CN102446998A - 光伏器件 - Google Patents

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A·M·斯里瓦斯塔瓦
B·A·科雷瓦尔
O·I·斯特恩冈萨雷斯
Y·A·奚
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Abstract

本发明提供一种光伏器件，其包括设置在该器件上的复合降频转换层。该复合降频转换层包括散布在基体中的降频转换材料微粒。这些降频转换材料微粒的大小是该降频转换材料和该基体的相应折射率的差别Δn的函数，使得：(i)对于小于大约0.05的Δn，降频转换材料微粒的大小在从大约0.5微米至大约10微米的范围中，并且(ii)对于至少大约0.05的Δn，降频转换材料微粒的大小在从大约1纳米至大约500纳米的范围中。还提供具有多个这样的光伏器件的光伏模块。

Description

光伏器件
关于联邦资助研究&开发的声明
本发明用政府支持、根据由能源部授予的合同号DE-EE0000568做出。政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本发明大体上涉及通过光子的增强降频转换(down-conversion)具有提高的效率的光伏器件。更加特别地，本发明至少部分涉及用于改进光伏器件中的能量转换的降频转换层。
背景技术
光伏器件的领域中的主要焦点中的一个是能量转换效率(从电磁能到电能或反之亦然)的提高。这些器件常常由于光的损耗遭受降低的性能。因此，这些器件的光学设计中的研究包括光收集和俘获、光谱匹配吸收和升频/降频光能转换。
典型地，光伏器件由于热化机制(其中高能光子产生的载流子在晶体中损耗为声子)而遭受效率的损失。具有大于吸收阈值能量的能量的入射光子的吸收导致典型地每个吸收的光子仅有一个电子空穴对产生，而不管光子能量。高于阈值能量的入射光子的过剩能量在产生的电子空穴对的热化期间被浪费。采用异质结窗口层的某些电池设计由于该窗口层中的寄生吸收而损耗高能光子。因此将这些高能光子(短波长)转换成可以在吸收体光伏层中被有效吸收的较低能量光子(长波长)，并且转换成可收集的电荷载流子，这是可取的。
克服光的损耗和相关损耗机制的一个众所周知的方法牵涉高电磁能从较短波长到较长波长的“降频转换”。因为必须避免高能光子在光电子器件的不期望的区域/层中的吸收，降频转换层可设置在器件的表面上，暴露于电磁辐射。
因此，产生具有降频转换性质的改进的光伏器件以便满足各种性能要求，这将是可取的。
发明内容
本发明的一个实施例是光伏器件，其包括设置在该器件上的复合降频转换层。该复合降频转换层包括散布在基体中的降频转换材料微粒。这些降频转换材料微粒的大小是该降频转换材料和该基体的相应折射率的差别(Δn)的函数，使得：
对于小于大约0.05的Δn，降频转换材料微粒的大小在从大约0.5微米至大约10微米的范围中，并且
对于至少大约0.05的Δn，降频转换材料微粒的大小在从大约1纳米至大约500纳米的范围中。
另一个实施例是具有多个如上文描述的光伏器件的光伏模块。
附图说明
当下列详细说明参照附图阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1是与本发明的一个实施例有关的材料的能级图；
图2是根据本发明的一个实施例的复合降频转换层的示意图；
图3是根据本发明的另一个实施例的复合降频转换层的示意图；
图4是根据本发明的再另一个实施例的复合降频转换层的示意图；
图5是根据本发明的再另一个实施例的复合降频转换层的示意图；
图6是根据本发明的再另一个实施例的复合降频转换层的示意图；
图7是根据本发明的一个实施例的光伏器件的示意图；
图8是根据本发明的另一个实施例的光伏器件的示意图；
图9A是根据本发明的示范性实施例的光伏器件的示意图；
图9B是根据本发明的示范性实施例的光伏器件的示意图；
图9C是根据本发明的示范性实施例的光伏器件的示意图；
图10示出根据本发明的示范性实施例的复合降频转换层的显微照片；
图11是示出根据本发明的示范性实施例的CdTe PV模块的提高的效率的图表。
具体实施方式
如下文详细论述的，本发明的实施例中的一些向光学表面提供层或涂层来改进能量转换。这些实施例有利地减少由于寄生吸收和热化机制引起的光的损耗。本发明的实施例描述具有提高的效率的光伏器件，其具有设置该光伏器件的表面上的这样的层。
如在本文中在说明书和权利要求书中使用的近似语言可应用于修饰任何定量表示，其可以获准地改变而不引起它与之有关的基本功能中的变化。因此，由例如“大约”等术语或多个术语修饰的值不限于规定的精确值。在一些实例中，该近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。
在下列说明书和权利要求书中，单数形式“一”和“该”包括复数个指代物，除非上下文清楚地另外指明。
如本文使用的，术语“可”和“可以是”指示：在一组情况内发生的可能性；具有规定的性质、特性或功能；和/或通过表达与修饰的动词关联的能力、性能或可能性中的一个或多个来修饰另一动词。因此，“可”和“可以是”的使用指示所修饰的术语对于指示的能够性、功能或使用是明显适当的、有能力的或合适的，但考虑在一些情况下该修饰的术语可能有时不是适当的、有能力的或合适的。例如，在一些情况下，可以预期事件或容量，而在其他情况下该事件或容量不能发生，该区别由术语“可”和“可以是”正确表达。
如本文使用的术语“透明的”意思是材料的层允许入射太阳辐射的大部分的通过。该大部分可以是该入射太阳辐射的至少大约80％。
如下文详细论述的，本发明的一些实施例针对改进的光伏(PV)器件设计。降频转换层设置在该器件上。“降频转换”表示每个入射高能光子产生一个或多个电子空穴对的方法，并且可以用于减少热化损耗。
“降频转换”是如果材料包含中间能量态或带则可以获得的材料性质。入射高能光子可以由该材料将其转变成一个或多个较低能量的光子。在特别实施例中，该材料能够每个吸收光子发射一个光子。图1示出在降频转换材料中原子的这样的能级，并且图示在其中产生具有较低能量的一个光子的降频转换的过程。在一些其他实施例中，该材料在吸收一个光子时可发射超过一个光子。如本文使用的，“降频转换层”可以是单层，或可包括多个子层。
根据本发明的实施例，降频转换层包括磷光体材料。典型地，这样的降频转换材料包含由掺杂剂(活化剂)活化的宿主材料。宿主材料可以描述为透明宿主晶格。掺杂剂增添了期望的能级，在这些能级吸收例如外部光子等入射辐射，并且基于下面的吸收体性质优先发射产生的内部光子。因此，降频转换材料在基本水平包含吸收体和发射体。
基于发射的光子的期望能级，可使用多种掺杂剂。在一个实施例中，可用于1比1降频转换的掺杂剂离子包括镧系离子、过渡金属离子和稀土离子。合适的掺杂剂离子的示例包括Ce3+、Eu2+、Sm2+、Cr3+、Mn2+和Mn4+。另外，除掺杂剂以外，敏化剂可掺杂进入宿主材料。如果例如由于禁戒跃迁造成掺杂剂离子不能被激发，敏化剂是有用的。激发能量由这些敏化剂吸收并且随后传递给掺杂剂离子。例如，过渡金属离子可由镧系离子敏化。
尽管图1示出由于较高能量光子的吸收造成发射一个光子，每个吸收的光子产生多个光子是可能的。在一些实施例中，每个吸收的光子发射超过一个光子。该类型的降频转换通常称为“量子切割(quantum-cutting)”或“量子***(quantum-splitting)”。例如，例如pr3+、Tm3+或Gd3+等单个掺杂剂离子或例如Gd3+-Eu3+双离子等两个离子的组合可能够对每个入射高能光子产生两个低能光子。其他组合包括Yb3+-Tb3+和Yb3+-pr3+双离子。
磷光体材料的合适示例可包括卤化物、氧化物和磷酸盐。合适的氟化物的非限制性示例包括掺钐的BaAlF5、掺钐的(Ba，Sr，Ca)MgF4。其他示例包括例如掺钐的(Ca，Sr，Ba)XX”(X＝F；X”＝Cl、Br、I)等混合的卤化物。其他磷光体的非限制性示例包括掺钐的硼酸锶(SrB4O7:Sm2+)、掺钐的(Sr，Ca，Ba)BPO5和掺铕的(Sr，Ca)SiO4。
其他降频转换材料可包括有机材料。例如，有机降频转换材料可包括例如BASF LUMOGEN染料等有机染料。此外，混合有机无机染料也可用于降频转换。在另一个实施例中，降频转换材料包括量子点，例如核壳巨大量子点***等。
降频转换层的光学性质可以大部分通过它的材料组成、降频转换材料的微粒大小、层的厚度等确定。通过控制降频转换材料的量、微粒大小和折射率，可调整降频转换层的折射率和转换性质来最小化能量损耗。
降频转换材料可吸收特定波长或特定波长范围的辐射，而不散射该辐射。材料可吸收从UV到可见、到近红外到红外的辐射并且将该吸收的辐射转换成可使用的辐射。如本文使用的术语“可使用的辐射”指具有参与具有高内部和外部量子效率的能量转换的特定波长或特定波长范围的光子。即，收集在该光谱范围中的电子空穴对的概率是高的，通常大于60％，并且常常大于大约80％。从而，降频转换材料发射这样的光子，其可以由器件的半导体层吸收来产生电子空穴对。在太阳能转换的某个实施例中，材料吸收具有低于大约525nm的波长的辐射，并且产生具有长于550nm的波长的辐射。此外，降频转换层的激发和吸收性质以及发射光谱设计成增强PV器件的外部量子效率(EQE)。
除降频转换性质外，材料展现应该典型地与邻近介质的折射率良好匹配的折射率值。由于改进的折射率匹配，该配置在界面处有利地提供减少的反射。从而，本文描述的降频转换层采用两个方式使光伏器件获益：(1)减少吸收损耗和(2)减少反射损耗，并且从而改进总体能量转换。
在一些实施例中，降频转换材料的微粒10可散布或嵌入透明基体12中，如在图2中图示的。如本文使用的，术语“嵌入”用于指示降频转换微粒10至少大致上封闭在该基体12内。微粒10采用获得微粒10之间的最小团聚这样的方式散布。该基体12的折射率可在一些实施例中高于降频转换材料的折射率，并且在其他实施例中低于降频转换材料的折射率。这样的降频转换层还可称为“复合降频转换层”并且展现“有效折射率”，其产生于由于微粒引起的折射和由于该基体引起的折射的结合(在下文详细论述)。该复合降频转换层的该有效折射率取决于各种参数，例如该基体的折射率、降频转换材料的折射率和降频转换微粒的微粒大小等。
一般来说，介质的折射率限定为光在真空中的速度和在该介质中的速度的比率。在真实材料中，折射率可以限定为n＝n’+ik，其中n’是指示相速度的折射率，而k是消光系数，其指示当电磁波传播通过该材料时的吸收损耗。n和k都取决于波长。
如本文使用的“有效折射率”指具有嵌入基体中的降频转换微粒的复合降频转换层的折射率。如本文限定的该有效折射率用于确定当电磁辐射传播通过该层时相干波的相位滞后和衰减。例如大小、局部体积分数或面积分数、降频转换材料分数、基体分数和材料折射率等参数确定该层的该有效折射率。降频转换层的该有效折射率可给出为：
neff＝(1-α)nm+αnp
其中nm和np表示基体和降频转换微粒的折射率，并且α表示降频转换微粒在基体中的体积分数。
如上文指示的，材料或介质的折射率可随波长变化。该效应典型地称为色散(dispersion)。在复合降频转换层的情况下，降频转换材料微粒10和基体12的折射率可随波长不同地变化。通过调整降频转换材料和基体的相应折射率的差别(Δn)，可以设计该复合层内的光谱辐射的吸收。在一些实施例中，选择降频转换微粒10和基体12的折射率的色散使得这些折射率在太阳光谱的长波长范围(＞大约550纳米)中良好匹配，使得最小化该范围中的入射辐射的散射。然而，选择在较低波长区域中(具体地低于大约525nm)的色散使得这些折射率发散，使得该复合层中的光子俘获可以发生来改进吸收。
从而，降频转换材料可包含各种形状和大小的微粒，其取决于组分的材料的折射率、折射率的差别(Δn)和散射效应。也就是说，微粒的大小部分上是Δn的函数。在一些实例中，降频转换材料的纳米大小的微粒是可取的，尤其对于大于大约0.05的Δn如此。如本文使用的，“纳米大小”指在从大约1纳米至大约500纳米并且在一些特定实施例中从大约10纳米至大约100纳米的范围中的降频转换微粒的平均大小。在一些其他实例中，对于小于大约0.05的Δn，可使用较大的微粒。在这些实例中，该平均微粒大小在从大约0.5微米至大约10微米并且在特定实施例中从大约1微米至大约5微米的范围中。
在一些实施例中，基体12可包括例如玻璃等不导电非结晶材料。玻璃的非限制性实例可包括钠钙玻璃、硅酸铝玻璃、硼硅酸盐玻璃、硅石和低铁玻璃。在一些实施例中，基体12可包括不导电结晶材料。还可使用例如介电材料或混合有机无机材料等其他合适的材料。
在一些实施例中，降频转换材料微粒10可采用对于期望的功能适当的任何量(百分比)在基体12中存在。合适地，降频转换微粒10可根据基体材料的类型和降频转换材料的类型以按体积大约0.001％至大约60％之间的水平存在。在一些特定实施例中，该百分比(量)可在按体积从大约10％至大约25％的范围中。
为了表面钝化或改进的折射率匹配的目的，降频转换材料还可在它们上面包含另外的层(例如核壳结构)。图3图示散布在基体12中的降频转换微粒10的核壳结构14的这样的实施例。降频转换材料的微粒10形成核，其涂覆有一个或多个介电壳层16。这些多个壳层16配置使得它们大致上匹配一侧上的基体12的折射率和另一层上的磷光体微粒10的折射率。这些壳层16可允许入射短波长辐射与降频转换微粒10的更好的光学耦合，使得对于复合降频转换层而言减少散射。这些壳层16可进一步允许降频转换的长波长辐射进入复合层的基体12的更好的输出耦合(out-coupling)。
在另一个实施例中，降频转换微粒10涂覆有金属纳米微粒的薄层(没有示出)。这些微粒具有强等离子体共振，其帮助提高来自降频转换微粒10的降频转换的辐射的发射效率(发光量子效率)。在一些实例中，这些金属纳米微粒放置与降频转换微粒10直接接触，并且在一些其他实例中，这些金属纳米微粒由首先涂覆在降频转换微粒上的薄介电壳分开。壳层的厚度可以是大约1纳米至大约10纳米。这些被涂覆的微粒然后与液体前驱物基质溶液混合，将其沉积并且固化来形成复合降频转换层。
在一些实施例中，降频转换微粒10如在图2中图示的均匀地散布在基体12内。复合层的有效折射率具有邻近介质的折射率之间的值。在一些其他实施例中，降频转换微粒10在基体12内从较低区域到较高区域形成密度梯度来获得折射率梯度。该密度梯度在选择的方向(典型地垂直于支撑该层的衬底的方向)上提供该层的折射率中的渐变，但该渐变可能不一直是恒定的。折射率中的该渐变是这样的以便与邻近介质大致上匹配。
在一个实施例中，降频转换层是如在图4中图示的具有密度渐变的单层。图5图示另一个实施例，其中降频转换层包括超过一个子层18。可一个在另一个之上地沉积具有变化密度的降频转换微粒10的多个子层18，来得到期望的折射率渐变。在一些实例中，具有不同折射率的子层18可如图6中图示的由介电层20分开。合适的介电材料包括氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化铪或其的组合。在一些实例中，这些介电层20可充当背反射器，其最小化投射并且使从降频转换层发射的光子反射回到器件。
一般，降频转换层具有大于大约100纳米的厚度。在一些实施例中，该层的厚度可在大约500纳米至大约1微米的范围中。在多个子层的情况下，在一些实例中，子层中的每个的厚度可在大约500纳米至大约800nm的范围中。在一些其他实施例中，降频转换层具有从大约1微米至大约3000微米的厚度，并且在一些特定实施例中具有从大约1至大约100微米的厚度。
由渐变折射率分布表征的降频转换层提供界面处的折射率的良好匹配，其引起比用均匀折射率可获得的更少的反射。该层的折射率可随从第一表面朝第二表面的位置增加或减小。此外，折射率的变化还可取决于该层在器件中的位置，使得在第一和第二表面的折射率的值与相应邻近层或介质大致上匹配。
降频转换层可以通过多种技术形成，例如物理气相沉积、化学沉积、溅射、溶液生长和溶液沉积等。其他合适的技术包括浸涂、喷涂、旋涂、槽模涂覆(slot-die coating)、滚涂、凹版印刷、喷墨印刷、丝网印刷、毛细管印刷、流延成型、柔版涂覆、挤压涂覆和其的组合。
降频转换层可设置或贴附到多种光伏器件。在一个实施例中，该光伏器件包括单结或多结光伏电池。光伏电池的非限制性示例包括非晶硅电池、结晶硅电池、混合/异质结非晶和结晶硅电池、CdTe薄膜电池、非晶硅/微晶硅叠层(micromorph tandem silicon)薄膜电池、Cu(In，Ga，Al)(Se，S)2(也称为“CIGS”)薄膜电池、铜-锌-锡硫化物(CZTS)薄膜电池、金属硫化物薄膜电池、金属磷化物薄膜电池、GaAs电池、多结III-V基太阳能电池、染料敏化太阳能电池或固态有机/聚合物太阳能电池。
图7图示本发明的一个实施例。光伏器件102包括光伏电池104和在该电池104的顶上的玻璃板106。降频转换层108设置在该玻璃板106的前面。如本文使用的，该玻璃板106的术语“前面”指暴露于周围环境的该玻璃板106的前表面110。在这些类型的一些实施例中，层108的降频转换材料包括氟化物磷光体。在一些实施例中，透明介电层114可设置在降频转换层108之上用于层108的保护。在备选实施例中，降频转换层108可如在图8中图示的设置在该玻璃板106的后面。如本文使用的，该玻璃板106的术语“后面”指在该前面相对侧并且与该光伏电池104接触的该玻璃板106的后表面112。在这些类型的一些实施例中，降频转换层108包括氧化物磷光体。
玻璃板106可具有大致上平坦的表面。如本文限定的，“大致上平坦的表面”通常指大致上平整的表面。该表面可以是光滑的，但它可包括相对小程度的纹理、凹痕和各种不规则(例如，小于大约1微米，或更具体地小于大约300nm的RMS粗糙度)。这些不规则、纹理或图案在最小化降频转换层中的光俘获和将转换的辐射导入器件中(通过在微凹表面的折射)可以是有用的。
图9A、9B和9C图示薄膜异质结PV器件200的实施例的示例，例如CdTe PV器件或Cu(In，Ga)Se2(CIGS)PV器件等。该器件200包括具有第一表面204和第二表面206的玻璃板202。在某些实例中，例如在CdTe PV器件的情况下，该玻璃板202充当衬底。在另一个实例中，例如在CIGS PV器件的情况下，该玻璃板202充当覆盖物并且该器件200进一步包括衬底222。在这些实例中，衬底选择可包括任何合适的材料的衬底，该材料包括但不限于金属、半导体、掺杂半导体、非晶电介质、结晶电介质和其的组合。
透明导电层208设置在玻璃板的第一表面204上。透明导电层106的合适材料可包括氧化物、硫化物、磷化物、碲化物或其的组合。这些透明导电材料可掺杂或未掺杂。在一个实施例中，导电氧化物可包括二氧化钛、氧化硅、氧化锌、氧化锡、掺铝的氧化锌、掺氟的氧化锡、锡酸镉(氧化镉锡)或锡酸锌(氧化锌锡)。在另一个实施例中，导电氧化物包括含铟的氧化物。合适的含铟氧化物的一些示例是氧化铟锡(ITO)、Ga-In-Sn-O、Zn-In-Sn-O、Ga-In-O、Zn-In-O和其的组合。合适的硫化物可包括硫化镉、硫化铟等。合适的磷化物可包括磷化铟、磷化镓等。
第一类型半导体层210邻近透明导电层208设置，并且第二类型半导体层212邻近该第一类型半导体层210设置。该第一类型半导体层210和该第二类型半导体层212可掺杂有p型掺杂或n型掺杂以便形成异质结。如在该上下文中使用的，异质结是半导体结，其由不相似的半导体材料的层构成。这些材料通常具有不相等的带隙。作为示例，异质结可以通过一个电导类型的层或区域与相反电导的层或区域之间的接触形成，例如“p-n”结。除太阳能电池之外，利用该异质结的其他器件包括薄膜晶体管和双极晶体管。
第二类型半导体材料层212包括吸收体层。该吸收体层是光伏器件的一部分，入射光(例如，日光)的电磁能量到电子空穴对(即，到电流)的转换在其中发生。光敏材料典型地用于形成该吸收体层。在一个实施例中，用于该吸收体层的第二类型半导体材料包括Cu(In，Ga，Al)(Se，S)2(也称为“CIGS”)。在一些实例中，CIGS可进一步用例如银的另外的元素代替。CIGS层或膜可通过各种已知方法制造。这样的方法的示例包括共蒸发或共溅射铜、镓和铟的基于真空的工艺、反应溅射、离子束沉积、纳米微粒前驱物的基于溶液的沉积和金属有机化学气相沉积。
碲化镉(CdTe)是另一个光敏材料，在一个实施例中其可用于吸收体层。CdTe是在薄膜光伏器件中使用的高效光敏材料。CdTe相对容易沉积并且因此认为适合大规模生产。沉积CdTe的典型方法是封闭空间升华。
此外，上文提到的光敏半导体材料可单独或结合使用。同样，这些材料可在超过一层中存在，每层具有不同类型的光敏材料或具有在分开的层中的这些材料的组合。本领域内技术人员将能够最佳地配置光敏材料的构造和量来最大化光伏电池的效率。
相当一般地，为了本文论述简洁，包括CdTe作为光敏材料的光伏器件可称为“CdTe PV器件”并且包括CIGS的那些器件可称为“CIGS PV器件”。
第一类型半导体210的示例包括硫化镉(CdS)。硫化镉在低于大约500纳米的波长强烈地吸收辐射并且显著减小器件在该波长区域中的量子效率。为了避免这样的损耗，在这些实例中，降频转换层214在硫化镉层210前面设置在该器件上，该降频转换层214可吸收具有低于大约525纳米的波长的辐射并且将它们转换成较长的波长。
在一个实施例中，如图9A中示出的，降频转换层214可设置在玻璃板202的第二表面206上，其暴露于周围环境。在一些实例中，该层214可可选地涂覆有薄介电层216。该介电层216可包括背反射器，其最小化反射并且协助将发射的辐射重新引导到PV器件。如本文使用的该背反射器是大致上透明的层并且具有等于或小于降频转换层的介电常数的介电常数。合适的介电材料包括氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化铪和其的组合。
在另一个实施例中，如在图9B中图示的，降频转换微粒220散布在玻璃板内。在如在图9C中图示的再另一个实施例中，降频转换层214邻近透明导电氧化层设置，即在玻璃板202和透明导电层208之间。在一些实例中，薄介电层218可选地可设置在玻璃板202的第一表面204和降频转换层214之间。该介电层218充当离子从玻璃板202进入降频转换层214和PV电池的扩散阻挡层。
一个实施例是光伏模块。该光伏模块可具有串联或并联电连接的许多上文描述的光伏器件的阵列。大致上所有光伏器件包括如在上文的实施例中论述的设置在器件上的降频转换层。在一些实例中，降频转换层可设置在整个光伏模块上。在一些其他实施例中，该模块的边缘用漫射反射涂料涂抹来减少发射的光子从该模块的边缘的反射和逃逸。
示例
提供下列示例来进一步说明本发明的某些实施例。这些示例不应该阅读为采用任何方式限制本发明。
示例1：复合降频转换溶液的制备
方法I。磷光体微粒通过高温反应工艺形成，接着机械球磨研磨。研磨延续获得期望的微粒大小所需要的时间。期望数量的这些微粒被散布在液体玻璃前驱物溶液中，这通过将它们超声混合完成。
方法II。如在方法I中描述的制备期望大小的磷光体微粒。在包含至液体玻璃前驱物溶液中之前，这些微粒在化学浴中受到基于TEOS的化学以用于在微粒表面上沉积各种透明氧化层。这些壳层在微粒表面上提供渐变折射率，其更有效地允许光进入这些微粒用于降频转换。
示例2：
通过使用方法I形成掺钐的BaAlF5(BaAlF5:Sm2+)微粒。磷光体微粒的平均微粒大小是大约2微米，并且微粒和基质的折射率是～1.43，其中具有小于0.04的差别。这些微粒被散布在液体玻璃前驱物溶液中。在该前驱物溶液中的微粒的数量是大约33重量百分比。
CdTe PV模块在玻璃衬底上使用标准制造工艺生产。在制造结尾，含BaAlF5:Sm2+微粒的液体玻璃前驱物溶液通过使用旋涂和喷涂技术两者施加至玻璃的外表面。该层然后在大约80℃的温度退火来形成含BaAlF5:Sm2+微粒的固体玻璃基质(复合降频转换层)。该层的厚度是大约3微米。在图10中示出这样的层的显微照片。该复合层具有在空气和下面的玻璃衬底的折射率之间的大约1.43的有效折射率。图11示出该CdTe PV模块的提高的效率(与没有这样的复合层的CdTe PV模块相比)。具有复合降频转换层的CdTe PV模块示出增加0.2绝对百分比的增加的效率。
示例3
SrB4O7:Sm2+微粒通过高温反应工艺形成，接着机械球磨研磨。研磨延续直到获得小于大约100nm的平均大小的微粒。这些微粒被散布在液体玻璃前驱物溶液中。这些氧化物微粒和玻璃的折射率的差别大于大约0.05(～1.7)。制备三个不同的溶液，在前驱物溶液中具有大约30重量百分比、大约20重量百分比和大约10重量百分比的微粒。CdTe PV模块使用标准制造工艺生产。在制造结尾，含最高重量百分比的微粒的溶液首先沉积在玻璃衬底上，接着是具有第二高装载量的溶液，然后是具有最低装载量的溶液来得到渐变折射率。这些层使用辊技术施加。这些层然后在大约80℃的温度退火来形成含SrB4O7:Sm2+微粒的固体玻璃基质(复合降频转换层)。这些复合层分别对于前驱物溶液中大约30重量百分比、大约20重量百分比和大约10重量百分比的微粒具有逐渐减小的有效折射率。
尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。
部件列表
  10   降频转换材料的微粒   12   透明基体
  14   核壳结构   16   壳层
  18   子层   20   介电层
  102   光伏器件   104   光伏电池
  106   玻璃板   108   降频转换层
  110   前表面   112   后表面
  114   透明介电层   200   薄膜异质结PV器件
  202   玻璃板   204   第一表面
  206   第二表面   208   透明导电层
  210   第一类型半导体层   212   第二类型半导体层
  214   降频转换层   216   介电层
  218   薄介电层   220   降频转换微粒

Claims (10)

1.一种光伏器件，其包括：
设置在所述器件上的复合降频转换层，其包括散布在基体中的降频转换材料微粒，其中降频转换材料微粒的大小是所述降频转换材料和所述基体的相应折射率的差别Δn的函数，使得：
对于小于大约0.05的Δn，降频转换材料微粒的大小在从大约0.5微米至大约10微米的范围中，并且
对于至少大约0.05的Δn，降频转换材料微粒的大小在从大约1纳米至大约500纳米的范围中。
2.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述光伏器件包括单结电池或多结电池。
3.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述光伏器件包括CdTe薄膜电池、非晶硅/微晶硅叠层薄膜电池、铜-锌-锡硫化物(CZTS)薄膜电池、金属硫化物薄膜电池、金属磷化物薄膜电池或Cu(In，Ga，Al)(Se，S)2薄膜电池。
4.如权利要求1所述的光伏器件，其进一步包括具有前表面的玻璃板，其中所述降频转换层设置在所述玻璃板的前表面上。
5.如权利要求1所述的光伏器件，其进一步包括具有后表面的玻璃板，其中所述降频转换层设置在所述玻璃板的后表面上。
6.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述降频转换材料包括从由掺钐的硼酸锶SrB4O7:Sm2+、掺钐的(Sr，Ca，Ba)BPO5、掺铕的(Sr，Ca)SiO4、掺钐的BaAlF5、掺钐的(Ba，Sr，Ca)MgF4和其组合构成的组中选择的磷光体。
7.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述降频转换微粒包括具有核和设置在所述核上的壳层的微粒。
8.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述降频转换层展现具有邻近介质的折射率之间的值的有效折射率。
9.如权利要求1所述的光伏器件，其中所述降频转换层展现渐变有效折射率。
10.一种包括多个如在权利要求1中限定的光伏器件的光伏模块。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101193172B1 (ko) * 2011-02-22 2012-10-19 삼성에스디아이 주식회사 염료 감응 태양전지
TWI631721B (zh) * 2013-08-06 2018-08-01 新南革新股份有限公司 高效率堆疊太陽電池
US10032944B2 (en) * 2013-10-25 2018-07-24 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Transparent cover for solar cells and modules
CN108683072B (zh) * 2018-05-18 2020-07-10 北方工业大学 一种提高sbo深紫外倍频激光输出效率的方法
NL2021109B1 (en) * 2018-06-12 2019-12-17 Physee Group B V Inorganic luminescent materials for solar radiation conversion devices
NL2023498B1 (en) * 2019-07-12 2021-02-04 Physee Group B V Optical structures comprising luminescent materials for plant growth optimization
AU2020363647A1 (en) * 2019-10-10 2022-04-21 SunDensity, Inc. Optical coating for spectral conversion
WO2021076372A1 (en) 2019-10-10 2021-04-22 SunDensity, Inc. Method and apparatus for increased solar energy conversion

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009095310A1 (de) * 2008-01-31 2009-08-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Herstellung und applikationen multifunktionaler optischer module zur photovoltaischen stromerzeugung und für beleuchtungszwecke
WO2009148131A1 (ja) * 2008-06-06 2009-12-10 住友ベークライト株式会社 波長変換組成物及び波長変換組成物からなる層を備えた光起電装置
TW201010087A (en) * 2008-06-30 2010-03-01 Hitachi Chemical Co Ltd Wavelength transfer film, solar cell module using the same and fabricating method thereof

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60208813A (ja) * 1984-04-02 1985-10-21 Mitsubishi Electric Corp 光電変換装置とその製造方法
US6580863B2 (en) * 2001-10-31 2003-06-17 Intel Corporation System and method for providing integrated optical waveguide device
US8197720B2 (en) * 2007-01-22 2012-06-12 Konica Minolta Medical & Graphic, Inc. Core/shell type semiconductor nanoparticle and method for production thereof
US20090050201A1 (en) * 2007-07-17 2009-02-26 The Research Foundation Of State University Of New York Solar cell
WO2009046060A2 (en) * 2007-10-01 2009-04-09 Davis, Joseph And Negley Apparatus and methods to produce electrical energy by enhanced down-conversion of photons
US20090255577A1 (en) * 2008-04-04 2009-10-15 Michael Tischler Conversion Solar Cell
DE102008035986B4 (de) * 2008-08-01 2012-10-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Photovoltaisches Element mit einer Schicht aus einer lumineszierenden Glaskeramik

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009095310A1 (de) * 2008-01-31 2009-08-06 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Herstellung und applikationen multifunktionaler optischer module zur photovoltaischen stromerzeugung und für beleuchtungszwecke
WO2009148131A1 (ja) * 2008-06-06 2009-12-10 住友ベークライト株式会社 波長変換組成物及び波長変換組成物からなる層を備えた光起電装置
TW201010087A (en) * 2008-06-30 2010-03-01 Hitachi Chemical Co Ltd Wavelength transfer film, solar cell module using the same and fabricating method thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R.STEFANI ET AL: "Photoluminescent behavior of SrB4O7:RE2+ (RE=Sm and Eu) prepared by Pechini, combustion and ceramic methods", 《JOURNAL OF SOLID STATE CHEMISTRY》, vol. 179, 2 February 2006 (2006-02-02), pages 1086 - 1092 *

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