导波光伏装置制造方法及图纸

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光伏装置，尤其是指波导式光伏电池。
技术介绍
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，必须保证厚度的均勻性。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。许多聚光型光伏系统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!Arrest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。
技术实现思路
在本专利技术的一个方面，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。在本专利技术的另一方面，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。在本专利技术的再一方面，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。所述专利技术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专利技术后予以了解。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。本专利技术总体上为光伏设备，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为根据本专利技术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为根据本专利技术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(ch本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小源，陈刚，
申请(专利权)人：陈小源，陈刚，
类型：发明
国别省市：