[发明专利]利用非相干辐射的非线性多光子吸收产生电功率的光伏装置

说明书

通过利用非线性多光子吸收将宽谱非相干光功率转换成电功率并且可选地通过在功率转换过程期间应用磁场、电场、或两者而得以增强的方法、系统、和光伏装置。

本申请是2015年6月10日递交的中国发明专利申请No.201580032710.5(PCT/US2015/035014)的分案申请。

背景技术

如现有技术中已知的，光伏装置利用单光子吸收(SPA)过程操作，其中光子具有等于或大于半导体本体带隙的能量，所述半导体本体具有产生单一电子-空穴(e-h)对的p-n结，如图1A中所示。然后光子-产生的(有时也被称为“光生的”)电子和空穴被利用p-n结二极管收集用于产生电功率。光生的电子和空穴横跨p-n结的流动生成流经本体的电流并且在本体的p和n区域处产生横跨端端子的电压。能量低于半导体带隙能量的光子对e-h对的产生没有贡献。在半导体本体中流动的电流依赖于光生的电子和空穴的数量。横跨端端子产生的电压依赖于半导体本体的带隙。能量超过该带隙能量的光子将产生e-h对，其中超过该带隙能量的能量将最终以热量形式损耗(也已知为声子损耗)。由于所有这些因素造成的细致平衡效率极限提供从宽带光学能量源(比如像太阳那样的热黑体辐射器)至电能的能量转换效率的上限。这被称为肖克利-奎伊瑟极限。对于单一(一个带隙)p–n结晶态半导体装置来说，理论限制的功率效率近似31％。利用具有不同带隙的大数量被叠加/串联(tandem)的p-n结(每一个带隙捕捉来自宽带辐射的光子能量的一小部分/范围)，对应的理论极限增加。对于36个带隙的叠加体来说，最大理论效率是72％【S.M.Sze,Physics ofSemiconductor Devices.第二版，第798页,John Wiley&Sons Inc.,New York(1981)；W.Walukiewicz,“Semiconductor Materials for Intermediate Band Solar Cells”,GCEP Solar Energy Workshop，2004年10月19日】。通过汇聚太阳光，可以进一步提高转换效率。2013年9月，太阳能电池利用等效于297个太阳的强度集中实现了44.7％的效率，如由German Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems论证的【Fraunhofer-Institut fur Solare Energiesysteme ISE,Press Release,2013年9月23日】。

本质上，半导体单一p-n结装置的带隙可被最优化，以呈现对于特定黑体光谱(依赖于辐射器的温度)的最大转换效率。以超过肖克利-奎伊瑟极限的效率将更大部分的黑体光谱转换成电功率所需的努力使用具有多个带隙的本体，它们被竖直地(比如串联电池)或侧向地(比如在光谱被分束的系统中)组装。当前用于将光功率(电磁辐射)，比如来自黑体源(比如太阳)或热辐射源(比如来自火炉的火焰或废热)的光，转换成电功率的SPA光伏(PV)过程在其能量转换效率方面受基本的肖克利-奎伊瑟极限的限制。将太阳光转换成电能的商业上可获得的硅太阳能电池具有约20％的转换效率；对于单一p-n结太阳能电池装置来说，最高理论效率如上所述被限制为近似31％。通过使用聚光器(还已知为聚光器光伏或CPV)技术增加入射太阳光的强度集中，在光学聚光比为1000时将效率提高到近似37％在理论上是可能的【S.M.Sze,Physics of Semiconductor Devices.第二版，第798页,JohnWiley&Sons Inc.,New York(1981)；G.Gabetta,“High Efficiency Photovoltaic powerplants:the II-V compound solar cells,2011CESI】。然而，在不降级本体中材料的情况下，光(单位面积功率)集中不能被增大到超出特定阈值。提高效率的另一方法是通过利用其中半导体具有不同带隙的一系列装置、吸收来自黑体辐射的宽能光谱。这已经在PV工业上使用了，用来制造串接(tandem)太阳能电池(利用上下放置的3个不同的半导体，也已知为三结电池)，效率接近40％。然而，这些装置非常昂贵并且仅在特定条件下工作高效。