專利名稱：導(dǎo)波光伏裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏裝置，尤其是指波導(dǎo)式光伏電池。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的薄膜型光伏電池，例如半導(dǎo)體硅太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池和有機(jī)太陽(yáng)能電池，其光吸收能力或交互酌長(zhǎng)度有限而導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)化效率較低，因?yàn)檠b置在有限的交互酌長(zhǎng)度內(nèi)未能對(duì)入射太陽(yáng)輻射的大部分進(jìn)行吸收。特別對(duì)于硅薄膜電池而言，由于硅的間接帶隙而導(dǎo)致其光吸收能力較差，故而，人們期待找到一種增強(qiáng)硅薄膜電池的光吸收的方法。人們已為薄膜式光伏電池開發(fā)出各種類型的陷光裝置。但，傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)的陷光效能有其應(yīng)用局限性。例如，在有機(jī)電池中，較強(qiáng)的激子鍵合能、光生電子和空穴的快速?gòu)?fù)合及載流子的緩慢擴(kuò)散等，要求光敏區(qū)必須足夠薄，以使電荷能夠在復(fù)合之前被分離出來(lái)。 在典型的結(jié)構(gòu)中，有機(jī)電池的光敏區(qū)的厚度大約為幾十納米，這樣的尺寸導(dǎo)致了其對(duì)入射太陽(yáng)輻射的低吸收率。類似地，在染料敏化電池中，光敏染料以單層形態(tài)出現(xiàn)而用于促使激子分離。因此，光敏區(qū)的總厚度受制于供電荷傳輸?shù)挠糜诔休d染料的多孔物質(zhì)?？梢岳斫獾?，增加有機(jī)電池和染料敏化電池的光交互酌長(zhǎng)度有利于提高轉(zhuǎn)化效率。薄膜式光伏電池通常包括有如下幾個(gè)薄層透明襯底(或頂襯)、防發(fā)射涂層、P摻雜和N摻雜區(qū)、光敏區(qū)和電極。對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池而言，P摻雜和N摻雜區(qū)可以不是薄膜，但仍適用于下面的一般性討論。除了不完全光子吸收外，轉(zhuǎn)化過(guò)程中還存在其他的損耗機(jī)制。例如，電極的吸收及P摻雜和N摻雜區(qū)中的自由載流子吸收均可降低裝置的效能。此外，本行業(yè)所熟知地，沿光線入射方向的光學(xué)模式分布是光伏裝置的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。理想地，光學(xué)模式分布應(yīng)該在電子-空穴對(duì)產(chǎn)生的工作區(qū)處達(dá)到峰值，特別是在有機(jī)電池的極薄工作區(qū)中。因?yàn)槟Ｊ椒植际菍雍窈筒牧瞎鈱W(xué)指數(shù)共同作用的結(jié)果，故而，為了獲得整體電池效能和可接受的生產(chǎn)效益，必須保證厚度的均勻性。在具有反射型陷光的電池中， 例如波紋結(jié)構(gòu)，部分所收集的光子在薄膜內(nèi)會(huì)經(jīng)過(guò)多次散射和反射。這種多次散射也可增加電極的吸收損耗和P摻雜和N摻雜區(qū)中的自由載流子吸收。太陽(yáng)輻射具有較寬的能譜。能量低于半導(dǎo)體帶隙水平(或者染料和聚合物的HOMO 和LUMO分離所需的能量)的入射光子不能在光伏裝置中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)而被浪費(fèi)掉。另一方面，能量超過(guò)半導(dǎo)體帶隙的光子所產(chǎn)生的電子在其到達(dá)裝置的電極之前會(huì)因加熱材料晶格而損耗其過(guò)剩的能量。為了重新獲得一些損失的能量，已開發(fā)出運(yùn)用具有不同帶隙的薄膜來(lái)捕捉不同能量或波長(zhǎng)的光子的技術(shù)，例如，通過(guò)堆疊不同的III-V族材料而形成所謂的多結(jié)電池。
很多薄膜沉積技術(shù)已被開發(fā)出來(lái)以用于生產(chǎn)這種多結(jié)電池。然而，制造高質(zhì)量的堆疊多層薄膜仍存在著電學(xué)和光學(xué)方面的挑戰(zhàn)。生長(zhǎng)溫度、摻雜劑、材料間晶格失配、層界面質(zhì)量和透明電極，等等，均為限制選擇高吸收材料、襯底和電極材料的能力和自由的潛在因素。在實(shí)現(xiàn)低成本太陽(yáng)能電池的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)之前，需解決這些影響薄膜生長(zhǎng)的復(fù)雜因素。此外，電流匹配在垂直堆疊層中很重要，因?yàn)殡娮雍涂昭ㄔ诒惶崛〕鲋绊槾螜M穿所有的層。在現(xiàn)有的工藝水平下，盡管半導(dǎo)體硅的光吸收系數(shù)因其固有的間接帶隙而較低， 但，由于其可用性和可靠性，半導(dǎo)體硅仍為太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的首選?？梢灶A(yù)見(jiàn)，為滿足未來(lái)清潔能源的發(fā)展需求，最終需要低成本、節(jié)材的高效能光伏裝置。將太陽(yáng)輻射聚集于光伏電池中已成為本行業(yè)所熟知的一種技術(shù)，其可減少光伏電池所需面積以節(jié)省成本。故此，人們研制出諸如折射、衍射(菲涅耳透鏡)和反射等各種類型的太陽(yáng)能聚光器。聚焦和非聚焦光學(xué)均得到應(yīng)用。在將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)向并聚集到光伏裝置的技術(shù)中，由于跟蹤要求和維護(hù)跟蹤裝置的額外成本，使得電池高效能成為關(guān)鍵?；?III-V族半導(dǎo)體的多結(jié)電池可適用于那些電池效能考慮優(yōu)于成本考慮的應(yīng)用。許多聚光型光伏系統(tǒng)依賴于具有高聚光率的大型聚光器。其中，一種技術(shù)是，在薄膜光伏電池(尤其是聚合物電池)中采用組合有反射型陷光結(jié)構(gòu)的微米級(jí)聚光器。除了使用更小的光伏裝置外，聚集太陽(yáng)輻射的技術(shù)也可導(dǎo)致電池效能的提高。在薄膜式光伏電池和本質(zhì)光伏電池中，光子進(jìn)入光伏電池的界面并橫穿堆層厚度 (cell thickness)而進(jìn)行傳播。如上所述，光敏材料的弱吸收性導(dǎo)致了薄膜式光伏電池的低效能。盡管現(xiàn)有行業(yè)所知的陷光技術(shù)可以提高吸收性能，但是，這些技術(shù)易于受到限制， 因?yàn)榻?jīng)過(guò)陷光結(jié)構(gòu)的折射和衍射不可避免地將光子發(fā)散出載流子產(chǎn)生區(qū)之外。本行業(yè)所知的其他技術(shù)包括有采用多重反射以增長(zhǎng)光線在載流子產(chǎn)生區(qū)的穿行距離。例如，授予!Arrest等人的美國(guó)第6333458號(hào)專利即揭露了一種光子循環(huán)光敏光電裝置，其利用諸如銀或鋁的金屬薄膜以形成反射層，用于將光線限制于載流子產(chǎn)生區(qū)之內(nèi)。 然而，金屬薄膜的使用限制了載流子產(chǎn)生區(qū)中可被利用的環(huán)境散射光輻射的數(shù)量，且該光電裝置需配置透明電極以進(jìn)行運(yùn)作。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)披露了若干不同的方法以解決在光伏裝置中提高效能和生產(chǎn)量的問(wèn)題，其中，多數(shù)解決方案均采用允許光子穿過(guò)光敏區(qū)及其周圍材料的平面界面而進(jìn)入載流子產(chǎn)生區(qū)的設(shè)計(jì)形式，這相同于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池。所需要的是一可用于薄型光敏層的具備高效光吸收性能的光伏裝置，用以提高能量轉(zhuǎn)化效率，并同時(shí)節(jié)約材料和成本。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方面，一種光伏裝置包括有一第一覆層材料；一光敏材料，其折射率大于所述第一覆層材料的折射率，所述光敏材料設(shè)置于鄰近所述第一覆層材料處；及一第二覆層材料，其折射率小于所述光敏材料的折射率，所述光敏材料設(shè)置于所述第一覆層材料和所述第二覆層材料之間以形成限定傳播光子的波導(dǎo)；及電氣連接于所述光敏材料的第一和第二電極。在本發(fā)明的另一方面，一種光伏裝置包括有一第一光敏材料，設(shè)置用于一光子束；及一第二光敏材料，其帶隙小于所述第一光敏材料的帶隙，所述第二光敏材料設(shè)置以接收來(lái)自于所述第一光敏材料的所述光子束的第一部分；一第三光敏材料，其帶隙小于所述第二光敏材料的帶隙，所述第三光敏材料設(shè)置以接收來(lái)自于所述第二光敏材料的所述光子束的第二部分。在本發(fā)明的再一方面，一種制造用于將光子束轉(zhuǎn)化為電能的光伏裝置的方法，包括有在一襯底上設(shè)置一層第一覆層材料；在所述第一覆層材料上設(shè)置一層光敏材料，所述光敏材料的折射率大于所述第一覆層材料的折射率；及在所述光敏材料層上設(shè)置一層第二覆層材料，所述第二覆層材料的折射率小于所述光敏材料的折射率。所述發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢(shì)見(jiàn)下文的說(shuō)明書，結(jié)合權(quán)利要求和附圖，業(yè)內(nèi)行家可清楚了解這些內(nèi)容，或在按本申請(qǐng)文件實(shí)施本發(fā)明后予以了解。本文件公布了導(dǎo)波光伏設(shè)備的多個(gè)實(shí)例，這些實(shí)例旨在將入射光子束導(dǎo)入預(yù)設(shè)的光程。光程位于光敏材料內(nèi)，這些光敏材料與周圍波導(dǎo)材料共同形成了界面。光生電荷載流子從光敏材料中提取，而光敏材料的方向與光子光程基本垂直。本發(fā)明總體上為光伏設(shè)備，例如太陽(yáng)能光伏設(shè)備，提高了薄光敏層的吸光性，從而提高能量轉(zhuǎn)化效率，節(jié)約有關(guān)材料，并降低成本。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的具有光子束聚光器的導(dǎo)波光伏裝置的橫截面示意圖；圖2為圖1的導(dǎo)波光伏裝置的端部的詳細(xì)示意圖；圖3為圖1的導(dǎo)波光伏裝置的另一實(shí)施例的橫截面圖，在圖1中，入射光子束通過(guò)全內(nèi)反射導(dǎo)入導(dǎo)波光伏裝置；圖4為用于將入射光子束轉(zhuǎn)向到兩個(gè)導(dǎo)波光伏裝置內(nèi)的光學(xué)元件的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的帶球形光子束聚光器的導(dǎo)波光伏陣列的一優(yōu)選實(shí)施例的等軸視圖；圖6為通道型(channel-type)導(dǎo)波光伏裝置的等軸視圖，其可用于圖5的導(dǎo)波光伏陣列上；圖7為一對(duì)帶一共用電極的通道型導(dǎo)波光伏裝置的等軸視圖，其可用在圖5的導(dǎo)波光伏陣列上；圖8為根據(jù)本發(fā)明的帶圓柱形(cylindrical type)光子束聚光器的導(dǎo)波光伏陣列的一優(yōu)選實(shí)施例的等軸視圖；圖9為平板型(planar-type)導(dǎo)波光伏裝置的等軸視圖，其可用在圖8的導(dǎo)波光伏陣列上；圖10為一對(duì)帶共用電極的平板型導(dǎo)波光伏裝置的等軸視圖，其可用在圖8的導(dǎo)波光伏陣列上；圖11為根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)波光伏裝置的另一優(yōu)選實(shí)施例的側(cè)視圖，其具有“ Λ ”形波導(dǎo)；圖12為根據(jù)本發(fā)明的具有波導(dǎo)芯的導(dǎo)波光伏裝置另一優(yōu)選實(shí)施例的側(cè)視圖，波導(dǎo)芯由不同吸收率的材料芯元件構(gòu)成，這些元件沿著光子束傳播方向排列；圖13為根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)波光伏裝置的另一實(shí)施例的側(cè)視圖，導(dǎo)波光伏裝置由不同吸收率的材料芯元件構(gòu)成，這些元件排列后形成一個(gè)空腔，如此一來(lái)，傳播中的光子束始終被約束在一定空間范圍內(nèi)，裝置可最大程度地捕捉光子。圖14為staking電池波導(dǎo)管另一優(yōu)選實(shí)施例的側(cè)視圖，這種staking電池波導(dǎo)管具有多種材料元件和并聯(lián)電池，在并聯(lián)電池里，入射光子束被光學(xué)元件進(jìn)行分光；圖15為用于將入射光子束導(dǎo)入一個(gè)導(dǎo)波光伏裝置的光學(xué)透射聚光器的圖解說(shuō)明；圖16為用于將入射光子束轉(zhuǎn)移到導(dǎo)波光伏裝置的光學(xué)反射聚光器的圖解說(shuō)明；圖17示出根據(jù)本發(fā)明的位于導(dǎo)波光伏裝置外圍的第二個(gè)光子束聚光器；圖18示出根據(jù)本發(fā)明的位于一對(duì)導(dǎo)波光伏裝置旁邊的第二個(gè)光子束聚光器；圖19為導(dǎo)波光伏裝置的圖解說(shuō)明，該導(dǎo)波光伏裝置由有機(jī)物質(zhì)或染料敏化物質(zhì)制成的“ Λ ”形波導(dǎo)芯和透鏡型光子束成像聚光器構(gòu)成；圖20為導(dǎo)波光伏裝置的圖解說(shuō)明，該導(dǎo)波光伏裝置由有機(jī)物質(zhì)或染料敏化物質(zhì)制成的“ Λ ”形波導(dǎo)芯和透鏡型光子束非成像聚光器構(gòu)成；圖21為導(dǎo)波光伏裝置的圖解說(shuō)明，該導(dǎo)波光伏裝置由有機(jī)物質(zhì)或染料敏化物質(zhì)制成的“ Λ ”形波導(dǎo)芯構(gòu)成，波導(dǎo)芯以集光器(collector)作為基片；圖22是“ Λ ”形波導(dǎo)導(dǎo)波光伏裝置上的反射型Winston型光子集合器的橫截面圖；圖23是“ Λ ”形波導(dǎo)導(dǎo)波光伏裝置上的反射型Winston型光子集合器的橫截面圖；圖M為根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合式光伏結(jié)構(gòu)的圖解說(shuō)明，其包括有機(jī)導(dǎo)波光伏裝置和無(wú)機(jī)導(dǎo)波光伏電池。
具體實(shí)施例方式下面的詳細(xì)說(shuō)明為目前實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。該說(shuō)明僅用于闡述本發(fā)明的一般原則的目的，而非用于限制之目的，因?yàn)樗降臋?quán)利要求書最佳地界定本發(fā)明的保護(hù)范圍。所揭露的光伏裝置及其制造方法可應(yīng)用于各種不同類型的光輻射轉(zhuǎn)化裝置。因此，盡管本發(fā)明以太陽(yáng)能電池的應(yīng)用為例以說(shuō)明該新型裝置和方法，但是，相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員可以理解，該新型裝置和方法將可應(yīng)用于其他類型的光伏裝置。根據(jù)本發(fā)明，所述光伏裝置通過(guò)將一束入射光子束聚集成預(yù)定尺寸并將其導(dǎo)入一個(gè)預(yù)定義的光路，例如波導(dǎo)芯或覆層含有至少一種光敏材料的渠道型或平面型薄型波導(dǎo)管，而取得了比傳統(tǒng)的薄膜式太陽(yáng)能電池更勝一籌的效能和運(yùn)作經(jīng)濟(jì)性。光生電子和空穴從其產(chǎn)生之處被提取出，并在大體垂直方向?qū)⑵湟龑?dǎo)到光波導(dǎo)傳播方向上來(lái)。所述光伏裝置結(jié)合了聚光器和波導(dǎo)管的優(yōu)點(diǎn)以提高總體轉(zhuǎn)換效能。因?yàn)樘?yáng)能產(chǎn)業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)光伏材料的大量需求，材料資源和成本越來(lái)越成為關(guān)注的焦點(diǎn)。如下所述，所公開的光伏裝置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)——其制造只需用到相對(duì)較少數(shù)量的昂貴的光伏材料——可通過(guò)聚集入射光輻射并將該聚集的光輻射波導(dǎo)穿過(guò)光敏材料的技術(shù)而獲得。光敏波導(dǎo)芯所需的厚度可限定在微米范圍內(nèi)，如作為覆層則只需幾十納米，并且，可以采用廉價(jià)的聚合物、玻璃和金屬聚光器以聚集光子。這些特性有助于大幅度地降低材料費(fèi)用，并使裝置的設(shè)計(jì)更具靈活性。此外，還可更為方便的設(shè)計(jì)光子集中量，而使所設(shè)計(jì)出的光伏模塊的重量較輕且具有薄膜式產(chǎn)品的特性。這種靈活的裝置結(jié)構(gòu)是所揭露的光伏裝置的眾多優(yōu)點(diǎn)之一。在現(xiàn)有的工藝水平下，典型的薄膜式太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效能大致相當(dāng)于本質(zhì)硅電池的一半，主要原因在于受限于厚度的硅的間接帶隙的光吸收率。盡管存在著厚度限制，人們已研發(fā)出許多陷光方法以增強(qiáng)光子的交互酌長(zhǎng)度。然而，此類陷光方法并未能夠有效地收集光子以克服所述厚度限制。在典型的陷光方法中，光從側(cè)面進(jìn)入光敏區(qū)，允許散射和電極內(nèi)的吸收損耗，這起到降低太陽(yáng)能電池裝置的效率的作用。相比之下，所公開的GWPV裝置對(duì)于克服這些陷光缺陷特別有用?？傮w而言，所披露的光伏裝置的結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)有技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。例如，因?yàn)楣庾哟篌w平行于波導(dǎo)而傳播，故而光子吸收長(zhǎng)度由波導(dǎo)長(zhǎng)度而非薄膜厚度決定。采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，幾乎所有有用的光子均可被吸收。由于光子平行于波導(dǎo)而傳播，裝置的電極不會(huì)阻擋入射光子，而無(wú)需配置透明電極。部件的設(shè)計(jì)者具有較大的余地以設(shè)置電極，例如將電極放置于電子-空穴產(chǎn)生區(qū)，或者采用大型電極以減少串聯(lián)電阻。金屬電極層可直接用作光子循環(huán)的空腔(即用于減少發(fā)射損耗)。此外，所述波導(dǎo)也可與一低損耗光學(xué)諧振腔——例如布拉格反射器或者光子結(jié)構(gòu)——集成，以遏制自發(fā)輻射而實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換率，通常超過(guò)正常本質(zhì)硅電池的硅基光敏區(qū)的效率。在此所披露的波導(dǎo)中，光波的空間分布(spatial profile)可被控制以提高光敏區(qū)的光吸收。這一特性可減少高摻雜區(qū)的光損耗，并可降低潛在的電極吸收損耗?？煽氐墓獠臻g分布還可為光伏電池的設(shè)計(jì)大量地減少內(nèi)部電阻。根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置的結(jié)構(gòu)， 還可使薄型P-I-N結(jié)能夠設(shè)計(jì)更陡峭的內(nèi)部電場(chǎng)以用于載流子的提取。該引導(dǎo)模式意味著 P-I-N區(qū)中存在更強(qiáng)的電磁場(chǎng)。這樣的結(jié)構(gòu)可以減少雜質(zhì)和缺陷所引起的散射損耗。這些優(yōu)點(diǎn)，加上電子-空穴產(chǎn)生區(qū)與電極之間的更短距離，意味著可以使用低級(jí)別晶體質(zhì)量的光敏材料而不會(huì)犧牲轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)制造和每瓦特成本上的優(yōu)勢(shì)。所披露的光伏裝置可包括(i)具有單一光敏材料元件的單芯或多芯波導(dǎo)；(ii) 具有超過(guò)一個(gè)以串聯(lián)形式設(shè)置的光敏材料元件的單芯波導(dǎo)；或者(iii)包括有由不同光敏材料制成的芯電池(core cell)的波導(dǎo)，每一材料元件具有不同的能量吸收帶或帶隙。光敏材料可包含在波導(dǎo)芯和覆層中。光敏材料的光學(xué)指標(biāo)與周圍的介質(zhì)相似，當(dāng)波導(dǎo)芯由非吸收材料組成時(shí)，其可用作波導(dǎo)覆層的一部分。同時(shí)，還可在金屬界面與光敏材料之間使用界面波(interface wave)以提高光子吸收。此類型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可用于低光學(xué)指標(biāo)的光敏材料，例如聚合物，或者可用于復(fù)合型波導(dǎo)，例如設(shè)于半導(dǎo)體基片上的聚合物。所述光敏材料也可被設(shè)定而使得來(lái)自于波導(dǎo)芯的光輻射通過(guò)隧道機(jī)制(tunneling mechanism)而耦合到光敏材料中。所披露的光伏裝置在減少光損耗、材料成本、材料生長(zhǎng)、裝置結(jié)構(gòu)和應(yīng)用靈活性方面還有諸多其他優(yōu)點(diǎn)。所披露的結(jié)構(gòu)對(duì)于近帶隙的低光吸收效能的薄膜型光伏材料特別有用，例如硅，因?yàn)橄鄬?duì)“長(zhǎng)”的波導(dǎo)的吸收長(zhǎng)度不受限制。所披露的結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于有機(jī)/染料光敏電池(Gratzel cell)。圖1和圖2示出了導(dǎo)波光伏(以下簡(jiǎn)稱GWPV)裝置10的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。該GWPV 裝置10包括有一波導(dǎo)型光伏結(jié)構(gòu)，其將一入射光束21限制并維持于GWPV裝置10中的一優(yōu)選的光子傳播方向上，通常為箭頭四所示的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)的X方向。所述GWPV裝置 10包括有一含有光敏材料的波導(dǎo)芯11，下文詳細(xì)進(jìn)行描述。該波導(dǎo)芯11可設(shè)于一第一內(nèi)覆層12與一第二內(nèi)覆層13之間，如圖2所示。該第一內(nèi)覆層12可設(shè)于波導(dǎo)芯11與一第一外覆層14之間，而該第二內(nèi)覆層13可設(shè)于波導(dǎo)芯11與一第二外覆層15之間。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一外覆層14和第二外覆層15其中的一個(gè)或兩個(gè)可包括空氣。如圖1所示，所述入射光束21通過(guò)一設(shè)置于近所述波導(dǎo)芯11處的聚光器20而調(diào)整成集中光子束23。所述聚光器20可包括一個(gè)聚焦或非聚焦透鏡，例如折射透鏡或衍射(如Fresnel)透鏡，或者可包括一個(gè)基于全內(nèi)反射的非成像集熱器(non-imaging collector)，例如一個(gè)反射面。所述集中光子束23與所述波導(dǎo)芯11中的光敏材料交互而產(chǎn)生電荷。電荷可通過(guò)一第一電極31和一第二電極33而傳導(dǎo)出所述GWPV裝置10之外， 所述電極31和電極33均電氣連接于所述波導(dǎo)芯11。如下文詳述，可再設(shè)置一個(gè)或多個(gè)與該波導(dǎo)芯11連接的附加電極35。另外，所述聚光器20可包括一由透射和反射元件組成的組合體，如下文詳述。形成所述波導(dǎo)芯11的材料的光束折射率最好高于形成所述內(nèi)覆層12和13的材料的光束折射率。所述內(nèi)覆層12和13的折射率高于形成所述外覆層14和15的材料的折射率，所述第一外覆層14和15其中的一個(gè)或兩個(gè)可包括空氣。所述波導(dǎo)芯11的厚度取決于所述入射光子束21的光子波長(zhǎng)和所述GWPV裝置10中集中光子束23的尺寸。所述波導(dǎo)芯11的y維空間可被設(shè)定以支持如下兩者之一 (i)沿優(yōu)選光子傳播方向傳導(dǎo)的光子束單空間模態(tài)；和(ii)在于所述內(nèi)覆層12和13內(nèi)的多空間模態(tài)。基于支持兩種空間模態(tài)，所述GWPV裝置10通過(guò)在波導(dǎo)芯-覆層界面M和25上建立全內(nèi)反射條件而可限制所述集中光子束23沿所述波導(dǎo)芯11傳導(dǎo)?；蛘?，所述波導(dǎo)芯11的y維空間可被設(shè)定成更大以支持多模運(yùn)轉(zhuǎn)。所述波導(dǎo)芯11的ζ維空間可與y維空間相似，使得所述波導(dǎo)芯11基本上為一維結(jié)構(gòu)，即通道型波導(dǎo)?；蛘?，所述波導(dǎo)芯11的ζ維空間尺寸可以是y維空間的數(shù)倍，使得所述波導(dǎo)芯11基本上為二維結(jié)構(gòu)而適應(yīng)于薄膜制造工藝?；蛘?，在另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述波導(dǎo)芯可以是一個(gè)單維結(jié)構(gòu)和一個(gè)二維結(jié)構(gòu)組成的組合體。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解地，上述波導(dǎo)芯11和內(nèi)覆層12和13的折射率的不同， 可在所述GWPV裝置10中形成一個(gè)適合于遏制近光敏材料的能量帶邊緣的自發(fā)輻射的空腔。這種遏制可提升所述GWPV裝置10的能量轉(zhuǎn)換?；蛘?，所述GWPV裝置10可包括一布拉格反射器，以增強(qiáng)自發(fā)輻射遏制的效果。例如，內(nèi)覆層12和13其中的一個(gè)或兩個(gè)可包含高折射率且穿透度遠(yuǎn)低于所述波導(dǎo)芯11的光敏材料的金屬材料?？墒褂靡恢虚g光學(xué)元件或構(gòu)造以將所述集中光子速23引導(dǎo)至所述優(yōu)選的光子傳播方向。如圖3所示，所述中間光學(xué)元件包括一定向的表面反射器41，以用于通過(guò)全內(nèi)反射方式而將所述集中光子束23引導(dǎo)入所述波導(dǎo)芯11?；蛘?，所述中間光學(xué)元件或構(gòu)造可包括一發(fā)射界面，例如涂蓋于波導(dǎo)邊界面的金屬層(圖中未示出)，該邊界面可以是折射類型 (即非成像)，也可以是反射類型，其集成于或集成入所述中間光學(xué)元件或所述波導(dǎo)芯11。 此外，所述中間光學(xué)元件可包含所述波導(dǎo)芯11的一部分，且可進(jìn)一步包含光敏材料。如圖4 所示，在另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述中間光學(xué)元件或構(gòu)造可包括一發(fā)射光學(xué)元件，例如斜面反射器對(duì)43，其設(shè)置以在所述聚光器20與兩個(gè)波導(dǎo)芯11之間形成光徑。兩個(gè)GWPV裝置10 和所述斜面反射器對(duì)43組合而成一個(gè)雙聯(lián)GWPV裝置40。如圖1、圖3和圖4所示，可以通過(guò)電極31、33和35而從所述波導(dǎo)芯11的光敏材料中提取光生載流子。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，因?yàn)樵贕WPV裝置10的典型結(jié)構(gòu)中，光子進(jìn)入所述波導(dǎo)芯11的光子速末端，所述波導(dǎo)芯11表面處的電極31、33和35的尺寸和位置可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而自由設(shè)定和優(yōu)化。例如，在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，如果所使用的內(nèi)覆層12 和/或13相對(duì)較薄，可將電極31和33設(shè)置于所述GWPV裝置10的末端或邊緣處，以避免潛在的金屬吸收損耗。 此外，在裝置的某些應(yīng)用中，未被電極31和33阻擋的表面區(qū)域可用于收集環(huán)境中散布的光輻射?；蛘?，如果采用透明電極或金屬電極，則所述電極31和33可覆蓋所述GWPV 裝置10的全部或部分側(cè)面。這種設(shè)置可以縮短電子和空穴的傳導(dǎo)距離，即從電子-空穴產(chǎn)生處到電極31和33的距離，通常位于y軸方向上。如圖1所示，電極35可以沿所述波導(dǎo)芯 11而設(shè)置，使得可依照光子的密度和分布來(lái)提取光生電荷載流子。對(duì)于聚光式光伏電池，載流子密度越高，相應(yīng)地，光伏輸出就越高。所述波導(dǎo)芯11最大化光吸收所需的最小長(zhǎng)度由光敏材料對(duì)于所述集中光子束23 的吸收系數(shù)而決定。硅的最低能量帶隙附近的吸收系數(shù)約為lOOcm-1。一段沿所述波導(dǎo)芯 11的300微米的傳播距離，相應(yīng)對(duì)能量高于硅的帶隙水平的所收集的光子有著大約95%的吸收。據(jù)此，所述GWPV裝置10可設(shè)計(jì)成能夠基本上實(shí)現(xiàn)對(duì)所有(即>99%)收集的光子的全部吸收。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)采用間接帶隙材料(例如硅)的光伏電池特別有用，且對(duì)光吸收區(qū)極薄的裝置特別有用，例如有機(jī)/染料敏化電池。如圖1所示，在特定的光伏裝置應(yīng)用中，可在所述波導(dǎo)芯11的近所述電極31和33的邊緣處設(shè)置一反射面27，如此，最大化吸收所需的最小波長(zhǎng)可減少一半。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的GWPV陣列50的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。所述GWPV陣列50包括多個(gè)設(shè)于一基片30上的通道型GWPV裝置10C。盡管附圖示出了通道型GWPV裝置IOC的矩形陣列，但可以理解地，也可采用其他幾何結(jié)構(gòu)，例如六角形陣列。如圖6所示，可以通過(guò)設(shè)有與ζ維空間相似的y維空間，而將GWPV裝置10設(shè)置為通道型GWPV裝置10C。于是，如附圖所示，所述通道型裝置單元10可通過(guò)設(shè)置于所述波導(dǎo)芯11邊緣處的球形聚光器51而接收所述集中光子束23。在包含有所述球形聚光器51和所述通道型GWPV裝置IOC的結(jié)構(gòu)中，其可提供很高的聚光率，即聚光器直徑與波導(dǎo)長(zhǎng)度的相應(yīng)比率。如圖7所示，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用、材料生長(zhǎng)和工藝水平，兩個(gè)球形聚光器51可耦合到一對(duì)共享一個(gè)電極55的通道型GWPV裝置IOC上。 因?yàn)橥ǖ佬虶WPV裝置IOC的長(zhǎng)度主要由所述波導(dǎo)芯11中的光敏材料的吸收長(zhǎng)度所決定， 故而，所述聚光器51的直徑可以小至所述GWPV陣列50中相關(guān)波導(dǎo)芯11的長(zhǎng)度的兩倍，如圖5所示。在硅基GWPV裝置中，每一光束聚光器的直徑通常以毫米計(jì)。然而，此限制將不復(fù)存在，因?yàn)橄嚓P(guān)波導(dǎo)的任何額外的長(zhǎng)度將不會(huì)造成GWPV型裝置在材料成本上的大幅度增力口。當(dāng)在光伏裝置的制造過(guò)程中采用各種潛在的技術(shù)時(shí)，具有可擴(kuò)展的波導(dǎo)長(zhǎng)度，可使得 GffPV裝置的結(jié)構(gòu)更具靈活性。根據(jù)本發(fā)明，上述優(yōu)點(diǎn)也可應(yīng)用于GWPV陣列60的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖8所示。所述GWPV陣列60包括有多個(gè)柱形聚光器，例如柱形透鏡61和65，和多個(gè)平面型波導(dǎo)GWPV裝置IOP和/或?qū)捚矫嫘筒▽?dǎo)GWPV裝置10W。所述平面型波導(dǎo)GWPV裝置IOP的側(cè)面Y軸尺寸，如圖9所示，大于圖6所示的所述通道型波導(dǎo)GWPV裝置IOC的側(cè)面y軸尺寸。所述寬平面型波導(dǎo)GWPV裝置IOW的側(cè)面y軸尺寸，如圖8所示，明顯大于所述平面型波導(dǎo)GWPV裝置IOP的側(cè)面y軸尺寸。據(jù)此，柱形聚光器61可用于照亮所述平面型波導(dǎo)GWPV 裝置IOP的邊緣或外圍，而柱形聚光器65可用于照亮所述寬平面型波導(dǎo)GWPV裝置IOW的邊緣或外圍。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖10所示，一對(duì)柱形聚光器61可用于照亮共享一電極 69的一對(duì)平面型波導(dǎo)GWPV裝置IOP?？梢岳斫獾?，上述被設(shè)置為水平幾何形態(tài)的GWPV裝置10、10C，10P和10W，也可以根據(jù)應(yīng)用要求、材料生長(zhǎng)、工藝和所使用的芯片/模塊封裝技術(shù)而設(shè)置成垂直幾何形態(tài)。垂直幾何形態(tài)具有可直接將光線導(dǎo)入相應(yīng)的GWPV裝置中而無(wú)需使用例如球形透鏡51和柱形透鏡65等導(dǎo)引器件的優(yōu)勢(shì)。如圖5和圖8所示，水平設(shè)置的波導(dǎo)陣列，具備更低的外形(即更薄)和融合薄膜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在水平和垂直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，可利用許多現(xiàn)有技術(shù)，例如直接堆積成形、薄層芯片轉(zhuǎn)換、芯片切割、薄帶切割及相關(guān)領(lǐng)域中總多公知的技術(shù)，而將單個(gè)波導(dǎo)組裝在適當(dāng)?shù)奈恢?。此外，盡管圖5和圖8所示的特定結(jié)構(gòu)中包括了不同類型的光子聚光器和相應(yīng)的波導(dǎo)以作為模塊化設(shè)計(jì)的示例，然而，根據(jù)本發(fā)明的GWPV裝置，可包括其他類型的聚光器和波導(dǎo)的組合體。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，所披露的GWPV裝置在光伏材料成本和轉(zhuǎn)換效率方面存在著優(yōu)勢(shì)。但是，還可以做出更多改進(jìn)以解決操作中的問(wèn)題，包括有光的跟蹤、跟蹤系統(tǒng)的復(fù)雜性、光子高度聚集時(shí)裝置的發(fā)熱，散射光和環(huán)境光的收集。但是，所述的GWPV裝置結(jié)構(gòu)既保持了光聚集效率方面的優(yōu)勢(shì)，又同時(shí)避免現(xiàn)有技術(shù)所教導(dǎo)的光聚集系統(tǒng)所存在的缺陷。此外，所述GWPV裝置可以設(shè)計(jì)得如現(xiàn)有技術(shù)條件下的平板太陽(yáng)能電池一樣緊湊簡(jiǎn)潔， 見(jiàn)下文說(shuō)明。硅基GWPV裝置可采用現(xiàn)有工藝水平所知的薄膜沉積技術(shù)進(jìn)行制造。圖11是一包括有多個(gè)拉姆達(dá)形(Λ形)波導(dǎo)71和多個(gè)形成于近所述Λ形波導(dǎo)71處的聚光器73的薄膜型GWPV裝置70的側(cè)視示意圖。雖然該圖只示出了兩個(gè)聚光器73和兩個(gè)Λ形波導(dǎo)71， 但可以理解地，硅基GWPV裝置不局限于上述數(shù)量，而可通過(guò)所使用的制造方法而設(shè)定任何數(shù)量。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，每一 Λ形波導(dǎo)71可包括一對(duì)通道型GWPV裝置10C、一對(duì)平面型GWPV 裝置IOP或一對(duì)平面型GWPV裝置10W，如附圖所示設(shè)置于襯底膜79之上。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，相鄰的波導(dǎo)71形成一個(gè)鈍角，即大于90度的角。優(yōu)選地，所述聚光器73的形狀與相應(yīng)的Λ形波導(dǎo)71的幾何形狀相一致。所述入射光束21通過(guò)聚光器73在Λ形波導(dǎo)71的外表面75處形成集中光子束23。所述Λ形波導(dǎo)71的外表面75用于將所述集中光子束23導(dǎo)引入所述Λ形波導(dǎo)71的一個(gè)或兩個(gè)GWPV 裝置10 (或IOC或IOP或10W)中。Λ形結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于提高波導(dǎo)的光耦合效率，同時(shí)保持諸如大面積薄膜沉積和層鍍覆等生長(zhǎng)和處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于能量近乎硅帶隙的光子而言，硅的折射率約為3. 5。相對(duì)于玻璃界面，波導(dǎo)內(nèi)的全反射角約為20度，而相對(duì)于空氣界面則約為15度。這種折射指數(shù)上的相對(duì)較大的差異為波導(dǎo)進(jìn)行諸如楔入和彎曲的設(shè)計(jì)提供了足夠的余地?？梢詫?duì)Λ形特征的尺寸和形狀加以設(shè)計(jì)，以使其有效地捕捉進(jìn)入所述GWPV裝置10、10C、10P和IOW的波導(dǎo)芯和覆層的所述入射光束21的全部或大部，并可設(shè)計(jì)成具有較大的集光角。有利于光伏模塊的特征是 較薄的結(jié)構(gòu)、較小的重量和較大的吸收角度。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和材料加工技術(shù)，可以在較大的范圍內(nèi)設(shè)定Λ形特征的角度。另一優(yōu)選實(shí)施例中，如圖3所示，全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)由表面反射器41組成，其可用作Λ角約為90度的A形波導(dǎo)71的半個(gè)“側(cè)翼”("side wing”)。此外，根據(jù)不同加工技術(shù)，所述Λ形波導(dǎo)71的半個(gè)邊翼也可彎曲而代替平面。除了本發(fā)明附圖所披露之外，還可通過(guò)結(jié)合成像和非成像光學(xué)技術(shù)，而將許多其他類型的聚光器和集光器應(yīng)用于所述薄膜型GWPV 裝置70。關(guān)于傳統(tǒng)聚光式光伏電池的散熱問(wèn)題，所述薄膜式GWPV裝置70的結(jié)構(gòu)在傳熱和散熱方面同樣具備優(yōu)勢(shì)。在不需要透明電極的應(yīng)用中，可采用具有高熱傳導(dǎo)性的基片以進(jìn)一步增加具有高聚光率的GWPV裝置的散熱能力。關(guān)于傳統(tǒng)聚光式光伏電池的采集漫射太陽(yáng)光的問(wèn)題，波導(dǎo)薄膜式電池的結(jié)構(gòu)，以所述薄膜式GWPV裝置70為例，可以通過(guò)所述襯底膜79以采集漫射的光線。源極和漏極77 和78可連接于所述Λ形波導(dǎo)71的一端以提取光生載流子。所述Λ形波導(dǎo)71的外表面 75的開口區(qū)提供了用于吸收漫射光線的途徑，此外，還保留了傳統(tǒng)薄膜電池的優(yōu)點(diǎn)。還可作出改進(jìn)，即將源極和漏極77和78設(shè)置于所述襯底膜79的背面?zhèn)然虻酌鎮(zhèn)?。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解地，在此所披露的光伏裝置所采用的硅材料可以用非晶硅(a-Si)代替以使層厚度更薄。盡管非晶硅相比于晶體硅具有更高的光吸收系數(shù)，當(dāng)時(shí)， 較薄層厚度的特征在“光浸潤(rùn)”(light soaking)方面具有更好的穩(wěn)定性。除了硅以外，其他類型的薄膜材料，例如基于III-V族的半導(dǎo)體(例如GaAs、CdTe 和CIGS)，已被開發(fā)出以用于光能轉(zhuǎn)化的工藝。這些太陽(yáng)能電池具有高于硅薄膜電池的轉(zhuǎn)化效能，但存在著材料和加工成本更高的缺點(diǎn)。這些昂貴的材料因其稀缺性而易于導(dǎo)致價(jià)格不斷上升，這不利于太陽(yáng)能電池行業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)。故而，從材料供應(yīng)的角度看，硅的優(yōu)勢(shì)非常突出。盡管硅是地球上發(fā)現(xiàn)的最為豐富的資源之一，但，除了在以硅為基礎(chǔ)的電子行業(yè)用量極大外，太陽(yáng)能行業(yè)對(duì)其需求量也越來(lái)越大。隨著近來(lái)人們?nèi)找孀非笄鍧嵞茉吹哪繕?biāo)， 以及世界范圍內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)的投資加速，獲取高純度硅原料的工藝可能將成為瓶頸，不僅對(duì)太陽(yáng)能行業(yè)如此，對(duì)以硅為基礎(chǔ)的大規(guī)模電子行業(yè)也是如此。為應(yīng)對(duì)所有這些挑戰(zhàn)，需要以更少的材料消耗造出更高效的硅光伏電池，并最終達(dá)成降低單位能源成本的目標(biāo)。采用單一半導(dǎo)體材料元件的太陽(yáng)能光伏電池，通常其效率較低。例如，在硅電池中，約25%的太陽(yáng)光(即光輻射)低于硅的能隙，而不能被吸收以產(chǎn)生光伏電荷。另一方面， 被吸收的能量高于硅帶隙的光子可以產(chǎn)生高能的電子和空穴，其在到達(dá)電極之前而降低至能帶邊緣(band edge)時(shí)，會(huì)損耗其超過(guò)帶隙的額外能量在晶格振蕩上。這些額外的能量對(duì)光生電流并無(wú)貢獻(xiàn)，而轉(zhuǎn)化為熱能最終浪費(fèi)掉。然而，在多結(jié)層疊電池(Multi-junction tandem cell)中，具有若干材料元件，每一元件具有不同的吸收帶隙，涵蓋太陽(yáng)光譜的更寬范圍。較寬帶隙材料的元件，可吸收更高能量的光子，相應(yīng)地，具有更高的電壓輸出。如此，可減少在材料晶格上的熱能損失。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，具有不同材料元件的太陽(yáng)能或光伏電池的光-電能量轉(zhuǎn)化要高于只有一種材料元件的同類設(shè)備。在目前的技術(shù)條件下，商業(yè)上可得到的基于鍺襯底的多結(jié)層疊電池，可獲得超過(guò)30%的轉(zhuǎn)化效能。然而，這種結(jié)構(gòu)因其昂貴的材料元件和相關(guān)聯(lián)的高生產(chǎn)成本而導(dǎo)致其應(yīng)用有限?；诠璨牧系南鄬?duì)高效的電池更為可取。非晶硅的能隙高于晶體硅，這使得非晶硅成為高能元件的首選。人們已研制出效率可與薄膜晶體硅電池相匹的薄膜非晶硅電池，雖然，其工作穩(wěn)定性仍然是一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)。另一個(gè)硅基備選可能是納米級(jí)晶體硅(nc-Si)。納米級(jí)晶體硅的能隙非常倚賴于納米級(jí)晶體的尺寸。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，尺寸和非正式控制正朝著實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用的方向變得更為可行。預(yù)計(jì)硅基材料家族在AM1.5的條件下可涵蓋75%的太陽(yáng)資源，而在陸地 AM1.0的條件下其比例更高。由于異常嚴(yán)格的材料和生長(zhǎng)條件，造成材料資源昂貴和生產(chǎn)成本高，高能效多結(jié)層疊電池也相對(duì)較為昂貴。每種材料元件須有合適的能量帶隙，且每一材料元件的晶格常數(shù)應(yīng)緊密匹配，以使生長(zhǎng)過(guò)程中具有光滑的界面?？傮w性能也倚賴各層的電流貢獻(xiàn)。通常， 這些材料層的設(shè)計(jì)須配合產(chǎn)生的電流，因?yàn)殡娮雍涂昭ㄔ诘诌_(dá)電極之前，須穿過(guò)所有的層。圖12示出一種多芯材GWPV裝置80，其波導(dǎo)芯81由不同光敏材料的波導(dǎo)芯元件電池(Core component cell)構(gòu)成。在所提供的例子中，個(gè)體波導(dǎo)芯元件電池83、85和87由不同能量帶隙的材料的構(gòu)成。優(yōu)選地，所述波導(dǎo)芯元件電池83、85和87沿優(yōu)選的光子傳播方向作橫向排列，并由一第一內(nèi)覆層89和一第二內(nèi)覆層99界定而形成所述波導(dǎo)芯81。每一波導(dǎo)芯元件電池83、85和87各有相應(yīng)的電極93、95和97，并共享一共有電極91。所述集中光子束23傳導(dǎo)至所述波導(dǎo)芯元件電池83，在其中產(chǎn)生電荷載流子并通過(guò)所述電極93 輸出。所述集中光子束23的剩余部分84進(jìn)入所述波導(dǎo)芯元件電池85，在其中又產(chǎn)生一些電荷載流子并通過(guò)所述電極95輸出。所述集中光子束23的更小部分86進(jìn)入所述波導(dǎo)芯元件電池87，在其中仍然產(chǎn)生一些電荷載流子并通過(guò)所述電極97輸出。傳統(tǒng)的多結(jié)層疊光伏電池具有“疊層”結(jié)構(gòu)，光生載流子在抵達(dá)電極之前須穿過(guò)多個(gè)結(jié)層，通常會(huì)有很大損失。另外，當(dāng)入射光子穿過(guò)堆疊的、高度攙雜的元件層之時(shí)，由于攙雜區(qū)的雜質(zhì)，導(dǎo)致光子發(fā)生強(qiáng)吸收損耗。然而，在所披露的多芯材結(jié)構(gòu)中，以所述GWPV裝置 80為例，光生載流子可在與優(yōu)選光子傳播方向大體垂直的方向上(即y軸方向)被提取出。 每一波導(dǎo)芯元件電池83、85和87可在相對(duì)短的距離(即等同于薄膜厚度)內(nèi)獨(dú)立提取電子和空穴。此外，由于一般無(wú)需考慮電流匹配，所披露的多芯材結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)上更具靈活性。所述GWPV裝置80中的不同材料元件電池之間的界面基本上只要求亞波長(zhǎng)級(jí)別的光學(xué)性能。相比于傳統(tǒng)的多結(jié)層疊光伏電池的晶格匹配要求，亞波長(zhǎng)要求允許光伏裝置的制造可降低精度。這使得在材料加工上允許更大的自由范圍，甚至可放松材料選擇的要求， 因?yàn)闊o(wú)需考慮晶格匹配生長(zhǎng)。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)導(dǎo)波平行于所述層傳播時(shí)，攙雜區(qū)的損失預(yù)計(jì)會(huì)非常小，特別是當(dāng)波導(dǎo)芯為內(nèi)在的時(shí)候，如上文所述。因此，多芯材GWPV電池結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化效率可非常接近理論上的轉(zhuǎn)化極限。通過(guò)增加一個(gè)低帶隙的元件，例如鍺或可能的聚合物， 以支配能量低于硅帶隙能量的光子，而使硅基多芯材GWPV裝置可獲得非常高的轉(zhuǎn)化效率。多芯材GWPV裝置中的關(guān)于垂直電子-光子傳送的理念和機(jī)制，可以擴(kuò)展到其他材料系統(tǒng)，例如CdTe和CdS。許多薄膜加工工藝，例如晶片鍵合(wafer bonding)、轉(zhuǎn)移 (transferring)和晶片切割(wafer cutting)，可用于制造多材料元件波導(dǎo)。所述波導(dǎo)的幾何形態(tài)，例如上述的Λ形，也可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用而予以采用。另外，上述所披露的聚光器和導(dǎo)引元件或構(gòu)造也可用于所述多芯材GWPV裝置80。在另一多芯材結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實(shí)施例中，波導(dǎo)芯元件電池可形成一個(gè)非平面結(jié)構(gòu)，而約束并導(dǎo)引所述集中光子束23至多種光敏材料。圖13示出一個(gè)光子約束光伏裝置100， 其包括有一由較寬帶隙光敏材料形成的第一光伏電池101。所述第一光伏電池101包括有一波長(zhǎng)選擇涂層103和一金屬電極105。所述波長(zhǎng)選擇涂層103設(shè)定為可將輸入光子束能量帶寬與第一光伏電池101內(nèi)的光敏材料的帶隙吸收基本相匹配。所述輸入光子束能量的一部分102，對(duì)應(yīng)于與所述第一光伏電池101材料相匹配的帶隙范圍，大體上穿過(guò)所述波長(zhǎng)選擇涂層103而進(jìn)入所述第一光伏電池101。所述輸入光子束能量的一部分104，對(duì)應(yīng)于小于所述第一光伏電池101材料的帶隙范圍，其大體上被所述波長(zhǎng)選擇涂層103和金屬電極 105所反射。如附圖所示，設(shè)置一第二光伏電池107，以接收來(lái)自于所述第一光伏101的光子束能量的反射部分104。所述第二光伏電池107包括由一波長(zhǎng)選擇涂層109和一個(gè)金屬電極111。所述波長(zhǎng)選擇涂層109設(shè)定為可將輸入光子束能量帶寬與第二光伏電池107內(nèi)的光敏材料的帶隙吸收基本相匹配。所述第二光伏電池107內(nèi)的光敏材料的帶隙小于所述第一光伏電池101 內(nèi)的光敏材料的帶隙。所述輸入光子束能量的一部分108，對(duì)應(yīng)于與所述第二光伏電池107 材料相匹配的帶隙范圍，大體上穿過(guò)所述波長(zhǎng)選擇涂層109而進(jìn)入所述第二光伏電池107。 相應(yīng)地，所述輸入光子束能量的一部分110，對(duì)應(yīng)于小于所述第二光伏電池101材料的帶隙范圍，其大體上被所述波長(zhǎng)選擇涂層109反射至一第三光伏電池113。所述第三光伏電池113內(nèi)的光敏材料的帶隙小于所述第二光伏電池107內(nèi)的光敏材料的帶隙。第三光伏電池113有一個(gè)波長(zhǎng)選擇涂層115，其對(duì)入射光子束能量帶寬基本透明，同時(shí)也能配合第三光伏電池113的光敏材料的帶隙吸收。所述輸入光子束能量的一部分114，對(duì)應(yīng)于與所述第三光伏電池113材料相匹配的帶隙范圍，大體上穿過(guò)所述波長(zhǎng)選擇涂層1015而進(jìn)入所述第三光伏電池113。所述波長(zhǎng)選擇涂層115和金屬電極117用于反射所述集中光子束23的一部分116至所述第一光伏電池101，而重復(fù)上文所述的吸收和反射過(guò)程。所述光子約束光伏裝置100可包含更多的光伏電池(圖中未示出)，以達(dá)到甚至更高的轉(zhuǎn)換效率。設(shè)定所述元件光伏電池的位置，以使光子束絕基本上被約束于所述腔狀 (cavity-like)光子約束光伏裝置100之內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)光子捕捉的最大化。腔狀結(jié)構(gòu)具有可捕捉所述集中光子束中多數(shù)光子的優(yōu)點(diǎn)，特別可用于捕捉影響轉(zhuǎn)化效率的自發(fā)輻射。每一個(gè)體光伏電池的尺寸取決于所述聚光構(gòu)造、聚光度和光配、以及電池?cái)?shù)量。每一個(gè)體光伏電池可以是單結(jié)或多結(jié)電池。非吸收媒介可以是空氣，或者透明聚合物和玻璃，或者甚至當(dāng)使用高效聚光器時(shí)用作冷卻劑的液體。以上討論所涉及的聚光和光伏陣列同樣適用于所述光子約束光伏裝置100。所披露的GWPV結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于具有垂直堆疊波導(dǎo)的裝置。圖14示出一堆疊波導(dǎo) 120，其包括有一設(shè)置于一第一亞波導(dǎo)芯123和一第二亞波導(dǎo)芯125之間的覆層121。所述亞波導(dǎo)芯123和125可設(shè)置于一第一襯底層127和一第二襯底層1 之間，如附圖所示。所述亞波導(dǎo)芯123所含材料的帶隙寬于所述亞波導(dǎo)芯125的材料。所述入射光速32通過(guò)一色散光學(xué)元件，例如三棱鏡139或反射型光柵，而被分導(dǎo)至所述亞波導(dǎo)芯123和125。在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述色散元件通過(guò)一光柵或一光學(xué)結(jié)構(gòu)而與所述堆疊波導(dǎo)120集成，而用于光子分光。此外，所述色散元件可包括一與所述堆疊波導(dǎo)120集成的光敏材料。特定的復(fù)合式裝置的結(jié)構(gòu)可以不包括所述色散元件。例如，鍺電池可堆疊于一硅電池之上。所述鍺電池可吸收能量低于硅帶隙能量的光子，盡管其也可吸收高能電子。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，每一堆疊光敏材料均具有一個(gè)窄能量帶寬(narrow-energy bandwidth) 0 在這種結(jié)構(gòu)中，每一電池層用于提取符合該電池層的窄能量帶寬的光生電荷，在此，電池層
13可由具有窄吸收帶(narrow absorption band)的聚合物或納米晶體固形物組成。根據(jù)本發(fā)明，每一亞波導(dǎo)芯與至少一相應(yīng)的接觸電極電氣連接。這種結(jié)構(gòu)有利于材料生長(zhǎng)和生產(chǎn)。例如，兩個(gè)或以上的亞波導(dǎo)可以獨(dú)立制造，然后再集成或成長(zhǎng)(grow)到一起?？梢岳斫獾?，材料元件最大限度吸收高能光子所需的亞波導(dǎo)長(zhǎng)度，通常遠(yuǎn)短于為材料元件最大限度吸收低能光子所需的亞波導(dǎo)長(zhǎng)度。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)亞波導(dǎo)123和 125具有不同的波導(dǎo)長(zhǎng)度。GWPV裝置的結(jié)構(gòu)也可適用于高光子聚集系統(tǒng)。在一優(yōu)選實(shí)施例中，一透射型高光子聚集系統(tǒng)(transmission-type high-photon concentration system) 130 包括有一用于將所述入射光束21聚集至一聚光器135、并最終導(dǎo)入所述GWPV裝置10的Fresnel透鏡 131，如圖15所示。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，一反射型高光子聚集系統(tǒng)140包括有一用于匯聚所述入射光束21至一聚光鏡143、并最終導(dǎo)入GWPV裝置10的表面反射鏡141，，如圖16所示。根據(jù)所述聚集系統(tǒng)的聚光率或相應(yīng)聚光器的尺寸，可采用如圖17所示的一第二光子束聚光器145。所述第二光子束聚光器145可設(shè)于所述GWPV裝置10的一端或邊緣，在該處，所述GWPV裝置10被一對(duì)可作散熱器的之用的電極147和149所限制。對(duì)于甚高聚集系統(tǒng)，可采用GWPV裝置結(jié)構(gòu)，以適當(dāng)減少所需光伏材料的用量。然而，諸多GWPV裝置的特性，例如較短的載波通路、不受限制的吸收長(zhǎng)度和靈活的結(jié)構(gòu)，仍然有利于提高整體系統(tǒng)性能。最為重要地，所述相對(duì)較薄的GWPV裝置可通過(guò)電極147和149而有利于散熱，這一優(yōu)點(diǎn)直接關(guān)乎于所述高聚集系統(tǒng)的設(shè)備性能和成本節(jié)約。由于光子從波導(dǎo)末端處聚集進(jìn)入所述GWPV裝置，所述波導(dǎo)的側(cè)面的大部分可與一高導(dǎo)熱材料層相接觸，例如電極147和149，以利于熱量散發(fā)和通過(guò)傳導(dǎo)散熱。也就是說(shuō)， 可以為薄層生長(zhǎng)選擇高導(dǎo)熱性能的襯底?？梢岳斫獾兀瑳](méi)有了為所述GWPV裝置提供透明襯底或電極的限制，例如，GffPV的結(jié)構(gòu)在為適合于波導(dǎo)覆層和散熱的選材方面有了更多的選擇。根據(jù)聚光度、物理尺寸要求和所用聚光器類型，可將兩個(gè)或以上的GWPV裝置10聯(lián)結(jié)成一體，如圖18所示。所述第二聚光器145可與另一具有用于吸收較高能量光子的材料元件的光伏電池集成，例如多元件電池，或者甚至由該類型的光伏電池制成。上文所討論的關(guān)于電極分布和多元件材料的概念，也可應(yīng)用于如圖17和18所示的配置。光子可以從波導(dǎo)的一端或兩端收集?？梢岳斫獾?，所述GWPV裝置的結(jié)構(gòu)為允許開發(fā)許多新的裝置結(jié)構(gòu)增加了更大的靈活性。有機(jī)太陽(yáng)能電池因其輕重量和靈活性，更為重要地，其潛在的低生產(chǎn)成本，而廣受關(guān)注。雖然與傳統(tǒng)的硅基太陽(yáng)能電池相比，目前階段在效率和可靠性方面尚不具備競(jìng)爭(zhēng)力， 但在許多潛在的應(yīng)用方面，例如便攜式設(shè)備和對(duì)設(shè)備壽命要求不高的應(yīng)用，有機(jī)太陽(yáng)能電池仍非常具有吸引力。由于極具吸引力的材料合成能力，有機(jī)太陽(yáng)能電池有潛力涵蓋太陽(yáng)光譜的大部分，如果將更高轉(zhuǎn)化效率的光伏電池變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，這會(huì)是一個(gè)重要的財(cái)富。一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題是需要設(shè)計(jì)一個(gè)具有極薄有效光敏區(qū)的光伏電池。由于強(qiáng)大的激子結(jié)合能量，無(wú)法有效地從工作光敏區(qū)提取光生電荷并送至電極。在典型的應(yīng)用中，光敏區(qū)的厚度約為50納米。如果要吸收超過(guò)95%的光輻射，則能量帶的吸收系數(shù)平均需要提高至傳統(tǒng)聚合物材料的吸收系數(shù)的大約10倍。人們已作出努力，通過(guò)加強(qiáng)激子分離和利用金屬反射器提升光陷結(jié)構(gòu)，力求改進(jìn)裝置的效能。在GWPV裝置的結(jié)構(gòu)中，沿其波導(dǎo)的可變吸收長(zhǎng)度有助于提高超薄光敏層的光子吸收。如果光導(dǎo)或光陷過(guò)程相對(duì)有效，甚至可能減少光子工作層的厚度，以更有效地提取電子-空穴對(duì)。另外，較薄的光子工作層可以改進(jìn)相關(guān)聚合物電池的電阻，這對(duì)整體性能和可靠性也是一個(gè)非常重要的因素。傳統(tǒng)有機(jī)電池所需的厚度由激子鍵合能量和光吸收長(zhǎng)度決定。放寬光吸收的厚度條件，對(duì)于開發(fā)更多適用于高性能電池設(shè)計(jì)的材料有著潛在的幫助。相應(yīng)地，所披露的GWPV裝置結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于聚合物材料系統(tǒng)。圖19示出一種包括有多個(gè)聚焦透鏡151的GWPV型聚合物裝置150。每一聚焦透鏡151由一種聚合物材料構(gòu)成。 如上文所述，所述GWPV型聚合物裝置150的總厚度可以小至幾微米。Λ形波導(dǎo)153的光敏層可涂于一由塑料構(gòu)成的薄襯底155上，且可包括有一金屬反射層157。一空氣層159可用作所述波導(dǎo)153的一個(gè)覆層。光敏聚合物層也可設(shè)置作為所述波導(dǎo)153的波導(dǎo)芯的覆層，在該處，所述波導(dǎo)芯包含非吸收性或低吸收性材料，例如，也可包含一金屬(層)。當(dāng)所述光敏層和襯底嵌入于具有相同折射系數(shù)的介質(zhì)時(shí)，所述波導(dǎo)芯優(yōu)選包含有一折射率高于所述光敏聚合物層的材料，以形成所述波導(dǎo)153。如果提供所述金屬反射層157，則通?？商岣呗浠颦h(huán)境光的采集?？梢岳斫獾?，如上所述，所述Λ形波導(dǎo)153起到增大光接收角度的作用。在GWPV型聚合物裝置的另一優(yōu)選實(shí)施例中，圖20示出了一包含有多個(gè)聚光器161的成像和非成像GWPV型聚合物裝置160的組合體。聚合物波導(dǎo)電池所具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是其折射率幾乎可以與聚光器的折射率相匹配，確保最低限度的反射損耗。可以通過(guò)在兩種具有較大光學(xué)指數(shù)差異的材料的界面之間設(shè)置一防反射涂層以減少反射損耗。由于聚合物易于加工，光敏層163可直接涂于預(yù)成型玻璃或聚合物聚光鏡165之上，如圖21所示。在這種類型的波導(dǎo)電池中，具有較高光學(xué)指數(shù)的薄型防反射薄涂層167可涂于所述光敏層163之上，以形成用于約束傳播光子束的波導(dǎo)芯169?？梢岳斫獾?，圖18-20所示的金屬層139和147可用作電極和散熱器，并用于收集漫射光線。尤其，所述金屬層147還可作為含有所述光敏層143的波導(dǎo)149的一部分。如圖18-20所示，GWPV型聚合物裝置可為傳統(tǒng)的聚合物薄膜電池帶來(lái)輕重量和塑性撓度的優(yōu)
點(diǎn)ο上述討論也可應(yīng)用于染料敏化光電化學(xué)電池或染料光敏太陽(yáng)能電池(Gratzel cell)?？赏ㄟ^(guò)增加附著于二氧化鈦(host Τ 02)的大孔表面處的染料分子的數(shù)量或體積， 而提高染料光敏電池(Gratzel cell)和染料敏化電池的光子捕捉能力。然而，增加的二氧化鈦的孔隙度可妨礙電荷載流子的傳輸，進(jìn)而影響整體電池性能。將GWPV裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于染料光敏電池(Gratzel cell)和染料敏化電池，通過(guò)采用較薄電池，有助于改善電池性能，并提高電池的效率。本領(lǐng)域所熟知，Winston型集光器一般具有一較寬的接收角度。如圖22所示，所述集光器可配置成帶有一包含一個(gè)聚光器177的金屬反射型Winston集光器171。所述Λ形波導(dǎo)175的頂端179的形狀可恰當(dāng)設(shè)計(jì)，以最大限度地從Winston集光器171的開口處收集光輻射。如上所述，所述聚光器177可以是球形或圓柱形，并可用于通道型或平面型GWPV 裝置。或者，如圖22所示，一個(gè)包含有折射型透明介質(zhì)183的折射型Winston集光器181，可在所述透明介質(zhì)183和環(huán)境空氣之間的界面上提供全內(nèi)部折射?；蛘撸刹捎糜蒞inston 集光器171和181組成的組合體。在集光角度、光損耗和設(shè)備制造方面，每易類型Winston 集光器各有優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，所述GWPV聚合物電池結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步擴(kuò)展成帶有無(wú)機(jī)光伏結(jié)構(gòu)的復(fù)合式結(jié)構(gòu)，例如硅光伏電池。相比于傳統(tǒng)的聚合物電池，這兩種電池的組合體可以起到顯著地提高光-電轉(zhuǎn)化效率的作用，提高幅度約為若干個(gè)百分點(diǎn)。如圖M所示，混合式GWPV 裝置190包含一 GWPV波導(dǎo)191，所述GWPV波導(dǎo)191包括有一位于所述波導(dǎo)191所形成的鈍角頂點(diǎn)出的波導(dǎo)型無(wú)機(jī)電池195。所述GWPV復(fù)合式電池190具有與多結(jié)電池相似的優(yōu)點(diǎn)。 例如，太陽(yáng)光譜的可見(jiàn)頻帶為聚合物吸收所覆蓋，近紅外輻射則由硅吸收。這種類型的復(fù)合式GWPV裝置在保留聚合物薄膜裝置的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還提供更高的轉(zhuǎn)化效率?？梢岳斫猓菊f(shuō)明僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并力求為理解本發(fā)明的為權(quán)利要求所界定的性質(zhì)和特征提供一個(gè)概述。附圖是為進(jìn)一步理解所述發(fā)明的方法和設(shè)備所具有的特性和相應(yīng)的實(shí)施例，其與文字描述內(nèi)容一起，解釋發(fā)明的原則和操作。因此，雖然提供了具體的實(shí)施例來(lái)說(shuō)明所述發(fā)明，但應(yīng)理解，不應(yīng)以附圖所述的具體構(gòu)造和方法為限制，同時(shí)，本發(fā)明還涵蓋在權(quán)利要求范圍內(nèi)所作的任何修改或等同。
權(quán)利要求
1.一種光伏裝置，包括有一第一光敏材料，設(shè)置用于接收一光子束；及一第二光敏材料，其帶隙小于所述第一光敏材料的帶隙，所述第二光敏材料設(shè)置以接收來(lái)自于所述第一光敏材料的所述光子束的第一部分；一第三光敏材料，其帶隙小于所述第二光敏材料的帶隙，所述第三光敏材料設(shè)置以接收來(lái)自于所述第二光敏材料的所述光子束的第二部分。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括有一設(shè)置于所述第一光敏材料、所述第二光敏材料和所述第三光敏材料上的覆層。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括有一設(shè)置于所述第一光敏材料上的波長(zhǎng)選擇涂層，所述波長(zhǎng)選擇涂層使所傳送光子束的能量帶寬匹配于所述第一光敏材料的帶隙吸收的部分。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括有一設(shè)置于所述第一光敏材料層上的金屬電極。
全文摘要
一種光伏裝置，包括有一第一光敏材料，設(shè)置用于接收一光子束；及一第二光敏材料，其帶隙小于所述第一光敏材料的帶隙，所述第二光敏材料設(shè)置以接收來(lái)自于所述第一光敏材料的所述光子束的第一部分；一第三光敏材料，其帶隙小于所述第二光敏材料的帶隙，所述第三光敏材料設(shè)置以接收來(lái)自于所述第二光敏材料的所述光子束的第二部分。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK102522435SQ201110429940
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2008年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者陳剛, 陳小源 申請(qǐng)人:陳剛, 陳小源