專利名稱：有源太陽能電池和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池的領(lǐng)域。具體來講，本發(fā)明涉及用于提高太陽能電池的效
率的器件和方法以及其太陽能電池。
背景技術(shù)：
太陽能電池的效率目前還很低，因此太陽能與低能源價(jià)格的礦物燃料相比還不具 有競(jìng)爭(zhēng)力。由此，已經(jīng)提出了很多技術(shù)使太陽能電池更有效率，從而提高太陽能在全球市場(chǎng) 中的競(jìng)爭(zhēng)力。 EP 1724841A1描述了多層的太陽能電池，其中，集成并且一體地層壓多個(gè)太陽能 電池模塊，使得不同的敏感波長(zhǎng)波段是這樣的敏感波長(zhǎng)波段的中心波長(zhǎng)越短，模塊越靠近 日光的入射側(cè)設(shè)置。該文獻(xiàn)在這里被引用作為參考。 眾所周知，為了光子被吸收到帶隙中，并由此生成光電流，光子的能量必須大于或 等于帶隙?，F(xiàn)有技術(shù)中包括EP 1724841A1的現(xiàn)有技術(shù)解決方案具有明顯的缺點(diǎn)它們不能 提供有效率地收集光子的帶隙。光子布居中的大部分都僅僅作為熱浪費(fèi)掉了。

發(fā)明內(nèi)容
在研究中的本發(fā)明涉及用于有效率地從太陽光收集光子以形成光電流的系統(tǒng)和 方法。本發(fā)明的進(jìn)一步目的在于給出可以設(shè)計(jì)越來越有效率的太陽能電池的生產(chǎn)方法。
在本申請(qǐng)中，半導(dǎo)體層被理解為能夠進(jìn)行光電效應(yīng)的任意材料或者包含能夠進(jìn)行 光電效應(yīng)的任意材料。 本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種太陽能電池，該太陽能電池包括具有自然帶隙NB1的 半導(dǎo)體層。該半導(dǎo)體層還具有至少一個(gè)電極，所述至少一個(gè)電極被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生所述層中的 環(huán)境(ambient)電壓V1。因此，進(jìn)入光子經(jīng)歷修改的NB1-V1 = Bl帶隙，在這里將其稱為表 觀帶隙。具有E〉B1的光子將被吸收到帶隙B1中，并且半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子將被激發(fā)到 導(dǎo)帶上，由此導(dǎo)致光電流。根據(jù)本發(fā)明，調(diào)整表觀帶隙B 1的能力提供了優(yōu)化進(jìn)入光子的收 集的巨大力量。 沒有被吸收的光子布居由具有E < Bl的光子組成，該光子具有太小的能量以至于 不被吸收。另外，在電子到光電流的激發(fā)過程中，具有E〉B1的被吸收的光子將僅給出等 于表觀帶隙B1的能量。剩余能量E-B1將被發(fā)射作為能量E2 = E-B1的次級(jí)光子或者其中 能量E2 = E-B1的根據(jù)能量和動(dòng)量守恒定律和量子力學(xué)分布的多光子。具有E < Bl和E2 =E-B1的這兩組光子屬于次級(jí)光子布居。 另外，具有E > Bl的一些光子將沒有被吸收，這是因?yàn)樗鼈冎皇遣荒軌蛘业絻r(jià)電 子并與之相互作用。然而，這一小部分將不受帶隙影響。剩下的E〉B1的數(shù)目是與價(jià)電子 Nl和該電子的散射剖面有關(guān)的離子/原子/分子種類的濃度的函數(shù)。此外，材料的晶格堆 積密度、溫度等會(huì)具有一些影響。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，半導(dǎo)體層中剩余的E > Bl的這 一小部分被最小化。具有E > Bl的該組未被吸收的光子被進(jìn)一步添加到次級(jí)光子布居。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，次級(jí)光子布居和一些剩余的E〉B1光子將穿過第一半導(dǎo) 體層，并且進(jìn)入具有自然帶隙NB2的第二半導(dǎo)體層。該半導(dǎo)體層還可以具有至少一個(gè)電極， 所述至少一個(gè)電極被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生該層中的環(huán)境電壓V2，由此產(chǎn)生表觀帶隙B2二NB2-V2。環(huán) 境電壓可以用于提高或降低價(jià)帶中電子的能態(tài)。根據(jù)本發(fā)明，表觀帶隙B2被優(yōu)化成產(chǎn)生盡 可能多的光電流，并且產(chǎn)生盡可能理想的第二次級(jí)光子布居。 在本發(fā)明的另外實(shí)施例中，使用具有不同帶隙的多個(gè)半導(dǎo)體層。這些層中的一些 可以在其中具有環(huán)境電壓。該環(huán)境電壓可以由附接到至少一個(gè)電極的電壓發(fā)生器產(chǎn)生。在 一些實(shí)施例中，所收集的光電流中的一些可以被反饋以提供環(huán)境電壓V1、 V2。在一些實(shí)施 例中，具有或沒有環(huán)境電壓的半導(dǎo)體層在它們之間可以具有電絕緣膜或者對(duì)于光子通常是 透明的材料。 參照之前所說明的，多個(gè)有源(具有環(huán)境電壓)和無源(沒有環(huán)境電壓)的半導(dǎo)
體層可以放置在彼此之上，從而每層收集某一部分的太陽光譜或者次級(jí)光子布居光譜。因
為使用環(huán)境電壓允許在調(diào)整到太陽光譜或次級(jí)光子布居光譜的想要的部分的過程中的一
些自由度，所以通過收集最大數(shù)目的光電流并且產(chǎn)生最小數(shù)目的具有E >最小帶隙的次級(jí)
光子，能夠仔細(xì)收集整個(gè)太陽光譜光子。具有E >最小帶隙的次級(jí)光子通常作為熱被擴(kuò)散，
這是因?yàn)橛捎跊]有光子能夠達(dá)到帶隙，因此光伏系統(tǒng)不能吸收這些光子。 本發(fā)明的又一方面涉及根據(jù)本發(fā)明的基于之前的原理的太陽能電池系統(tǒng)的制造。
首先，根據(jù)本發(fā)明測(cè)量太陽光譜或已知太陽光譜。然后，太陽光入射到具有帶隙NB1的第
一半導(dǎo)體層，并且可以用環(huán)境電壓將第一半導(dǎo)體層調(diào)整為表觀帶隙B1。也可以調(diào)整其它因
素，諸如摻雜濃度、施主濃度、受主濃度、晶格常數(shù)等。通常，第一半導(dǎo)體層對(duì)于次級(jí)光子中
的所有或一些是透明的。然后，用第二分光計(jì)記錄通過第一半導(dǎo)體層出現(xiàn)的獲得的太陽光，
即次級(jí)光子布居。第一分光計(jì)和第二分光計(jì)之間的光譜差造成第一半導(dǎo)體層對(duì)太陽光譜的
影響。這個(gè)差還可以與從第一半導(dǎo)體層獲得的光電流相比較，從而推出第一半導(dǎo)體層的效率。 通過調(diào)節(jié)第一半導(dǎo)體層的參數(shù)，根據(jù)本發(fā)明，可以探索不同的差和次級(jí)光譜和效 率。在一些實(shí)施例中，最大的整體效率是通過以下步驟得到的將光電流收集最大化，并且 將次級(jí)光子布居光譜與位于第一半導(dǎo)體層之后的第二半導(dǎo)體層的帶隙B2和其它參數(shù)的配 合最大化。清楚的是，可以以此方式設(shè)計(jì)多個(gè)層，優(yōu)選地，總是使該層的光電流收集以及次 級(jí)光子布居光譜與每個(gè)后面的層的響應(yīng)的配合最優(yōu)。 半導(dǎo)體層的響應(yīng)，我們的意思是半導(dǎo)體響應(yīng)于進(jìn)入光子光譜的方式，g卩，多少光子 在特定能量轉(zhuǎn)換成光電流、多少光子在特定能量穿過而不相互作用、多少具有E > Bl的光 子在特定能量穿過、多少具有E < Bl的光子在特定能量穿過、特定能量的次級(jí)光子光譜的 形狀如何等。這些變量中的全部或一些還限定了半導(dǎo)體層的熱輻射響應(yīng)，即多少光子在所 有能量轉(zhuǎn)換成光電流、多少光子在所有能量穿過而沒有相互作用、多少具有E > Bl的光子 在所有能量穿過、多少具有E < Bl的光子在所有能量穿過、在所有能量的次級(jí)光子光譜的 形狀如何等等。 本發(fā)明的目的在于制造多層中的半導(dǎo)體層"夾層"，每個(gè)具有下述響應(yīng)，即使收集 到的光電流最大化并且產(chǎn)生次級(jí)光子布居光譜，該次級(jí)光子布居光譜具有與后面的半導(dǎo)體 層的響應(yīng)的最大的配合。能夠通過材料特性調(diào)整收集到的光電流和次級(jí)光子布居光譜，并且在材料特性之外通過利用環(huán)境電壓將自然帶隙調(diào)整成表觀帶隙，其優(yōu)化收集到的光電流 和次級(jí)光子布居光譜。當(dāng)對(duì)若干半導(dǎo)體層完成優(yōu)化時(shí)，每個(gè)層被指定到太陽光譜中的不同 的小的帶，能夠在整個(gè)太陽光譜中收集最大數(shù)量的光子，這可以通過光電效應(yīng)來控制，從而 提高太陽能電池系統(tǒng)的效率。 根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池包括具有自然帶隙NB的至少一個(gè)第一半導(dǎo)體層，所述
半導(dǎo)體層被布置為將進(jìn)入光子轉(zhuǎn)換成電流，其特征在于，-至少一個(gè)半導(dǎo)體層設(shè)置有至少一個(gè)電極，-所述至少一個(gè)電極被布置為提供所述半導(dǎo)體層中的環(huán)境電壓V，-所述環(huán)境電壓V被布置為通過B = NB-V將所述自然帶隙NB調(diào)整成表觀帶隙B，-具有表觀帶隙B的所述半導(dǎo)體層被布置為將來自入射光子的第一光子布居轉(zhuǎn)換
成光電流，并且留下次級(jí)光子布居。 根據(jù)本發(fā)明的操作太陽能電池的方法包括下面的步驟-原始太陽光譜入射到具有帶隙NB1的第一半導(dǎo)體層，-通過調(diào)整所述第一半導(dǎo)體層中的環(huán)境電壓Vl，將NBl調(diào)節(jié)成帶隙B 1，-具有能量E < Bl的光子穿過所述第一半導(dǎo)體層，-具有能量E > Bl的光子被吸收并且轉(zhuǎn)換成光電流，從被吸收的光子中保留剩有 E-Bl的次級(jí)光子，-具有E < Bl的光子和具有E = E-Bl的次級(jí)光子入射到具有帶隙NB2的第二半 導(dǎo)體層上。 根據(jù)本發(fā)明的用于制造太陽能電池的方法包括下面的步驟
-用分光計(jì)1記錄太陽光譜，-日光入射到具有自然帶隙NB1的第一半導(dǎo)體層上，
-通過調(diào)整環(huán)境電壓VI和其它變量講NB1調(diào)節(jié)到帶隙Bl，
-用分光計(jì)2來記錄獲得的未被吸收的日光的光譜，
_獲得的日光入射到具有自然帶隙旭2的第二半導(dǎo)體層上，
-通過調(diào)整環(huán)境電壓V2和其它變量來調(diào)節(jié)NB2。
根據(jù)本發(fā)明的具有至少兩個(gè)半導(dǎo)體層的太陽能電池的特征在于，
-最靠近入射太陽照射的所述第一層是InGaP和/或GaN層，
-所述第二層是多晶硅層和/或InSb層。 另外并且參照上述實(shí)施例獲得的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的最佳模式被認(rèn)為是多層太陽能電 池，其中一些層具有調(diào)整自然帶隙的環(huán)境電壓并且一些層處于其自然帶隙，并且其中，通過 優(yōu)化每個(gè)半導(dǎo)體層相對(duì)于輸入光譜和次級(jí)光子布居光譜的響應(yīng)以及下面的層對(duì)于該次級(jí) 光子布居光譜的響應(yīng)，將多層太陽能電池的整體光電流收集最大化。


在下面，根據(jù)附圖參照示例性實(shí)施例來更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中 圖1以框圖的方式示出了本發(fā)明的太陽能電池布置的實(shí)施例10。 圖2以框圖的方式示出了具有可供選擇的環(huán)境電壓電極布置的本發(fā)明的太陽能
電池的實(shí)施例20。
圖3以框圖的方式示出了參照太陽光譜具有可供選擇的環(huán)境電壓電極布置的本 發(fā)明的多層太陽能電池的實(shí)施例30。 圖3B以剖視框圖的方式示出了本發(fā)明的多層太陽能電池的實(shí)施例31。 圖4以框圖的方式示出了具有可供選擇的參照太陽光譜的本發(fā)明的多層太陽能
電池的實(shí)施例40。 圖5以框圖的方式示出了具有太陽能光譜中若干專用波段的本發(fā)明的多層太陽 能電池的實(shí)施例50。 圖6以流程圖的方式示出了本發(fā)明的多層太陽能電池的操作的實(shí)施例60。
圖7以流程圖的方式示出了本發(fā)明的多層太陽能電池的制造工藝的實(shí)施例70。
圖8以框圖的方式示出了制造本發(fā)明的多層太陽能電池的制造布置的實(shí)施例80。
圖9詳細(xì)地示出了本發(fā)明的p-n結(jié)的實(shí)施例。
在從屬權(quán)利要求中描述了實(shí)施例中的一些。
具體實(shí)施例方式
圖1公開了根據(jù)本發(fā)明的具有兩層的太陽能電池。入射日光側(cè)上的第一層11具 有自然帶隙NB1和具有該帶隙的原子/離子/分子種類的濃度Nl。根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體層 ll或者在該申請(qǐng)中提及的任何后面的層(12U3、14、15、16、17、層1、層2)的特征可以是能 夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的任何元素或合金組合或者能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的任何材料。例如，根據(jù)本 發(fā)明，半導(dǎo)體層ll或者在該專利申請(qǐng)中提及的任何后面的層(12、13、14、15、16、17、層1、層 2)可以包含Si (硅)、多晶硅、薄膜硅、非晶硅、Ge (鍺)、GaAs (砷化鎵)、GaAlAs (鎵鋁砷)、 GaAlAs/GaAs、 GaP (磷化鎵)、InGaAs (銦鎵砷)、InP (磷化銦)、InGaAs/InP、 GaAsP (鎵砷 磷)、GaAsP/GaP、 CdS (硫化鎘)、CIS (銅銦二硒化物)、CdTe (碲化鎘)、InGaP (銦鎵磷)、 AlGalnP (鋁鎵銦磷)、InSb (銻化銦)、CIGS (銅銦/鎵二硒化物)和/或InGaN(氮化銦 鎵)。同樣，半導(dǎo)體層ll或者在該專利申請(qǐng)中提及的任何后面的層(12、13、14、15、16、17、 層1、層2)的特征可以是能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的任何元素或合金組合或者以下公開文獻(xiàn)中描 述的能夠產(chǎn)生光電效應(yīng)的任何材料Josuke Nakata的EP 1724841Al， "multiplayerSolar Cell，，， US 6320117， James P. Campbell等人，"Transparent solarcell and method of fabrication", Solar Electricity, Thomas Markvart，第二版，ISBN 0-471-98852-9禾口 "An unexpected discovery could yield a fullspectrum solar cell，，， Paul Presuss， Research News,Lawrence B erkeleyNational Laboratory，這些公開全部者卩以弓l用的方式 并入該申請(qǐng)中。 半導(dǎo)體層11或者在該專利申請(qǐng)中提及的任何之后的層(12U3、14、15、16、17、層 1、層2)通常是通過下列方法制造和/或生長(zhǎng)的光刻、分子束外延生長(zhǎng)(MBE)、金屬有機(jī)物 氣相外延生長(zhǎng)(M0VPE)、 Czochrlski(CZ，直拉)硅晶體生長(zhǎng)法、邊緣限定膜供料生長(zhǎng)(EFG) 法、浮區(qū)硅晶體生長(zhǎng)法、錠生長(zhǎng)法和/或液相外延生長(zhǎng)(LPE)。根據(jù)本發(fā)明，可以應(yīng)用下 列參考文獻(xiàn)中描述的任意構(gòu)造方法來制造太陽能電池Josuke Nakata的EP 1724841A1 ; multiplayer Solar Cell，，， US 6320117， James P. Campbell等人；"Transparent solar cell and method offabrication，，， Solar Electricity, Thomas Markvart所著，第二片反， ISBN0_471_98852_9禾口 "An unexpected discovery could yield a full spectrumsolarcell，，，Paul Presuss， Research News, Lawrence Berkeley NationalLaboratory。 根據(jù)本 發(fā)明，還可以應(yīng)用任何其它構(gòu)造方法來制造太陽能電池。 半導(dǎo)體層11還包括電極100和101，電極100和101提供半導(dǎo)體層內(nèi)的環(huán)境電壓 Vl，由此在原子/離子/分子種類的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間產(chǎn)生明顯的帶隙Bl =NB1_V1。電極 100和101通常連接到電壓發(fā)生器200，電壓發(fā)生器200產(chǎn)生第一層11中的環(huán)境電壓VI。
根據(jù)本發(fā)明，電極和電接觸件通常通過以下方法制造和/或生長(zhǎng)到半導(dǎo)體層11 中:如Solar Electricity, Thomas Markvart，第二版，ISBN0-471-98852-9所說明的絲網(wǎng) 印刷法或者任何其它方法。 在一些實(shí)施例中，太陽能電池在半導(dǎo)體11的頂部還具有抗反射涂層，其中，該抗 反射涂層的實(shí)例可以是二氧化鈦(Ti02)和/或氮化硅Si3^或者所述參考文獻(xiàn)中提及的任 何其它材料和/或根據(jù)本發(fā)明的任何材料。 環(huán)境電壓可以由電極來產(chǎn)生，所述電極在與如這里所示的入射日光的線路相對(duì)的 方向上彼此面對(duì)，或者事實(shí)上在任意方向上彼此面對(duì)。重要的是，它們提供了環(huán)境電壓，優(yōu) 選地，環(huán)境電壓應(yīng)在整個(gè)第一半導(dǎo)體層11上是非常相同的。E > Bl的入射光中一些光子將 被吸收并且轉(zhuǎn)換成光電流，而E > Bl的一些光子會(huì)不能與價(jià)帶中的電子相互作用，并且E <B1的光子還將穿過。未被吸收的光子，即次級(jí)光子布居，或者其中的一些將穿過電氣絕 緣層并且進(jìn)入第二半導(dǎo)體層12。絕緣層通常對(duì)于次級(jí)光子布居來說是透明的材料，并且由 (例如)塑料膜、橡膠或任意其它材料制成。 在一些實(shí)施例中，沒有絕緣層。絕緣層的目的在于使兩個(gè)半導(dǎo)體層11和12電氣 絕緣，從而在每個(gè)層11和12中可以精確控制由電極100、 101和110、111提供的環(huán)境電壓 VI和V2，而使它們彼此之間沒有干擾。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，如果不需要防止干擾，例 如在VI = V2或VI = V2 = 0或者環(huán)境電壓被允許在太陽能電池系統(tǒng)10中自由分布的情 況下，不需要在兩個(gè)層11和12之間存在電氣絕緣層。在一些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo) 體層11、12安裝在基底上，所述基底可以是任意材料，例如半導(dǎo)體材料、玻璃、塑料、橡膠、 塑料膜等。 太陽能電池系統(tǒng)10可以被實(shí)現(xiàn)為剛性太陽能面板，或者它可以實(shí)現(xiàn)為柔性薄膜 太陽能電池，其容易在各種表面上成形。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，電極100、101、110和 111可以被布置為還從半導(dǎo)體層11和12收集光電流，或者其它專用電極可以被布置為進(jìn)行 光電流的收集。 在一些實(shí)施例中，電壓發(fā)生器200被所收集的光電流衍生而來的能量供電。因此， 進(jìn)一步在本發(fā)明的該實(shí)施例中，太陽能電池系統(tǒng)10能夠?qū)⑵涫占降囊徊糠痔柲芊答仯?以提高效率來產(chǎn)生更多的太陽能。 根據(jù)本發(fā)明，更顯而易見的是如下的實(shí)施例半導(dǎo)體層11和12中的任一個(gè)或兩者 都不具有環(huán)境電壓或相關(guān)電極。例如，在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體層ll可以處于其自然帶隙， 但是B2的表觀帶隙通過V2從NB2調(diào)整，從而與沒有調(diào)整即處于自然帶隙NB2的情況相比 更好地收集進(jìn)入半導(dǎo)體層12的次級(jí)光子布居。 圖2公開了一種可供選擇的太陽能電池系統(tǒng)20，該系統(tǒng)20具有不同的電極布置以 及三個(gè)半導(dǎo)體層H、12和13。在該實(shí)施例中，電極100、101、110、111、120和121與入射的 日光布置成線。非常清楚的是，根據(jù)本發(fā)明，在提供環(huán)境電壓的任何構(gòu)造中，(l個(gè)至n二非常大的數(shù)字個(gè))電極的任何分布都是可能的。根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體層11、12和13以及電極 100、 101 、 110、 111 、 120和121絕緣層和基底可以被設(shè)計(jì)和/或優(yōu)化為處理以任意角度入射 的線平行太陽照射或日光，和/或散射和/或偏振的太陽照射，或者任何一種任意的光。
圖3示出了包括三個(gè)半導(dǎo)體層11、12、13的太陽能電池的實(shí)施例，這三個(gè)半導(dǎo)體 層的次序?yàn)閹对酱笤娇拷肷涮柟庾V。半導(dǎo)體層11被調(diào)整到UV帶，接近200nm至 400nm的波長(zhǎng)。因此，將具有約6. 2eV(電子伏特)至3. leV的自然帶隙NB1。該自然帶隙 NB1還可以被調(diào)整成表觀帶隙B1，如果它更好地適應(yīng)太陽光譜的高能端的話。出于根據(jù)本 發(fā)明表達(dá)的目的，假設(shè)層ll具有4.65eV的自然帶隙。決定不需要環(huán)境電壓V1 =0。因此 可以從對(duì)應(yīng)于約260nm左邊的一部分光譜的光譜200吸收E > 4. 65eV的光子。因此，例 如，將使用約200nm的4. 65eV的6. 2eV的光子，來將電子從半導(dǎo)體層11中的價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo) 帶。導(dǎo)帶中的電子因此相當(dāng)于光電流，即可以從系統(tǒng)提取出用于給任何應(yīng)用供電的太陽電 能。為了能量守恒，在這個(gè)過程中將釋放1.55eV的光子。在一些情形下，根據(jù)本發(fā)明以及 量子力學(xué)的能量和動(dòng)量守恒定律，可以發(fā)射多于一個(gè)的次級(jí)光子，例如均具有例如0. 775eV 的兩個(gè)光子。出于進(jìn)一步示出的目的，假設(shè)次級(jí)光子布居留有一個(gè)1.55eV的光子。該光子 被布置成穿過第一半導(dǎo)體層11和第二半導(dǎo)體層12之間的絕緣層。該光子以約790nm的波 長(zhǎng)進(jìn)入第二半導(dǎo)體層。出于示出本發(fā)明的目的，假設(shè)NB2 = 1.68eV。設(shè)置在半導(dǎo)體層端部 的電極110和111提供-0. 13eV的環(huán)境電壓V2。環(huán)境電壓優(yōu)選為低，并且假設(shè)它沒有消耗 太多能量。第二半導(dǎo)體層中的表觀帶隙B2精確地達(dá)到1. 55eV。結(jié)果是，1. 55eV的次級(jí)光子 被吸收，電子被從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，并且更多的太陽能被以光電流的形式提供。此次吸收將 沒有留下任何次級(jí)光子。接下來將會(huì)發(fā)生什么？沒有由環(huán)境電壓V2提供的調(diào)整？ 1.55eV 的光子將會(huì)穿過第二半導(dǎo)體層、絕緣層(如果有的話)將達(dá)到第三半導(dǎo)體層13?？梢允褂?將表觀帶隙，即進(jìn)入的光子經(jīng)歷的帶隙向上調(diào)整的方式來較早地捕獲較高E光子的更多能 量?？梢允褂脤⒈碛^帶隙向下調(diào)整的方式來捕獲較低E光子，自然(太高)帶隙將不能捕 獲這些較低E光子。 假設(shè)自然帶隙NB3 = 0. 935eV，大致等于1300nm的波長(zhǎng)。出于示出本發(fā)明的目的， 還假設(shè)環(huán)境電壓V3 = 0. 16eV，這相當(dāng)于表觀帶隙B3 = 0. 775eV。這不利于沒有被第二半 導(dǎo)體層吸收的1.55eV光子。它可以被吸收，但是它將留下一個(gè)O. 775eV光子尋求第三半導(dǎo) 體層中的另外的吸收，這可能不會(huì)有并且不太可能發(fā)生，或者它留下兩個(gè)O. 388eV光子，這 兩個(gè)0. 38BeV光子不能被吸收并且將作為熱被散發(fā)。 對(duì)于可以在第一半導(dǎo)體層11留下的兩個(gè)次級(jí)0. 775eV光子是有利的。它們穿過 第二半導(dǎo)體層12，只需經(jīng)受第三半導(dǎo)體層的一個(gè)吸收過程，并且它們以100%的效率將其 能量轉(zhuǎn)換成光電流和太陽能。為了進(jìn)行說明，相比較而言，光子更有可能被一次吸收，而不 是被一次吸收后次級(jí)光子也被吸收。 如以上清楚說明的，根據(jù)本發(fā)明，可以通過環(huán)境電壓調(diào)整半導(dǎo)體層，從而通過優(yōu)化 每級(jí)的光電流和最理想的次級(jí)光子布居，將整體的光電流最大化。 圖3B公開了太陽能電池在半導(dǎo)體層11、12、13的頂部還具有抗反射涂層，其中，抗 反射涂層的實(shí)例可以是二氧化鈦(Ti02)和/或氮化硅Si3^或者所述參考文獻(xiàn)中提及的任 何其它材料和/或根據(jù)本發(fā)明的任何材料。 下一層包括傳輸收集到的光電流所需要的電接觸件50或者導(dǎo)電層50。提供環(huán)境電壓100、101、110、111、120、121的電極和電接觸件50通常通過以下方法制造和 /或生長(zhǎng)到半導(dǎo)體層11、12、13中如SolarElectricity， Thomas Markvart，第二版， ISBNO-471-98852-9所說明的絲網(wǎng)印刷法或者根據(jù)本發(fā)明的任何其它方法?？晒┻x擇的，在 一些實(shí)施例中，它們可以實(shí)現(xiàn)為半導(dǎo)體層11、12、13頂部上單獨(dú)的層。在該實(shí)施例中，根據(jù) 本發(fā)明，導(dǎo)電層通常是透明的。優(yōu)選地，在與半導(dǎo)體層11、12和/或13匹配時(shí)，電接觸件和 /或電極占用最小的面積。在該實(shí)施例中，半導(dǎo)體層ll通常是大致帶隙為1.93eV的InGaP 層。可供選擇的，在一些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體層可以由GaN層來實(shí)現(xiàn)，該GaN層優(yōu) 選地具有3. 4eV的帶隙。 下一個(gè)半導(dǎo)體層12通常是帶隙為1. leV的多晶硅，并且第三半導(dǎo)體層通常是帶隙 為0. 17eV的InSb。這三層11、 12、 13通過它們的自然帶隙提供了 0. 17-3. 4eV的令人印象 深刻的動(dòng)態(tài)范圍，通過向?qū)?1、12和/或13提供至少一個(gè)環(huán)境電壓V1、V2和/或V3，還可 以進(jìn)一步增強(qiáng)該動(dòng)態(tài)范圍。根據(jù)本發(fā)明，如圖3和其它附圖中所說明的那樣進(jìn)行光子統(tǒng)計(jì)。 根據(jù)本發(fā)明，用另外的半導(dǎo)體材料取代至少一層11、12、13或者省略至少一個(gè)層11、12、13。 還根據(jù)本發(fā)明，向半導(dǎo)體層11、12、13添加至少一個(gè)另外的半導(dǎo)體層。例如，根據(jù)本發(fā)明，添 加帶隙為1. 75eV的非晶硅層、帶隙為1. 45eV的CdTe層、帶隙為1. 42eV的GaAs層、帶隙為
I. 34eV的InP層和帶隙為1. 05eV的CuInSe2 (銅銦聯(lián)硒化物)層可以提供太陽能電池獲得 的"巨型三明治(monstersandwich)"，即具有高效率和大動(dòng)態(tài)范圍的太陽能電池。此外，根 據(jù)本發(fā)明，只采用一種半導(dǎo)體材料，例如多晶硅，并且使所有的層11、12、13都是由這同一 種材料制成，并且只是通過向每層11、12、13提供不同的環(huán)境電壓來提供不同的帶隙。
在一些實(shí)施例中，對(duì)于絕緣層的需要完全是可選的，在這些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā) 明，可以省略這些或全部絕緣層。在一些實(shí)施例中，環(huán)境電壓還可以被布置成在半導(dǎo)體層
II、 12、13內(nèi)變化，例如從層的一個(gè)邊緣到層的另一個(gè)邊緣變化，由此造成層中的帶隙分布。 例如，如果環(huán)境電壓變化了 +/^，則將會(huì)有從自然帶隙擴(kuò)寬了 2V的材料中的帶隙分布。
圖4公開了一種太陽能電池，其包括三個(gè)半導(dǎo)體層，這三個(gè)半導(dǎo)體層的順序滿足 帶隙越小越靠近入射太陽光譜。再次參照非限制性實(shí)例來說明本發(fā)明。假設(shè)自然帶隙NB1 =0. 775eV，環(huán)境電壓VI = 0. 16eV，相當(dāng)于對(duì)于表觀帶隙Bl的0. 935eV。 1300nm左邊的 所有光子可以被吸收，給出0. 935eV到光電流。然而，大量光子與少許離子相互作用，因此 它們中不是所有的都必須被吸收，并且被吸收的這些光子留下高能的次級(jí)光子，例如，E = 6. 2eV的光子將留下5. 28eV的次級(jí)光子，或者其間分布5. 28eV的光子。光子中沒有被吸收 的一些穿過至層12，其中，它們可以具有，例如2. 79eV的表觀帶隙。比這能量高的光子可以 被吸收，但是在具有B3 = 5. 28eV的表觀帶隙的第三級(jí)，只有未被吸收或者只在第一半導(dǎo)體 層11中被吸收一次的光子可以被吸收。如果大量高能光子以E < 5. 28eV結(jié)束于第三層并 且沒有被吸收，則這不是非常理想的情形。非常清楚的是，根據(jù)本發(fā)明，通過關(guān)于每級(jí)的光 子布居來優(yōu)化表觀帶隙，從光子吸收的能量被最大化。根據(jù)本發(fā)明，在過程的末端能量高的 光子越少則越好。 圖5示出了具有更多層的多層太陽能電池的實(shí)施例50。更多層增加了不同帶隙的 數(shù)量，由此增加了不同能量的光子被吸收的可能性。圖5示出了光譜中非常密集的帶210、 211、212、213、214、215和216，這些帶被指定給半導(dǎo)體層11、 12、 13、 14、 15、 16和17的敏感 度，即表觀帶隙。根據(jù)本發(fā)明，在一些實(shí)施例中，可以存在任意數(shù)量的層和任意數(shù)量指定的帶，并且任意帶可以被指定給任意層。半導(dǎo)體層11、12、13、14、15、16和17可以具有變化的 厚度，這些厚度沒有按比例示出。 表觀帶隙B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7可以被調(diào)整成優(yōu)化光子收集的次序。不是所 有的層都不需要具有電極誘發(fā)的環(huán)境電壓，在一些實(shí)施例中，一些層可以處于它們的自然 帶隙，例如NB5 = B5。環(huán)境電壓被布置為調(diào)節(jié)半導(dǎo)體層的帶隙B 1、B2、B3、B4、B5、B6、B7， 從而帶隙B 1、 B2、 B3、 B4、 B5、 B6、 B7相對(duì)于收集到的光電流、次級(jí)光子布居、后面的半導(dǎo)體 層對(duì)所述次級(jí)光子布居的響應(yīng)，另外的后面的可能半導(dǎo)體層的量子效率和/或提供環(huán)境電 壓所消耗的能量而進(jìn)行優(yōu)化。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，原子/分子/離子種類的濃度和 /或半導(dǎo)體層的厚度也被布置成以此方式進(jìn)行優(yōu)化。 根據(jù)本發(fā)明，這些層通常非常薄，例如最薄幾納米或者最厚幾厘米。層厚度通常與 該能量的光子布居成比例。如果在E3二B3處的光子布居比在E1二B l處的高得多，則第 一半導(dǎo)體層11的厚度可以比第三半導(dǎo)體層13的厚度薄。通過類似的論證，因?yàn)楣庾釉蕉?需要越多的價(jià)電子與之相互作用，所以對(duì)于第三半導(dǎo)體層，原子/分子/離子種類的濃度或 總數(shù)可以更高。 表觀帶隙(Bl-B7)可以被設(shè)置于，例如4. 35、3. 73、3. 1、2. 48、1.86、1.24、0. 6eV。 可以以與實(shí)施例30和40所示的相同的方式計(jì)算光子布居層(11-17)至層(11-17)。另外， 根據(jù)本發(fā)明設(shè)置表觀帶隙，以使得它們將光子的最大布居引導(dǎo)到這些層或某個(gè)層具有最佳 量子效率的帶。例如，如果已知1. 86eV處的量子效率對(duì)于層13是大的，則在一些實(shí)施例中， 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選地設(shè)置前面的層中的帶隙，從而它們?cè)?.86eV處形成最大數(shù)量的光子，這 些光子可以以大的效率來使用。 圖6以流程圖的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池系統(tǒng)的操作。在階段600中， 原始的太陽光譜入射到具有自然帶隙NB1的第一半導(dǎo)體層上。通過在第一半導(dǎo)體層610中 調(diào)整環(huán)境電壓V1，NB 1被調(diào)節(jié)成B1表觀帶隙。在該階段，通過調(diào)整V1繼而調(diào)整B1，可以 影響收集到的光電流和次級(jí)光子布居。通常，相對(duì)于收集到的光電流、次級(jí)光子布居、后面 的半導(dǎo)體層對(duì)所述次級(jí)光子布居的響應(yīng)、另外的可能的后面的半導(dǎo)體層的量子效率和/或 提供環(huán)境電壓所消耗的能量，對(duì)B1進(jìn)行優(yōu)化。 在階段620中，能量E < Bl的光子穿過第一半導(dǎo)體層。在階段630中，一些能量 E > B 1的光子被吸收并且被轉(zhuǎn)換成光電流，所留下的能量E-B1的次級(jí)光子從被吸收的光 子中留下，以使在階段630中能量守恒。在階段640中，E < Bl的光子和E = E-B1的次級(jí) 光子入射到具有自然帶隙NB2的第二半導(dǎo)體層上。此外，具有E > Bl但是沒有被吸收的那 些光子屬于這個(gè)光子布居，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在階段640中，由至少這三組的光子 組成的次級(jí)光子布居入射到第二半導(dǎo)體層上。在階段650中，通過施加環(huán)境電壓V2，進(jìn)行從 自然帶隙到表觀帶隙B2的調(diào)整。 根據(jù)本發(fā)明，隨著向系統(tǒng)添加具有相同的自然和/或表觀帶隙的更多半導(dǎo)體層，
為自然帶隙和后面的半導(dǎo)體層中的一些或全部，重復(fù)步驟610、620、630、640。 圖7以框圖的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的制造太陽能電池系統(tǒng)的方法，并且圖8示
出了在制造過程中使用的布置。在圖7的階段700中，用分光計(jì)記錄太陽能光譜，并且從之
前的測(cè)量或文獻(xiàn)得知該光譜。在階段710中，太陽照射入射到具有自然帶隙NB1的第一半
導(dǎo)體層上，示出為圖8中的層1。
在階段720中，通過調(diào)整圖8中半導(dǎo)體層1中原子/分子/離子種類的濃度N或 總數(shù)、層1厚度或?qū)嶋H的原子/分子/離子種類自身，以獲得對(duì)于太陽光譜的最佳自然帶隙 NB 1。因此，在階段720中，這些其它變量用于得到B1，然后使用環(huán)境電壓V來調(diào)節(jié)表觀帶 隙B1 =NB1-V1。在階段730中，用圖8的分光計(jì)2來記錄獲得的未被吸收的日光的光譜。 在一些實(shí)施例中，分光計(jì)1和分光計(jì)2實(shí)際上是同一裝置，只是用在不同的場(chǎng)合中。在階段 740中，獲得的太陽照射(=次級(jí)光子布居光譜)入射到具有自然帶隙NB2的第二半導(dǎo)體層 即圖8中的層2上。 在階段750中，NB2自然帶隙的調(diào)整是通過如下步驟進(jìn)行的調(diào)整圖8的半導(dǎo)體層 2中原子/分子/離子種類的濃度N或總數(shù)、層2的厚度或者實(shí)際的原子/分子/離子種 類來獲得對(duì)于次級(jí)光子布居光譜的最佳自然帶隙NB2。因此，在階段750中，這些其它變量 用于獲得NB2，然后使用環(huán)境電壓V2來調(diào)節(jié)表觀帶隙B2 = NB2-V2。用圖8的分光計(jì)3記 錄次級(jí)光子布居的未被吸收的日光的光譜。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，分光計(jì)1、2和/或 3實(shí)際上是同一裝置，只是用在不同的場(chǎng)合中。 在階段720和/或750中，環(huán)境電壓和其它變量被調(diào)整為使從入射日光捕獲的光 電流最大化，并且使獲得的未被吸收的日光光譜與后面的半導(dǎo)體層的響應(yīng)配合最大化。通 常，相對(duì)于收集到的光電流、次級(jí)光子布居、后面的半導(dǎo)體層對(duì)所述次級(jí)光子布居的響應(yīng)、 另外的可能的后面的半導(dǎo)體層的量子效率和/或提供環(huán)境電壓VI和/或V2所消耗的能量， 對(duì)NB1、 NB2、 Bl和/或B2進(jìn)行優(yōu)化。 在本發(fā)明范圍內(nèi)的是，可以容易地將任意實(shí)施例10 、 20 、 30 、 40 、 50 、 60 、 70和/或80 組合和/或改變次序。根據(jù)本發(fā)明，與一個(gè)實(shí)施例10、20、30、40、50、60、70和/或80相關(guān) 地說明的任意特征可以與另外的實(shí)施例10、20、30、40、50、60、70和/或80 —起使用。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，目的僅在于優(yōu)化每層對(duì)于從前面層出現(xiàn)的光譜的檢測(cè) 器響應(yīng)。在該實(shí)施例中，不是總需要環(huán)境電壓V1。本發(fā)明可以在不具有有源電池(cell)或 者環(huán)境電壓的情況下通過優(yōu)化下一層對(duì)于從前面的層出現(xiàn)的光譜的檢測(cè)器響應(yīng)來實(shí)踐本 發(fā)明，所述前面的層由未受影響的光子、散射光子、復(fù)合光子和由光子-光子相互作用得到 的光子組成。根據(jù)本發(fā)明，也使用環(huán)境電壓。 下面詳細(xì)描述了該實(shí)施例。之前已經(jīng)描述了，一些光子只是穿過第一層，而沒有發(fā) 生相互作用。之前也已經(jīng)說明了，一些光子發(fā)生散射，但是仍然出現(xiàn)在下一層。之前還說明 的是，被吸收的一些光子產(chǎn)生更多的次級(jí)光子，以遵守量子力學(xué)的能量和動(dòng)量守恒(復(fù)合 光子)。之前沒有說明的是，不僅復(fù)合光子直接變成IR光子，其等同于熱擴(kuò)散，而且通過造 成材料自身中的熱振動(dòng)，還使太陽能電池變熱。該振動(dòng)的量子是光子。因?yàn)樘柲茈姵夭?能熱到無窮大的溫度，即它們必須與其環(huán)繞物保持熱力學(xué)平衡，所以它必須輻射一部分熱。 因此，根據(jù)本發(fā)明，振動(dòng)的光量子變成新的復(fù)合光量子，并且可以再次被光電收集。根據(jù)本 發(fā)明，還相對(duì)于這四個(gè)光子布居來優(yōu)化材料的帶隙，而不需要使用環(huán)境電壓。
半導(dǎo)體材料的摻雜濃度、受主濃度、施主濃度、晶格結(jié)構(gòu)、溫度和/或相對(duì)濃度可 以都被優(yōu)化以傳遞對(duì)于通過第一半導(dǎo)體層出現(xiàn)的光譜的最佳響應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于電池 材料，用不同的熱環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，以測(cè)量不同半導(dǎo)體層中的光子_光子_光子光譜，并且優(yōu) 化對(duì)這些光譜的檢測(cè)器響應(yīng)，g卩，選擇最佳的熱環(huán)境-檢測(cè)器響應(yīng)耦合。大體上，對(duì)于進(jìn)入 光譜的檢測(cè)器響應(yīng)和通過每個(gè)半導(dǎo)體層的出現(xiàn)的光譜的組合的配合應(yīng)該被優(yōu)化，以將收集到的光電流最大化。這可以通過如下步驟實(shí)現(xiàn)測(cè)量每個(gè)半導(dǎo)體層后面的出現(xiàn)的光譜，并且 調(diào)節(jié)下一半導(dǎo)體層的檢測(cè)器響應(yīng)，以盡可能匹配該光譜。 圖9詳細(xì)示出了本發(fā)明的p-n結(jié)的實(shí)施例。如箭頭所示，日光從該頁的頂部進(jìn)入 p-n結(jié)。入射日光造成p-n結(jié)中的耗盡區(qū)，這是因?yàn)樽銐蚰芰康墓庾訉㈦娮蛹ぐl(fā)到帶隙之 上。因此，在耗盡區(qū)內(nèi)，電子-空穴對(duì)被差不多均勻地產(chǎn)生。電子由于耗盡區(qū)中的大電場(chǎng)而 快速進(jìn)入n型區(qū)。類似地，耗盡區(qū)中產(chǎn)生的空穴進(jìn)入p型區(qū)。這是瞬發(fā)光電流。另外，各側(cè) 的電子和空穴可以通過擴(kuò)散而進(jìn)入耗盡區(qū)，前提是它們?cè)跀U(kuò)散距離內(nèi)。這是更慢的擴(kuò)散光 電流。該光電流可以產(chǎn)生具有電壓Vt的電流I，其可以用于執(zhí)行外部工作，即驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
現(xiàn)在在本發(fā)明中，在一些實(shí)施例中，提供另外的環(huán)境電壓V，該環(huán)境電壓V可以作 為圖9中示為V(r)的位置的函數(shù)而變化，但是也可以是均勻的。在實(shí)施例中，所示的V(r) 被設(shè)置為垂直于光電流收集(Vt)。在目前文獻(xiàn)中已經(jīng)確定的是，Vt沒有影響材料的帶隙。 然而，還沒有確定的是，V(r)將不能對(duì)由進(jìn)入光子流經(jīng)歷的表觀帶隙有影響。實(shí)際上，V(r) 被設(shè)計(jì)為改變?cè)摫碛^帶隙。V(r)通過改變有效電勢(shì)或價(jià)電子所經(jīng)歷的所謂的贗勢(shì)來這樣 做。當(dāng)導(dǎo)帶和價(jià)帶對(duì)于V(r)的響應(yīng)不同時(shí)，V(r)的不同值導(dǎo)致不同的表觀帶隙。這至少 部分地由于原子核屏蔽效應(yīng)，即低殼級(jí)的電子屏蔽不同地處于不同電勢(shì)級(jí)的價(jià)電子，因此 價(jià)帶電勢(shì)中引起的改變會(huì)與導(dǎo)帶電勢(shì)中經(jīng)歷的改變不同，并且它們的差，即帶隙受V(r)影 響。 清楚的是，V(r)會(huì)引入在頁的垂直方向上的電荷遷移，這會(huì)是本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)。 光電流是在圖9中的頁的水平方向上收集的，但是根據(jù)本發(fā)明，也可以在該頁的垂直方向 上收集光電流。此外，根據(jù)本發(fā)明，提供V(r)的任意數(shù)量的電極可以與任何區(qū)域、n區(qū)域、p 區(qū)域和/或耗盡區(qū)連接地使用。同樣，可以使用任意數(shù)量的電極以在該頁的水平方向上收 集光電流I。為了清晰起見，僅繪出了V(r)的一個(gè)電路和Vt的一個(gè)電路，根據(jù)本發(fā)明，可以 存在任意數(shù)量的這類電路。 此外，清楚的是，圖9的實(shí)施例可以在任意光的情況下使用，例如通過用于收集光 電流的另一個(gè)半導(dǎo)體層出現(xiàn)的光。此外，清楚的是，可以使用I和Vt來提供V(r)。理想的 是，在這種情況下，兩個(gè)電勢(shì)都被優(yōu)化，以使總共收集的光電路和/或能量最大化。
以上已經(jīng)參照上述實(shí)施例說明了本發(fā)明，并且已經(jīng)示出了許多商業(yè)優(yōu)點(diǎn)和工業(yè)優(yōu) 點(diǎn)。本發(fā)明的方法和布置提高了太陽能電池的效率。因此，本發(fā)明的方法和布置提高了太 陽能的競(jìng)爭(zhēng)性，并且在全球范圍內(nèi)使個(gè)人和團(tuán)體更好地利用。 以上，已經(jīng)參照上述實(shí)施例說明了本發(fā)明。然而，清楚的是，本發(fā)明不是僅受限于 這些實(shí)施例，而是包括本發(fā)明的構(gòu)思和專利權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的所有可能的實(shí)施 例。 參考文獻(xiàn)EP 1724 841 Al，Josuke Nakata， 〃 Multilayer Solar Cell" US 6320117， James P. Campbell等人，〃 Transparent solar cell andmethod
of fabrication" Solar Electricity, Thomas Markvart，第二版，ISBN 0-471-98852-9"An unexpected discovery could yield a full spectrum solar cell，，， Paul
Preuss， Research News, Lawrence Berkeley National Laboratory.
權(quán)利要求
一種太陽能電池，該太陽能電池包括具有自然帶隙NB(NB1、NB2、NB3、NB4、NB5、NB6、NB7)的至少一個(gè)第一半導(dǎo)體層(11、12、13、14、15、16、17)，所述至少一個(gè)第一半導(dǎo)體層被布置為將進(jìn)入光子轉(zhuǎn)換成電流，其特征在于，至少一個(gè)半導(dǎo)體層設(shè)置有至少一個(gè)電極(100、101、110、111、120、121)，所述至少一個(gè)電極被布置為提供所述半導(dǎo)體層中的環(huán)境電壓V(V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V(r))，所述環(huán)境電壓V被布置為通過B＝NB-V將所述自然帶隙NB調(diào)整成表觀帶隙B(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7)，具有表觀帶隙B的所述半導(dǎo)體層被布置為將來自入射光子的第一光子布居轉(zhuǎn)換成光電流，并且留下次級(jí)光子布居。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體層(11)對(duì)于所述第一光子布居之外的所有或一些光子是透明的， 所述太陽能電池包括所述第一半導(dǎo)體層后面的具有自然帶隙NB(NB2、 NB3、 NB4、 NB5、NB6、NB7)的至少一個(gè)第二半導(dǎo)體層(12、13、14、15、16、17)，具有自然帶隙NB的所述至少一個(gè)第二半導(dǎo)體層被布置為將來自所述次級(jí)光子布居的進(jìn)入光子轉(zhuǎn)換成電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，第一半導(dǎo)體層(11)入射到日光上， 并且入射光子具有太陽光譜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，在所述第一半導(dǎo)體層(11、12、13、 14、15、16、17)的前面和/或后面，存在沒有電極(100、101、110、111、120、121)或環(huán)境電壓 (V1、V2、 V3、V4、V5、V6、 V7)的至少一個(gè)半導(dǎo)體層(11、 12、 13、 14、 15、 16、 17)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，在所述第一半導(dǎo)體層(11、12、13、 14、 15、 16、 17)的前面和/或后面存在至少一個(gè)絕緣層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的太陽能電池，其特征在于，第二半導(dǎo)體層(12、13、14、15、16、17)設(shè)置有至少一個(gè)電極(100、101、110、111、120、 121)，所述至少一個(gè)電極被布置為提供所述第二半導(dǎo)體層中的環(huán)境電壓V(V2、V3、V4、V5、V6、V7)，所述環(huán)境電壓V被布置為將自然帶隙NB調(diào)整成表觀帶隙B，具有帶隙B的所述第二半導(dǎo)體層被布置為將來自入射的次級(jí)光子布居的想要的第三 光子布居轉(zhuǎn)換成光電流，并且留下想要的第四光子布居。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，所述太陽能電池可以包括任意數(shù) 量的半導(dǎo)體層(11、12、13、14、15、16、17)和/或絕緣層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，所述太陽能電池包括至少兩個(gè)半 導(dǎo)體層(11、12、13、14、15、16、17)，所述至少兩個(gè)半導(dǎo)體層的順序?yàn)閹对酱笤浇咏肷?太陽光譜(200)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，所述太陽能電池包括至少兩個(gè)半 導(dǎo)體層(11、12、13、14、15、16、17)，所述至少兩個(gè)半導(dǎo)體層的順序?yàn)閹对叫≡浇咏肷?太陽光譜(200)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，所述太陽能電池包括至少一個(gè)半 導(dǎo)體層(11、12、13、14、15、16、17)，所述至少一個(gè)半導(dǎo)體層進(jìn)一步包含Si、多晶硅、薄膜硅、 非晶硅、Ge、 GaAs、 GaAlAs、 GaAlAs/GaAs、 GaP、 InGaAs、 InP、 InGaAs/InP、 GaAsP/GaP、 CdS、 CIS禾P /或InGaN。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，所述半導(dǎo)體層(11、12、13、14、15、 16、17)是能夠經(jīng)歷光電效應(yīng)的任意材料的層或包含能夠經(jīng)歷所述光電效應(yīng)的任意材料。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的太陽能電池，其特征在于，所述環(huán)境電壓V(V1、V2、V3、 V4、V5、V6、V7)被布置為用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體層(11、 12、 13、 14、 15、 16、 17)的表觀帶隙B(B1、B2、 B3、B4、B5、B6、B7)，從而相對(duì)于收集到的光電流、次級(jí)光子布居和后面的半導(dǎo)體層對(duì)所述次 級(jí)光子布居的響應(yīng)、另外的半導(dǎo)體層的量子效率和/或提供所述環(huán)境電壓V所使用的能量 來優(yōu)化所述表觀帶隙B。
13. —種用于操作太陽能電池的方法，包括下面的步驟 原始太陽光譜入射到具有帶隙NB1的第一半導(dǎo)體層(600)， 通過調(diào)整所述第一半導(dǎo)體層中的環(huán)境電壓Vl，將NB1調(diào)節(jié)成帶隙Bl (610)， 具有能量E < Bl的光子穿過所述第一半導(dǎo)體層(620)，具有能量E > Bl的光子被吸收并且轉(zhuǎn)換成光電流，從被吸收的光子中保留剩有E-B1 的次級(jí)光子(630)，具有E < Bl的光子和具有E = E-B1的次級(jí)光子入射到具有帶隙NB2的第二半導(dǎo)體層 上(640)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，對(duì)于后面的半導(dǎo)體層和自然帶隙，重復(fù) 步驟610、620、630、640。
15. —種用于制造太陽能電池的方法，包括下面的步驟 日光入射到具有自然帶隙NB1的第一半導(dǎo)體層上(710)，通過調(diào)整環(huán)境電壓VI或其它變量來將NB1調(diào)節(jié)為帶隙B1或者不進(jìn)行任何調(diào)節(jié)(720)， 用分光計(jì)(2)記錄通過所述第一半導(dǎo)體層的獲得的未被吸收的日光的光譜(730)， 獲得的日光入射到具有自然帶隙NB2的第二半導(dǎo)體層上(740)， 通過調(diào)整環(huán)境電壓V2或其它變量來調(diào)節(jié)NB2或者不進(jìn)行任何調(diào)節(jié)(750)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，在階段720和/或750中，調(diào)整所述環(huán) 境電壓和其它變量，以使從入射日光捕獲的光電流最大化，并且使獲得的未被吸收的日光 光譜與下一個(gè)后面的半導(dǎo)體層的響應(yīng)的配合最大化。
17. —種具有至少兩個(gè)半導(dǎo)體層的太陽能電池，其特征在于， 最靠近入射太陽照射的第一層是InGaP和/或GaN層(11)， 第二層是多晶硅層和/或InSb層(12)。
18. —種太陽能電池，該太陽能電池包括具有自然帶隙NB(NB1、 NB2、 NB3、 NB4、 NB5、 NB6、NB7)的至少一個(gè)第一半導(dǎo)體層(11、12、13、14、15、16、17)，所述半導(dǎo)體層被布置為將 進(jìn)入光子轉(zhuǎn)換成電流，其特征在于，至少一個(gè)半導(dǎo)體層設(shè)置有至少一個(gè)電極(100、101、110、111、120、121)， 所述至少一個(gè)電極被布置為提供所述半導(dǎo)體層中的環(huán)境電壓V(V1、V2、V3、V4、V5、V6、 V7、V(r))，所述環(huán)境電壓V被布置為增加電荷遷移，由此增加光電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽能電池的領(lǐng)域。具體來講，本發(fā)明涉及用于提高太陽能電池效率的器件和方法及其太陽能電池。本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種太陽能電池，該太陽能電池包括具有自然帶隙NB(NB2、NB3、NB4、NB5、NB6、NB7)的半導(dǎo)體層(11、12、13、14、15、16、17)。所述半導(dǎo)體層還具有至少一個(gè)電極(100、101、110、111、120、121)，所述至少一個(gè)電極被設(shè)計(jì)為產(chǎn)生所述半導(dǎo)體層中的環(huán)境電壓V(V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V(r))。因此，進(jìn)入光子經(jīng)歷修改的NB-V＝B帶隙(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7)，該帶隙這里被稱作表觀帶隙。具有E＞B1的光子將被吸收到帶隙B中，并且半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子將被激活到導(dǎo)帶上，由此引起光電流。根據(jù)本發(fā)明，調(diào)整表觀帶隙B的能力提供了優(yōu)化進(jìn)入光子收集的巨大力量。
文檔編號(hào)H01L31/02GK101702951SQ200880017400
公開日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
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