CN101507095A - 超高及较高效太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置和方法，其可实现能够获得超过50％效率的光伏太阳能电池，并且该电池可以大规模低成本地制造。本发明的装置为一种集成光学和太阳能电池设计，其可在更宽范围内选择材料、获得高效率、去除许多现有的耗成本驱动器并包括多种其它创新。

Description

超高及较高效太阳能电池
技术领域
本发明涉及开发较高效太阳能电池。本发明基于特别增加的材料和装置结构空间。特别是，本发明采用可获得54％效率的薄静态聚光器以及用于低成本制造的各种方法。
发明内容
本发明是一种装置和方法，其用于实现接近于建模极限并且可以以低成本大规模制造的太阳能电池。本发明是大大提高设计空间的集成光学和太阳能电池设计。集成太阳能电池设计和光学设计可以更宽地选择材料、提高效率、消除许多现有的成本动因、并包括多种其它创新。
本发明利用一些创新，其支持太阳能电池技术的现有最佳实施中的高性能和稳定性，同时降低成本。本发明的双层方法以较低技术风险开始而获得45％效率，然后基于该平台获得>54％的效率同时开发将这些新构思与低成本、超高性能太阳能电池结合的新技术。
本发明包括至少两个光学设计和装置结构。首先，横向结构将光线分为光谱组成，使得可利用对每部分光谱优化的单独装置。通过避免晶格和电流的匹配限制以及消除光谱失配损失，该结构和设计避免了许多材料限制。该结构/设计的关键点在于独立优化每个能量转换结点和消除光谱失配的独立电接触。
第二，具有独立接触的垂直结点叠层的垂直结构为横向结构太阳能电池提供了一种并行方法。该结构/设计实现了和横向结构太阳能电池的结构/设计相似的优势，但具有垂直叠层。特别是，可独立接触垂直叠层中每个太阳能电池，因此避免了电流的匹配问题，提高了材料选择的灵活性并避免了光谱失配。
通过符合规律的方法研发本发明，该方法以作为边界条件的热力学限制开始。对每部分设计的能力进行分析以获得所有需要的高效率太阳能电池参数：光吸收、少数载流子收集、电压产生、以及理想二极管(填充因子)。优选地，可获得每部分光谱的优选设计电压生成。
此外，本发明支持现有技术状态并提供高性能基线。另外，本发明以最高性能的太阳能电池技术开始并加入新装置结构和处理技术，因为这些技术显示了(1)相似成本下的更高性能；(2)相同性能的较低成本。另外，结合光学设计和基于静态聚光(concentration)的半导体器件结构产生了具有多种技术选择的强大设计和技术空间。
本发明的一个实施例为用于高效太阳能电池的装置，包括：色散元件；光学聚光器；和多个光谱分离太阳能电池，其中将色散元件、光学聚光器、和多个光谱分离太阳能电池配置在横向结构中，并且色散元件将入射光分为由装置处理的多个光谱组成。
优选，上述实施例还包括具有瓦片(tiled nature)的光学聚光器。此外，优选在上述实施例中，色散元件、光学聚光器和光谱分离的太阳能电池的每个都被优化以处理入射其上的多个光谱组成的每个组成。另外，优选在上述实施例中，光学聚光器采集入射光的大部分漫射光，并且该光学聚光器为静态聚光器。另外，优选在上述实施例中，静态聚光器的聚光从10X到200X。另外，在上述实施例中，该多个太阳能电池的每个电池被置于该多个光谱组成的每个组成下。而且，优选在上述实施例中，该多个光谱分离的太阳能电池单独接触电压总线。
本发明的另一个实施例为一种高效太阳能电池装置，包括：色散元件；光学聚光器；和多个光谱分离太阳能电池，其中将色散元件、光学聚光器、和多个光谱分离太阳能电池配置在垂直结构中，该结构将入射光分为由装置处理的多个光谱组成，并且每个光谱分离太阳能电池为垂直叠层。
优选，上述实施例还包括具有瓦片的光学聚光器。此外，优选在上述实施例中，色散元件、光学聚光器和光谱分离的太阳能电池每个都被优化以处理入射其上的多个光谱组成的每个组成。另外，优选在上述实施例中，光学聚光器采集入射光的大部分漫射光，并且该光学聚光器为静态聚光器。另外，优选在上述实施例中，静态聚光器的聚光从10X到200X。另外，优选在上述实施例中，该多个太阳能电池的每个电池被置于该多个光谱组成的每个组成下。而且，优选在上述实施例中，该多个光谱分离的太阳能电池单独接触电压总线。
而在另一个实施例中，本发明为用于光伏太阳能电池的装置，包括：收集器片；第一棱镜；第二棱镜；光谱分光器；静态聚光器；以及采用光学互联装置的横向结构和垂直结构的至少一个以及太阳能电池装置结构；其中第一和第二棱镜处于收集器片的入口，第一棱镜为较高色散的棱镜而第二棱镜为低色散棱镜。
优选，在上述实施例中，将光谱分光器配置为将光和太阳光束的至少一个分为高能、中能和低能区。此外，优选在上述实施例中，静态聚光器还包括：配置为允许光和太阳光束的至少一个与光谱分光器对准的微型跟踪仪。
另外，优选在上述实施例中，横向结构还配置为：将光和太阳光束的至少一个分为多个光谱组成；利用对每个该多个光谱组成优化的单独装置；独立优化每个能量转换结点和独立电接触；包括另外的光学元件，其与静态聚光器集成以将光和太阳光束的至少一个的光谱分为组成颜色；将分离的太阳能电池置于每种组成颜色下，并分别接触每个太阳能电池；并接触具有单独电压总线的单独太阳能电池，其中将垂直结构配置为：独立接触垂直结点叠层；为光伏太阳能电池的横向结构提供并行方法；以及提供具有独立接触的太阳能电池的垂直集成装置。
另外，优选在上述实施例中，该装置结构还包括：多结点太阳能电池，其被配置有在接近于材料带隙范围的波长上具有高性能的材料、以及被配置有用于高能、中能和低能光子的不同材料，其中高性能材料还包括：用于高能光子GaInAsP材料系的三元化合物；用于中能光子的硅；以及用于低能光子的InGaAs或其它热光伏(TPV)材料；其中多结点太阳能电池的其它材料还包括：III-氮化物材料体系；用于高能光子的富含In缺陷容许III-V材料；以及用于低能光子的Si/Ge材料体系。
而且，优选在上述实施例中，太阳能电池材料还可包括结合自组装制造技术的多激子生成和多能级(中间带)太阳能电池的至少一个。
而在另一个实施例中，本发明为一种制造太阳能电池的方法，包括：以p+硅涂敷玻璃基底和再结晶；在p+硅上沉积和形成选择波长光捕获层；在p+硅上生长n型硅并再结晶；在n-型硅上选择生长GaP区作为缓冲层；生长GaAsP太阳能电池；生长GaInP太阳能电池；生长InGaN太阳能电池；形成到每个太阳能电池的电接触；以及沉积与聚光器(和色散)光学元件匹配的抗反射层。
此外，优选上述实施例还包括：以n-型硅涂敷另一片玻璃并再结晶；生长硅：锗合金(Si:Ge量子点)；生长硅p+结点；沉积光捕获结构；以及形成电接触。
附图说明
图1示出了基于静态聚光的半导体器件的示例性集成光学结构/设计流程图；
图2示出了描述本发明应用超高效太阳能电池的方法的示例图；
图3示出了1X、10X、20X、50X聚光的作为用于气团1.5G光谱的带隙数的效率的示例图；
图4示出了太阳能电池效率>50％的要求；
图5示出示例性横向太阳能电池结构；
图6示出了示例性垂直太阳能电池结构；
图7示出了本发明的提出结构和装置结构的示例性总图；
图8示出了示例性多激子生成太阳能电池；
图9示出了示例性PC1D建模结果，该结果示出通过采用n-基、薄结构而实现低成本、高性能太阳能电池的方法；
图10示出了采用低成本材料的示例性薄p-基太阳能电池；
图11示出了多能级太阳能电池的两个示例性结构；
图12示出了单光子vs.光子能量激发形成的示例性量子产率，其可表示为光子能量与三个PbSe QD尺寸和一个PbS的QD带隙的比率；
图13示出了基于接触量子点阵列的示例性选择能量接触；
图14示出了扩展本发明技术选择的各种方法的实例(第I部分)；
图15示出了扩展本发明技术选择的各种方法的实例(第II部分)；
图16示出了6J太阳能电池的示例性带隙；以及
图17示出了横向光学***的示例性示意图。
具体实施方式
实现热力学效率极限是任何能量转换过程的最终目标，成熟的能量技术的操作效率大约在其理想效率的85％。单结点硅太阳能电池已经快速发展了50年并且正在接近该里程碑，尽管仍然需要大量的改进以允许商业装置实现实验室太阳能电池的性能。硅太阳能电池的这些进步支持了陆地光伏电池的持续、快速发展，但是单结点太阳能电池仅仅获得了太阳能转换的大约一半的理论势能，限制了将光伏电池用于可接收低功率密度的那些应用。新的高性能方法允许扩大应用范围，例如战斗机的移动电源。
为克服高性能可制造光伏电池的现有障碍，需要完全的新技术。问题在于，需要三倍现有的陆地太阳能电池效率或者将空中电池效率提高66％同时将其成本降低100，因此需要多种创新。如图1的流程图所示，本发明的方法集成光学、互联和太阳能电池设计，其大大增加高性能光伏电池材料、装置结构和制造技术的设计空间。如图1所示，本发明的方法具有多种益处，包括提高的理论效率、避免现有材料/成本平衡的新结构、相对于非理想材料的改进性能、可更靠近现有太阳能技术(包括硅太阳能电池)的理想性能极限的装置设计、减小的光谱失配损失以及提高的材料选择灵活性。
本发明的集成光学/太阳能电池装置可改进效率同时保持单位面积成本，并因此扩大光伏电池的应用。图2为示出如下步骤的示例性流程图：(1)光学设计；(2)太阳能电池设计；以及(3)将单太阳能电池集成进太阳能电池的横向/垂直结构。此外，图3为当用于气团(AM)1.5G光谱的带隙数随聚光变化时的效率实例图。
另外，本发明的方法是一种设计方法，其首先集中于性能，允许采用现有的技术状态的光伏技术设计高性能、用于高能量和低能量光子的低成本多结点III-V和用于中能量光子的新硅太阳能电池。另外，本发明通过新颖太阳能电池结构和光学元件避免了现有的成本动因。另外，本发明利用了提高的设计空间灵活性并提供两个其它的III-V基太阳能电池，同时采用III-氮化物或者最近展示的富In III-V缺陷容许材料。
另外，本发明解决了更困难的目标——降低常规半导体技术的效率/成本以及成为作为涂层的太阳能电池范例(即能够以低成本应用于大面积)。实现该变化不仅依赖于采用新物理操作原理开发太阳能电池，而且依赖于新制造技术。最近，已经提出了许多低成本新方法、特别是基于新材料例如有机物或纳米结构的方法，并且这些方法示出了期望的光学或吸收特征。但是，存在许多将这些方法应用于超高效率的重大障碍，并且本发明解决了制造低成本纳米结构的技术挑战以及性能的重大障碍。
图4为总结>50％效率太阳能电池要求的示例图。特别是，实现>50％效率的太阳能电池包括至少三个因素：(1)63％的热力学效率；(2)实现其理论效率>80％的太阳能电池；以及(3)大规模生产中以$100/m2路径实现小于$1000/m2的制造方法。下面更详细地讨论这些因子。
太阳能电池超过50％的实际效率的第一标准为在气团(AM)1.5G光谱条件下理想的理论效率必须远远超过50％以允许不可避免的装置损失不包括在效率极限计算中。已经优化了数十年的最佳太阳能电池达到其理论效率的～75-80％，并因此理论效率必须超过目标效率(50％)25％，从而实现需要的热力学效率63％。
如上所述，图3示出了采用详细平衡方法计算的随用于AM 1.5G光谱的带隙数变化的效率，并示出了在一个太阳条件下需要9或10个单独结点(或者如果采用新太阳能电池方法则为9-10个分离能级或者激子生成)。对效率计算采用多个光谱，每个光谱产生边缘的不同效率值。因为该应用为低聚光陆地应用，所以采用AM 1.5G光谱。
因为许多原因，包括材料可利用性、成本、集成、和失配损失，大量材料不实用。提高效率需要经聚光或者改变太阳光谱提高输入功率密度。因为该过程(磷，上/下转换)的效率远低于高效率光伏电池所要求的效率，所以本发明的方法避免了依赖于变化太阳光谱的方法。但是，本发明包括集成光学/太阳能电池设计方法，如果该领域发生突破，则该方法理想地适于采用该效应。为避免跟踪主要适合于大规模应用的聚光器，本发明包括可同样用于常规模块的静态聚光器。此外，图3示出了10到20-X聚光提高了指定带隙数的效率，并且仅仅需要5-6个而非9-10个结点。
为实现>50％的效率，太阳能电池必须获得>80％的其理论效率63％。太阳能电池的效率以η＝(IscVocFF)/Pin表示，这里Isc为短路电流并且取决于光的吸收和发光载体的收集，Voc为断路电压而FF为填充因子。为获得>80％的理论效率，如图4所示，所有这些必须尽可能接近其理论值。当吸收深度(1/α，这里α为吸收系数)小于装置深度以及少数载流子扩散长度时，半导体-pn结发生高吸收和收集。这容易以高质量材料实现，因为具有较低吸收系数的体材料也具有较大的少数载流子扩散长度。甚至对于缺陷材料，pn结太阳能电池利用合适的装置设计和参数具有高收集，例如光捕获和漂移场太阳能电池；对于pn结，可通过装置设计和光学元件控制吸收和收集。但是，采用纳米结构方法吸收和收集都更加困难，并且需要额外的光学元件和改进的装置设计以获得高吸收和收集。
对于pn结和其它新颖方法，获得>80％的理论效率的中心问题在于实现大于其理论值90％的电压，特别是当采用具有较高复合和减小Voc的实际的、可能存在缺陷的材料时。即使吸收和收集在整个结点上集成，也通常由最小质量、材料中可能的局部区域设置Voc。这就是为什么仅仅低缺陷、单晶体太阳能电池结点示出了接近于其理论极限的Voc的原因，并且是为什么其中吸收层材料与收集/传输电荷的材料(例如有机物和染料灵敏太阳能电池)不同的方法在由吸收材料所施加的理论效率极限附近不工作的一个原因。不仅因为当由吸收体中辐射复合限制复合时获得最低的可能理论复合，而且因为在大多数设置中该传输材料较差，所以该结构不能获得其理论电压的高比例。因此，获得高比例理论效率的中心问题在于材料质量，不仅在于吸收体(如果与传输材料不同)的质量而且在于收集材料的质量。
可将太阳能电池的成本划分为三个主要动因：1)基底，2)外延生长或者结点形成，以及3)例如金属化以及抗反射涂敷的处理。通过避免使用昂贵的III-V或者硅基底，将最终的太阳能电池组装在较廉价的基底玻璃基底上，本发明尽可能减小基底成本。尽管在生产过程中采用硅晶片，但是其不必电有源，因此成本低。尽管外延生长III-V层的成本现在非常高，但是该高成本主要与资本投资而不与原材料成本相关。可通过大规模制造而降低该成本。主要的降低所有三种成本的策略为采用聚光减小半导体面积。
上述对>50％效率太阳能电池要求的讨论示出，在获得较高性能太阳能电池方面存在几个主要挑战。第一在于需要静态聚光器。以前已经对现有太阳能电池模块提出了静态聚光器，但是大电池尺寸使得光学装置太厚并且聚光太低。本发明通过集成静态聚光器的设计与太阳能电池和互联技术而避免了该限制，从而可产生高性能微聚光器，其通过采用薄光学元件避免了上述问题并产生更高的聚光。
获得>50％效率太阳能电池的困难在于对材料选择的多个竞争性限制，包括：(1)需要特别带隙以获得最佳效率所施加的限制；(2)由串联、电流匹配结构所施加的带隙限制；(3)晶格匹配限制；(4)因为一个层的外延生长必须与所有其它的兼容而产生的材料兼容限制(即生长温度必须不影响其它层、热膨胀系数必须紧密匹配、应当避免相互扩散等等)；(5)因为光谱失配所引起的损失；以及(6)成本考虑。
本发明实现接近于其建模极限并可大规模同时制造的太阳能电池。本发明的上述方法可强有力地解决主要的技术挑战：实现高聚光而不跟踪且解决应用>50％效率的太阳能电池时的材料/成本问题。
本发明为集成光学和太阳能电池设计，其大大增加了设计空间。通过集成光学设计和太阳能电池设计，可更宽地选择材料，并产生高效率、消除许多现有成本动因、并能够包括多种其它创新。主要的光学元件为静态聚光器，然后将其用于横向或者垂直结构中。为获得紧凑和结实的堆积，本发明的光学聚光器具有瓦片特征，其设计将依赖于获得最大转换效率的光学装置和电池的共同优化。
静态聚光器提高了太阳能电池的功率密度，但不必跟踪，并且通过使用宽接受角光学元件(通常非成像)而和1-太阳模块相同的地利用并使用该静态聚光器，该宽接受角光学元件从大部分天空接受光线。与跟踪聚光器不同，静态聚光器能够采集大部分漫射光，所述漫射光构成太阳光谱～10％的入射功率。较宽接受角的平衡为较低聚光。实际上，通过去除天空中功率密度全年较低的区域的光线可获得高聚光，可具有10X聚光而不跟踪。另外，如果模块位置可在一年中的任意时间手动调整，则最大聚光提高。根据该模块可在固定位置保持的时间，聚光从10X至200X。
图5示出了如何以用于跟踪的滑动光学板和用于横向能量收集的色散元件增大静态聚光器。可通过利用低成本平面光学元件的相邻板实现跟踪，其将集成进太阳能电池的基本瓦片结构。随着太阳移动，通过太阳能模块角上的压电跟踪仪在X和Y方向移动所述板的几分之一毫米可提供简单和低成本跟踪机制，该机制保证太阳图像的位置和角不依赖太阳位置而与色散元件的位置和角匹配。单个低成本、低功率DSP电路处理***中所有太阳能电池的检测、控制、伺服和致动逻辑。运行时，将在伺服环中利用表示太阳能电池效率的反馈信号以调整可移动的板的位置。
为应用横向太阳能电池而不跟踪，必须解释太阳在整个天空中的移动。具有微型跟踪仪的聚光器允许太阳光束与光谱分光器对准。由光学设计确定其中包括划分的光谱的多个光谱区或面元，而当由于将阳光调控至“错误”太阳能电池，损失随着光谱面元增加而提高。为避免这一点，可采用较小数量的单个太阳能电池，每个电池由2或3个叠层组成。本发明的太阳能电池装置设计集中于将光线分为三个区或者面元一—高能、中能或者低能。
上述的横向结构的并行方法为如图6所示出的其中可独立接触太阳能电池的垂直集成装置。注意各种接触方案和短结点的是可能的。由于包括静态聚光器，该方法可行，其留下大部分没有有源太阳能电池的表面面积，因此留出分离接触形成单独结点的空间。独立连接的垂直结构实现了和横向太阳能电池结构在尽量减小光谱失配、增加材料选择灵活性和避免通道接触方面相似的益处。根据集成过程，该方法还可通过采用层转换避免晶格匹配。
本发明在光学元件所允许的扩展设计空间中选择以首先为了性能设计，仅消除了与最终实现低成本非常不一致的那些高性能方面，然后为低成本制造进行设计。本发明的方法包括初始阶段的并行方法，从而成功并不依赖于单种高风险方法。在图7的流程图中示出了结构/装置方法。
本发明方法的设计重点在于高性能，核心方法是基于开发多结点太阳能电池采用显示出接近于其带隙的波长范围上最好性能的材料、并提供用于高能、中能和低能光子的不同材料。最高性能材料为来自用于高能量光子的GaInAsP材料***、用于中能光子的硅、和用于低能光子的InGaAs或其它热光伏(TPV)材料的三元化合物。
第二设计方法限制在于保证材料和方法与大规模制造和低成本一致。这一点促使核心方法减少基底、制造和集成成本。因为如在IC产业中大量示出，大规模制造受益于单片方法，所以可通过单片结构获得低集成成本，并且通过硅基底获得低材料成本，最低的制造成本由硅上的直接生长组成，其产生较低的基底和集成成本。
虽然本发明的方法有很高的成功可能，但是我们认为其它材料***和方法具有独特的优势。本发明方法的并行方法由于改进的性能或者降低成本下的等效性能可取代核心方法。这些方法包括多结点太阳能电池的其它材料，例如III-氮化物材料***、采用用于高能量光子的富In缺陷容许III-V材料的新装置结构、以及用于低能量光子的Si/Ge材料***。
可选地，本发明的具有较高技术风险而且具有高平衡的不同方法为采用多激子生成或者多能级(中间带)太阳能电池，并结合自组装制造技术开发纳米结构虚拟带隙太阳能电池。实际上，所有的设计和技术都是相互关联的。例如，纳米结构虚拟带隙太阳能电池最合适并且最接近于实现为低能转换器，且最终的太阳能电池可以是纳米结构和多结点方法的混合。下面中更详细地描述了每个所述光伏构思。
下面进一步讨论用于高能量光子的高性能、低成本III-V材料电池。多结点太阳能电池(也称作级联)由多个pn结组成，每个都转换窄范围的太阳光谱。三个结点(3J)多结点太阳能电池表示现有的技术状态，在175X下效率为37.3％，在10X下最近证实的结果为37.9％。
基于现有的3J方法的增量方法面对几个主要困难，包括将III-V或Ge组合在最终太阳能电池中的固有成本，对较高带隙增加晶格匹配限制以及缺少高带隙材料的选择、缺少中间和低能量范围中的理想材料，特别是如果Ge不用作有源太阳能电池时。总之，该困难可同时总结为(1)在附加的3到4种材料中开发理想的pn结以及(2)将现有的级联电池成本降低100倍或更多。
此外，存在多种可用于实现>50％的聚光器/太阳能电池组合。4J太阳能电池需要>150X的聚光，而7J太阳能电池需要>5X。因为4J太阳能电池依赖于高聚光内部跟踪静态聚光器的成功，所以本发明包括具有硅的5-7J太阳能电池作为中能转换器，3J在硅上，1-3J在硅下。因为最佳设计包括硅上3J，一个、两个或三个结点在Si下，所以介于5和7之间的结点数取决于低能转换器。因为低带隙装置独立生长和/或附接于硅基底，所以可分别考虑高能、中能和低能装置。
采用Si减小了成本和高带隙问题，并且采用用于低能光子的Si/Ge增加了低能装置的带隙。该方法提供了巨大的灵活性和高成功可能性。即使假定仅仅应用了5J太阳能电池(而非7J)并且结点优化没有完全实现(因此允许我们仅仅获得低能理论效率的50％以及所有太阳能电池理论效率的75％)；20X的总效率为45.1％。如果实现三个最低带隙结点的理论效率的75％以及较高带隙的85％的6J，在20X下获得53.7％。
已经长时间承认以硅作为III-V材料基底的优点特别是对于GaAs的集成，并且已经激励许多努力以开发该光学装置、集成电路技术和光伏电池，但是一直遇到较差的材料质量。由于如下所述几个原因，集成光学/太阳能电池方法允许本发明避免该问题。
首先，大大提高带隙的灵活性，因此可选择其中晶格匹配和电流匹配限制不严格的材料。例如，在6J太阳能电池中，将第三结点的带隙固定至硅的带隙、将上部带隙限制为小于2.2eV以及将最低能量间隙提高至0.7eV，相对改变效率小于1％。
第二，通过使用低水平聚光，因为非理想复合成分在较高偏压下显得较不重要，所以装置可容许较高的位错密度。这一点最近以记录太阳能电池试验证明，该电池包括变质低带隙太阳能电池，其在低聚光(10X)下比仅提高的功率密度所占据下改进更多，并且还被最近的低聚光级联电池另一报告所验证。
因为上面三个结点产生6J太阳能电池总功率的66％，所以本发明的方法采用用于高光子能量转换的多种并行方法，而方法的焦点在于通过组合新太阳能电池设计、新材料***和缓冲层生长进步获得硅的高质量生长。
最高性能的太阳能电池采用Ge或III-V基底和来自GaInAsP材料体系的三元材料。为避免传统性能和成本动因，本发明包括在低成本硅上生长3J太阳能电池。最低风险的方法为在Si上生长“反向”太阳能电池，从而在Si上生长最高带太阳能电池，然后将剩余的装置分级为较高的晶格常数以及较低的带隙。该方法的有效特征为扩展最近验证的高质量阶梯分级缓冲层以在Si基底上进行高质量生长。Si/高带隙太阳能电池的晶格失配与现有的高性能级联太阳能电池的晶格失配类似，产生了高成功可能。
另外，因为硅基底可以是牺牲基底，由于导电差但是结晶图质量高的晶片成本非常低，所以该方法成本较低。另外采用牺牲晶片层克服了现有障碍以大规模低成本地制造层转移。通过使单独的层变薄以及进一步优化缓冲成分，包括采用含Al级，可将该方法扩展至引导有源Si太阳能电池上电池的生长，允许Si上的低成本、高性能单片太阳能电池。
III-氮化物材料体系具有允许高性能多结点太阳能电池和低成本的几个特征：理想的带隙范围；和蓝宝石(当前所使用)相比良好的匹配至<111>Si的晶格；以氮化物为中心的现有工业；甚至具有高位错密度的高辐射效率；高可移动性，允许从缺陷材料良好的收集；大压电常数，允许控制表面复合；以及高带隙材料的可用性，允许直接带隙高于2.2eV的装置设计。在其它建立的材料体系中不能获得该高带隙，但是该高带隙是所期望的，因为具有多个电池的多结点太阳能电池需要它们。
与该优势联系的还有大量困难，包括低带隙的未开发状态、富InInGaN材料系(特别是在实际装置中获得p-型传导时)、蓝宝石基底成本、以及少数载流子短寿命。以Si为基底避免了蓝宝石的成本，和所提出的用于带隙的蓝宝石相比改进了晶格匹配，并且尽管在热膨胀系数中的大失配但是已经显示出和GaN的相容性。另外，因为所需要的最低带隙高于1.5eV，所以使用硅还避免了InN问题。已经列举了GaN和InGaN太阳能电池中的高收集和电压，并确定对内部电场的控制为关键的设计参数。通过利用在Georgia Institute of Technology开发的InGaN新掺杂技术，以及包括压电效应作用的装置设计，本发明可获得高性能InGaN太阳能电池。
本发明支持现有太阳能电池技术的成本/性能优势以获得高性能和低成本。虽然实验室硅太阳能电池已经显示了高性能，但是主要的技术困难在于将高性能特征组合在低成本太阳能电池中。为了可以将硅用作低成本、高性能光伏材料，本发明为一种在玻璃上生长的新颖太阳能电池，其由太阳能电池设计中若干创新而作用，包括移至较薄硅结点、通过除绝缘体之外的装置钝化Si表面、使用光学透明基底、以及最近显示的n-型硅中少数载流子长寿命。为减轻成为超低成本方法的风险，本发明利用并行方法。
本发明还利用采用沉积涂敷的表面钝化的最近的进步，以及所提出的光捕获(在纳米结构材料中描述)创新以实现高性能，但是是在硅晶片而非玻璃上。本发明还包括制造晶体硅太阳能电池的方法，其具有沉积宽带间隙半导体以钝化表面并获得较高电压和效率。
超高效率多结点太阳能电池的主要困难在于低能光子的效率转换。这不仅是材料问题(尽管有材料问题)，而是在经光伏方法直接热转换时所遇到的固有问题。效率极限计算假定复合受到辐射限制，并且准费米级可任意接近导带和价带边缘。Si和III-V级联的记录效率太阳能电池都通常获得辐射极限0.1eV中的Voc’s。因为辐射极限变化较慢，所以方便的等式为Voc≈q(Eg-0.4eV)。对于大带隙太阳能电池，0.4eV偏差占总电压的小部分，但是对于较小带隙，其成为主导作用。为维持最高可能电压，本发明采用用于热光伏装置的高性能低带隙材料，其与通过采用异质结构和光捕获尽量减小低带隙材料中的复合体积相耦合。
第二个关键的限制在于由于和常规基底之间的大晶格失配而引起的低带隙太阳能电池组合现有装置的困难。层转移允许采用现有的TPV太阳能电池，但是成本较低的方法为在硅晶片背部生长Si/Ge太阳能电池，将新方法组合至光捕获以增加吸收。作为避免低带隙材料中的低Voc’s的并行方法，本发明如下文所述采用虚拟带隙太阳能电池。
下文进一步讨论纳米结构虚拟带隙太阳能电池和光子晶体。纳米结构PV的变化可能性源自两个不同特征：第一，纳米结构改变和控制关键材料参数的能力，第二，不是通过外延生长过程而是通过低成本、新颖自组装过程应用纳米结构材料的可能，从而允许光伏电池中长期寻找的“最终”范例变化、涂敷后的成本模型、以及半导体后的效率模型。经纳米结构控制材料特征意味着单纳米结构太阳能电池可通过采用虚拟带隙太阳能电池理论上超过单pn结太阳能的效率，其中可有效地转换光子而不需要该能量上或其附近的“物理”带隙。这一点具有进一步的益处，即可将纳米结构虚拟带隙太阳能电池用于克服低带隙pn结方法所遇到的低电压，并进一步扩大材料设计空间。
可将两个物理机制用于虚拟带隙太阳能电池；多激子生成和多能级太阳能电池。所有这些方法依赖应用其的纳米结构，并且本发明还采用其它创新，其通过形成规则的量子点阵列和接触该阵列的新装置结构允许实际的低成本纳米结构装置。
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本发明方法的光学努力包括两个光学元件的设计和开发：静态聚光器和用于横向太阳能电池的光学装置。这些方法中的主要创新为组合这些光学元件作为太阳能电池组件的构成部分。优选在非常快的制造步骤中集成聚光器和横向光学装置，其中将光学元件阵列连至太阳能电池芯片封装(例如作为简单的“速接(snap-on)”组装步骤)。侯选聚光器和横向光学装置的光学方法的处理技术包括但不限于批-制造折射、反射和衍射技术范围。
本发明的方法还将包括理论和试验分析可制造性的侯选方法；开发成本、制造、组装、对准、和维护；公差；温度灵敏度；稳定性&可靠性；和性能。对光学元件性能平衡的分析将集中于如下的问题例如辐射损失(来自吸收、散射和反射)；可逆或者永久环境或者老化效应(来自温度、湿度、灰尘、划痕、以及相似的作用)；以及光学收集中的非理想性(例如，由于可引起一部分光子传向“错误”结点的光学偏差)。
下面讨论技术II、III-V多结点太阳能电池。实现>50％效率多结点太阳能电池的中心有效过程技术为开发组合III-V层的可制造方法，其允许具有低成本基底和太阳能电池优选为硅的高性能太阳能电池。上表1示出了在本发明中所采用方法的概观。
采用GaInAsP材料体系中的级联材料的对现有级联太阳能电池所获得的记录效率显示了该材料对较高效率PV装置的适合性。采用这些材料实现新3J太阳能电池的主要困难在于开发允许集成3J和有源硅晶片的方法，以及开发用于较高带隙太阳能电池的方法，其处于采用GaInAsP材料体系的上限。
最终目标为在硅上直接生长标称1.5eV、1.8eV和2.2eV带隙的3J叠层。采用理想材料参数的装置建模示出了该结构达到50％的能力。采用理想的、类GaInAsP材料的装置模拟预计在所有太阳光谱的10X聚光下可获得三结点高能叠层的39.5％的效率。采用PC1D，对于Si中间太阳能电池和底层电池，光伏电池中的最常用pn结模拟器在整个太阳光谱上产生全部15.4％的效率。和63.2％的理论效率相比，组合这些效率产生全部59.7％的效率。先前的记录效率已经达到相似模拟效果的90％，表明良好优化的装置可达到理论效率的85％，其支持我们的模型并表明总太阳能电池可获得>50％。
本发明包括在III-V(GaAs)基底上生长的初步方法后，开发至硅上高性能太阳能电池的路径，以检验和优化不同材料成分的材料和生长参数。通过生长蚀刻停止层和生长反向配置(即以最高带隙材料为第一太阳能电池)，该层可转移至Si基底，并且去除晶片。在反向GaInP/GaAs/GaInAs电池获得10X的37.9％的记录效率可证明该方法的合理性。GaAs上的初始生长将提供便利的方法以证明和研究反向结构的方面。如果可重新使用GaAs基底，则GaAs基3J、高带隙结构也将有用。尽管可再使用，但是通过在Si上生长即可获得大量益处，因此本发明的可大规模制造的优选方法不依赖于基底再使用。
本发明用于开发路径的方法的下个步骤为在低成本、电惰性但晶体质量高的硅基底上生长反向太阳能电池结构。尽管该方法也是主要用作引导在Si上生长的开发方法，但是因为Si基底作为牺牲基底成本可足够低，因此其可减轻风险。尽管过去硅上的III-V生长经历了有限的成功，但是本发明将采用最近开发的新方法，例如最近验证的采用与Si匹配的GaAsN合金晶格在Si上生长高质量、固有(而不是过去研究的松散结构)III-V的晶核。可选地，Si-Ge级可用于在成核固有晶格匹配GaInP之前调整晶格常数。仔细优化的证明为37.9％效率的级对本发明结构中的每个级释放比所需要的更大的应力。截至目前没有一项关于硅的研究采用了反向方法。在Si上直接开发3J叠层中的最后步骤为：使在反向太阳能电池结构中开发的缓冲/有源层变薄，从而可对Si上的1.5eV装置实现低缺陷密度模板，并且在该装置上生长两个更高的带隙。
由于用于白色/蓝色LED，因此III-氮化物体系经历了快速发展。因为InGaN材料可用于应用低于先前假定的1.9eV极限的带隙，所以证明InN带隙为0.68eV而非前面的1.9eV使其成为太阳能电池的理想替代品。因为本发明包括在Si上生长，所以避免了和低带隙富In氮化物相关的多个材料问题。因此，在硅上应用高效率InGaN太阳能电池的主要困难在于少数载流子的短寿命和在Si上生长的缓冲层的开发。
少数载流子寿命允许高效率太阳能电池的试验和模拟证据都存在。本发明采用20X的三个结点，这些结果表明，主要由于氮化物的较高吸收系数以及维持高电场的能力，在整个光谱范围上内部量子效率保持为高于98％，以及即使存在现有GaN材料中所测量的短寿命，模型电压也能获得高质量太阳能电池所期望的特征Voc＝q(Eg-0.4eV)，因此满足了>50％太阳能电池的标准。另外，接触层中具有高寄生吸收的未优化初始装置的试验结果在GaN太阳能电池中已经获得超过60％的内部量子效率。此外，对于具有2.4eV发光和光致发光的装置，本发明获得了2V的电压。
另外的对InGaN***的高效率可能性的信心源自氮化物的其它有利特征，例如高压电常数和极化效应，其可用于开发新太阳能电池方法并且可减轻提出较新材料系相关的风险。另外的减轻风险的方法例如在Ge或其它基底上生长以及采用层转移、和减少p型掺杂问题的装置设计和生长方法。
开发路径集中于两种并行路径。首先，生长太阳能电池结构和材料，并且其特征在于识别和解决装置设计相关问题以及优化材料生长条件的蓝宝石。主要的新颖装置问题包括经优化生长条件以及通过利用氮化物的压电特征，通过示例低表面复合速度以及通过优化掺杂条件，在p-i-n太阳能电池结构中维持高电场。经MBE生长1.5eV和1.9eV装置，并通过MOCVD生长更高的带隙。并行地，待试验优化的第二主要问题在于开发缓冲层以在Si上生长。虽然对于建议的InGaN组成，硅具有较紧密的晶格常数，但是Si的热膨胀系数与InGaN的远远不同，因此需要优化缓冲层生长条件和组成(其包括具有AlN材料体系的合金)。现有的示例的硅上大面积、无裂纹、低位错密度薄膜示例了缓冲层优化的能力。开发计划的后面阶段包括将缓冲层和装置结构组合成低成本、高性能太阳能电池，以及评估两种生长方法的可制造性和成本以决定哪种方法最适合技术转移以及大规模制造。
分析表明可获得22％一个太阳效率的实用硅太阳能电池。当组合在叠层中时，基于第一产生设计，其产生>50％的效率。该新颖设计利用n-型硅的杂质和缺陷的少数载流子寿命容差。该设计还采用钝化n-型表面的相对容易性。和基于晶片的硅太阳能电池相比，太阳能电池材料的成本将降低大于80％。而且，该方法还允许断路电压高于现有太阳能电池所显示的断路电压。通过University of Delaware、University of New South Wales、BP Solar和Blue Square的协作使得开发高效率低成本硅装置的工程风险低。该团队代表了Si太阳能电池领域领先专家的协作。
如图15所示，在薄太阳能电池中，由于组合了减小的复合体积以及高载流子收集，所以可以以降低的少数载流子寿命实现高效率。即使对于10μ秒的少数载流子寿命，薄装置的效率也可高于21％。在较低质量材料上显示出了100μ秒的寿命并将成为目标值。
后部结点太阳能电池对前表面复合值非常敏感，因此后部结点装置的前表面必须较好地被钝化。但是，n-型前表面利用了n-型硅更易被钝化的事实，因此由前表面组合施加的效率极限对于其中寿命为100μs且<20μm厚的装置保持高于22％。后部结点装置的另一个优点在于其对后表面复合速度非常不敏感，从而即使对于非常薄的装置，1,000cm/秒的后表面复合速度对20到50μm厚装置引入基本可忽略的影响。这些优点意味着，即使包括从表面逃逸的光的20％光学限制损失，对于厚10到50μm的装置仍可获得高于22％的效率。
该太阳能装置设计大大偏离现有的薄硅设计。特别是，该薄硅太阳能电池将被设计为获得较高电压。接下来描述结构。
基底由热系数在从700至1000℃温度范围上与硅匹配的玻璃制成。该基底被涂敷P+硅，其被重结晶以形成大于1mm的颗粒。玻璃上的P+硅接收涂层，所述涂层用作杂质扩散阻挡层、选择波长光反射器、和将沉积在其上的吸收体层的钝化层。形成开口以通过阻挡层、光学装置和钝化层。例如：100微米中心上的10微米开口(圆形)。开口足够接近以至于在载流子复合前收集载流子。硅光子吸收体为N-型。吸收体层可通过CVD沉积然后采用标准技术重结晶。在本申请中，吸收体层的厚度介于20和50微米之间。除了CVD以外，还包括几种沉积该吸收体的有效低成本方法。顶面钝化可以是浮动结或者高性能、高温异质面，例如GaP或者GaAsP。
因此，由于复合体积减小，所以即使采用完全理想的材料，具有良好表面钝化的太阳能电池的电压比常规厚度的装置更高。通常，表面钝化主要基于缺陷的物理钝化。但是，最近的结果表明可通过改变表面结构的涂层或处理实现钝化。该方法允许开发新的普通等级表面钝化，而不是需要大量材料专用信息并对每种不同材料优化的方法。总之，高级光捕获和良好表面钝化不仅减轻了非理想性，还允许更近似地模拟已经良好优化的装置的理论电压极限，并获得实际太阳能电池的高效率。
本发明采用为热光伏(TPV)应用设计的现有技术状态的低带隙装置，并且采用层转移和基底再使用，以将其和硅太阳能电池集成。为进一步提高效率并降低和层转移相关的制造风险，本发明采用允许直接在太阳能电池后部生长的新Si/Ge太阳能电池设计。而且，本发明采用高Voc低带隙装置的两个选择，该两个选择都依赖于光捕获。通过减小装置厚度同时通过光捕获保持相同的吸收，减少了总复合，因此电压提高。该方法需要低表面复合速度，其可在所建议的InAs以及Si/Ge材料体系中获得。
第二种方法集中于采用量子井(或者其它可组合至装置结构中的纳米结构)以更改固有区域中的有效带隙。该方法不从包括纳米结构中寻求提高热力学效率，因此对其它纳米结构装置存在的不确定性和风险在这里不适用。采用该方法的前述QW太阳能电池结构示出，对于QW太阳能电池，Voc高于具有物理带隙的相似装置，并且还示出高收集可能性。通过光捕获避免和纳米结构材料相关的吸收减小。
本发明的方法包括采用TPV材料的开发计划，其首先示例和优化InP上InGaAs材料系中的双结点叠层，然后示例将这些结构层转移至硅基底。Si/Ge太阳能电池的开发计划包括开发和优化0.9eV太阳能电池、以及集成光捕获以获得高吸收和电压。Ge太阳能电池在该0.9eV Si/Ge太阳能电池上的生长允许在Si上直接生长2J叠层。
纳米结构获得光伏电池中的高效率的可能性仍然有争议。已经报道了采用光学测量的可能结果，包括整理有效带隙、有效发光或者新吸收过程例如多激子生成，并且还指出发光器和探测器中纳米结构的有利使用。批评者指出即使采用MBE生长结构，纳米结构太阳能电池的效率也一致低于不具有纳米结构的装置，以及示例出的进步集中于吸收/发光，并且装置甚至不能实现一部分吸收(太阳能电池最易控制的参数)，远低于现有半导体器件的收集、电压和FF。建模和试验工作表示两者都正确，尽管现有示例对示例重要物理机制非常重要，但是现有的示例通过忽略重要问题而包括固有缺陷，该问题排除了使用某些纳米结构配置和材料，阻止了太阳能性能的进一步理论改进。
本发明包括多激子生成MEG和多能级(MEL)太阳能电池(其中间带为特别情况)，因为仅仅这些示出了在与高效率太阳能电池一致的能级出现需要的物理机制。在(MEG)太阳能电池中，如图8所示高能光子产生多个激子。在MEL太阳能电池中，低能光子将载流子激发至中间能级，然后如图8所示另一个光子将载流子从中间能级激发至最高能级。
纳米结构太阳能电池的主要困难与载流子的传输相关。虽然纳米结构中固有的束缚势能允许整理材料特征，但是其也引入了纳米结构中在低能级下传输载流子的势垒。LED以及激光器避免了这个问题，因为其需要向纳米结构中注入载流子而非从其收集载流子。传输问题有两个主要的解决方案：(1)采用密集空间纳米结构阵列，其促进形成如图8所示的微带，其中微带传输载流子；或(2)将束缚势能中的载流子激发至势垒或阵列材料的导带/价带(或者采用热方法，经电场或者经光子引发的跃迁)，其然后用于传输载流子。
采用紧密间隔的纳米结构阵列解决传输问题引入了几个限制。仅仅QD紧密相隔的阵列具有带间的零密度状态。在其它纳米结构阵列中，载流子迅速热能化至最低能级。在中间带太阳能电池(采用传输用微带的MEL太阳能电池)，必须在高能级提取载流子，并且甚至在显示出缓慢冷却速率的纳米结构材料中，热能化表示大损失机制。另外，因为仅仅QD显示出了多激子生成的高速率，所以在不同于QD阵列的纳米结构中采用MEG也是高风险的。因此，对于采用微带的太阳能电池，仅仅QD阵列将提高效率。
但是，微带(mini-band)方法包括两个主要困难。具有长范围级别的QD紧密间隔阵列难于制造，特别是在低成本方式中，但是除非QD阵列被排列以形成微带，否则太阳能电池将以阵列或势垒材料特性占主导。另外，金属不能直接用于接触微带装置，因为其将使两个微带变短。在常规半导体中生长的纳米结构中，可在金属和纳米结构中间采用半导体的体区域。
尽管进行了大量的研究，但是非常规半导体材料示出了限制电池性能的较差传输特性，因此高性能太阳能电池决不能依靠这些材料中的传输。例如，因为太阳能电池是由阵列而非QD控制，所以其中QD代替染料敏感太阳能电池中的染料或者其中QD处于有机材料中的方法代表高风险长周期方法。可通过开发选择能量接触避免该问题，其可采用纳米结构的直接金属接触。因此，为低成本地采用MEL或者MEG微带传输太阳能电池，需要最优材料和装置设计、选择能量接触、以及低成本紧密间隔排列的QD阵列。
在纳米结构材料中传输的可选方法为采用光子将载流子激发至高能带。该过程用于量子井和量子点红内(intra-red)光电探测器(QWIP和QDIP)中。一旦处于该能级，则必须防止载流子被捕获回纳米结构。假定围绕纳米结构的势垒或阵列材料具有良好的传输特征、存在强电场、以及不在纳米结构中传输载流子，则载流子中的传输允许高性能。这些要求限制了有用的纳米结构配置。为避免在纳米结构中传输载流子，载流子的传输方向应当垂直于纳米结构的约束，其允许采用QD和QW结构，但是不允许采用平行于光吸收方向对准的纳米棒。
已经在由低带隙材料例如PbSe和PbS制成的半导体纳米晶体量子点(QD)中观测到了有效的多激子生成(MEG)。理论效率取决于多个载流子生成过程的阈值能量以及在该阈值下产生的电子数。从一个吸收光子产生达到三个的激子。利用其的主要困难产生了实际太阳能电池要求，即改进碰撞电离太阳能电池的建模和理解、将QD组合进充分聚光的薄膜以提供高吸收、分离发光激子以及向装置接触传输自由电子和空穴、以及识别示出有效激子生成的其它材料。将采用例如染料敏感或者有机方法的太阳能电池结构分析和优化这些问题，然后用于采用毛细处理的有序阵列，其被并行开发。
下面将进一步讨论多准-费米级装置。MEL太阳能电池依靠其中经过生成和复合同时辐射耦合多能级或带的装置结构。其开发中的主要困难为所有带之间的示例同时辐射耦合、以及开发最佳材料体系以及装置。因为在低能量光子范围内所需要的子带间跃迁在QW和QD红内光电探测器中良好记录和展示，所以本发明采用低能级光子。最近的建模示出了III-V中的Sb基QD，Si/Ge***显示了应用理想MEL太阳能电池的能力，因此可用作Si下三叠层的等同物以获得7J级联。首先集中于开发MEL太阳能电池结构的理想模型，以及展示III-V MEL太阳能电池和Si/GeMBE生长太阳能电池中的三辐射耦合带。III-V MBE生长装置被用于验证模型和理解过程，在后面的阶段集中于Si/Ge QD方法，因为这些可直接生长于Si太阳能电池的后部。
下面进一步讨论选择能量接触和低成本、有序量子点阵列。低成本纳米结构太阳能电池需要对纳米结构本身采用QD的有序阵列以及选择能量接触。设计该半导体将需要采用量子点规则阵列开发重要的新技术以实现期望的带结构。Whiteside将首先采用其实验室内的领先技术产生具有六角堆积对称性的良好长范围的小颗粒阵列：采用毛细管力形成自组装。在该工作中，来自后退(retreating)下降沿的毛细管运动强迫点进入规则图形(一种深入开发且证明有利于形成六角堆积2D病毒颗粒晶体的技术)。还将考虑采用Langmuir-Blodgett技术在空气-液体界面制造水晶胶体阵列以及将其转移至基底的可能性。
接触量子点阵列通常较硬，并且注重能量选择性使其更加坚硬。20nm的金属膜通常显示出10％粗糙度(2nm为3-4单层)。由于破坏了底层点阵列以及接触表面张力所产生的非均匀性，在该层上蒸镀金属膜不能解决该问题。但是，Au可沉积为弹性体表面(例如聚二甲基硅氧烷的薄膜)上的薄膜以产生薄而均匀的接触层：PDMS/Au的机械柔顺性产生可用的原子级接触。采用金上的薄聚(苯胺)膜的相关电极将可能使电接触更好，但需要证明。通常，薄Au接触层(通常为20nm厚)将与弹性体组合以在Au和量子点阵列之间精确间隔。这类***通常形成通道接触，并且是截至目前在所有地方开发的最可靠***。为仅仅对导电带形成能量选择接触(从而防止价带或微带的短路)需要开发谐振通道接触。本发明从半导体-绝缘体-半导体-绝缘体-金属结构形成了这样的接触。
纳米结构太阳能电池包括增加吸收的结构。由于纳米结构材料的小体积以及因为传输原因需要保持装置较薄，这些方法具有促进有效吸收的特征。光捕获传统地用于太阳能电池中，并指通过限制光在有源区的多次通过相比于物理装置厚度增加光路长度。虽然可以以常规反射装置(金属或者Bragg)获得低水平光捕获，但是所提出的薄结构中更高的光捕获需要完全的新方法。本发明通过设计操控和反射光线的光子晶体应用高吸收，同时允许小特征尺寸。本发明的新颖光捕获方法包括低能级电池并包括较新的光子带隙(PBG)材料技术。但是，PBG技术基于采用光刻制造方法，因此认为当完全成熟时其可进行批量制造。
对于处理集成有许多可接受方法。重要的指导在于设计首先实现最高温度过程然后逐步降低。下面是可完成这一点的一些方法。首先进行基于如所示出的横向设计或者垂直设计的基本方法。两种情况下都是静态聚光器(并且可分别制造色散元件)。可在最后步骤将其与光伏装置配对。该装置结构以基底开始。对这些实例将采用玻璃。下面是示例性顺序：
1.以P+硅涂敷玻璃基底和再结晶。
2.在硅上沉积和形成选择波长光捕获层。
3.在结构上生长n-型硅并再结晶。
4.选择区域生长GaP缓冲层。
5.生长GaAsP太阳能电池。
6.生长GaInP太阳能电池。
7.生长InGaN太阳能电池。
8.采用喷墨技术形成电接触。
9.沉积与聚光器(以及色散)光学装置匹配的抗反射层。
接下来生长底部太阳能电池。下面是一个实例。
10.以n-型硅涂敷另一片玻璃并再结晶。
11.生长硅：锗合金(Si:Ge量子点)。
12.生长硅p+结。
13.沉积光捕获结构。
14.采用喷墨技术形成电接触。
对于横向结点装置，对每个高能装置或者层转移或组合可采用选择外延生长。任何太阳能电池的主要部分为其抗反射(AR)涂层。因为太阳能电池现在不在其整个范围上转换，所以现有的AR涂层不是设计用于在整个太阳能电池光谱上的低反射。通过开发连续可变折射率的AR涂层，本发明可降低整个光谱范围上的反射性。
基于静态聚光的光学设计和半导体器件结构的集成产生具有多种技术选择的非常新的设计和技术空间。该大空间在第I阶段放大，中心在于以实时方式识别可引起程序目标进步的那些技术方法。将根据下面的策略管理该项目：
1.设计最高性能。所应用的唯一成本标准为消除最终产品中的高固定成本元件例如III-V或者锗基底。
将本发明分为光学装置和高能、中能和低能装置。每个该方法都具有采用证实的低成本高性能材料的中心平台以实现程序目标。添加至其中的是扩大如图20和图21所示出的技术选择的各种方法。
该设计的每部分将依据其满足所有需要参数的能力记分：光吸收、电荷分离、少数载流子收集、电压生成、二极管理想性(填充因子)、可被承担性(affordability)、材料兼容性、以及可制造性。现有的高性能太阳能电池技术将被支持，并且将添加新装置结构和处理技术，因为其显示出(1)相近成本下更高的性能或(2)相同性能下较低的成本。
光学元件、横向和纵向太阳能电池结构、各种太阳能电池材料体系(开始阶段调查了六个材料体系)、和不同太阳能电池结构的组合提供了丰富的设计空间。光学装置、集成和太阳能电池结构的共同设计意味着光学元件的性能影响集成策略和太阳能电池设计。因此，虽然核心方法在于分为三个能量范围的6J太阳能电池，但是光学装置可使得太阳能电池设计完全不同。例如，如果内部跟踪聚光器显示出可制造性、可靠性以及低成本、以及高于150X的聚光率则仅仅需要4到5个结点。再次根据光学设计，可采用横向结构将这些结点全部分离地置于基底上、或者可单片集成。可选的是，即使采用该高聚光率，所提出的6J太阳能电池仍然可用于产生高于55％的效率。
本发明的光学/太阳能电池设计的中心元件为静态聚光器。尽管现在没有用于陆地模式中，但是其并非源于理论、技术或者应用问题，所有这些问题都已经例证，而是源于如下事实，即陆地光伏电池现在由限制静态聚光器商业可用性的前提约束，主要关于将现有硅生产线转换为新设计和集成过程的困难。
通过初步光学设计进一步增强了静态聚光器的合理性，该设计示出现有的光学制造技术允许可满足性能目标的聚光和光学效率。即使高效率聚光器也依靠设计专业知识而非新处理或制造能力。
本发明的方法包括至少两种获得静态聚光器的方法：(1)基于微透镜的较低聚光；以及(2)包括可移动透镜片的的较高聚光方法。假定两种方法产生相似的光学效率，则通过对每种方法成本和可制造性进行成本估计、将太阳能电池性能集成于模块、以及比较所产生能量的以$/kWh表示的成本，在两种方法之间选择。
本发明的第二种新颖光学元件为用于横向太阳能电池结构的光学装置，其具有较大的技术风险、而且在材料灵活性、集成和可靠性之间充分平衡。另外，横向方法能够使其它光学/光子领域受益，例如多光子探测器，从而该领域的成功可以和其它工业共同发展。减小横向光学元件和集成的风险的主要策略为“面元”数的允许灵活性，太阳能光谱被划分到所述面元中。大量的面元使得光学设计和集成更加困难。虽然因为面元数小于结点数所以较小数量的面元减小了材料选择的灵活性，但是对于最简单的组件，应当单片生长几个结点。核心方法包括开发三个面元(高能、中能和低能)，并且图7中所示出的设计显示出横向光学装置的可靠性。在横向光学装置和集成中有两个决定点。第一个在阶段1结束时进行，这里识别两个待进行的横向/光学设计，一个基于采用微跟踪仪的高聚光/横向设计，另一个基于所有的光学设计。在阶段2，包括试验应用详细的性能特征将决定每种所述方法满足成本、光学效率和聚光目标的能力。和在阶段2后进行固有向下选择的装置技术不同，可以同时进行两种光学方法以向前进入阶段3，因为其可对不同的应用表示最优。
多结点太阳能电池的风险管理包括采用具有证实的高性能的核心方法，然后利用集成光学/太阳能电池设计所允许的灵活性以尽量降低成本。另外，对于产生总功率66％的高能光子，本发明包括多种并行方法，从而需要仅仅在其中一个路径成功以获得>50％效率太阳能电池的总目标。
下面进一步讨论在硅上生长的GaInAsP基III-V太阳能电池的风险管理。如上所述，实现GaInAsP材料体系中高性能3J太阳能电池的主要困难在于在硅基底上生长～1.5eV太阳能电池，其次在于开发～2.2eV的高带隙太阳能电池。因为高带隙GaInP相比于现有基底具有更紧密匹配Si的晶格常数，所以如果在Si上生长则高带隙太阳能电池相关的风险低。
表2中示出了示例性策略，并包括在硅上选择外延附生GaInAsP基层。这样的附生区示出为具有比如果直接在高度晶格失配基底上生长的更高的结晶图质量。另外，根据所采用的生长方法，选择生长具有减小材料成本的优势。基于在硅上生长单个带隙的示例，在阶段II的决定点细读(peruse)选择性生长选择。另外，在该阶段，评估GaAs层转移的成本和可制造性以确定是否需要替换方法。
表2
 
核心方法 策略1 策略2 可选方法
GaInAsP，在硅太阳能电池上生长 GaInAsP，在牺牲Si上生长 GaAs或者Ge上的GaInAsP，基片再用 选择/附生
优势：低成本、高性能方法 优势：低成本Si晶片减小层转移的可制造性和成本问题 优势：现在用于高效率级联 优势：尽管高晶格失配，但可获得良好材料质量
风险：在Si上高质量晶格失配生长～1.5eV材料 风险：缓冲层优化 风险：高带隙GaInP大规模生产中的层转移和晶片再用 风险：开发新工具和过程
由于III-氮化物材料与常规III-V材料相比状态较不发达，所以III-氮化物太阳能电池的潜在风险高于GaInAsP材料体系的风险。但是，其还经历LED工业的巨大发展，并且一个减轻采用该材料风险的因素为由LED工业共享发展，并且可利用由该工业开发的进步。
除了通过从其它行业大力发展氮化物以及维持开放入口(通过其可包括其他要求的组)而降低风险外，本发明包括几种其它风险管理策略。和III-氮化物相关的风险为采用硅基底、生长方法的潜在成本、和氮化物高辐射寿命以及电流收集困难之间的潜在连接。为管理和硅基底使用相关的风险，所述组元件当前包括在可选基底技术中。
第一个可选基底为蓝宝石本身，其不具有固有的高材料成本并通过低成本方法例如带状生长而生长。蓝宝石的其它潜在优点为其作为光学介质具有许多理想特征，因此可允许新颖的集成透镜/太阳能电池构思。
从材料成本观点而言，第二个可选的低成本基底为ZnO，其还具有可被其它开发III-氮化物的产业利用的技术优点，例如高功率。例如，MBE的非常有效的分子束特征利用了氮化物应用中金属源材料的～80％，相比之下，MOCVD的小于0.1％。这两个问题的组合使得MBE在氮化物应用中至少便宜1000倍。
氮化物中的最后的可能风险为，相对于氮化物所示的高辐射量，甚至少数载流子的短寿命，是由于载流子局部化造成，并且可使得发光载流子的收集更困难。虽然生长优化为固有研讨的一种方法，其减少了量子井结构的需要或者消除了生长层中的向分离，但是所述团队在QD和QW太阳能电池方面的经验也可直接应用于此。太阳能电池结果示出了如果电场高于临界值，则强电场允许收集量子井的局部载流子。对于这些应用，因为纳米结构不会增加pn结的理论效率，所以辐射耦合、碰撞电离等等的要求不适合。
低能量光子的有效转换代表光伏电池中更困难问题的其中一个。但是，在较低光谱部分所包括的功率也较低(总功率的15％)，而我们的方法不依赖低光子能量的巨大改进。因此，和该过程相关的主要风险不是技术风险，而是采用基于用于热光伏应用的材料的装置和方法展示低成本和可制造性的能力。低光子能量的并行方法采用Si/Ge体系，其中避免了前面的光捕获新方法的间接材料的性能限制，所述新方法在前面示出但不适用于光伏电池。
在风险/收益曲线最末端的方法为开发纳米结构虚拟带隙太阳能电池。尽管存在高风险，但是我们的方法在于通过如下三种途径而实现高成功可能性(1)用于纳米结构太阳能电池的基于试验的装置模型的严格理论发展；(2)采用显示出所需要物理机制的方法；(3)开发应用基于低成本QD阵列的结构的方法。
因为最佳材料、装置设计规则、目标效率和非理想性碰撞都未知，所以本发明还包括开发作为我们方法中心的基于试验的装置模拟。例如，尽管用于IR探测器，但是子带间跃迁没有在太阳能电池中示出过。不影响IR探测器的带结构作用造成太阳能电池中的较大的非理想性。但是可通过改变材料体系而避免这些。因为光伏装置需要多个准-费米级分离(LED、激光器和探测器具有主跃迁)、新颖吸收机制(例如多激子生成)，需要计算收集和正偏置电流(光电探测器和LED被一个或另一个主导)，并包括传输机制，例如忙碌的传输，所以现有的建模程序不足。本文通过组合卓越的建模和特征化纳米结构装置的团队而解决该困难，所述团队包括三个大学和NREL，每个都具有独特的建模/特征化经验。
除了开发装置设计规则和最佳太阳能电池结构以外，本发明提供实现本发明结构的低成本方法，包括制造QD阵列的方法，接触纳米结构阵列的方法，以及增加材料吸收的方法。因为光子带隙纳米结构已经显示出控制吸收和发光的能力，所以增加吸收载流子具有最低技术风险。
更有效但是更有利地是，Au+/胶体/Au-层的Bragg叠层可通过散射以及弹跳结构内的所有光子直到其被量子点吸收而使基本上所有的光子被捕获。可通过多纳米制造步骤或者通过构造单独的Au+/胶体/Au-层的大薄层以及将其折叠或者卷绕以获得多层结构而形成Bragg叠层的多层。另外的风险管理方法在于采用芯和壳结构(UT-Austin的Naomi Hillis公布了该领域良好的工作)。例如，玻璃珠上的20nm金层可以为光滑单层并且可形成具有良好单分散质量和长范围秩序的完全晶体状晶格。还可将其它涂层用于将壳与邻接的珠隔开并管理珠-珠接触。
图17中示出了6J太阳能电池的最优带隙，示出了串联连接和晶格匹配的放松允许对硅平台上太阳能电池的开发。Si平台具有许多优点，但重要的是其是唯一的能够现在满足效率目标(在接近其带隙的波长范围上)和成本目标的材料。该设计还允许现有的高性能材料被用于两个更高的带隙。低聚光的最后一个优点在于，由于装置增加的操作点，太阳能电池变得对缺陷较不敏感。
此外，静态聚光器提高了太阳能电池的功率密度，但是不必跟踪，并且可通过使用宽接受角光学元件(通常为非成像)与1-太阳模块相同地被利用和使用，所述光学元件从大部分天空接收光。与跟踪聚光器不同，静态聚光器能够捕获大部分漫射光，这些光构成太阳光谱中的直到10％的入射功率。较宽接收角度的平衡为较低聚光。如果允许在一年内任何时间人工调节模块位置，则最大聚光提高。根据该模块在固定位置保持的时间长度，聚光从10X到200X。
另外，在横向配置中，将色散装置***光路(例如衍射光栅或者棱镜)，并且光线以和光谱仪中相同的角度发散。和存在缝隙并因此源尺寸在色散方向上非常小的光谱仪不同，太阳对向共～0.5度的角。如下文所述，这一点使得设计复杂。
另一种色散光线的方法为采用分光镜，其中一些波长在某表面上反射，其它波长如图17所示透射。分光镜的商业实例为冷光镜，其中可见光被反射，红外光被透射。分光***用作横向方法的基线设计。存在正在进行的横向光学装置的设计，其集中于例如在球面和/或柱面对称光学装置之间选择、与购买得起的光学***兼容的涂层数的问题，许多光学设计已经获得超过90％的光学效率。
本发明的上述描述解释和说明了本发明。另外，尽管该公开内容示出并仅仅描述了上文提到的本发明的优选实施例，但是将理解本发明能够在各种其他组合、更改和环境中使用，并能够在这里所述的发明思想范围内改变或者更改，与上述教导和/或相关领域的经验或知识相称。还期望上述实施例解释实施本发明的最佳方式，并能够使本领域其它技术人员在该实施例或者其它实施例并采用本发明特别应用或者使用所需要的各种更改利用本发明。因此，该说明不用于将本发明限制在这里所公开的形式和应用。另外，期望所附的权利要求解释为包括可选实施例。

Claims (24)

1.一种用于高效太阳能电池的装置，包括：
色散元件；
光学聚光器；以及
多个光谱分离太阳能电池，
其中所述色散元件、光学聚光器以及多个光谱分离太阳能电池配置在横向结构中，并且所述色散元件将入射光分为通过所述装置处理的多个光谱组成。
2.根据权利要求1的装置，其中所述光学聚光器具有瓦片特征。
3.根据权利要求2的装置，其中所述色散元件、光学聚光器以及光谱分离太阳能电池的每个被优化，以处理入射到其上的多个光谱组成的每个组成。
4.根据权利要求3的装置，其中所述光学聚光器捕获入射光的大部分漫射光。
5.根据权利要求4的装置，其中所述光学聚光器为静态聚光器。
6.根据权利要求5的装置，其中所述静态聚光器的聚光从10X至200X。
7.根据权利要求6的装置，其中所述多个太阳能电池的每个电池被置于所述多个光谱组成的每个组成下。
8.根据权利要求7的装置，其中所述多个光谱分离的太阳能电池的每个电池单独接触电压总线。
9.一种用于高效太阳能电池的装置，包括：
色散元件；
光学聚光器；以及
多个光谱分离太阳能电池，
其中所述色散元件、光学聚光器以及多个光谱分离太阳能电池被配置在垂直结构中，该垂直结构将入射光分为通过所述装置处理的多个光谱组成，并且每个光谱分离的太阳能电池为垂直叠层。
10.根据权利要求9的装置，其中对于每个所述多个光谱组成，所述色散元件、光学聚光器以及光谱分离太阳能电池中的每个被优化。
11.根据权利要求10的装置，其中所述光学聚光器捕获入射光的太阳光谱中的大部分漫射光。
12.根据权利要求11的装置，其中所述光学聚光器为静态聚光器。
13.根据权利要求12的装置，其中所述静态聚光器的聚光从10X至200X。
14.根据权利要求13的装置，其中所述多个太阳能电池的每个电池被置于所述多个光谱组成的每个组成下。
15.根据权利要求14的装置，其中所述多个光谱分离的太阳能电池的每个电池单独接触电压总线。
16.一种用于光伏太阳能电池的装置，包括：
收集器片；
第一棱镜；
第二棱镜；
光谱分光器；
静态聚光器；以及
采用光学互联的横向结构和垂直结构的至少一个以及太阳能电池装置结构，
其中所述第一和第二棱镜处于收集器片的入口，所述第一棱镜为非常高色散的棱镜，而所述第二棱镜为低色散棱镜。
17.根据权利要求16的装置，其中所述光谱分光器被配置为将光和太阳光束的至少一个分为高能、中能和低能区。
18.根据权利要求17的装置，其中所述横向结构还被配置为：
将光和太阳光束的至少一个分为多个光谱组成；
使用对每个所述多个光谱组成优化的单独装置；
独立优化每个能量转换结点和独立电接触；
包括另外的光学元件，其与静态聚光器集成以将光和太阳光束的至少一个的光谱分为组成颜色；
将分离的太阳能电池置于每种组成颜色下，并分离地接触每个太阳能电池；以及
接触具有单独电压总线的单独太阳能电池，
其中将垂直结构配置为：
独立接触垂直结点叠层；
为光伏太阳能电池的横向结构提供并行方法；以及
提供具有独立接触的太阳能电池的垂直集成装置。
19.根据权利要求18的装置，其中所述装置结构还包括：
多个结点太阳能电池，其被配置有在接近于材料带隙的范围的波长上具有高性能的材料，并被配置有用于高能、中能和低能光子的不同材料，
其中高性能材料还包括：
用于高能光子的GaInAsP材料体系的三元化合物；
用于中能光子的硅；以及
用于低能光子的InGaAs或其它热光伏(TPV)材料；
其中用于多个结点太阳能电池的其它材料还包括：
III-氮化物材料体系；
用于高能光子的富In缺陷容许III-V材料；以及
用于低能光子的Si/Ge材料体系。
20.根据权利要求19的装置，其中用于太阳能电池的材料还包括结合自组装制造技术的多激子生成和多能级(中间带)太阳能电池的至少一个。
21.根据权利要求8的装置，其中所述多个太阳能电池的每个都为光伏装置。
22.根据权利要求15的装置，其中所述多个太阳能电池的每个都为光伏装置。
23.一种制造太阳能电池的方法，包括：
以p+硅涂敷玻璃基底且再结晶；
在p+硅上沉积和形成选择波长光捕获层；
在p+硅上生长n型硅并再结晶；
在n-型硅上选择生长GaP区作为缓冲层；
生长GaAsP太阳能电池；
生长GaInP太阳能电池；
生长InGaN太阳能电池；
形成每个太阳能电池的电接触；以及
沉积与聚光器(和色散)光学元件匹配的抗反射层。
24.根据权利要求23的方法，包括：
以n-型硅涂敷另一片玻璃并再结晶；
生长硅：锗合金(Si：Ge量子点)；
生长硅p+结点；
沉积光捕获结构；以及
形成电接触。
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