[发明专利]薄膜半导体光生伏打装置

说明书

背景技术

本申请要求2008年11月3日提交的美国专利申请第12/263,583号的优先权。

本发明涉及用来提供光生伏打装置的方法和设备，所述装置是例如其中薄膜半导体光敏层与透明基材连接的装置。

光生伏打太阳能电池产生电能的机理非常地吸引人，因为它们不会以副产物的形式产生温室气体。常规的薄膜光生伏打太阳能电池技术有两种基本结构：覆材(superstrate)结构和基材结构。在覆材结构中，入射光通过透明材料，所述透明材料支承着设置在其上的活性半导体材料。在基材结构中，光入射在活性半导体材料上，然后到达基材。图1显示了常规的覆材光生伏打装置10，其包括基材12，在基材上设置有半导体材料14。所述半导体材料(可以是晶体硅)包含p-n结16，其具有以下特征：当光通过该结的时候，能够产生自由电荷(电子和空穴)，在成对导体上产生电压V。在此结构中，基材是透明的，允许光通过半导体材料14。

常规的太阳能电池方法的主要问题是太阳能电池制造相关的成本、效率以及波形因子。为了解决这些问题，人们开发了各种单晶或薄膜工艺。单晶太阳能电池可以具有高的效率，但是此种工艺价格非常昂贵。在这些情况下，特别是对于昂贵的III-V太阳能电池和多结太阳能电池，使用太阳光集中器。薄膜半导体制造技术可能较为廉价，但是能量转化效率通常非常低。当半导体层制成很薄的时候(为了降低成本)，即对于硅，约小于1微米，电池对红外能的吸收变得非常低，效率显著降低。

再来看图1，在一些现有技术的结构中，可以在基材12和半导体14之间设置光散射层(例如由粗糙化的透明导电氧化物形成)。可以在半导体材料14的相反表面上设置另一个不连续层(例如金属化层)。所述散射层和金属化层可能使得一部分的光被俘获在半导体材料14之内，因为光容易以相应的角度分布从各个层反射(光散射和俘获)。尽管此种方法在p-n结16处改进了太阳能转化，但是由于从结构向外的光散射，不可能实现完全的光俘获。

在硅基太阳能电池中，该电池包含无定形、微晶或纳米晶体、多晶和/或晶体材料，其层厚度通常小于5微米，光俘获是很关键的。对于无定形和微晶硅太阳能电池，由于掺杂的层的电导率很差，人们通常使用透明的导电氧化物(TCO)层。在覆材几何结构中，(如上文所讨论)将TCO层织构化，在TCO和硅半导体层之间形成光散射界面。对于微晶硅的情况，在表面织构的光散射性能以及硅的电传输特征之间存在折衷。这会影响单结微晶电池以及无定形/微晶(微型形态)串联结电池的光俘获性能。基材几何结构也存在同样的局限性。对于多晶或晶体薄膜Si太阳能电池，还使用散射层。多晶电池可以在覆材几何结构中的基材/Si界面处引入散射，而晶体Si太阳能电池通常包括平面的基材/Si界面。同样，在背面反射器处使用织构化的硅以提供散射。在基材结构中，多晶和晶体硅太阳能电池在空气/硅界面以及/或者硅/基材界面处采用散射。为了取消工艺步骤和改进性能，人们需要在不使用织构化表面的情况下提供光俘获。

出于以上的原因，太阳能的成本比常规高压输电网能量贵大约2-3倍。在一些太阳能领域中，例如居家、公寓综合建筑、工业园的屋顶用途或者不易获得高压输电网能量的应用，重量轻以及波形因子可以是显著的优点。因此，本领域需要一种新颖的提供光伏太阳能电池的方法，其具有以下特征：低成本，高效率，重量轻以及低波形因子。

发明概述

根据一个或多个实施方式，光生伏打装置包括：基本透明的基材，其具有第一和第二主表面以及多个侧表面；薄膜半导体层，该薄膜半导体层与所述基材的第一主表面连接，包括第一和第二主表面以及其中的至少一个光敏性p-n结；以及光导向功能元件，该功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过基材射入半导体层，使得光在其第一和第二主表面之间多次反射，多次照射在p-n结上。

所述半导体层的厚度可以约小于2微米，例如约为1-2微米。所述基本透明的基材可以由玻璃、玻璃陶瓷和聚合物中的至少一种形成。

本领域技术人员在结合附图阅读本发明说明后，将清楚地了解本发明的其它方面、特征、优点等。

附图简要说明

为说明本发明的各方面的目的，在附图中示出优选形式，但是，应理解，本发明不限于所示的精确排列和设施。

图1是现有技术的光生伏打装置的侧视图；

图2是根据本发明一个或多个方面的光生伏打装置的透视图。

图3是根据本发明一个或多个其他方面的光生伏打装置的侧视图；

图4是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置的侧视图；