[发明专利]太阳能电池装置

说明书

技术领域

本发明总体上属于太阳能转换领域，并且涉及一种旨在使转换过 程中能量损耗最小的太阳能转换系统和方法。

背景技术

太阳能电池是利用半导体将光子转换成电能的感光器件。在半导 体中，导带和价带被能隙Eg间隔开，能隙Eg随材料组成和温度而变 化。当光子被半导体吸收时，电子被从价带激发到导带，从而在价带 中产生空穴。具有波长λ和频率v的光子具有能量hv＝hc/λ，并且通 常在hv≥Eg时被半导体吸收。但是，由于对于每次吸收事件来说仅能 产生一个电子-空穴对，所以光子的任何额外能量都被转换成热能而不 是电能。另一方面，半导体对于与小于Eg的能量相对应的波长更加 透明，这是因为在这种情况下，光子的能量不足以使电子从价带激发 到导带。因此，由于最大能量光子产生大量热能因此不能被有效地利 用，而最小能量光子不能被吸收，所以对于未处理的太阳光，基于单 个带隙的系统的转换效率不超过32％。

一种增加总转换效率的技术是使用具有不同带隙的多个电池，以 转换照射太阳光谱的不同部分，其中每个电池针对其接收到的有限照 射光谱被优化。被称为串叠型电池构造的这种构造是一连串数个电池， 每个电池针对太阳光谱的一部分被优化，并且按带隙降序一个定位在 另一个之上。构成串叠的电池可单独地生长，并以机械方式堆叠在一 起。或者整个器件都可使用任何已知的生长技术(例如，金属有机化 学汽相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和液相外延(LPE))单片 地生长。机械堆中的每个电池需要其自身生长的基板，这会增加总成 本。另外，需要复杂的工程技术以实现到堆的良好电连接，电池之间 的良好热连接以散热(否则会降低效率)，以及电池之间的良好光连 接。总的来说，这种电池效率差且可靠性低。为此，电池在公共基板 上一个生长在另一个之上的单片堆是优选的。在单片电池结构中，需 要在不同带隙区域之间产生欧姆电连接。这通过在电池之间使用隧道 二极管来实现，从而整个结构仅具有两个电连接。该结构中的各个电 池被串联连接，从而通过任何电池的电流对于所有电池都相同。此设 计造成了电流约束，由此每个电池为了有效的操作而必须生成相同电 流。可针对特定光谱设计并优化结构，但是当实际使用时，例如当在 地表型太阳能聚光系统中使用时，光谱将在一天之中以及一年之中改 变。这意味着，在大部分时间中，各个电池将不会电流匹配，并且器 件效率将从在设计照射光谱下时记录的最优值开始减小。此外，温度 变化在聚光系统中较明显，因此电池带隙变化将意味着效率从最佳的 匹配电流开始减小。

增加总转换效率的一种可选技术是使用光学器件将光谱的恰当 部分偏转到相关的电池，以获得所需的光谱分离。光谱分离包括以光 学方式将入射光分离成若干个能量范围窗，每个能量范围窗都适合于 针对该特定能量范围被优化的电池。遗憾的是，由于太阳光的漫射本 质而使得该方法难以在大面积上分离入射光。因此，通常需要辐射聚 光器。

增加总转换效率的另一种技术是使用上转换和下转换分别将两 个低能量光子转换成一个高能量光子和将一个高能量光子分裂成两个 低能量光子，以针对给定带隙系统更好地利用太阳光谱。但是，即使 有效地利用了上转换和下转换两者，也都仅能使太阳能-电能转换效率 略微增加。

这种太阳能电池(主要是基于非晶硅和分子半导体(MSC)的系 统)的另一个缺点是光敏材料的高内阻。分子太阳能电池中的光电能 量转换的过程可被分成三个步骤：通过光吸收在MSC内产生被称为激 子的可移动的电子/空穴对；电荷分离；以及在两个金属触点处收集电 荷。通常，电荷分离在MSC与空穴(或电子)选择性材料之间的界面 处发生，该材料解离(猝灭)横跨该界面的激子。为了形成回路，在 MSC-猝灭器界面处产生的电荷必须在金属触点处被选择性地收集。由 于在MSC-猝灭器界面处生成的电荷必须横穿MSC层，所以收集效率取 决于MSC的电阻率。换句话说，有效电荷分离需要猝灭器-OSC(有机 半导体)界面具有长的激子扩散长度和高品质，同时有效光转换还取 决于MSC层的电阻率。此外，MSC的短的激子扩散长度或高电阻率限 制了其中维持能量转换过程的高量子产额的MSC层的厚度。因此，这 些太阳能电池的总的光密度低，因此转换效率也低。

提供高的每单位照射面积的界面面积的互贯穿构造解决了激子 扩散长度的问题，但是使得光生成电荷的传输变得复杂。

发明内容