CN102522435A - 导波光伏装置 - Google Patents

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Abstract

一种光伏装置，包括有：一第一光敏材料，设置用于接收一光子束；及一第二光敏材料，其带隙小于所述第一光敏材料的带隙，所述第二光敏材料设置以接收来自于所述第一光敏材料的所述光子束的第一部分；一第三光敏材料，其带隙小于所述第二光敏材料的带隙，所述第三光敏材料设置以接收来自于所述第二光敏材料的所述光子束的第二部分。

Description

导波光伏装置
本申请是申请日为2008年4月30日、申请号为200880022383.5、名为“导波光伏装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光伏装置，尤其是指波导式光伏电池。
背景技术
现有的薄膜型光伏电池，例如半导体硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池，其光吸收能力或交互酌长度有限而导致其光电转化效率较低，因为装置在有限的交互酌长度内未能对入射太阳辐射的大部分进行吸收。特别对于硅薄膜电池而言，由于硅的间接带隙而导致其光吸收能力较差，故而，人们期待找到一种增强硅薄膜电池的光吸收的方法。
人们已为薄膜式光伏电池开发出各种类型的陷光装置。但，传统电池结构的陷光效能有其应用局限性。例如，在有机电池中，较强的激子键合能、光生电子和空穴的快速复合及载流子的缓慢扩散等，要求光敏区必须足够薄，以使电荷能够在复合之前被分离出来。在典型的结构中，有机电池的光敏区的厚度大约为几十纳米，这样的尺寸导致了其对入射太阳辐射的低吸收率。
类似地，在染料敏化电池中，光敏染料以单层形态出现而用于促使激子分离。因此，光敏区的总厚度受制于供电荷传输的用于承载染料的多孔物质。可以理解地，增加有机电池和染料敏化电池的光交互酌长度有利于提高转化效率。
薄膜式光伏电池通常包括有如下几个薄层：透明衬底(或顶衬)、防发射涂层、P掺杂和N掺杂区、光敏区和电极。对染料敏化太阳能电池而言，P掺杂和N掺杂区可以不是薄膜，但仍适用于下面的一般性讨论。除了不完全光子吸收外，转化过程中还存在其他的损耗机制。例如，电极的吸收及P掺杂和N掺杂区中的自由载流子吸收均可降低装置的效能。
此外，本行业所熟知地，沿光线入射方向的光学模式分布是光伏装置的一个关注点。理想地，光学模式分布应该在电子-空穴对产生的工作区处达到峰值，特别是在有机电池的极薄工作区中。因为模式分布是层厚和材料光学指数共同作用的结果，故而，为了获得整体电池效能和可接受的生产效益，必须保证厚度的均匀性。在具有反射型陷光的电池中，例如波纹结构，部分所收集的光子在薄膜内会经过多次散射和反射。这种多次散射也可增加电极的吸收损耗和P掺杂和N掺杂区中的自由载流子吸收。
太阳辐射具有较宽的能谱。能量低于半导体带隙水平(或者染料和聚合物的HOMO和LUMO分离所需的能量)的入射光子不能在光伏装置中产生电子-空穴对而被浪费掉。另一方面，能量超过半导体带隙的光子所产生的电子在其到达装置的电极之前会因加热材料晶格而损耗其过剩的能量。为了重新获得一些损失的能量，已开发出运用具有不同带隙的薄膜来捕捉不同能量或波长的光子的技术，例如，通过堆叠不同的III-V族材料而形成所谓的多结电池。
很多薄膜沉积技术已被开发出来以用于生产这种多结电池。然而，制造高质量的堆叠多层薄膜仍存在着电学和光学方面的挑战。生长温度、掺杂剂、材料间晶格失配、层界面质量和透明电极，等等，均为限制选择高吸收材料、衬底和电极材料的能力和自由的潜在因素。在实现低成本太阳能电池的大规模工业化生产之前，需解决这些影响薄膜生长的复杂因素。此外，电流匹配在垂直堆叠层中很重要，因为电子和空穴在被提取出之前顺次横穿所有的层。
在现有的工艺水平下，尽管半导体硅的光吸收系数因其固有的间接带隙而较低，但，由于其可用性和可靠性，半导体硅仍为太阳能光伏产业的首选。可以预见，为满足未来清洁能源的发展需求，最终需要低成本、节材的高效能光伏装置。
将太阳辐射聚集于光伏电池中已成为本行业所熟知的一种技术，其可减少光伏电池所需面积以节省成本。故此，人们研制出诸如折射、衍射(菲涅耳透镜)和反射等各种类型的太阳能聚光器。聚焦和非聚焦光学均得到应用。在将太阳辐射转向并聚集到光伏装置的技术中，由于跟踪要求和维护跟踪装置的额外成本，使得电池高效能成为关键。基于III-V族半导体的多结电池可适用于那些电池效能考虑优于成本考虑的应用。
许多聚光型光伏***依赖于具有高聚光率的大型聚光器。其中，一种技术是，在薄膜光伏电池(尤其是聚合物电池)中采用组合有反射型陷光结构的微米级聚光器。除了使用更小的光伏装置外，聚集太阳辐射的技术也可导致电池效能的提高。
在薄膜式光伏电池和本质光伏电池中，光子进入光伏电池的界面并横穿堆层厚度(cell thickness)而进行传播。如上所述，光敏材料的弱吸收性导致了薄膜式光伏电池的低效能。尽管现有行业所知的陷光技术可以提高吸收性能，但是，这些技术易于受到限制，因为经过陷光结构的折射和衍射不可避免地将光子发散出载流子产生区之外。
本行业所知的其他技术包括有采用多重反射以增长光线在载流子产生区的穿行距离。例如，授予Forrest等人的美国第6333458号专利即揭露了一种光子循环光敏光电装置，其利用诸如银或铝的金属薄膜以形成反射层，用于将光线限制于载流子产生区之内。然而，金属薄膜的使用限制了载流子产生区中可被利用的环境散射光辐射的数量，且该光电装置需配置透明电极以进行运作。
由此可见，现有技术披露了若干不同的方法以解决在光伏装置中提高效能和生产量的问题，其中，多数解决方案均采用允许光子穿过光敏区及其周围材料的平面界面而进入载流子产生区的设计形式，这相同于传统的太阳能电池。所需要的是一可用于薄型光敏层的具备高效光吸收性能的光伏装置，用以提高能量转化效率，并同时节约材料和成本。
发明内容
在本发明的一个方面，一种光伏装置包括有：一第一覆层材料；一光敏材料，其折射率大于所述第一覆层材料的折射率，所述光敏材料设置于邻近所述第一覆层材料处；及一第二覆层材料，其折射率小于所述光敏材料的折射率，所述光敏材料设置于所述第一覆层材料和所述第二覆层材料之间以形成限定传播光子的波导；及电气连接于所述光敏材料的第一和第二电极。
在本发明的另一方面，一种光伏装置包括有：一第一光敏材料，设置用于一光子束；及一第二光敏材料，其带隙小于所述第一光敏材料的带隙，所述第二光敏材料设置以接收来自于所述第一光敏材料的所述光子束的第一部分；一第三光敏材料，其带隙小于所述第二光敏材料的带隙，所述第三光敏材料设置以接收来自于所述第二光敏材料的所述光子束的第二部分。
在本发明的再一方面，一种制造用于将光子束转化为电能的光伏装置的方法，包括有：在一衬底上设置一层第一覆层材料；在所述第一覆层材料上设置一层光敏材料，所述光敏材料的折射率大于所述第一覆层材料的折射率；及在所述光敏材料层上设置一层第二覆层材料，所述第二覆层材料的折射率小于所述光敏材料的折射率。
所述发明的其它特征和优势见下文的说明书，结合权利要求和附图，业内行家可清楚了解这些内容，或在按本申请文件实施本发明后予以了解。
本文件公布了导波光伏设备的多个实例，这些实例旨在将入射光子束导入预设的光程。光程位于光敏材料内，这些光敏材料与周围波导材料共同形成了界面。光生电荷载流子从光敏材料中提取，而光敏材料的方向与光子光程基本垂直。本发明总体上为光伏设备，例如太阳能光伏设备，提高了薄光敏层的吸光性，从而提高能量转化效率，节约有关材料，并降低成本。
附图说明
图1为根据本发明的具有光子束聚光器的导波光伏装置的横截面示意图；
图2为图1的导波光伏装置的端部的详细示意图；
图3为图1的导波光伏装置的另一实施例的横截面图，在图1中，入射光子束通过全内反射导入导波光伏装置；
图4为用于将入射光子束转向到两个导波光伏装置内的光学元件的示意图；
图5为根据本发明的带球形光子束聚光器的导波光伏阵列的一优选实施例的等轴视图；
图6为通道型(channel-type)导波光伏装置的等轴视图，其可用于图5的导波光伏阵列上；
图7为一对带一共用电极的通道型导波光伏装置的等轴视图，其可用在图5的导波光伏阵列上；
图8为根据本发明的带圆柱形(cylindrical type)光子束聚光器的导波光伏阵列的一优选实施例的等轴视图；
图9为平板型(planar-type)导波光伏装置的等轴视图，其可用在图8的导波光伏阵列上；
图10为一对带共用电极的平板型导波光伏装置的等轴视图，其可用在图8的导波光伏阵列上；
图11为根据本发明的导波光伏装置的另一优选实施例的侧视图，其具有“Λ”形波导；
图12为根据本发明的具有波导芯的导波光伏装置另一优选实施例的侧视图，波导芯由不同吸收率的材料芯元件构成，这些元件沿着光子束传播方向排列；
图13为根据本发明的导波光伏装置的另一实施例的侧视图，导波光伏装置由不同吸收率的材料芯元件构成，这些元件排列后形成一个空腔，如此一来，传播中的光子束始终被约束在一定空间范围内，装置可最大程度地捕捉光子。
图14为staking电池波导管另一优选实施例的侧视图，这种staking电池波导管具有多种材料元件和并联电池，在并联电池里，入射光子束被光学元件进行分光；
图15为用于将入射光子束导入一个导波光伏装置的光学透射聚光器的图解说明；
图16为用于将入射光子束转移到导波光伏装置的光学反射聚光器的图解说明；
图17示出根据本发明的位于导波光伏装置***的第二个光子束聚光器；
图18示出根据本发明的位于一对导波光伏装置旁边的第二个光子束聚光器；
图19为导波光伏装置的图解说明，该导波光伏装置由有机物质或染料敏化物质制成的“Λ”形波导芯和透镜型光子束成像聚光器构成；
图20为导波光伏装置的图解说明，该导波光伏装置由有机物质或染料敏化物质制成的“Λ”形波导芯和透镜型光子束非成像聚光器构成；
图21为导波光伏装置的图解说明，该导波光伏装置由有机物质或染料敏化物质制成的“Λ”形波导芯构成，波导芯以集光器(collector)作为基片；
图22是“Λ”形波导导波光伏装置上的反射型Winston型光子集合器的横截面图；
图23是“Λ”形波导导波光伏装置上的反射型Winston型光子集合器的横截面图；
图24为根据本发明的复合式光伏结构的图解说明，其包括有机导波光伏装置和无机导波光伏电池。
具体实施方式
下面的详细说明为目前实施本发明的最佳方式。该说明仅用于阐述本发明的一般原则的目的，而非用于限制之目的，因为所附的权利要求书最佳地界定本发明的保护范围。
所揭露的光伏装置及其制造方法可应用于各种不同类型的光辐射转化装置。因此，尽管本发明以太阳能电池的应用为例以说明该新型装置和方法，但是，相关行业的技术人员可以理解，该新型装置和方法将可应用于其他类型的光伏装置。根据本发明，所述光伏装置通过将一束入射光子束聚集成预定尺寸并将其导入一个预定义的光路，例如波导芯或覆层含有至少一种光敏材料的渠道型或平面型薄型波导管，而取得了比传统的薄膜式太阳能电池更胜一筹的效能和运作经济性。光生电子和空穴从其产生之处被提取出，并在大体垂直方向将其引导到光波导传播方向上来。所述光伏装置结合了聚光器和波导管的优点以提高总体转换效能。
因为太阳能产业对优质光伏材料的大量需求，材料资源和成本越来越成为关注的焦点。如下所述，所公开的光伏装置的一个优点——其制造只需用到相对较少数量的昂贵的光伏材料——可通过聚集入射光辐射并将该聚集的光辐射波导穿过光敏材料的技术而获得。光敏波导芯所需的厚度可限定在微米范围内，如作为覆层则只需几十纳米，并且，可以采用廉价的聚合物、玻璃和金属聚光器以聚集光子。这些特性有助于大幅度地降低材料费用，并使装置的设计更具灵活性。此外，还可更为方便的设计光子集中量，而使所设计出的光伏模块的重量较轻且具有薄膜式产品的特性。这种灵活的装置结构是所揭露的光伏装置的众多优点之一。
在现有的工艺水平下，典型的薄膜式太阳能电池的转换效能大致相当于本质硅电池的一半，主要原因在于受限于厚度的硅的间接带隙的光吸收率。尽管存在着厚度限制，人们已研发出许多陷光方法以增强光子的交互酌长度。然而，此类陷光方法并未能够有效地收集光子以克服所述厚度限制。在典型的陷光方法中，光从侧面进入光敏区，允许散射和电极内的吸收损耗，这起到降低太阳能电池装置的效率的作用。相比之下，所公开的GWPV装置对于克服这些陷光缺陷特别有用。
总体而言，所披露的光伏装置的结构相比于现有技术具有诸多优点。例如，因为光子大体平行于波导而传播，故而光子吸收长度由波导长度而非薄膜厚度决定。采用波导结构，几乎所有有用的光子均可被吸收。由于光子平行于波导而传播，装置的电极不会阻挡入射光子，而无需配置透明电极。部件的设计者具有较大的余地以设置电极，例如将电极放置于电子-空穴产生区，或者采用大型电极以减少串联电阻。
金属电极层可直接用作光子循环的空腔(即用于减少发射损耗)。此外，所述波导也可与一低损耗光学谐振腔——例如布拉格反射器或者光子结构——集成，以遏制自发辐射而实现高转换率，通常超过正常本质硅电池的硅基光敏区的效率。
在此所披露的波导中，光波的空间分布(spatial profile)可被控制以提高光敏区的光吸收。这一特性可减少高掺杂区的光损耗，并可降低潜在的电极吸收损耗。可控的光波空间分布还可为光伏电池的设计大量地减少内部电阻。根据本发明的光伏装置的结构，还可使薄型P-I-N结能够设计更陡峭的内部电场以用于载流子的提取。该引导模式意味着P-I-N区中存在更强的电磁场。这样的结构可以减少杂质和缺陷所引起的散射损耗。这些优点，加上电子-空穴产生区与电极之间的更短距离，意味着可以使用低级别晶体质量的光敏材料而不会牺牲转化效率，实现制造和每瓦特成本上的优势。
所披露的光伏装置可包括：(i)具有单一光敏材料元件的单芯或多芯波导；(ii)具有超过一个以串联形式设置的光敏材料元件的单芯波导；或者(iii)包括有由不同光敏材料制成的芯电池(core cell)的波导，每一材料元件具有不同的能量吸收带或带隙。光敏材料可包含在波导芯和覆层中。光敏材料的光学指标与周围的介质相似，当波导芯由非吸收材料组成时，其可用作波导覆层的一部分。同时，还可在金属界面与光敏材料之间使用界面波(interface wave)以提高光子吸收。此类型的波导结构可用于低光学指标的光敏材料，例如聚合物，或者可用于复合型波导，例如设于半导体基片上的聚合物。所述光敏材料也可被设定而使得来自于波导芯的光辐射通过隧道机制(tunneling mechanism)而耦合到光敏材料中。
所披露的光伏装置在减少光损耗、材料成本、材料生长、装置结构和应用灵活性方面还有诸多其他优点。所披露的结构对于近带隙的低光吸收效能的薄膜型光伏材料特别有用，例如硅，因为相对“长”的波导的吸收长度不受限制。所披露的结构也可应用于有机/染料光敏电池(Gratzel cell)。
图1和图2示出了导波光伏(以下简称GWPV)装置10的一个优选实施例。该GWPV装置10包括有一波导型光伏结构，其将一入射光束21限制并维持于GWPV装置10中的一优选的光子传播方向上，通常为箭头29所示的笛卡尔坐标***的X方向。所述GWPV装置10包括有一含有光敏材料的波导芯11，下文详细进行描述。该波导芯11可设于一第一内覆层12与一第二内覆层13之间，如图2所示。该第一内覆层12可设于波导芯11与一第一外覆层14之间，而该第二内覆层13可设于波导芯11与一第二外覆层15之间。在另一优选实施例中，所述第一外覆层14和第二外覆层15其中的一个或两个可包括空气。
如图1所示，所述入射光束21通过一设置于近所述波导芯11处的聚光器20而调整成集中光子束23。所述聚光器20可包括一个聚焦或非聚焦透镜，例如折射透镜或衍射(如Fresnel)透镜，或者可包括一个基于全内反射的非成像集热器(non-imaging collector)，例如一个反射面。所述集中光子束23与所述波导芯11中的光敏材料交互而产生电荷。电荷可通过一第一电极31和一第二电极33而传导出所述GWPV装置10之外，所述电极31和电极33均电气连接于所述波导芯11。如下文详述，可再设置一个或多个与该波导芯11连接的附加电极35。另外，所述聚光器20可包括一由透射和反射元件组成的组合体，如下文详述。
形成所述波导芯11的材料的光束折射率最好高于形成所述内覆层12和13的材料的光束折射率。所述内覆层12和13的折射率高于形成所述外覆层14和15的材料的折射率，所述第一外覆层14和15其中的一个或两个可包括空气。所述波导芯11的厚度取决于所述入射光子束21的光子波长和所述GWPV装置10中集中光子束23的尺寸。
所述波导芯11的y维空间可被设定以支持如下两者之一：(i)沿优选光子传播方向传导的光子束单空间模态；和(ii)在于所述内覆层12和13内的多空间模态。基于支持两种空间模态，所述GWPV装置10通过在波导芯-覆层界面24和25上建立全内反射条件而可限制所述集中光子束23沿所述波导芯11传导。或者，所述波导芯11的y维空间可被设定成更大以支持多模运转。所述波导芯11的z维空间可与y维空间相似，使得所述波导芯11基本上为一维结构，即通道型波导。或者，所述波导芯11的z维空间尺寸可以是y维空间的数倍，使得所述波导芯11基本上为二维结构而适应于薄膜制造工艺。或者，在另一优选实施例中，所述波导芯可以是一个单维结构和一个二维结构组成的组合体。
本领域技术人员可以理解地，上述波导芯11和内覆层12和13的折射率的不同，可在所述GWPV装置10中形成一个适合于遏制近光敏材料的能量带边缘的自发辐射的空腔。这种遏制可提升所述GWPV装置10的能量转换。或者，所述GWPV装置10可包括一布拉格反射器，以增强自发辐射遏制的效果。例如，内覆层12和13其中的一个或两个可包含高折射率且穿透度远低于所述波导芯11的光敏材料的金属材料。
可使用一中间光学元件或构造以将所述集中光子速23引导至所述优选的光子传播方向。如图3所示，所述中间光学元件包括一定向的表面反射器41，以用于通过全内反射方式而将所述集中光子束23引导入所述波导芯11。或者，所述中间光学元件或构造可包括一发射界面，例如涂盖于波导边界面的金属层(图中未示出)，该边界面可以是折射类型(即非成像)，也可以是反射类型，其集成于或集成入所述中间光学元件或所述波导芯11。此外，所述中间光学元件可包含所述波导芯11的一部分，且可进一步包含光敏材料。如图4所示，在另一优选实施例中，所述中间光学元件或构造可包括一发射光学元件，例如斜面反射器对43，其设置以在所述聚光器20与两个波导芯11之间形成光径。两个GWPV装置10和所述斜面反射器对43组合而成一个双联GWPV装置40。
如图1、图3和图4所示，可以通过电极31、33和35而从所述波导芯11的光敏材料中提取光生载流子。本领域的技术人员可以理解，因为在GWPV装置10的典型结构中，光子进入所述波导芯11的光子速末端，所述波导芯11表面处的电极31、33和35的尺寸和位置可根据实际应用而自由设定和优化。例如，在图1所示的结构中，如果所使用的内覆层12和/或13相对较薄，可将电极31和33设置于所述GWPV装置10的末端或边缘处，以避免潜在的金属吸收损耗。
此外，在装置的某些应用中，未被电极31和33阻挡的表面区域可用于收集环境中散布的光辐射。或者，如果采用透明电极或金属电极，则所述电极31和33可覆盖所述GWPV装置10的全部或部分侧面。这种设置可以缩短电子和空穴的传导距离，即从电子-空穴产生处到电极31和33的距离，通常位于y轴方向上。如图1所示，电极35可以沿所述波导芯11而设置，使得可依照光子的密度和分布来提取光生电荷载流子。对于聚光式光伏电池，载流子密度越高，相应地，光伏输出就越高。
所述波导芯11最大化光吸收所需的最小长度由光敏材料对于所述集中光子束23的吸收系数而决定。硅的最低能量带隙附近的吸收系数约为100cm-1。一段沿所述波导芯11的300微米的传播距离，相应对能量高于硅的带隙水平的所收集的光子有着大约95％的吸收。据此，所述GWPV装置10可设计成能够基本上实现对所有(即＞99％)收集的光子的全部吸收。这种设计结构对采用间接带隙材料(例如硅)的光伏电池特别有用，且对光吸收区极薄的装置特别有用，例如有机/染料敏化电池。如图1所示，在特定的光伏装置应用中，可在所述波导芯11的近所述电极31和33的边缘处设置一反射面27，如此，最大化吸收所需的最小波长可减少一半。
图5示出了根据本发明的GWPV阵列50的一个优选实施例。所述GWPV阵列50包括多个设于一基片30上的通道型GWPV装置10C。尽管附图示出了通道型GWPV装置10C的矩形阵列，但可以理解地，也可采用其他几何结构，例如六角形阵列。如图6所示，可以通过设有与z维空间相似的y维空间，而将GWPV装置10设置为通道型GWPV装置10C。于是，如附图所示，所述通道型装置单元10可通过设置于所述波导芯11边缘处的球形聚光器51而接收所述集中光子束23。
在包含有所述球形聚光器51和所述通道型GWPV装置10C的结构中，其可提供很高的聚光率，即聚光器直径与波导长度的相应比率。如图7所示，根据实际应用、材料生长和工艺水平，两个球形聚光器51可耦合到一对共享一个电极55的通道型GWPV装置10C上。因为通道型GWPV装置10C的长度主要由所述波导芯11中的光敏材料的吸收长度所决定，故而，所述聚光器51的直径可以小至所述GWPV阵列50中相关波导芯11的长度的两倍，如图5所示。
在硅基GWPV装置中，每一光束聚光器的直径通常以毫米计。然而，此限制将不复存在，因为相关波导的任何额外的长度将不会造成GWPV型装置在材料成本上的大幅度增加。当在光伏装置的制造过程中采用各种潜在的技术时，具有可扩展的波导长度，可使得GWPV装置的结构更具灵活性。根据本发明，上述优点也可应用于GWPV阵列60的一个优选实施例中，如图8所示。
所述GWPV阵列60包括有多个柱形聚光器，例如柱形透镜61和65，和多个平面型波导GWPV装置10P和/或宽平面型波导GWPV装置10W。所述平面型波导GWPV装置10P的侧面y轴尺寸，如图9所示，大于图6所示的所述通道型波导GWPV装置10C的侧面y轴尺寸。所述宽平面型波导GWPV装置10W的侧面y轴尺寸，如图8所示，明显大于所述平面型波导GWPV装置10P的侧面y轴尺寸。据此，柱形聚光器61可用于照亮所述平面型波导GWPV装置10P的边缘或***，而柱形聚光器65可用于照亮所述宽平面型波导GWPV装置10W的边缘或***。在另一个实施例中，如图10所示，一对柱形聚光器61可用于照亮共享一电极69的一对平面型波导GWPV装置10P。
可以理解地，上述被设置为水平几何形态的GWPV装置10、10C，10P和10W，也可以根据应用要求、材料生长、工艺和所使用的芯片/模块封装技术而设置成垂直几何形态。垂直几何形态具有可直接将光线导入相应的GWPV装置中而无需使用例如球形透镜51和柱形透镜65等导引器件的优势。如图5和图8所示，水平设置的波导阵列，具备更低的外形(即更薄)和融合薄膜技术的优势。在水平和垂直波导结构中，可利用许多现有技术，例如直接堆积成形、薄层芯片转换、芯片切割、薄带切割及相关领域中总多公知的技术，而将单个波导组装在适当的位置。此外，尽管图5和图8所示的特定结构中包括了不同类型的光子聚光器和相应的波导以作为模块化设计的示例，然而，根据本发明的GWPV装置，可包括其他类型的聚光器和波导的组合体。
本领域技术人员可以理解，所披露的GWPV装置在光伏材料成本和转换效率方面存在着优势。但是，还可以做出更多改进以解决操作中的问题，包括有：光的跟踪、跟踪***的复杂性、光子高度聚集时装置的发热，散射光和环境光的收集。但是，所述的GWPV装置结构既保持了光聚集效率方面的优势，又同时避免现有技术所教导的光聚集***所存在的缺陷。此外，所述GWPV装置可以设计得如现有技术条件下的平板太阳能电池一样紧凑简洁，见下文说明。
硅基GWPV装置可采用现有工艺水平所知的薄膜沉积技术进行制造。图11是一包括有多个拉姆达形(Λ形)波导71和多个形成于近所述Λ形波导71处的聚光器73的薄膜型GWPV装置70的侧视示意图。虽然该图只示出了两个聚光器73和两个Λ形波导71，但可以理解地，硅基GWPV装置不局限于上述数量，而可通过所使用的制造方法而设定任何数量。根据实际应用，每一Λ形波导71可包括一对通道型GWPV装置10C、一对平面型GWPV装置10P或一对平面型GWPV装置10W，如附图所示设置于衬底膜79之上。在一个优选实施例中，相邻的波导71形成一个钝角，即大于90度的角。
优选地，所述聚光器73的形状与相应的Λ形波导71的几何形状相一致。所述入射光束21通过聚光器73在Λ形波导71的外表面75处形成集中光子束23。所述Λ形波导71的外表面75用于将所述集中光子束23导引入所述Λ形波导71的一个或两个GWPV装置10(或10C或10P或10W)中。Λ形结构的一个优点在于提高波导的光耦合效率，同时保持诸如大面积薄膜沉积和层镀覆等生长和处理技术的优势。
对于能量近乎硅带隙的光子而言，硅的折射率约为3.5。相对于玻璃界面，波导内的全反射角约为20度，而相对于空气界面则约为15度。这种折射指数上的相对较大的差异为波导进行诸如楔入和弯曲的设计提供了足够的余地。可以对Λ形特征的尺寸和形状加以设计，以使其有效地捕捉进入所述GWPV装置10、10C、10P和10W的波导芯和覆层的所述入射光束21的全部或大部，并可设计成具有较大的集光角。有利于光伏模块的特征是：较薄的结构、较小的重量和较大的吸收角度。根据实际应用和材料加工技术，可以在较大的范围内设定Λ形特征的角度。
另一优选实施例中，如图3所示，全内反射结构由表面反射器41组成，其可用作Λ角约为90度的Λ形波导71的半个“侧翼”(“side wing”)。此外，根据不同加工技术，所述Λ形波导71的半个边翼也可弯曲而代替平面。除了本发明附图所披露之外，还可通过结合成像和非成像光学技术，而将许多其他类型的聚光器和集光器应用于所述薄膜型GWPV装置70。
关于传统聚光式光伏电池的散热问题，所述薄膜式GWPV装置70的结构在传热和散热方面同样具备优势。在不需要透明电极的应用中，可采用具有高热传导性的基片以进一步增加具有高聚光率的GWPV装置的散热能力。
关于传统聚光式光伏电池的采集漫射太阳光的问题，波导薄膜式电池的结构，以所述薄膜式GWPV装置70为例，可以通过所述衬底膜79以采集漫射的光线。源极和漏极77和78可连接于所述Λ形波导71的一端以提取光生载流子。所述Λ形波导71的外表面75的开口区提供了用于吸收漫射光线的途径，此外，还保留了传统薄膜电池的优点。还可作出改进，即将源极和漏极77和78设置于所述衬底膜79的背面侧或底面侧。
本领域技术人员可以理解地，在此所披露的光伏装置所采用的硅材料可以用非晶硅(a-Si)代替以使层厚度更薄。尽管非晶硅相比于晶体硅具有更高的光吸收系数，当时，较薄层厚度的特征在“光浸润”(1ight soaking)方面具有更好的稳定性。
除了硅以外，其他类型的薄膜材料，例如基于III-V族的半导体(例如GaAs、CdTe和CIGS)，已被开发出以用于光能转化的工艺。这些太阳能电池具有高于硅薄膜电池的转化效能，但存在着材料和加工成本更高的缺点。这些昂贵的材料因其稀缺性而易于导致价格不断上升，这不利于太阳能电池行业的大规模生产。故而，从材料供应的角度看，硅的优势非常突出。
尽管硅是地球上发现的最为丰富的资源之一，但，除了在以硅为基础的电子行业用量极大外，太阳能行业对其需求量也越来越大。随着近来人们日益追求清洁能源的目标，以及世界范围内对太阳能技术的投资加速，获取高纯度硅原料的工艺可能将成为瓶颈，不仅对太阳能行业如此，对以硅为基础的大规模电子行业也是如此。为应对所有这些挑战，需要以更少的材料消耗造出更高效的硅光伏电池，并最终达成降低单位能源成本的目标。
采用单一半导体材料元件的太阳能光伏电池，通常其效率较低。例如，在硅电池中，约25％的太阳光(即光辐射)低于硅的能隙，而不能被吸收以产生光伏电荷。另一方面，被吸收的能量高于硅带隙的光子可以产生高能的电子和空穴，其在到达电极之前而降低至能带边缘(band edge)时，会损耗其超过带隙的额外能量在晶格振荡上。这些额外的能量对光生电流并无贡献，而转化为热能最终浪费掉。
然而，在多结层叠电池(Multi-junction tandem cell)中，具有若干材料元件，每一元件具有不同的吸收带隙，涵盖太阳光谱的更宽范围。较宽带隙材料的元件，可吸收更高能量的光子，相应地，具有更高的电压输出。如此，可减少在材料晶格上的热能损失。本领域的技术人员可以理解，具有不同材料元件的太阳能或光伏电池的光-电能量转化要高于只有一种材料元件的同类设备。在目前的技术条件下，商业上可得到的基于锗衬底的多结层叠电池，可获得超过30％的转化效能。然而，这种结构因其昂贵的材料元件和相关联的高生产成本而导致其应用有限。基于硅材料的相对高效的电池更为可取。
非晶硅的能隙高于晶体硅，这使得非晶硅成为高能元件的首选。人们已研制出效率可与薄膜晶体硅电池相匹的薄膜非晶硅电池，虽然，其工作稳定性仍然是一个重要关注点。另一个硅基备选可能是纳米级晶体硅(nc-Si)。纳米级晶体硅的能隙非常倚赖于纳米级晶体的尺寸。随着纳米技术的快速发展，尺寸和非正式控制正朝着实际产品应用的方向变得更为可行。预计硅基材料家族在AM1.5的条件下可涵盖75％的太阳资源，而在陆地AM1.0的条件下其比例更高。
由于异常严格的材料和生长条件，造成材料资源昂贵和生产成本高，高能效多结层叠电池也相对较为昂贵。每种材料元件须有合适的能量带隙，且每一材料元件的晶格常数应紧密匹配，以使生长过程中具有光滑的界面。总体性能也倚赖各层的电流贡献。通常，这些材料层的设计须配合产生的电流，因为电子和空穴在抵达电极之前，须穿过所有的层。
图12示出一种多芯材GWPV装置80，其波导芯81由不同光敏材料的波导芯元件电池(Core component cell)构成。在所提供的例子中，个体波导芯元件电池83、85和87由不同能量带隙的材料的构成。优选地，所述波导芯元件电池83、85和87沿优选的光子传播方向作横向排列，并由一第一内覆层89和一第二内覆层99界定而形成所述波导芯81。每一波导芯元件电池83、85和87各有相应的电极93、95和97，并共享一共有电极91。所述集中光子束23传导至所述波导芯元件电池83，在其中产生电荷载流子并通过所述电极93输出。所述集中光子束23的剩余部分84进入所述波导芯元件电池85，在其中又产生一些电荷载流子并通过所述电极95输出。所述集中光子束23的更小部分86进入所述波导芯元件电池87，在其中仍然产生一些电荷载流子并通过所述电极97输出。
传统的多结层叠光伏电池具有“叠层”结构，光生载流子在抵达电极之前须穿过多个结层，通常会有很大损失。另外，当入射光子穿过堆叠的、高度搀杂的元件层之时，由于搀杂区的杂质，导致光子发生强吸收损耗。然而，在所披露的多芯材结构中，以所述GWPV装置80为例，光生载流子可在与优选光子传播方向大体垂直的方向上(即y轴方向)被提取出。每一波导芯元件电池83、85和87可在相对短的距离(即等同于薄膜厚度)内独立提取电子和空穴。此外，由于一般无需考虑电流匹配，所披露的多芯材结构在其设计上更具灵活性。
所述GWPV装置80中的不同材料元件电池之间的界面基本上只要求亚波长级别的光学性能。相比于传统的多结层叠光伏电池的晶格匹配要求，亚波长要求允许光伏装置的制造可降低精度。这使得在材料加工上允许更大的自由范围，甚至可放松材料选择的要求，因为无需考虑晶格匹配生长。根据本发明，当导波平行于所述层传播时，搀杂区的损失预计会非常小，特别是当波导芯为内在的时候，如上文所述。因此，多芯材GWPV电池结构的转化效率可非常接近理论上的转化极限。通过增加一个低带隙的元件，例如锗或可能的聚合物，以支配能量低于硅带隙能量的光子，而使硅基多芯材GWPV装置可获得非常高的转化效率。
多芯材GWPV装置中的关于垂直电子-光子传送的理念和机制，可以扩展到其他材料***，例如CdTe和CdS。许多薄膜加工工艺，例如晶片键合(waferbonding)、转移(transferring)和晶片切割(wafer cutting)，可用于制造多材料元件波导。所述波导的几何形态，例如上述的Λ形，也可依据实际应用而予以采用。另外，上述所披露的聚光器和导引元件或构造也可用于所述多芯材GWPV装置80。
在另一多芯材结构的优选实施例中，波导芯元件电池可形成一个非平面结构，而约束并导引所述集中光子束23至多种光敏材料。图13示出一个光子约束光伏装置100，其包括有一由较宽带隙光敏材料形成的第一光伏电池101。所述第一光伏电池101包括有一波长选择涂层103和一金属电极105。所述波长选择涂层103设定为可将输入光子束能量带宽与第一光伏电池101内的光敏材料的带隙吸收基本相匹配。所述输入光子束能量的一部分102，对应于与所述第一光伏电池101材料相匹配的带隙范围，大体上穿过所述波长选择涂层103而进入所述第一光伏电池101。所述输入光子束能量的一部分104，对应于小于所述第一光伏电池101材料的带隙范围，其大体上被所述波长选择涂层103和金属电极105所反射。如附图所示，设置一第二光伏电池107，以接收来自于所述第一光伏101的光子束能量的反射部分104。
所述第二光伏电池107包括由一波长选择涂层109和一个金属电极111。所述波长选择涂层109设定为可将输入光子束能量带宽与第二光伏电池107内的光敏材料的带隙吸收基本相匹配。所述第二光伏电池107内的光敏材料的带隙小于所述第一光伏电池101内的光敏材料的带隙。所述输入光子束能量的一部分108，对应于与所述第二光伏电池107材料相匹配的带隙范围，大体上穿过所述波长选择涂层109而进入所述第二光伏电池107。相应地，所述输入光子束能量的一部分110，对应于小于所述第二光伏电池101材料的带隙范围，其大体上被所述波长选择涂层109反射至一第三光伏电池113。
所述第三光伏电池113内的光敏材料的带隙小于所述第二光伏电池107内的光敏材料的带隙。第三光伏电池113有一个波长选择涂层115，其对入射光子束能量带宽基本透明，同时也能配合第三光伏电池113的光敏材料的带隙吸收。所述输入光子束能量的一部分114，对应于与所述第三光伏电池113材料相匹配的带隙范围，大体上穿过所述波长选择涂层1015而进入所述第三光伏电池113。所述波长选择涂层115和金属电极117用于反射所述集中光子束23的一部分116至所述第一光伏电池101，而重复上文所述的吸收和反射过程。
所述光子约束光伏装置100可包含更多的光伏电池(图中未示出)，以达到甚至更高的转换效率。设定所述元件光伏电池的位置，以使光子束绝基本上被约束于所述腔状(cavity-like)光子约束光伏装置100之内，以实现光子捕捉的最大化。腔状结构具有可捕捉所述集中光子束中多数光子的优点，特别可用于捕捉影响转化效率的自发辐射。每一个体光伏电池的尺寸取决于所述聚光构造、聚光度和光配、以及电池数量。每一个体光伏电池可以是单结或多结电池。非吸收媒介可以是空气，或者透明聚合物和玻璃，或者甚至当使用高效聚光器时用作冷却剂的液体。以上讨论所涉及的聚光和光伏阵列同样适用于所述光子约束光伏装置100。
所披露的GWPV结构也可应用于具有垂直堆叠波导的装置。图14示出一堆叠波导120，其包括有一设置于一第一亚波导芯123和一第二亚波导芯125之间的覆层121。所述亚波导芯123和125可设置于一第一衬底层127和一第二衬底层129之间，如附图所示。所述亚波导芯123所含材料的带隙宽于所述亚波导芯125的材料。所述入射光速32通过一色散光学元件，例如三棱镜139或反射型光栅，而被分导至所述亚波导芯123和125。在一优选实施例中，所述色散元件通过一光栅或一光学结构而与所述堆叠波导120集成，而用于光子分光。此外，所述色散元件可包括一与所述堆叠波导120集成的光敏材料。
特定的复合式装置的结构可以不包括所述色散元件。例如，锗电池可堆叠于一硅电池之上。所述锗电池可吸收能量低于硅带隙能量的光子，尽管其也可吸收高能电子。在另一优选实施例中，每一堆叠光敏材料均具有一个窄能量带宽(narrow-energy bandwidth)。在这种结构中，每一电池层用于提取符合该电池层的窄能量带宽的光生电荷，在此，电池层可由具有窄吸收带(narrow absorptionband)的聚合物或纳米晶体固形物组成。
根据本发明，每一亚波导芯与至少一相应的接触电极电气连接。这种结构有利于材料生长和生产。例如，两个或以上的亚波导可以独立制造，然后再集成或成长(grow)到一起。可以理解地，材料元件最大限度吸收高能光子所需的亚波导长度，通常远短于为材料元件最大限度吸收低能光子所需的亚波导长度。在另一优选实施例中，两个亚波导123和125具有不同的波导长度。
GWPV装置的结构也可适用于高光子聚集***。在一优选实施例中，一透射型高光子聚集***(transmission-type high-photon concentration system)130包括有一用于将所述入射光束21聚集至一聚光器135、并最终导入所述GWPV装置10的Fresnel透镜131，如图15所示。在另一优选实施例中，一反射型高光子聚集***140包括有一用于汇聚所述入射光束21至一聚光镜143、并最终导入GWPV装置10的表面反射镜141，，如图16所示。
根据所述聚集***的聚光率或相应聚光器的尺寸，可采用如图17所示的一第二光子束聚光器145。所述第二光子束聚光器145可设于所述GWPV装置10的一端或边缘，在该处，所述GWPV装置10被一对可作散热器的之用的电极147和149所限制。对于甚高聚集***，可采用GWPV装置结构，以适当减少所需光伏材料的用量。然而，诸多GWPV装置的特性，例如：较短的载波通路、不受限制的吸收长度和灵活的结构，仍然有利于提高整体***性能。最为重要地，所述相对较薄的GWPV装置可通过电极147和149而有利于散热，这一优点直接关乎于所述高聚集***的设备性能和成本节约。
由于光子从波导末端处聚集进入所述GWPV装置，所述波导的侧面的大部分可与一高导热材料层相接触，例如电极147和149，以利于热量散发和通过传导散热。也就是说，可以为薄层生长选择高导热性能的衬底。可以理解地，没有了为所述GWPV装置提供透明衬底或电极的限制，例如，GWPV的结构在为适合于波导覆层和散热的选材方面有了更多的选择。
根据聚光度、物理尺寸要求和所用聚光器类型，可将两个或以上的GWPV装置10联结成一体，如图18所示。所述第二聚光器145可与另一具有用于吸收较高能量光子的材料元件的光伏电池集成，例如多元件电池，或者甚至由该类型的光伏电池制成。上文所讨论的关于电极分布和多元件材料的概念，也可应用于如图17和18所示的配置。光子可以从波导的一端或两端收集。可以理解地，所述GWPV装置的结构为允许开发许多新的装置结构增加了更大的灵活性。
有机太阳能电池因其轻重量和灵活性，更为重要地，其潜在的低生产成本，而广受关注。虽然与传统的硅基太阳能电池相比，目前阶段在效率和可靠性方面尚不具备竞争力，但在许多潜在的应用方面，例如便携式设备和对设备寿命要求不高的应用，有机太阳能电池仍非常具有吸引力。由于极具吸引力的材料合成能力，有机太阳能电池有潜力涵盖太阳光谱的大部分，如果将更高转化效率的光伏电池变为现实，这会是一个重要的财富。
一个关键性的问题是需要设计一个具有极薄有效光敏区的光伏电池。由于强大的激子结合能量，无法有效地从工作光敏区提取光生电荷并送至电极。在典型的应用中，光敏区的厚度约为50纳米。如果要吸收超过95％的光辐射，则能量带的吸收系数平均需要提高至传统聚合物材料的吸收系数的大约10倍。人们已作出努力，通过加强激子分离和利用金属反射器提升光陷结构，力求改进装置的效能。
在GWPV装置的结构中，沿其波导的可变吸收长度有助于提高超薄光敏层的光子吸收。如果光导或光陷过程相对有效，甚至可能减少光子工作层的厚度，以更有效地提取电子-空穴对。另外，较薄的光子工作层可以改进相关聚合物电池的电阻，这对整体性能和可靠性也是一个非常重要的因素。传统有机电池所需的厚度由激子键合能量和光吸收长度决定。
放宽光吸收的厚度条件，对于开发更多适用于高性能电池设计的材料有着潜在的帮助。相应地，所披露的GWPV装置结构可应用于聚合物材料***。图19示出一种包括有多个聚焦透镜151的GWPV型聚合物装置150。每一聚焦透镜151由一种聚合物材料构成。如上文所述，所述GWPV型聚合物装置150的总厚度可以小至几微米。Λ形波导153的光敏层可涂于一由塑料构成的薄衬底155上，且可包括有一金属反射层157。
一空气层159可用作所述波导153的一个覆层。光敏聚合物层也可设置作为所述波导153的波导芯的覆层，在该处，所述波导芯包含非吸收性或低吸收性材料，例如，也可包含一金属(层)。当所述光敏层和衬底嵌入于具有相同折射系数的介质时，所述波导芯优选包含有一折射率高于所述光敏聚合物层的材料，以形成所述波导153。如果提供所述金属反射层157，则通常可提高漫射或环境光的采集。可以理解地，如上所述，所述Λ形波导153起到增大光接收角度的作用。在GWPV型聚合物装置的另一优选实施例中，图20示出了一包含有多个聚光器161的成像和非成像GWPV型聚合物装置160的组合体。
聚合物波导电池所具有的另一个优点，是其折射率几乎可以与聚光器的折射率相匹配，确保最低限度的反射损耗。可以通过在两种具有较大光学指数差异的材料的界面之间设置一防反射涂层以减少反射损耗。由于聚合物易于加工，光敏层163可直接涂于预成型玻璃或聚合物聚光镜165之上，如图21所示。在这种类型的波导电池中，具有较高光学指数的薄型防反射薄涂层167可涂于所述光敏层163之上，以形成用于约束传播光子束的波导芯169。
可以理解地，图18-20所示的金属层139和147可用作电极和散热器，并用于收集漫射光线。尤其，所述金属层147还可作为含有所述光敏层143的波导149的一部分。如图18-20所示，GWPV型聚合物装置可为传统的聚合物薄膜电池带来轻重量和塑性挠度的优点。
上述讨论也可应用于染料敏化光电化学电池或染料光敏太阳能电池(Gratzelcell)。可通过增加附着于二氧化钛(host TiO2)的大孔表面处的染料分子的数量或体积，而提高染料光敏电池(Gratzel cell)和染料敏化电池的光子捕捉能力。然而，增加的二氧化钛的孔隙度可妨碍电荷载流子的传输，进而影响整体电池性能。将GWPV装置的结构应用于染料光敏电池(Gratzel cell)和染料敏化电池，通过采用较薄电池，有助于改善电池性能，并提高电池的效率。
本领域所熟知，Winston型集光器一般具有一较宽的接收角度。如图22所示，所述集光器可配置成带有一包含一个聚光器177的金属反射型Winston集光器171。所述Λ形波导175的顶端179的形状可恰当设计，以最大限度地从Winston集光器171的开口处收集光辐射。如上所述，所述聚光器177可以是球形或圆柱形，并可用于通道型或平面型GWPV装置。或者，如图22所示，一个包含有折射型透明介质183的折射型Winston集光器181，可在所述透明介质183和环境空气之间的界面上提供全内部折射。或者，可采用由Winston集光器171和181组成的组合体。在集光角度、光损耗和设备制造方面，每易类型Winston集光器各有优缺点。
根据本发明，所述GWPV聚合物电池结构，可以进一步扩展成带有无机光伏结构的复合式结构，例如硅光伏电池。相比于传统的聚合物电池，这两种电池的组合体可以起到显著地提高光-电转化效率的作用，提高幅度约为若干个百分点。如图24所示，混合式GWPV装置190包含一GWPV波导191，所述GWPV波导191包括有一位于所述波导191所形成的钝角顶点出的波导型无机电池195。所述GWPV复合式电池190具有与多结电池相似的优点。例如，太阳光谱的可见频带为聚合物吸收所覆盖，近红外辐射则由硅吸收。这种类型的复合式GWPV装置在保留聚合物薄膜装置的优点的同时，还提供更高的转化效率。
可以理解，本说明仅是本发明的较佳实施例，并力求为理解本发明的为权利要求所界定的性质和特征提供一个概述。附图是为进一步理解所述发明的方法和设备所具有的特性和相应的实施例，其与文字描述内容一起，解释发明的原则和操作。因此，虽然提供了具体的实施例来说明所述发明，但应理解，不应以附图所述的具体构造和方法为限制，同时，本发明还涵盖在权利要求范围内所作的任何修改或等同。

Claims (4)

1.一种光伏装置，包括有：
一第一光敏材料，设置用于接收一光子束；及
一第二光敏材料，其带隙小于所述第一光敏材料的带隙，所述第二光敏材料设置以接收来自于所述第一光敏材料的所述光子束的第一部分；
一第三光敏材料，其带隙小于所述第二光敏材料的带隙，所述第三光敏材料设置以接收来自于所述第二光敏材料的所述光子束的第二部分。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括有一设置于所述第一光敏材料、所述第二光敏材料和所述第三光敏材料上的覆层。
3.如权利要求1所述的装置，进一步包括有一设置于所述第一光敏材料上的波长选择涂层，所述波长选择涂层使所传送光子束的能量带宽匹配于所述第一光敏材料的带隙吸收的部分。
4.如权利要求1所述的装置，进一步包括有一设置于所述第一光敏材料层上的金属电极。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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