，其包括至少兩層太陽能電池，第一層(200)和第二層001)， -在第一太陽能電池層(200)和第二太陽能電池層(201)之間布置第一光子濾波器(100)，-第一太陽能電池層(200)被布置成在與陽光的入射側相反的一側上具有光子濾波器 (100)，-光子濾波器(100)被布置成將一定能量(λ 2)的光子反射回第一太陽能電池層(200)中，-光子濾波器(100)被布置成透過沒有被布置成被反射的其它能量(X1)的光子，并且這些光子被布置成進入第二太陽能電池層Ο01)，其特征在于，光子濾波器(100)被布置成從其第一側(110，111)反射具有比λ2短的波長的光子，并且通過下述方式被布置成透過比λ 2長的波長的光子，所述方式是會聚(120，121)所述長波長光子以使其離開光子濾波器(100，101)的與第一側相反的另一側上的小面積孔(140， 141)，并且光子濾波器(100，101)的另一側被布置成反射(150，151)比λ 2長的波長的所述光子中的至少一些。
2.根據(jù)權利要求1所述的疊層太陽能電池，其特征在于，所述一定能量(λ2)是第一太陽能電池層(200)具有比第二太陽能電池層Ο01)高的量子效率(QE)處的能量，和/或所述其它能量(X1)是第二太陽能電池層Ο01)具有比第一太陽能電池層(200)高的量子效率(QE)的能量。
3.根據(jù)權利要求1所述的疊層太陽能電池，其特征在于，第二太陽能電池(201)被布置成在與陽光的入射側相反的一側(111)和陽光入射側(150)上具有光子反射器。
4.根據(jù)權利要求1所述的疊層太陽能電池，其特征在于，光子濾波器(100，101)被布置成會聚(120，121)其它能量的所述光子，并且所述光子從與陽光的入射側(150，151)相反的光子濾波器(100,101)側穿過小孔(140，141)。
5.根據(jù)權利要求1所述的疊層太陽能電池，其特征在于，光子濾波器(100，101，102， 103)為介電堆疊和/或梳狀濾波器和/或兩種濾波器的組合。
6.根據(jù)權利要求1所述的疊層太陽能電池，其特征在于，第二太陽能電池層(201)被布置成在與陽光的入射側相反的一側上具有第二光子濾波器(101)。
7.根據(jù)權利要求6所述的疊層太陽能電池，其特征在于，-第二光子濾波器(101)被布置成將具有作為第二太陽能電池層Ο01)具有高量子效率的能量處的能量的光子反射回到第二太陽能電池Ο01)中，-通過位于第一光子濾波器(100)中與陽光的入射側相反的一側上的光子反射器 (150)，第一光子濾波器(100)也被布置成將具有作為第二太陽能電池層(201)具有高量子效率處的能量的能量的光子反射回到第二太陽能電池層Ο01)中，-光子濾波器(100，101)被布置成將處于第二太陽能電池層Ο01)具有高量子效率 (QE)處的能量的光子俘獲到第二太陽能電池層Ο01)中。
8.根據(jù)權利要求6所述的疊層太陽能電池，其特征在于，-第二光子濾波器(101)被布置成透過不處于所述第二太陽能電池Ο01)具有高量子效率(QE)處的能量的光子，-所述透過的光子被布置成進入第三太陽能電池002)。
9.一種用于制備根據(jù)權利要求1所述的太陽能電池的方法。
10.一種疊層太陽能電池，其包括至少兩個太陽能電池層，其特征在于，所述疊層太陽能電池(20，30)被布置成將入射光子傳送到太陽能電池層000，201，202，203)，與疊層太陽能電池中的其它所述太陽能電池層相比，所述太陽能電池層(200，201，202，20 在所述入射光子的能量處具有最高量子效率(QE)。
11.根據(jù)權利要求6和/或10所述的疊層太陽能電池，其特征在于，所述被傳送的光子被布置成被捕獲到具有最佳量子效率(QE)的所述太陽能電池層000，201，202，203)中。
12.一種疊層太陽能電池，其包括至少兩層太陽能電池，第一層(200)和第二層001)， 其特征在于，-在第一太陽能電池層(200)和第二太陽能電池層(201)之間布置第一光子濾波器 (110)，-在所述第一光子濾波器(110)和第二太陽能電池層(201)之間布置抗反射層(160， 165)，-在所述抗反射涂層(160)和第二太陽能電池層O01)之間布置第二光子濾波器 (170)。
13.根據(jù)權利要求12所述的疊層太陽能電池，其特征在于，所述抗反射層(160，165)通過粗糙化在第一光子濾波器(Iio)和第二光子濾波器(170)之間的界面中的表面來建立。
14.根據(jù)權利要求12所述的疊層太陽能電池，其特征在于，抗反射層(160)由四分之一波長抗反射層來建立。
15.根據(jù)權利要求12所述的疊層太陽能電池，其特征在于，光子被布置成被捕獲到具有最佳相對量子效率(QE)的太陽能電池層中。
16.一種疊層太陽能電池，其包括至少兩層太陽能電池，第一太陽能電池層(200)和第二太陽能電池層001)，其特征在于，在所述第一太陽能電池層(200)和所述第二太陽能電池層O01)之間布置至少一個單向光子濾波器(100)。
17.根據(jù)權利要求16所述的疊層太陽能電池，其特征在于，光子被布置成被捕獲到具有最佳相對量子效率(QE)的太陽能電池層(200，201，202，20 中。
18.一種疊層太陽能電池，其包括至少兩層太陽能電池，具有帶隙能Ebg的第一太陽能電池層(200)和第二太陽能電池層001)，其特征在于，第二太陽能電池(201)在等于或高于&8的光子能量處具有比第一太陽能電池層(200)低的折射率。
19.根據(jù)權利要求18所述的疊層太陽能電池，其特征在于，第二太陽能電池(201)在低于&8的光子能量處具有比第一太陽能電池層(200)高的折射率。
20.一種疊層太陽能電池，其包括至少兩層太陽能電池，第一太陽能電池層(200)和第二太陽能電池層001)，其特征在于，至少一個太陽能電池層(200，201)被布置成使其量子效率(QE)-波長函數(shù)和其折射率-波長函數(shù)在相同波長處達到峰值和/或高值。
21.一種包括至少一個太陽能電池的便攜式電子設備，其特征在于，所述便攜式電子設備的特征是被布置成由所述便攜式電子設備的機械運動產生電力的至少一個壓電晶體和/ 或至少一個機械裝置。
22.根據(jù)權利要求21所述的便攜式電子設備，其特征在于，所述太陽能電池是根據(jù)權利要求1、10、12、16、18和/或20所述的疊層太陽能電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于提高產生的功率從而提高太陽能電池(20，30)的效率的方法和裝置。本發(fā)明的最佳方式目前被視為雙結或三結疊層太陽能電池(20，30)，其在太陽能電池層(200，201，202，203)之間分別具有一個或兩個光子濾波器(100，101)。光子濾波器(100，101，102)被布置成反射具有比λx短的波長的光子，并且被布置成通過以下方式透過具有比λx長的波長的光子會聚較低能量光子，使其離開光子濾波器(100，101，102)的另一側上的小面積孔(140，141)，并且將光子濾波器(100，101，102)的另一側布置成反射(150，151)具有比λx長的波長的所述光子中的至少一些。通過使用在太陽能電池層(200、201、202和203)之間的本發(fā)明的光子濾波器(100、101和102)，可在濾波器之間將具有太陽能電池層的量子效率(QE)最高的能量的光子捕獲到太陽能電池層。
文檔編號H01L31/06GK102428575SQ201080021674
公開日2012年4月25日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權日2009年6月10日
發(fā)明者米科·韋內寧 申請人:米科·韋內寧