[发明专利]用于太阳能光伏系统的增强膜

说明书

技术领域

本发明整体涉及诸如光伏太阳能电池之类的光电转换装置，以及相关的制品、系统、和方法。

背景技术

直接从日光获得电能的想法已存在有一段时间。随着整个世界上的能量需求已持续增加并且随着其他能量生成形式的不利方面已引发出问题，这一想法变得越来越流行。光伏系统将该想法付诸实施。

近年来，已构造和/或提出了多种光伏系统。每个此类系统的核心为半导体晶片、膜、或其他延伸结构。半导体结构吸收入射日光或来自另一个光源的光的至少一部分，并且将所吸收光能的至少一部分直接转换成电能。在大多数情况下，半导体结构包括由p型和n型材料层形成的二极管。当所吸收的日光光子发电子-空穴对并且电子或空穴穿越由半导体材料层形成的结时，发生能量转换。

由于这种能量转换机制，光伏系统中的大多数半导体结构可视为电流源，其中随着入射日光的强度或通量的增加而生成较大的电流。该电流提供电压降，所述电压降取决于连接在结构的终端之间的负载。如果提供“零负载”（即，短路状态或Z=0），则电流I_sc在零电压下流过终端。如果提供无穷大负载（即，开路状态或Z=∝），则无电流流动，并且在终端之间形成开路电压V_oc。在这些极端情况之间，对于具有特定阻抗Z_mp的负载而言生成最大电能，其中电流I_mp在该阻抗下流过电压V_mp。应该指出的是，0<I_mp<I_sc，并且0<V_mp<V_oc。

用于评价给定光伏系统的性能的一个品质因数为“转换效率”--由系统提供的可用电能P_elec除以入射到系统上的光能P_opt。（最大）可用电能与上文讨论的电流和电压量有关，具体表示为关系式P_elec=I_mp*V_mp。大多数商业系统的转换效率为相对低的（如，低于30%），并且在许多情况下为大约20%或15%、或者更低。

已提出多种设计特征来改善光伏系统的转换效率。一个此类特征涉及多结实施例，其中将两个或多个不同的半导体结构堆叠在一起。具有较高带隙能量的第一半导体二极管电池位于具有较低带隙能量的一个或多个第二半导体二极管电池的上面或前面。当多色光入射到第一电池上时，短波长光被吸收，由此生成大的光电压。较长波长光穿过第一电池并且透射到第二电池，所述较长波长光在第二电池处被吸收并且生成较小的光电压。第一电池有时称为增强电池，并且第二电池有时称为一次电池。由这些不同电池生成的电能随后利用适当的电路转换成可用电能。

至少三种类型的堆叠构型已在本领域中有所描述：其中电池机械地堆叠在一起，但彼此电隔离的构型；其中电池机械地堆叠在一起，但以串联形式电连接的构型（这采取谨慎的设计以使得电池中的每一个提供相同的电流）；以及其中电池外延生长在彼此顶部并且通过隧道结以串联形式电连接的构型（称为一体化多结电池）。

发明内容

我们已经开发出新型的增强电池，所述增强电池相对易于制备并且可易于与目前普及的一次电池（具体地讲，由单晶硅、多晶硅、或多晶碲化镉制成的至少一次电池）进行组合以便提供具有显著改善的总效率的堆叠排列。增强电池可为设置在玻璃基板或其他合适的透明基板上的多晶膜或者可包括这种多晶膜，并且所述膜可进行图案化以形成多个增强电池。可利用通常比涉及单晶材料的方法更快和更便宜的制备方法来沉积和图案化多晶膜。每个增强电池可包括n型层和p型层。n型层可包含多晶硫化锌(ZnS)并且可具有至少3.5eV或至少3.6eV的带隙能量，p型层可包含多晶碲化锌(ZnTe)并且可具有至少2或至少2.2eV、或者可在2至3eV、2至2.5eV、2.2至2.3eV范围内的带隙能量。本征层（可为或者可包括多晶ZnTe）可位于n型层和p型层之间。在此上下文中，“本征”是指非故意地掺杂有供体或受体。除非本文另外明确指明，否则如果一种材料据称包括或包含ZnS或ZnTe，则这种材料可分别由或基本上由非合金形式的大规模晶体ZnS或ZnTe构成（但任选地与一种或多种合适的掺杂剂相结合以提供n型或p型材料），但这种材料也可分别为或者包括ZnS或ZnTe的合金（同样，任选地与一种或多种合适的掺杂剂相结合），其中此类合金还包括位于晶格结构中的得自周期表的II或VI族的一个或多个其他原子，所述其他原子取代晶格中的Zn、S、和/或Te原子中的一些。