[發明專利]導波光伏裝置

無效

• 申請號: 201110429940.9
• 申請日: 2008-04-30
• 公開（公告）號: CN102522435A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 陳小源;陳剛
• 申請（專利權）人: 陳小源;陳剛
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/0352;H01L31/052
• 代理公司: 深圳市精英專利事務所 44242
• 代理人: 李新林

本申請是申請日為2008年4月30日、申請號為200880022383.5、名為“導波光伏裝置”的發明專利申請的分案申請。

技術領域

本發明涉及光伏裝置，尤其是指波導式光伏電池。

背景技術

現有的薄膜型光伏電池，例如半導體硅太陽能電池、染料敏化太陽能電池和有機太陽能電池，其光吸收能力或交互酌長度有限而導致其光電轉化效率較低，因為裝置在有限的交互酌長度內未能對入射太陽輻射的大部分進行吸收。特別對于硅薄膜電池而言，由于硅的間接帶隙而導致其光吸收能力較差，故而，人們期待找到一種增強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出各種類型的陷光裝置。但，傳統電池結構的陷光效能有其應用局限性。例如，在有機電池中，較強的激子鍵合能、光生電子和空穴的快速復合及載流子的緩慢擴散等，要求光敏區必須足夠薄，以使電荷能夠在復合之前被分離出來。在典型的結構中，有機電池的光敏區的厚度大約為幾十納米，這樣的尺寸導致了其對入射太陽輻射的低吸收率。

類似地，在染料敏化電池中，光敏染料以單層形態出現而用于促使激子分離。因此，光敏區的總厚度受制于供電荷傳輸的用于承載染料的多孔物質。可以理解地，增加有機電池和染料敏化電池的光交互酌長度有利于提高轉化效率。

薄膜式光伏電池通常包括有如下幾個薄層：透明襯底(或頂襯)、防發射涂層、P摻雜和N摻雜區、光敏區和電極。對染料敏化太陽能電池而言，P摻雜和N摻雜區可以不是薄膜，但仍適用于下面的一般性討論。除了不完全光子吸收外，轉化過程中還存在其他的損耗機制。例如，電極的吸收及P摻雜和N摻雜區中的自由載流子吸收均可降低裝置的效能。

此外，本行業所熟知地，沿光線入射方向的光學模式分布是光伏裝置的一個關注點。理想地，光學模式分布應該在電子-空穴對產生的工作區處達到峰值，特別是在有機電池的極薄工作區中。因為模式分布是層厚和材料光學指數共同作用的結果，故而，為了獲得整體電池效能和可接受的生產效益，必須保證厚度的均勻性。在具有反射型陷光的電池中，例如波紋結構，部分所收集的光子在薄膜內會經過多次散射和反射。這種多次散射也可增加電極的吸收損耗和P摻雜和N摻雜區中的自由載流子吸收。

太陽輻射具有較寬的能譜。能量低于半導體帶隙水平(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生電子-空穴對而被浪費掉。另一方面，能量超過半導體帶隙的光子所產生的電子在其到達裝置的電極之前會因加熱材料晶格而損耗其過剩的能量。為了重新獲得一些損失的能量，已開發出運用具有不同帶隙的薄膜來捕捉不同能量或波長的光子的技術，例如，通過堆疊不同的III-V族材料而形成所謂的多結電池。

很多薄膜沉積技術已被開發出來以用于生產這種多結電池。然而，制造高質量的堆疊多層薄膜仍存在著電學和光學方面的挑戰。生長溫度、摻雜劑、材料間晶格失配、層界面質量和透明電極，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。在實現低成本太陽能電池的大規模工業化生產之前，需解決這些影響薄膜生長的復雜因素。此外，電流匹配在垂直堆疊層中很重要，因為電子和空穴在被提取出之前順次橫穿所有的層。

在現有的工藝水平下，盡管半導體硅的光吸收系數因其固有的間接帶隙而較低，但，由于其可用性和可靠性，半導體硅仍為太陽能光伏產業的首選。可以預見，為滿足未來清潔能源的發展需求，最終需要低成本、節材的高效能光伏裝置。

將太陽輻射聚集于光伏電池中已成為本行業所熟知的一種技術，其可減少光伏電池所需面積以節省成本。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能聚光器。聚焦和非聚焦光學均得到應用。在將太陽輻射轉向并聚集到光伏裝置的技術中，由于跟蹤要求和維護跟蹤裝置的額外成本，使得電池高效能成為關鍵。基于III-V族半導體的多結電池可適用于那些電池效能考慮優于成本考慮的應用。

許多聚光型光伏系統依賴于具有高聚光率的大型聚光器。其中，一種技術是，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構的微米級聚光器。除了使用更小的光伏裝置外，聚集太陽輻射的技術也可導致電池效能的提高。

在薄膜式光伏電池和本質光伏電池中，光子進入光伏電池的界面并橫穿堆層厚度(cell?thickness)而進行傳播。如上所述，光敏材料的弱吸收性導致了薄膜式光伏電池的低效能。盡管現有行業所知的陷光技術可以提高吸收性能，但是，這些技術易于受到限制，因為經過陷光結構的折射和衍射不可避免地將光子發散出載流子產生區之外。