[发明专利]太阳能电池装置

说明书

本申请是申请号为200780019900.9(国际申请号PCT/IL2007/000652)、国际申请日为2007年05月30日、发明名称为“太阳能电池装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上属于太阳能转换领域，并且涉及一种旨在使转换过程中能量损耗最小的太阳能转换系统和方法。

背景技术

太阳能电池是利用半导体将光子转换成电能的感光器件。在半导体中，导带和价带被能隙Eg间隔开，能隙Eg随材料组成和温度而变化。当光子被半导体吸收时，电子被从价带激发到导带，从而在价带中产生空穴。具有波长λ和频率v的光子具有能量hv＝hc/λ，并且通常在hv≥Eg时被半导体吸收。但是，由于对于每次吸收事件来说仅能产生一个电子-空穴对，所以光子的任何额外能量都被转换成热能而不是电能。另一方面，半导体对于与小于Eg的能量相对应的波长更加透明，这是因为在这种情况下，光子的能量不足以使电子从价带激发到导带。因此，由于最大能量光子产生大量热能因此不能被有效地利用，而最小能量光子不能被吸收，所以对于未处理的太阳光，基于单个带隙的系统的转换效率不超过32％。

一种增加总转换效率的技术是使用具有不同带隙的多个电池，以转换照射太阳光谱的不同部分，其中每个电池针对其接收到的有限照射光谱被优化。被称为串叠型电池构造的这种构造是一连串数个电池，每个电池针对太阳光谱的一部分被优化，并且按带隙降序一个定位在另一个之上。构成串叠的电池可单独地生长，并以机械方式堆叠在一起。或者整个器件都可使用任何已知的生长技术(例如，金属有机化学汽相淀积(MOCVD)、分子束外延(MBE)和液相外延(LPE))单片地生长。机械堆中的每个电池需要其自身生长的基板，这会增加总成本。另外，需要复杂的工程技术以实现到堆的良好电连接，电池之间的良好热连接以散热(否则会降低效率)，以及电池之间的良好光连接。总的来说，这种电池效率差且可靠性低。为此，电池在公共基板上一个生长在另一个之上的单片堆是优选的。在单片电池结构中，需要在不同带隙区域之间产生欧姆电连接。这通过在电池之间使用隧道二极管来实现，从而整个结构仅具有两个电连接。该结构中的各个电池被串联连接，从而通过任何电池的电流对于所有电池都相同。此设计造成了电流约束，由此每个电池为了有效的操作而必须生成相同电流。可针对特定光谱设计并优化结构，但是当实际使用时，例如当在地表型太阳能聚光系统中使用时，光谱将在一天之中以及一年之中改变。这意味着，在大部分时间中，各个电池将不会电流匹配，并且器件效率将从在设计照射光谱下时记录的最优值开始减小。此外，温度变化在聚光系统中较明显，因此电池带隙变化将意味着效率从最佳的匹配电流开始减小。

增加总转换效率的一种可选技术是使用光学器件将光谱的恰当部分偏转到相关的电池，以获得所需的光谱分离。光谱分离包括以光学方式将入射光分离成若干个能量范围窗，每个能量范围窗都适合于针对该特定能量范围被优化的电池。遗憾的是，由于太阳光的漫射本质而使得该方法难以在大面积上分离入射光。因此，通常需要辐射聚光器。

增加总转换效率的另一种技术是使用上转换和下转换分别将两个低能量光子转换成一个高能量光子和将一个高能量光子分裂成两个低能量光子，以针对给定带隙系统更好地利用太阳光谱。但是，即使有效地利用了上转换和下转换两者，也都仅能使太阳能-电能转换效率略微增加。

这种太阳能电池(主要是基于非晶硅和分子半导体(MSC)的系统)的另一个缺点是光敏材料的高内阻。分子太阳能电池中的光电能量转换的过程可被分成三个步骤：通过光吸收在MSC内产生被称为激子的可移动的电子/空穴对；电荷分离；以及在两个金属触点处收集电荷。通常，电荷分离在MSC与空穴(或电子)选择性材料之间的界面处发生，该材料解离(猝灭)横跨该界面的激子。为了形成回路，在MSC-猝灭器界面处产生的电荷必须在金属触点处被选择性地收集。由于在MSC-猝灭器界面处生成的电荷必须横穿MSC层，所以收集效率取决于MSC的电阻率。换句话说，有效电荷分离需要猝灭器-OSC(有机半导体)界面具有长的激子扩散长度和高品质，同时有效光转换还取决于MSC层的电阻率。此外，MSC的短的激子扩散长度或高电阻率限制了其中维持能量转换过程的高量子产额的MSC层的厚度。因此，这些太阳能电池的总的光密度低，因此转换效率也低。

提供高的每单位照射面积的界面面积的互贯穿构造解决了激子扩散长度的问题，但是使得光生成电荷的传输变得复杂。

发明内容