有源太阳能电池和制造方法技术

本发明专利技术涉及太阳能电池的领域。具体来讲，本发明专利技术涉及用于提高太阳能电池效率的器件和方法及其太阳能电池。本发明专利技术的一个方面涉及一种太阳能电池，该太阳能电池包括具有自然带隙ＮＢ（ＮＢ２、ＮＢ３、ＮＢ４、ＮＢ５、ＮＢ６、ＮＢ７）的半导体层（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７）。所述半导体层还具有至少一个电极（１００、１０１、１１０、１１１、１２０、１２１），所述至少一个电极被设计为产生所述半导体层中的环境电压Ｖ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ（ｒ））。因此，进入光子经历修改的ＮＢ－Ｖ＝Ｂ带隙（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ７），该带隙这里被称作表观带隙。具有Ｅ＞Ｂ１的光子将被吸收到带隙Ｂ中，并且半导体价带中的电子将被激活到导带上，由此引起光电流。根据本发明专利技术，调整表观带隙Ｂ的能力提供了优化进入光子收集的巨大力量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及太阳能电池的领域。具体来讲，本专利技术涉及用于提高太阳能电池的效率的器件和方法以及其太阳能电池。
技术介绍
太阳能电池的效率目前还很低，因此太阳能与低能源价格的矿物燃料相比还不具 有竞争力。由此，已经提出了很多技术使太阳能电池更有效率，从而提高太阳能在全球市场 中的竞争力。 EP 1724841A1描述了多层的太阳能电池，其中，集成并且一体地层压多个太阳能 电池模块，使得不同的敏感波长波段是这样的敏感波长波段的中心波长越短，模块越靠近 日光的入射侧设置。该文献在这里被引用作为参考。 众所周知，为了光子被吸收到带隙中，并由此生成光电流，光子的能量必须大于或 等于带隙。现有技术中包括EP 1724841A1的现有技术解决方案具有明显的缺点它们不能 提供有效率地收集光子的带隙。光子布居中的大部分都仅仅作为热浪费掉了。
技术实现思路
在研究中的本专利技术涉及用于有效率地从太阳光收集光子以形成光电流的系统和 方法。本专利技术的进一步目的在于给出可以设计越来越有效率的太阳能电池的生产方法。 在本申请中，半导体层被理解为能够进行光电效应的任意材料或者包含能够进行 光电效应的任意材料。 本专利技术的一个方面涉及一种太阳能电池，该太阳能电池包括具有自然带隙NB1的 半导体层。该半导体层还具有至少一个电极，所述至少一个电极被设计为产生所述层中的 环境(ambient)电压V1。因此，进入光子经历修改的NB1-V1 = Bl带隙，在这里将其称为表 观带隙。具有E〉B1的光子将被吸收到带隙B1中，并且半导体价带中的电子将被激发到 导带上，由此导致光电流。根据本专利技术，调整表观带隙B 1的能力提供了优化进入光子的收 集的巨大力量。 没有被吸收的光子布居由具有E < Bl的光子组成，该光子具有太小的能量以至于 不被吸收。另外，在电子到光电流的激发过程中，具有E〉B1的被吸收的光子将仅给出等 于表观带隙B1的能量。剩余能量E-B1将被发射作为能量E2 = E-B1的次级光子或者其中 能量E2 = E-B1的根据能量和动量守恒定律和量子力学分布的多光子。具有E < Bl和E2 =E-B1的这两组光子属于次级光子布居。 另外，具有E > Bl的一些光子将没有被吸收，这是因为它们只是不能够找到价电 子并与之相互作用。然而，这一小部分将不受带隙影响。剩下的E〉B1的数目是与价电子 Nl和该电子的散射剖面有关的离子/原子/分子种类的浓度的函数。此外，材料的晶格堆 积密度、温度等会具有一些影响。在本专利技术的一个方面中，半导体层中剩余的E > Bl的这 一小部分被最小化。具有E > Bl的该组未被吸收的光子被进一步添加到次级光子布居。 根据本专利技术的另一方面，次级光子布居和一些剩余的E〉B1光子将穿过第一半导 体层，并且进入具有自然带隙NB2的第二半导体层。该半导体层还可以具有至少一个电极， 所述至少一个电极被设计为产生该层中的环境电压V2，由此产生表观带隙B2二NB2-V2。环 境电压可以用于提高或降低价带中电子的能态。根据本专利技术，表观带隙B2被优化成产生尽 可能多的光电流，并且产生尽可能理想的第二次级光子布居。 在本专利技术的另外实施例中，使用具有不同带隙的多个半导体层。这些层中的一些 可以在其中具有环境电压。该环境电压可以由附接到至少一个电极的电压发生器产生。在 一些实施例中，所收集的光电流中的一些可以被反馈以提供环境电压V1、 V2。在一些实施 例中，具有或没有环境电压的半导体层在它们之间可以具有电绝缘膜或者对于光子通常是 透明的材料。 参照之前所说明的，多个有源(具有环境电压)和无源(没有环境电压)的半导体层可以放置在彼此之上，从而每层收集某一部分的太阳光谱或者次级光子布居光谱。因为使用环境电压允许在调整到太阳光谱或次级光子布居光谱的想要的部分的过程中的一些自由度，所以通过收集最大数目的光电流并且产生最小数目的具有E >最小带隙的次级光子，能够仔细收集整个太阳光谱光子。具有E >最小带隙的次级光子通常作为热被扩散，这是因为由于没有光子能够达到带隙，因此光伏系统不能吸收这些光子。 本专利技术的又一方面涉及根据本专利技术的基于之前的原理的太阳能电池系统的制造。首先，根据本专利技术测量太阳光谱或已知太阳光谱。然后，太阳光入射到具有带隙NB1的第一半导体层，并且可以用环境电压将第一半导体层调整为表观带隙B1。也可以调整其它因素，诸如掺杂浓度、施主浓度、受主浓度、晶格常数等。通常，第一半导体层对于次级光子中的所有或一些是透明的。然后，用第二分光计记录通过第一半导体层出现的获得的太阳光，即次级光子布居。第一分光计和第二分光计之间的光谱差造成第一半导体层对太阳光谱的影响。这个差还可以与从第一半导体层获得的光电流相比较，从而推出第一半导体层的效率。 通过调节第一半导体层的参数，根据本专利技术，可以探索不同的差和次级光谱和效 率。在一些实施例中，最大的整体效率是通过以下步骤得到的将光电流收集最大化，并且 将次级光子布居光谱与位于第一半导体层之后的第二半导体层的带隙B2和其它参数的配 合最大化。清楚的是，可以以此方式设计多个层，优选地，总是使该层的光电流收集以及次 级光子布居光谱与每个后面的层的响应的配合最优。 半导体层的响应，我们的意思是半导体响应于进入光子光谱的方式，g卩，多少光子 在特定能量转换成光电流、多少光子在特定能量穿过而不相互作用、多少具有E > Bl的光 子在特定能量穿过、多少具有E < Bl的光子在特定能量穿过、特定能量的次级光子光谱的 形状如何等。这些变量中的全部或一些还限定了半导体层的热辐射响应，即多少光子在所 有能量转换成光电流、多少光子在所有能量穿过而没有相互作用、多少具有E > Bl的光子 在所有能量穿过、多少具有E < Bl的光子在所有能量穿过、在所有能量的次级光子光谱的 形状如何等等。 本专利技术的目的在于制造多层中的半导体层夹层，每个具有下述响应，即使收集 到的光电流最大化并且产生次级光子布居光谱，该次级光子布居光谱具有与后面的半导体 层的响应的最大的配合。能够通过材料特性调整收集到的光电流和次级光子布居光谱，并且在材料特性之外通过利用环境电压将自然带隙调整成表观带隙，其优化收集到的光电流 和次级光子布居光谱。当对若干半导体层完成优化时，每个层被指定到太阳光谱中的不同 的小的带，能够在整个太阳光谱中收集最大数量的光子，这可以通过光电效应来控制，从而 提高太阳能电池系统的效率。 根据本专利技术的太阳能电池包括具有自然带隙NB的至少一个第一半导体层，所述半导体层被布置为将进入光子转换成电流，其特征在于，-至少一个半导体层设置有至少一个电极，-所述至少一个电极被布置为提供所述半导体层中的环境电压V，-所述环境电压V被布置为通过B = NB-V将所述自然带隙NB调整成表观带隙B，-具有表观带隙B的所述半导体层被布置为将来自入射光子的第一光子布居转换成光电流，并且留下次级光子布居。 根据本专利技术的操作太阳能电池的方法包括下面的步骤-原始太阳光谱入射到具有带隙NB1的第一半导体层，-通过调整所述第一半导体层中的环境电压Vl，将NBl调节成带隙B 1，-具有能量E < Bl的光子穿过所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能电池，该太阳能电池包括具有自然带隙ＮＢ（ＮＢ１、ＮＢ２、ＮＢ３、ＮＢ４、ＮＢ５、ＮＢ６、ＮＢ７）的至少一个第一半导体层（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７），所述至少一个第一半导体层被布置为将进入光子转换成电流，其特征在于，至少一个半导体层设置有至少一个电极（１００、１０１、１１０、１１１、１２０、１２１），所述至少一个电极被布置为提供所述半导体层中的环境电压Ｖ（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ（ｒ）），所述环境电压Ｖ被布置为通过Ｂ＝ＮＢ－Ｖ将所述自然带隙ＮＢ调整成表观带隙Ｂ（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ７），具有表观带隙Ｂ的所述半导体层被布置为将来自入射光子的第一光子布居转换成光电流，并且留下次级光子布居。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】FI 2007-4-4 20070264一种太阳能电池，该太阳能电池包括具有自然带隙NB(NB1、NB2、NB3、NB4、NB5、NB6、NB7)的至少一个第一半导体层(11、12、13、14、15、16、17)，所述至少一个第一半导体层被布置为将进入光子转换成电流，其特征在于，至少一个半导体层设置有至少一个电极(100、101、110、111、120、121)，所述至少一个电极被布置为提供所述半导体层中的环境电压V(V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V(r))，所述环境电压V被布置为通过B＝NB-V将所述自然带隙NB调整成表观带隙B(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7)，具有表观带隙B的所述半导体层被布置为将来自入射光子的第一光子布居转换成光电流，并且留下次级光子布居。2. 根据权利要求l所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一半导体层(11)对于所述第一光子布居之外的所有或一些光子是透明的， 所述太阳能电池包括所述第一半导体层后面的具有自然带隙NB(NB2、 NB3、 NB4、 NB5、NB6、NB7)的至少一个第二半导体层(12、13、14、15、16、17)，具有自然带隙NB的所述至少一个第二半导体层被布置为将来自所述次级光子布居的进入光子转换成电流。3. 根据权利要求l所述的太阳能电池，其特征在于，第一半导体层(11)入射到日光上， 并且入射光子具有太阳光谱。4. 根据权利要求l所述的太阳能电池，其特征在于，在所述第一半导体层(11、12、13、 14、15、16、17)的前面和/或后面，存在没有电极(100、101、110、111、120、121)或环境电压 (V1、V2、 V3、V4、V5、V6、 V7)的至少一个半导体层(11、 12、 13、 14、 15、 16、 17)。5. 根据权利要求l所述的太阳能电池，其特征在于，在所述第一半导体层(11、12、13、 14、 15、 16、 17)的前面和/或后面存在至少一个绝缘层。6. 根据权利要求1和2所述的太阳能电池，其特征在于，第二半导体层(12、13、14、15、16、17)设置有至少一个电极(100、101、110、111、120、 121)，所述至少一个电极被布置为提供所述第二半导体层中的环境电压V(V2、V3、V4、V5、V6、V7)，所述环境电压V被布置为将自然带隙NB调整成表观带隙B，具有带隙B的所述第二半导体层被布置为将来自入射的次级光子布居的想要的第三 光子布居转换成光电流，并且留下想要的第四光子布居。7. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池可以包括任意数 量的半导体层(11、12、13、14、15、16、17)和/或绝缘层。8. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括至少两个半 导体层(11、12、13、14、15、16、17)，所述至少两个半导体层的顺序为带隙越大越接近入射 太阳光谱(200)。9. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括至少两个半 导体层(11、12、13、14、15、16、17)，所述至少两个半导体层的顺序为带隙越小越接近入射 太阳光谱(200)。10. 根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括至...

【专利技术属性】
技术研发人员：米科韦内宁，
申请(专利权)人：苏伊诺公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]