[发明专利]交流偏置热载流子太阳能电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是于2010年7月9日提交的美国专利申请No. 12/833,661的部分继续申请。

技术领域

本发明涉及太阳能电池、太阳能供电系统和方法的领域。

背景技术

太阳能电池效率损失机制

现今的太阳能电池实质上低于由Sockley-Queisser Model (SQ-Model [W. Shockley and H.J. Queisser, Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cell, J. App. Phys., Vol. 32, pp. 510-519 , March 1961])建立的理论效率水平进行操作。本文描述的太阳能电池设计可以超过由SQ-Model建立的极限。为了向着超过SQ-Model改进太阳能电池效率，重要的是理解导致太阳能电池效率上的降低的机制。图1（改编自Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion, M.A. Green, Springer, New York, 2003, pp. 35-43）说明了单结太阳能电池中的这些效率降低机制。参照图1，太阳能电池中的效率损失机制包括以下列出的效应。

 表示具有低于器件的带隙（被标记为E_g）的能量（E_p）的未被吸收的输入光子，因此，太阳能电池未将其能量转换为电流。

 表示具有高于带隙的能量的被吸收的输入光子，但是通过产生声子（在图1中由虚线表示），由于将光激励电子和空穴（载流子）分别张弛至导带最小值（CBM）和价带最大值（VBM），损失其过度能量作为热量。在该损失机制中，首先，具有高于太阳能电池材料带隙的能量的光激励载流子将与其他载流子平衡，以形成可由玻尔兹曼（Boltzman）分布描述的载流子群体（参见图2）。此时，定义载流子分布的温度将高于材料晶格温度，并且因此，载流子被称作“热载流子”。典型地，由于其较低的有效质量，电子主要包含与高温相关联的附加能量。在典型太阳能电池中，通过在其冷却时间τ_c时段期间产生声子来对电池材料晶格放出其过度能量，热电子将与电池材料晶格平衡（参见图2）。然后，这些声子与其他声子进行交互，并且，超出电池材料带隙E_g的所吸收的光子能量E_p损失成热量，并因此未被太阳能电池转换为电压。根据电池材料的载流子移动性和晶格特性，载流子冷却时间τ_c以几皮秒至几纳秒的时标出现（参见图2）。如图2中所示，到载流子冷却时间τ_c的结束为止，光激励载流子分布将在电池材料的导带和价带（分别为CBM和VBM）的边缘附近与电子和空穴的窄能量分布联合。典型地，光激励载流子寿命的该最后阶段将持续光激励载流子系统地重组时的几微秒（载流子重组时间τ_r），从而对光子给予其残余获得能量。为了使传统太阳能电池能够将光激励载流子的能量转换为电能，在光激励载流子重组之前（这意味着在载流子重组时间τ_r过去之前），必须分离光激励载流子并向电池接触部传输这些光激励载流子。典型地，选择传统太阳能电池的设计参数，以实现在光激励载流子重组之前（即，在载流子重组时间τ_r过去之前）向电池接触部传输光激励载流子所需的载流子传输特性。从以上讨论可见，将在两个主要阶段（即，载流子冷却和载流子重组）中耗散对光激励载流子给予的太阳能光子能量。在这两个主要阶段中的前一个阶段（即，冷却阶段）期间，光激励载流子对声子给予超过材料带隙能量分离的其能量，而在后一个阶段（即，重组阶段）期间，光激励载流子通过辐射重组来对光子给予其残余能量，典型地，该残余能量等于材料带隙能量分离。