用于光伏和光檢測(cè)器應(yīng)用的光捕獲架構(gòu)的制作方法
【專利摘要】公開(kāi)了一種光伏器件結(jié)構(gòu)，其捕獲被允許進(jìn)入的光并且使光通過(guò)所包含的光敏材料而再循環(huán)該光以最大化光吸收。例如，公開(kāi)了一種光敏光電子器件，包括：包括熱塑性樹(shù)脂的第一反射層；大致平行于第一反射層的第二反射層；在第一反射層和第二反射層中的至少一個(gè)上的第一透明電極層；以及與第一電極相鄰的光敏區(qū)域，其中，第一透明電極層大致平行于第一反射層并且與光敏區(qū)域相鄰，并且其中，該器件具有橫向于反射層的平面的外部面，其中，外部面具有允許入射輻射進(jìn)入器件的內(nèi)部的孔徑。
【專利說(shuō)明】用于光伏和光檢測(cè)器應(yīng)用的光捕獲架構(gòu)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年4月18日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/476，683的權(quán)益，該美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)以其整體通過(guò)引用并入本文。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦資助研究的聲明
[0004]本發(fā)明是在空軍科學(xué)研究辦公室(Air Force Office of Scientific Research)授予的合同N0.FA9550-07-1-0364以及由能源部(Department of Energy)授予的DE-FG36-08G018022下，利用美國(guó)政府支持完成的。在本發(fā)明中，政府具有特定的權(quán)力。
[0005]聯(lián)合研究協(xié)議
[0006]所要求保護(hù)的發(fā)明由聯(lián)合的大學(xué)-公司研究協(xié)議的下列一方或多方來(lái)完成、代表和/或聯(lián)合完成:密歇根大學(xué)(University of Michiga)和全球光子能量公司(GlobalPhotonic Energy Corporation)。在本發(fā)明完成的日期時(shí)和該日期之前,該協(xié)議有效,并且由于在該協(xié)議范圍內(nèi)采取的活動(dòng)而完成所要求保護(hù)的發(fā)明。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0007]本公開(kāi)一般涉及具有用以提高光捕獲性質(zhì)并減小跨大頻譜范圍的損耗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄膜光伏器件(PV)，諸如太陽(yáng)能電池。本公開(kāi)還涉及用于制造這樣的光伏器件的低成本制作過(guò)程。
【背景技術(shù)】
[0008]光電子器件依賴于材料的光性質(zhì)和電子性質(zhì)，以電子地產(chǎn)生或檢測(cè)電磁輻射或從環(huán)境電磁福射產(chǎn)生電。
[0009]光敏光電子器件將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電。太陽(yáng)能電池，也稱作光伏(PV)器件，是一種專用于產(chǎn)生電力的光敏光電子器件?？梢詮某?yáng)之外的光源來(lái)產(chǎn)生電能的PV器件能夠被用來(lái)驅(qū)動(dòng)功耗負(fù)載以提供例如照明、加熱、或?qū)﹄娮与娐坊蛑T如計(jì)算器、收音機(jī)、計(jì)算機(jī)、或者遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)或通信設(shè)備供電。這些發(fā)電應(yīng)用還常常涉及對(duì)電池或其它能量存儲(chǔ)器件充電，使得當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)或其它光源的直接照射不可用時(shí)，操作可以繼續(xù)，或用以使具有特殊應(yīng)用要求的PV器件的功率輸出平衡。如本文中所使用的術(shù)語(yǔ)“電阻性負(fù)載”是指任意功耗或存儲(chǔ)電路、器件、設(shè)備或系統(tǒng)。
[0010]另一種類型的光敏光電子器件是光電導(dǎo)體電池。在該功能中，信號(hào)檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)器件的電阻以檢測(cè)由于光吸收而發(fā)生的變化。
[0011]另一種類型的光敏光電子器件是光檢測(cè)器。在操作中，光檢測(cè)器被與測(cè)量在將光檢測(cè)器暴露于電磁輻射時(shí)所產(chǎn)生的電流的電流檢測(cè)電路結(jié)合地使用，并且可以具有所施加的偏置電壓。如本文所描述的檢測(cè)電路能夠向光檢測(cè)器提供偏壓并且測(cè)量光檢測(cè)器到電磁輻射的電子響應(yīng)。
[0012]這三個(gè)類別的光敏光電子器件可以根據(jù)如下文所限定的整流結(jié)是否存在以及還根據(jù)是否利用外部施加電壓，也稱為偏壓或偏置電壓來(lái)操作器件而被特征化。光電導(dǎo)體電池不具有整流結(jié)并且通常利用偏壓操作。PV器件具有至少一個(gè)整流潔并且不利用偏壓被操作。光檢測(cè)器具有至少一個(gè)整流結(jié)，并且通常但并不總是利用偏壓來(lái)操作。作為一般原則，光伏電池向電路、器件或設(shè)備提供電力，但是不提供用以控制檢測(cè)電路的信號(hào)或電流，或來(lái)自檢測(cè)電路的信息的輸出。相反，光檢測(cè)器或光電導(dǎo)體提供用以控制檢測(cè)電路的信號(hào)或電流，或來(lái)自檢測(cè)電路的信息的輸出，但是不向電路、器件或設(shè)備提供電力。[0013]傳統(tǒng)上，光敏光電子器件已經(jīng)由多種無(wú)機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)成，例如，晶體硅、多晶硅和無(wú)定形硅、砷化鎵、碲化鎘等。在本文中，術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體”表示當(dāng)電荷載流子由熱激發(fā)或電磁激發(fā)感應(yīng)電荷載流子時(shí)能夠?qū)щ姷牟牧?。術(shù)語(yǔ)“光電導(dǎo)”通常表示電磁輻射能被吸收并且由此被轉(zhuǎn)換成電荷載流子的激發(fā)能，使得載流子能夠在材料中傳導(dǎo)電荷，即傳輸電荷的過(guò)程。在本文中使用術(shù)語(yǔ)“光電導(dǎo)體”和“光電導(dǎo)材料”來(lái)指因?yàn)樗鼈兾针姶泡椛湟陨呻姾奢d流子的性質(zhì)而被選擇的半導(dǎo)體材料。
[0014]PV器件可以由它們能夠?qū)⑷肷涞奶?yáng)能轉(zhuǎn)換成有用的電能的效率而被特征化。利用晶體硅或無(wú)定形硅的器件在商業(yè)化應(yīng)用中占優(yōu)勢(shì)，并且一些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)23%或更大的效率。然而，由于在無(wú)顯著效率下降缺陷的情況下生產(chǎn)大晶體上固有的問(wèn)題，所以生產(chǎn)有效的、尤其是大表面面積的晶體基器件是困難且昂貴的。另一方面，高效率無(wú)定形硅器件仍然遭受穩(wěn)定性的問(wèn)題。目前的可商購(gòu)的無(wú)定形硅電池具有在4%與8%之間的穩(wěn)定的效率。更多最近的努力已經(jīng)聚能在使用有機(jī)光伏電池來(lái)以經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)可接受的光伏轉(zhuǎn)換效率上。
[0015]為在標(biāo)準(zhǔn)照射條件(B卩，1000W/m2，AML 5頻譜照射的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件)下的最大發(fā)電，為了光電流乘以光電壓的最大乘積，PV器件可以被最優(yōu)化。這樣的電池在標(biāo)準(zhǔn)照射條件下的功率轉(zhuǎn)換效率取決于下列三個(gè)參數(shù):(I)在零偏壓下的電流，即，短路電流Is。，以安培單位(2)開(kāi)路條件下的光電壓，即，開(kāi)路電壓\c,以伏特單位，以及(3)填充系統(tǒng)，--。
[0016]當(dāng)PV器件跨負(fù)載連接并且由光照射時(shí)，PV器件產(chǎn)生光生電流。當(dāng)在無(wú)限負(fù)載下被照射時(shí)，PV器件生成其最大可能的電壓，或vre。當(dāng)在其電氣接觸短路的情況下被照射時(shí)，PV器件生成其最大最可能的電流，Isk，或Isc。當(dāng)實(shí)際上被用來(lái)發(fā)電時(shí)，PV器件連接到有限的電阻性負(fù)載，并且功率輸出由電壓與電流的乘積IXV給出。由PV器件產(chǎn)生的最大總功率固有地不能超過(guò)乘積，Isexvre。當(dāng)負(fù)載值為了最大功率提取而被優(yōu)化時(shí)，電流和電壓分別具有值Imax和Vmax。
[0017]PV器件的品質(zhì)因數(shù)是填充系數(shù)，ff，其被限定為:
[0018]ff= (Ifflax VfflaJ/{Isc V0J (I)
[0019]其中，因?yàn)镮s。和V。。在實(shí)際使用中從來(lái)不被同時(shí)獲得，所以ff總是小于I。盡管如此，隨著ff接近1，器件具有較小的串聯(lián)電阻或內(nèi)電阻，并且因此在最佳條件下將Isc和Voc的乘積的更大百分比遞送到負(fù)載。在Pin。是入射在器件上的功率的情況下，器件的功率效率，Yp，可以由下式計(jì)算:
[0020]Y P=f f* (Isc*V0C)/Pinc
[0021]當(dāng)適當(dāng)?shù)哪芰康碾姶泡椛淙肷湓诶缬袡C(jī)分子晶體(OMC)材料或聚合物的半導(dǎo)體有機(jī)材料上時(shí)，光子能夠被吸收以產(chǎn)生激發(fā)的分子態(tài)。這被象征性地表示為SfhvWS#。這里，S0和Stl*分別指基態(tài)和激發(fā)分子態(tài)。該能量吸收與電子從可以是B-鍵合的、HOMO能級(jí)中的束縛態(tài)到可以是B*-鍵合的LUMO能級(jí)的提升(promotion)相關(guān)聯(lián),或相當(dāng)于,空穴從LUMO能級(jí)提升到HOMO能級(jí)。在有機(jī)薄膜光導(dǎo)體中，產(chǎn)生的分子態(tài)大體被認(rèn)為是激子，即，作為準(zhǔn)粒子被傳輸?shù)脑谑`態(tài)下的電子-空穴對(duì)。激子在成對(duì)再結(jié)合之前能夠具有可估計(jì)的壽命，成對(duì)再結(jié)合是指原生電子和空穴彼此再結(jié)合而不是與來(lái)自其它對(duì)的空穴或電子的再結(jié)合的過(guò)程。為了產(chǎn)生光電流，電子空穴對(duì)通常在兩個(gè)不同的接觸有機(jī)薄膜之間的施主-受主界面處變得分開(kāi)。如果電荷不分開(kāi)，則它們能夠在成對(duì)再結(jié)合過(guò)程，也稱為猝滅(quenching)中通過(guò)發(fā)射比入射光低的能量的光而輻射地再結(jié)合，或通過(guò)產(chǎn)生熱量而非輻射地再結(jié)合。這些結(jié)果中的任一種在光敏光電子器件中是不期望的。
[0022]在接觸處的電場(chǎng)或不均勻性可能導(dǎo)致激子猝滅而非在施主-受主界面處分裂，導(dǎo)致對(duì)電流無(wú)凈貢獻(xiàn)。因此，期望保持光生激子遠(yuǎn)離接觸。這具有限制激子擴(kuò)散到靠近結(jié)的區(qū)域的效果，使得相關(guān)聯(lián)的電場(chǎng)具有增加的機(jī)會(huì)以分開(kāi)由靠近結(jié)的激子的分裂而擺脫束縛的電荷載流子。
[0023]為了產(chǎn)生占據(jù)大體積的內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)，通常方法是將具有適當(dāng)選擇的導(dǎo)電性質(zhì)、尤其是相對(duì)于它們的分子量子能態(tài)的分布而言的兩層材料并置。這兩種材料的界面被稱為光伏異質(zhì)結(jié)。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體理論中，用于形成PV異質(zhì)結(jié)的材料已經(jīng)被表示為通常為η型或P型。這里，η型表示多數(shù)載流子類型是電子。這能夠被視為具有許多在相對(duì)自由能態(tài)下的電子的材料。P型表示多數(shù)載流子類型是空穴。這樣的材料具有許多在相對(duì)自由能態(tài)下的空穴。基底(background)的類型，即非光生的多數(shù)載流子濃度主要取決于由缺陷或雜質(zhì)的意外摻雜。雜質(zhì)的類型和濃度決定在被稱為H0M0-LUM0間隙的、在最高占據(jù)分子軌道(HOMO)能級(jí)與最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)能級(jí)之間的間隙內(nèi)的費(fèi)米能量或能級(jí)的值。費(fèi)米能量的特征在于由占據(jù)可能性等于1/2的能量值表示的分子量子能態(tài)的統(tǒng)計(jì)占據(jù)。接近LUMO能級(jí)的費(fèi)米能量指示電子是主要載流子。接近HOMO能級(jí)的費(fèi)米能量指示空穴是主要載流子。因此，費(fèi)米能量是傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要特征化性質(zhì)，并且原型PV異質(zhì)結(jié)在傳統(tǒng)上已經(jīng)是p-n界面。
[0024]術(shù)語(yǔ)“整流”特別表示界面具有不對(duì)稱傳導(dǎo)的特性，即界面支持優(yōu)選在一個(gè)方向上的電子電荷傳輸。整流通常與在適當(dāng)?shù)剡x擇的材料之間的異質(zhì)結(jié)處發(fā)生的內(nèi)建電場(chǎng)相關(guān)聯(lián)。
[0025]如本文中所使用的，并且如將由本領(lǐng)域的技術(shù)人員一般理解的，如果第一能級(jí)較接近真空能級(jí)，則第一“最高占據(jù)分子軌道”(HOMO)或“最低未占據(jù)分子軌道”(LUMO)能級(jí)“大于”或“高于”第二 Η0Μ0或LUMO能級(jí)。由于電離勢(shì)(IP)被測(cè)量為與真空度相關(guān)的負(fù)能量，所以較高Η0Μ0能級(jí)對(duì)應(yīng)于具有較小絕對(duì)值的IP (是較小負(fù)值的IP)。類似地，較高的LUMO能級(jí)對(duì)應(yīng)于具有較小絕對(duì)值的電子親合勢(shì)(EA)(是較小負(fù)值的EA)。在真空級(jí)在頂部處的常規(guī)能級(jí)圖上，材料的LUMO能級(jí)高于相同的材料的Η0Μ0能級(jí)。與“較低的”Η0Μ0或LUMO能級(jí)相比，“較高的” Η0Μ0或LUMO能級(jí)在更接近這樣的圖示頂部處出現(xiàn)。
[0026]在有機(jī)材料的背景下，術(shù)語(yǔ)“施主”和“受主”是指兩種接觸但不同的有機(jī)材料的Η0Μ0能級(jí)和LUMO能級(jí)的相對(duì)位置。這與這些術(shù)語(yǔ)在無(wú)機(jī)背景中的使用是相反的，在無(wú)機(jī)背景中“施主”和“受主”分別可以指可以被用來(lái)產(chǎn)生無(wú)機(jī)η型層和P型層的摻雜物的類型。在有機(jī)背景下，如果與另一種材料相接觸的一種材料的LUMO能級(jí)是較低的，則該一種材料是受主。反之，它是施主。在缺少外部偏壓時(shí)，讓在施主-受主結(jié)處的電子移入到受主材料中并且讓空穴移入到施主材料中在能量上是有利的。[0027]有機(jī)半導(dǎo)體中的顯著性質(zhì)是載流子遷移率。遷移率度量電荷載流子能夠響應(yīng)于電場(chǎng)而移動(dòng)通過(guò)導(dǎo)電材料的容易度。在有機(jī)光敏器件的背景下，包括由于高電子遷移率而優(yōu)選地通過(guò)電子導(dǎo)電的材料的層可以被稱為電子傳輸層或ETL。包括由于高空穴遷移率而優(yōu)選地通過(guò)空穴導(dǎo)電的材料的層可以被稱為空穴傳輸層或HTL。優(yōu)選地，但是不是必然地，受主材料是ETL，并且施主材料是HTL。
[0028]常規(guī)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體PV電池采用p-n結(jié)來(lái)建立內(nèi)場(chǎng)。諸如由Tang, Appl.PhysLett.48，183 (1986)報(bào)告的早期有機(jī)薄膜電池包含類似于在常規(guī)無(wú)機(jī)PV電池中采用的異質(zhì)結(jié)的異質(zhì)結(jié)。然而，現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到的是，除了建立P-n型結(jié)之外，異質(zhì)結(jié)的能級(jí)偏移也起到重要的作用。
[0029]由于在有機(jī)材料中的光生過(guò)程的基本屬性，所以在有機(jī)D-A異質(zhì)結(jié)處的能級(jí)偏移被認(rèn)為對(duì)有機(jī)PV器件的操作是重要的。在有機(jī)材料的光激發(fā)之后，生成局部化的弗侖克爾(Frenkel)激子或電荷轉(zhuǎn)移激子。為了出現(xiàn)電檢測(cè)或電流產(chǎn)生，結(jié)合激子必須被分裂成它們的構(gòu)成電子和空穴。這樣的過(guò)程能夠由內(nèi)建電場(chǎng)感應(yīng)，但是通常在有機(jī)器件中發(fā)現(xiàn)的在電場(chǎng)(F~106V/cm)處的效率是低的。有機(jī)材料中最有效的激子分裂在施主-受主(D-A)界面處發(fā)生。在這樣的界面處，具有低電離勢(shì)的施主材料與具有高電子親合性的受主材料形成異質(zhì)結(jié)。取決于施主材料和受主材料的能級(jí)的排列，激子的分裂在這樣的界面處能夠變得在能量上有利，導(dǎo)致受主材料中的自由電子極化和施主材料中的自由空穴極化。
[0030]當(dāng)與傳統(tǒng)的硅基器件相比時(shí)，有機(jī)PV電池具有許多潛在優(yōu)勢(shì)。有機(jī)PV電池是輕重量的，材料使用上經(jīng)濟(jì)，并且能夠被沉積在諸如軟塑料箔的低成本襯底上。然而，有機(jī)PV器件通常具有為大約1%或更小量級(jí)的相對(duì)低的量子產(chǎn)率(吸收的光子與產(chǎn)生的載流子對(duì)的比率，或電磁輻射與電轉(zhuǎn)換效率的比率)。這部分地被認(rèn)為是由于本征光電導(dǎo)過(guò)程的二階屬性。也就是，載流子生成需要激子生成、擴(kuò)散和電離或收集。存在與這些過(guò)程中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的效率。下標(biāo)可以被使用如下:p指功率效率，EXT指外量子效率，A指光子吸收，ED指擴(kuò)散，CC指收集，并且INT指內(nèi)量子效率。使用該符號(hào): [0031]Yp ~Y EXT= Y A* Y ED* Y cc
[0032]Y EXT- Y a* Y iNT
[0033]激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度(Ld)比光吸收長(zhǎng)度(~500 )通常更少(Ld~50 )，在使用具有多個(gè)或高度折疊的界面的厚的并且因此有電阻性的電池或具有低光吸收效率的薄電池之間需要權(quán)衡。
[0034]在通過(guò)同質(zhì)吸收介質(zhì)的電磁輻射的入射通量的強(qiáng)度上的下降大體由I=It^ax給定，其中，Itl是在初始位置(X-O)處的強(qiáng)度，α是吸收常數(shù)，并且X是離χ=0處的深度。因此，隨著，通過(guò)介質(zhì)的流量增加，強(qiáng)度指數(shù)地減小。因此，利用更大厚度的吸收性介質(zhì)或如果能夠增加吸收常數(shù)，則更多的光被吸收。一般地，給定的光電導(dǎo)介質(zhì)的吸收常數(shù)是不可調(diào)節(jié)的。對(duì)于某些光電導(dǎo)材料，例如，3，4, 9, 10-庇四羧基-雙-苯并咪唑(perylenetetracarboxyIic-bis-benzimidazole:PTCBI )、或銅酞菁(CuPc),由于高體電阻率,所以非常厚的層是不期望的。
[0035]通過(guò)適當(dāng)?shù)厥构馔ㄟ^(guò)光電導(dǎo)材料的給定的薄膜重新反射或再循環(huán)幾次，通過(guò)給定的光電導(dǎo)材料的光路徑能夠被大量增加，而不招致大量增加的體電阻。需要有效地允許電磁能量被收集并且被遞送到包含光電導(dǎo)材料的腔同時(shí)還限制到腔的遞送流量，使得它能夠被吸收的解決方案。
[0036]一直在尋找使得太陽(yáng)能可以與目前更便宜的化石燃料競(jìng)爭(zhēng)的用于光生電力的比較便宜且更加有效的器件。由于潛在成本節(jié)省，已經(jīng)尋求諸如CuPc和PTCBI的有機(jī)光導(dǎo)體作為用于有機(jī)光伏器件(OPV)的材料。以上提到的高體電阻率使得期望利用這些材料的相對(duì)薄的膜。然而，使用非常薄的有機(jī)光敏層呈現(xiàn)生產(chǎn)有效的器件的其它障礙。如上文所解釋的，非常薄的光敏層吸收一小部分入射輻射，因此保持低的外量子效率。
[0037]另一個(gè)問(wèn)題是，非常薄的膜更易經(jīng)受諸如電極材料的侵入弓I起的短路的缺陷。通過(guò)引用并入本文的美國(guó)專利N0.6，333，458描述了合并一個(gè)或多個(gè)激子阻擋層的光敏異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這解決了與非常薄的膜OPV有關(guān)的問(wèn)題中的一些。然而，需要其它解決方案來(lái)解決非常薄的膜的低光吸收的問(wèn)題，無(wú)論膜是有機(jī)光導(dǎo)體還是無(wú)機(jī)光導(dǎo)體。
[0038]對(duì)如被稱為溫斯頓收集器(Winston collector)的光學(xué)聚能器(opticalconcentrator)的使用在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域是常見(jiàn)的。這樣的聚能器已經(jīng)主要在期望高熱梯度的熱太陽(yáng)能收集器件中被使用。在較小的程度上，它們已經(jīng)與光伏太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器件一起使用。然而，認(rèn)為這樣的應(yīng)用已經(jīng)針對(duì)預(yù)期在光初始入射在有源光電導(dǎo)介質(zhì)上時(shí)出現(xiàn)光吸收的器件。如果使用非常薄的光電導(dǎo)體層，則很可能的是聚能的輻射中的許多將不會(huì)被吸收。其可以被反射回到器件環(huán)境中，由襯底吸收或如果襯底是透明的則僅經(jīng)過(guò)襯底。因此，單獨(dú)使用聚能器不能解決由薄的光電導(dǎo)層引起的低光吸收的問(wèn)題。用于輻射檢測(cè)的光學(xué)聚能器也已經(jīng)被用于利用光電倍增器(“PM”)管的契倫科夫(Cerenkov)或其它輻射的檢測(cè)。PM管以與諸如本發(fā)明的OPV的固態(tài)檢測(cè)器完全不同的原理，即光電效應(yīng)工作。在PM管中，在光吸收介質(zhì)，即金屬電極中的低光吸收不是一種擔(dān)憂，但是PM管要求不像本文公開(kāi)的OPV那樣的高操作電壓。
[0039]光聚焦和捕獲對(duì)于提高薄膜光伏太陽(yáng)能電池和光檢測(cè)器的性能而言是重要的途徑。然而，在這樣的方案中通常使用的反射鏡利用諸如銀或金的金屬，這由于反射鏡的光譜吸收會(huì)導(dǎo)致入射光子的顯著的消耗。因此，提供在具有跨大頻譜范圍的減小損耗的薄膜光伏太陽(yáng)能電池或光檢測(cè)器中增加光捕獲的結(jié)構(gòu)將是有利的。
[0040]圖1描繪示例性非成像聚能器的橫截面剖面。該橫截面適用于諸如截頂拋物面(truncated paraboloid)的錐形聚能器和槽形形狀聚能器(trough-shapedconcentrator)兩者。關(guān)于錐形形狀,器件收集進(jìn)入直徑dl在±8max (半接受角)內(nèi)的圓形入射開(kāi)口的輻射并且將輻射以可以忽略的損耗引導(dǎo)至直徑d2的較小的出射開(kāi)口，并且能夠接近所謂的熱力學(xué)極限。該限制對(duì)于給定的角視場(chǎng)而言是最大允許濃度。使圖1的橫截面在東西方向上與其y軸對(duì)齊的槽形形狀聚能器具有非常適合于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的接受視場(chǎng)并且在無(wú)需日間跟蹤的情況下實(shí)現(xiàn)中等濃度。在槽端部處的垂直反射壁能夠有效地彌補(bǔ)陰影和端部損耗。錐形聚能器提供比槽形形狀聚能器更高的濃度但是由于較小的接受角所以需要日間太陽(yáng)跟蹤。參見(jiàn) W.T.Welford 和 R.Winston 的 High Collection NonimagingOptics (高收集非成像光學(xué)器件),第172-175頁(yè)，Academic Press, 1989年,其通過(guò)引用并入本文。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0041]鑒于前述，公開(kāi)了一種光伏器件結(jié)構(gòu)，其捕獲被允許進(jìn)入的光并且使光通過(guò)所包含的光敏材料再循環(huán)以最大化光吸收?？梢允惯@些器件結(jié)構(gòu)適合于與光學(xué)聚能器組合使用。
[0042]還公開(kāi)了一種用于捕獲入射光并且將其轉(zhuǎn)換成電能的高效率光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其可選地包括光學(xué)聚能器以增加光的收集。根據(jù)本公開(kāi)能夠使用的光學(xué)聚能器的非限制性示例包括錐形拋物線光學(xué)聚能器以及槽形形狀的拋物線光學(xué)聚能器。
[0043]在一個(gè)實(shí)施例中，公開(kāi)了一種高效率光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中允許入射光大體垂直于光敏材料層的平面進(jìn)入。在另一個(gè)實(shí)施例中，公開(kāi)了一種高效率光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中允許入射光大體平行于光敏材料層的平面進(jìn)入。
[0044]除以上論述的主題之外，本公開(kāi)包括諸如在下文中所解釋的特征的多個(gè)其它示例性特征。應(yīng)理解的是，前述描述和下列描述兩者都僅是示例性的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1描繪利用(a)金屬反射鏡和(b)溫斯頓收集器的光捕獲。
[0046]圖2表示使用傳統(tǒng)金屬反射鏡的角度依賴性。
[0047]圖3表示使用與本發(fā)明的實(shí)施例一致的反射器的角度依賴性。
[0048]圖4示出使用與本發(fā)明的實(shí)施例一致的反射器的反射率對(duì)厚度。
[0049]圖5是與本發(fā)明的實(shí)施例一致的光敏光電子器件的架構(gòu)表征，包括(a) —個(gè)Spectralon反射器和一個(gè)金屬反射鏡；以及(b)兩個(gè)Spectralon反射器。
[0050]圖6示出使用如圖5所描繪的spectralon反射器在吸收上的提高，示出用于大面積捕獲的光收集器的陣列并且包括作為選項(xiàng)的溫斯頓收集器。
[0051]圖7示出用于大面積捕獲的光收集器的陣列，所述光收集器，包括作為選項(xiàng)的溫斯頓收集器。
[0052]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的微蜂窩反射片的圖形表征。
[0053]圖9 (a)示出圖8中的微蜂窩反射片的總反射率，而圖9 (b)示出圖8中的微蜂窩反射片的漫反射率。
【具體實(shí)施方式】
[0054]在圖1中，描繪了能夠?qū)?yīng)于兩種不同的器件結(jié)構(gòu)的橫截面圖。兩種結(jié)構(gòu)允許光被引入到包含光敏層的反射腔或波導(dǎo)管中，使得光最初在大體垂直于光敏層的平面的方向上入射。結(jié)果，該類型的結(jié)構(gòu)在本文中大體被稱為“垂直類型結(jié)構(gòu)”。
[0055]因此，從這些實(shí)施例的頂部入射的光進(jìn)入到一個(gè)或多個(gè)聚能器結(jié)構(gòu)(錐形)或(槽形形狀)。被允許進(jìn)入到各聚能器的光然后被反射到孔徑(aperture)或頂部反射層。為了與錐形聚能器一起使用，孔徑是大體圓形形狀的開(kāi)口，并且為了與槽形形狀聚能器一起使用，孔徑是大體矩形形狀的開(kāi)口。由于底表層是反射性的，頂表面可以是非反射性的和/或可選地涂覆有例如保護(hù)層以提高耐候性。例如鈍化的氧化物或聚合物涂層可以是適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)性涂層。在經(jīng)過(guò)孔徑之后，被允許進(jìn)入的輻射被捕獲在形成于頂層與底反射層之間的波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)中。兩層之間的空間由包括諸如下列美國(guó)專利N0.6，352，777 ；N0.6, 297, 495 ；N0.6，278，055 ；N0.6，198，092 ；N0.6，198，091 ；以及 N0.6，333，458 中所公開(kāi)的類型的薄膜光伏器件的一些層占據(jù)，所有這些美國(guó)專利以其整體通過(guò)弓I用并入本文。[0056]圖1提供了具有光學(xué)聚能器幾何結(jié)構(gòu)的薄膜PV電池的示例性實(shí)施例。在頂層下面的是例如玻璃或塑料的透明的絕緣層，光被允許通過(guò)該透明的絕緣層而通過(guò)聚焦孔徑進(jìn)入并且最初橫貫該透明的絕緣層。在其初始經(jīng)過(guò)之后，光然后橫貫例如簡(jiǎn)并摻雜的(degenerately doped)氧化銦錫(ΙΤ0)的透明電極，以及通過(guò)一個(gè)或多個(gè)有源層(activelayer)。這樣的有源層的非限制性示例包括一個(gè)或多個(gè)整流結(jié)或用于光能到電能的有效轉(zhuǎn)換的激子阻擋層。在該初始經(jīng)過(guò)中未被吸收的任何光被反射回而通過(guò)有源層、透明電極、以及透明絕緣層，從而被頂層反射，以再次重復(fù)循環(huán)直至光被完全吸收為止。
[0057]頂層和/或底層可以包括本領(lǐng)域已知的類型的金屬材料或電介質(zhì)堆疊。底層可以是還能夠用作下電極的諸如銀或鋁的金屬膜。替代地，下電極能夠在結(jié)合反射金屬膜的諸如簡(jiǎn)并摻雜的ITO的透明導(dǎo)電材料的整體或其一部分中，反射金屬膜繼而能夠可選地被沉積在諸如玻璃、金屬或塑料的襯底上。圖1描繪兩條典型的入射光線。本領(lǐng)域的那些普通技術(shù)人員將意識(shí)到，存在用于入射輻射的許多其它可能的軌跡，并且所描述的光線僅用于圖示。
[0058]捕獲被允許進(jìn)入的光直至它被吸收的過(guò)程提高光轉(zhuǎn)換的效率，并且該過(guò)程可以被稱為“光再循環(huán)”或“光子再循環(huán)”。被設(shè)計(jì)成將光捕獲在其內(nèi)的結(jié)構(gòu)可以大體被稱為“波導(dǎo)結(jié)構(gòu)”、或還有“光學(xué)腔”、或“反射腔”。在這樣的光學(xué)腔或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)的可能的光再循環(huán)在利用相對(duì)高電阻有機(jī)光敏材料中會(huì)是有利的，因?yàn)榭梢允褂酶〉墓饷魧佣粻奚D(zhuǎn)換效率。
[0059]圖2示出與諸如Ag反射鏡的金屬反射鏡相關(guān)聯(lián)的角度依賴性。
[0060]與圖2相反，圖3示出根據(jù)本發(fā)明利用Spectralon反射器基本無(wú)角度依賴性。
[0061]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)Spectralon反射器的厚度的反射率。
[0062]圖5是在利用I個(gè)反射器和I個(gè)金屬反射鏡(5a)與不存在金屬反射鏡的2個(gè)反射器(5b)相比在光捕獲和/或散射上的差異的表征。如所示出的，因?yàn)閹缀醪淮嬖趤?lái)自Spectralon反射器的鏡面反射,并且存在僅漫散射,所以光捕獲在包括2個(gè)Spectralon反射器的圖5b中所示的實(shí)施例中是更加有效的。
[0063]關(guān)于圖5所示的實(shí)施例,頂層包括透明絕緣層,諸如例如spectralon反射器。通過(guò)聚焦孔徑被允許進(jìn)入的光最初橫貫例如位于頂層下方的玻璃或塑料的透明絕緣層。光最初還橫貫例如簡(jiǎn)并摻雜的銦氧化錫(ITO)的透明電極，以及一個(gè)或多個(gè)有源層。
[0064]一個(gè)或多個(gè)有源層的非限制性示例包括一個(gè)或多個(gè)整流結(jié)或用于光能到電能的有效轉(zhuǎn)換的激子阻擋層。在該經(jīng)過(guò)中未被吸收的任何光被反射回而通過(guò)有源層、透明電極、以及透明絕緣層，從而被頂層反射，以再次重復(fù)循環(huán)直至光被完全吸收為止。頂層和/或底層可以包括樹(shù)脂金屬材料或熱塑性樹(shù)脂。底層可以是還能夠用作下電極的諸如銀或鋁或熱塑性樹(shù)脂的金屬膜。
[0065]替代地，下電極能夠在結(jié)合反射金屬膜的諸如簡(jiǎn)并摻雜的ITO的透明導(dǎo)電材料的整體或其一部分中，反射金屬膜繼而能夠可選地被沉積在諸如玻璃、金屬或塑料的襯底上。圖5描繪兩個(gè)光敏光電子器件包括具有金屬膜、或熱塑性樹(shù)脂或兩者的頂層和/或底層。
[0066]在一個(gè)實(shí)施例中，圖5中所描繪的、包括從熱塑性樹(shù)脂選擇的頂層和底層兩者的光敏光電子器件示出幾乎無(wú)光的鏡面反射而是僅漫散射。
[0067]在圖6中，提供了對(duì)使用如圖5中所描繪的spectralon反射器而提高吸收的描述。
[0068]圖7示出包括用于大面積捕獲的光收集器的陣列的實(shí)施例。該實(shí)施例能夠包括作為選項(xiàng)的溫斯頓收集器。
[0069]圖8是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中使用的微蜂窩反射片的SEM顯微照相。該材料包括表1所示的下列特性。
[0070]表1
[0071]
【權(quán)利要求】
1.一種光敏光電子器件，包括: -第一反射層，所述第一反射層包括熱塑性樹(shù)脂； -第二反射層，所述第二反射層大致平行于所述第一反射層； -第一透明電極層，所述第一透明電極層在所述第一和第二反射層中的至少一個(gè)上；以及 -光敏區(qū)域，所述光敏區(qū)域與所述第一電極相鄰， 其中，所述第一透明電極層大致平行于所述第一反射層并且與所述光敏區(qū)域相鄰，以及 其中，所述器件具有橫向于所述反射層的平面的外部面，其中，所述外部面具有允許入射輻射進(jìn) 入所述器件的內(nèi)部的孔徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)一步包括第二透明電極層，其中，所述第一透明電極層與所述第一反射層相鄰，并且所述第二透明電極層大致平行于所述第一反射層并且在與所述第一電極相反的空間中與所述光敏區(qū)域相鄰。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其中，所述第一透明電極層和所述第二透明電極層各自獨(dú)立地包括導(dǎo)電氧化物、導(dǎo)電碳納米管、導(dǎo)電聚合物、或其混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述第一反射層和第二反射層的厚度獨(dú)立地在從Imm到IOmm的范圍變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的器件，其中，所述第一反射層和第二反射層的厚度獨(dú)立地在從4mm到6mm的范圍變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述第一反射層的熱塑性樹(shù)脂包括氟聚合物樹(shù)脂。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中，所述氟聚合物樹(shù)脂包括聚四氟乙烯。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述孔徑具有大致圓形形狀、多邊形形狀、或矩形形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述第一和第二反射層是大致平面的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述第二反射層包括金屬或熱塑性樹(shù)脂。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，其中，所述第二反射層的熱塑性樹(shù)脂包括氟聚合物樹(shù)脂。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的器件，其中，所述氟聚合物樹(shù)脂包括聚四氟乙烯。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，進(jìn)一步包括具有入射開(kāi)口和出射開(kāi)口的光學(xué)聚能器，其中，所述出射開(kāi)口附接到所述孔徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其中，所述光學(xué)聚能器在所述入射開(kāi)口與所述出射開(kāi)口之間具有大致拋物面地傾斜的側(cè)面。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其中，所述光學(xué)聚能器在所述入射開(kāi)口與所述出射開(kāi)口之間具有大致錐形形狀。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其中，所述光學(xué)聚能器具有截頂拋物面形狀或槽形形狀。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其中，所述光學(xué)聚能器具有總體地接近錐形形狀的、包括多個(gè)平面區(qū)域的內(nèi)表面。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的器件，其中，所述光學(xué)聚能器具有總體地接近槽形形狀的、包括多個(gè)平面區(qū)域的內(nèi)表面。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述光敏區(qū)域包括有機(jī)材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的器件，進(jìn)一步包括被設(shè)置成與所述第一電極層相鄰的激子阻擋層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的器件，進(jìn)一步包括激子阻擋層和第二電極層，其中，所述激子阻擋層被設(shè)置成與所述第一電極層和所述電二電極層以及第一反射層相鄰。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的器件，其中，所述光敏區(qū)域包括與電子傳輸層相鄰的空穴傳輸層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的器件，其中，所述空穴傳輸層包括CuPc，并且所述電子傳輸層包括PTCBI或C60。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的器件，進(jìn)一步包括被設(shè)置在所述第一電極層和所述第二電極以及所述第一反射層中的一個(gè)與所述電子傳輸層之間的激子阻擋層，其中，所述第二電極和所述第一反射層是陰極。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的器件，其中，所述激子阻擋層包括2，9-二甲基-4，7-聯(lián)苯-1，10-鄰二氮雜菲、浴銅靈、或乙酰丙酮釕(III)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述光敏區(qū)域是堆疊有機(jī)光敏光電子器件。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述光敏區(qū)域包括無(wú)機(jī)光敏材料。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述光敏區(qū)域是硅基光伏結(jié)構(gòu)。
29.—種對(duì)齊的光收集器的陣列，包括彼此相鄰的對(duì)齊的兩個(gè)或更多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件。
30.一種光敏光電子器件，包括: -第一反射層，所述第一反射層包括熱塑性樹(shù)脂； -透明第一電極層，所述透明第一電極層任選地包括導(dǎo)電氧化物或?qū)щ娋酆衔?，所述第一電極層與所述第一反射層相鄰； -光敏區(qū)域，所述光敏區(qū)域與所述第一電極相鄰； -第二透明電極，所述第二透明電極任選地包括導(dǎo)電氧化物或?qū)щ娋酆衔?，所述第二透明電極大致平行于所述第一反射層并且與所述第一電極空間相反地與所述光敏區(qū)域相鄰；以及 -第二反射層，所述第二反射層包括熱塑性樹(shù)脂，大致平行于所述第一反射層并且與所述第一電極和光敏區(qū)域空間相反地與所述第二電極相鄰， 其中，所述器件具有橫向于所述反射層的平面的外部面，其中，所述外部面具有允許入射輻射進(jìn)入所述器件的內(nèi)部的孔徑。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其中，所述第一或第二反射層中的至少一個(gè)的熱塑性樹(shù)脂包括氟聚合物樹(shù)脂。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的器件，其中，所述氟聚合物樹(shù)脂包括聚四氟乙烯。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其中，所述第一或第二反射層中的至少一個(gè)的熱塑性樹(shù)脂還包括涂覆于其上或摻雜于其中的硫酸鋇。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件，其中，所述導(dǎo)電氧化物選自氧化銦錫(ITO)、氧化錫(TO)、氧化鎵銦錫(GITO)、氧化鋅(Z0)、和氧化鋅銦錫(ZITO)，并且所述透明導(dǎo)電聚合物包括聚苯胺(PANI)。
35.一種對(duì)齊的光收集器的陣列，包括彼此相鄰的對(duì)齊的兩個(gè)或更多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求30所述的器件。
【文檔編號(hào)】G02B5/02GK103650193SQ201180070288
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月18日
【發(fā)明者】史蒂芬·R·福里斯特, 理查德·R·倫特, 邁克爾·斯洛特斯基 申請(qǐng)人:密歇根大學(xué)董事會(huì), 斯蒂芬·R·福里斯特