[發明專利]太陽能轉換器和復合轉換器

無效

• 申請號: 200810167343.1
• 申請日: 2008-10-22
• 公開（公告）號: CN101728440A
• 公開（公告）日: 2010-06-09
• 發明（設計）人: 陳威廉
• 申請（專利權）人: 諾華光譜有限公司
• 主分類號: H01L31/042
• 分類號: H01L31/042;H01L31/052
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 趙郁軍

技術領域

本發明涉及一種用以把太陽能轉化為電能的多接、多譜的轉換設備和制造方法，尤其是一種通過整個紫外線到包括超過95％的可變能量的紅外線光譜用一系列數以千計的連接節點把聚集光束轉化為電能的設備和方法。

背景技術

多節點、多光譜太陽能轉換器由三種不同的半導體材料砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)、磷鎵化銦(InGaP)而形成，其在EMCORE公司(EMCORE，www.emcore.com，2006)和一些其他研究人員的努力下得到進一步的發展，最近R.麥克柯奈爾等報道聲稱其為“美國新一代的光電技術”；2004年6月在法國舉行的第一代第十九屆歐洲光電太陽能展覽會已經攻克了38％的轉換效率難關；并且就未來50％的轉換效率達成了意向；該三種材料的轉換器具有通過一傳導結晶層實現相連的三個系列節點；其可把從紫外線(由1.9電子伏的磷鎵化銦帶隙所決定)通過可視光線(由1.4電子伏的砷化鎵帶隙所決定)到紅外線(由0.65電子伏的鍺帶隙所決定)的光轉化為太陽能；當太陽能光束投射在該種結構上時，它滲入到磷鎵化銦(InGaP)第一頂部節點且實現1.9電子伏的大部分光子的轉化；然后橫向穿過砷化鎵(GaAs)的節點且實現1.4電子伏的大部分光子的轉化，最終到達0.65電子伏的節點處且把0.65電子伏的大部分光子轉化為電子和空穴。一般來說，節點結晶度越純，節點重組的進程就越少，就會通過這些電子和空穴對產生越多的電流；或者，通過降低節點處的串聯電阻也可增加電流；總之，該有用或轉換效率的節點主要是由節點的結晶度和串聯電阻來確定。

該廣泛的光譜范圍和在節點的高純度的晶體的點陣之間近乎完美的匹配是選擇砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)、磷鎵化銦(InGaP)轉化太陽能的主要原因，該三種材料的系統的成功研制使人們去探求可能會進一步降低生產成本的其它多材料系統；事實上，在太陽能轉化領域內，尋求高的轉化效率和低的生產成本一直被譽為“圣潔的圣杯”；在對這個目標的需求過程中，創新比比皆是；具萊特生理學應用(Appl.Phys.Lett.80，3967，(2002))報道：J.吳等人最近發展了In1-xGaxN系統；該In1-xGaxN系統中的“X”在獲得一系列持續升級且涵蓋整個紫外-紅外太陽光譜的帶隙成長過程中可發生變化；雖然其具有上述可行性，可是，由于其分子束晶膜(molecular?beam?epitaxial)在生成過程中過于昂貴，因而其制造工藝不可行，并且其節點晶體遠不完善，在不久的將來很難成為可行的高效轉換器。

經過這些年的發展和改進，節點晶體并沒有顯著降低轉換器的生產成本，生產用以傳統的轉換器的大片的晶體物質的昂貴費用決定了他們仍然需要高生產成本；另一個極端例子，在轉換器上使用薄膜和有機薄板低成本的特點很具有吸引力(參見格林先生的“第三代光電技術”，全文，柏林(2003)簡福里斯特，自然，428，911(2004))，(see?M.Green，“Third?GenerationPhotovoltaics”Springer，Berlin(2003)；and?S.R.Forrest，Nature，428，911(2004))；在降低單位能源轉換成本方面，其因為效率低而難以實行；減少單位成本的其中一個方法則是聚集太陽光束，以使數以百計的太陽光束投射在一個不大的太陽能轉換器區域內，在具有盡可能高的結晶度的前提下，在轉換單位能量時由于只有極少數轉換器區域是有效的，因此，使用塑料菲涅耳透鏡或反射鏡聚集太陽光束的方式甚至比采用薄膜或有機薄板成本還要低。

傳統的轉換器很少使用聚集光束的方式，因為他們未對節點的厚度、類型、配置、材料、節點數目、冷卻機制或太陽能光速的入射角進行優化，舉例說明，美國專利號分別為7071407；5405453；7126052；7122734和6252287的專利披露了三種材料中一些微米級厚度的節點細節，其只供用正常角度入射的分散的太陽光束轉換到節點。作為一個相對較厚的節點層可以吸收來自一百多個太陽光束的聚集光束能源，但通過傳統工藝來制造相對較厚的節點層從成本有效角度上說并不可行。

美國專利號分別為4335503；4295002；4131984和3969746的專利披露了供多個節點吸收平行入射的聚集光束的V型槽技術；可是當需要對超過500個太陽光束進行聚集時，所披露的轉換器可供利用的節點太少。