[发明专利]具有改善的光谱响应的光伏器件

说明书

技术领域

本发明涉及具有改善的光谱响应的光伏器件，其包括含发光分子的层和其至少一个表面具有重复的几何光学结构阵列的层。

背景技术

太阳能电池(光伏电池)被广泛用于将光能转化为电能。该效应称为光伏效应。太阳能电池包含活性层，其由曝光时生成电荷载流子的光吸收材料组成。光伏器件中常用的活性层是硅。然而，还有多种材料，例如砷化钾(GaAs)、碲化镉(CdTe)、或者铜铟镓二硒(CIGS)。活性层中生成的电荷被分离到传送电流的导电接头。由于活性层薄且易碎的特性，其经常被透明盖板(例如，玻璃)保护以免遭受外部影响。盖板被置于光源和活性层的光接收侧之间。

多数情况下，单个太阳能电池不能产生预期目的足够电流，所以电池被连接在一起以形成一个更大型的光伏器件。电池组件被用于制作太阳能模块，而后者可被连接成光伏阵列。单独的电池可被用于为诸如计算器或电子表的小型装置供电。模块或光伏阵列例如被用于房屋的屋顶上，或是诸如船、交通信号灯、或航天器的离网应用，。

光伏器件将光转换成电流的效率依赖于入射光的波长。该效应称作“量子效率”。通常，光伏器件对于诸如紫外(UV)光或蓝光的高能光的量子效率低下。这种效率降低的部分原因是处于活性层和光源之间的层(例如，盖板、窗口层)吸收了这些波长。结果，光没有到达光伏器件并且不能为电流的产生作出贡献。这种层的一个实例是盖板。常规的玻璃盖板对于波长在360nm以下的绝大多数光是不透明的。塑料盖板经常用吸收UV的化合物加以稳定以避免塑料的光降解以及由此引起的变色。因此塑料盖板对于大多数低于400nm的波长是不透明的。

另一个降低光伏器件对于高能光线的效率的效应是活性层对这些波长的强吸收。结果大多数高能光线在靠近活性层的光接收侧的表面处被吸收。活性层中靠近表面区域处的缺陷浓度相对较大。在该区域中生成的电荷载流子因此可容易地再结合，而在活性层中再结合的电荷载流子并不对电流的产生有所贡献。

大多数太阳能电池对于诸如远红外光的具有相对较低能量的光也效率低下。当光被活性层所吸收时，光子的能量被给予电子。由于这一能量转换，电子从其束缚态(价带)中被解放出来，并被置于运动态(导带)。所述两个能态或能带之间的差被称为“带隙”。为了在活性层中生成一个(运动)电子，必须有一个其所带能量至少等于和带隙相应的能量的光子。如果光子具有较少能量，例如远红外光，其不被活性层吸收且不对电流的产生有所贡献。

从文献来看，已知有用于改善光伏器件对于特定波长的低量子效率的若干方法。

一种选择是在光伏器件的活性层上施加一个附加层，该附加层包含下转换(down-converting)发光分子(US3912931A1)。该附加层通常由聚合物基体材料组成。下转换发光分子分布在基体材料中，并通过将高能光(短波长)转换为在活性层中被更高效地使用的低能光(长波长)，从而改善光伏器件的光谱响应。该分子通过吸收/再发射过程来转换光的波长，在吸收/再发射过程中，一个高能光子被吸收而一个较低能的光子被再发射。包含发光分子的层优选地位于处在活性层和光源之间的任何光吸收层之上。在这种情况下，分子可将原本会被吸收(并因此损失)的光转化为被传输透过吸收层的低能波长。例如，包含发光分子的聚合物层可被施加到光伏器件的玻璃盖之上，从而使得原本通常会被玻璃盖所吸收的UV光被转换为不被玻璃盖所吸收的较低能光。另外，这些低能波长在整个活性层中被更均匀地吸收，且遭受较少的表面再结合效应。包含发光分子的层因此可改善光伏器件的量子效率。

然而，发光分子所发射的部分光没有被活性层所吸收，因为其从活性层发射出去，并且/或者由于总体内部反射和/或被活性层所反射而被分子所分布的层捕获。结果，发光分子所再发射的30-40％的光没有被活性层所吸收。

另外，被发光染料转化为另一波长的光量和该染料所吸收的光量相关，而根据Lamber-Beer定律，吸收的光量又和层厚度以及染料浓度有关：

吸收量＝ε*[C]*1                            (1)

ε是以[L mol^-1 cm^-1]为单位的摩尔消光系数

[C]是以[mol L^-1]为单位的浓度

l是以[cm]为单位的层厚度。