CN102239569B - 薄膜半导体光生伏打装置 - Google Patents

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Abstract

基本透明的基材，其具有第一和第二主表面以及多个侧表面；薄膜半导体层，该薄膜半导体层与所述基材的第一主表面连接，包括第一和第二主表面以及其中的至少一个光敏性p-n结；以及光导向功能元件，该功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过基材射入半导体层，使得光在半导体层的第一和第二主表面之间多次反射，多次照射在p-n结上。

Description

薄膜半导体光生伏打装置
背景技术
本申请要求2008年11月3日提交的美国专利申请第12/263,583号的优先权。
本发明涉及用来提供光生伏打装置的方法和设备，所述装置是例如其中薄膜半导体光敏层与透明基材连接的装置。
光生伏打太阳能电池产生电能的机理非常地吸引人，因为它们不会以副产物的形式产生温室气体。常规的薄膜光生伏打太阳能电池技术有两种基本结构：覆材(superstrate)结构和基材结构。在覆材结构中，入射光通过透明材料，所述透明材料支承着设置在其上的活性半导体材料。在基材结构中，光入射在活性半导体材料上，然后到达基材。图1显示了常规的覆材光生伏打装置10，其包括基材12，在基材上设置有半导体材料14。所述半导体材料(可以是晶体硅)包含p-n结16，其具有以下特征：当光通过该结的时候，能够产生自由电荷(电子和空穴)，在成对导体上产生电压V。在此结构中，基材是透明的，允许光通过半导体材料14。
常规的太阳能电池方法的主要问题是太阳能电池制造相关的成本、效率以及波形因子。为了解决这些问题，人们开发了各种单晶或薄膜工艺。单晶太阳能电池可以具有高的效率，但是此种工艺价格非常昂贵。在这些情况下，特别是对于昂贵的III-V太阳能电池和多结太阳能电池，使用太阳光集中器。薄膜半导体制造技术可能较为廉价，但是能量转化效率通常非常低。当半导体层制成很薄的时候(为了降低成本)，即对于硅，约小于1微米，电池对红外能的吸收变得非常低，效率显著降低。
再来看图1，在一些现有技术的结构中，可以在基材12和半导体14之间设置光散射层(例如由粗糙化的透明导电氧化物形成)。可以在半导体材料14的相反表面上设置另一个不连续层(例如金属化层)。所述散射层和金属化层可能使得一部分的光被俘获在半导体材料14之内，因为光容易以相应的角度分布从各个层反射(光散射和俘获)。尽管此种方法在p-n结16处改进了太阳能转化，但是由于从结构向外的光散射，不可能实现完全的光俘获。
在硅基太阳能电池中，该电池包含无定形、微晶或纳米晶体、多晶和/或晶体材料，其层厚度通常小于5微米，光俘获是很关键的。对于无定形和微晶硅太阳能电池，由于掺杂的层的电导率很差，人们通常使用透明的导电氧化物(TCO)层。在覆材几何结构中，(如上文所讨论)将TCO层织构化，在TCO和硅半导体层之间形成光散射界面。对于微晶硅的情况，在表面织构的光散射性能以及硅的电传输特征之间存在折衷。这会影响单结微晶电池以及无定形/微晶(微型形态)串联结电池的光俘获性能。基材几何结构也存在同样的局限性。对于多晶或晶体薄膜Si太阳能电池，还使用散射层。多晶电池可以在覆材几何结构中的基材/Si界面处引入散射，而晶体Si太阳能电池通常包括平面的基材/Si界面。同样，在背面反射器处使用织构化的硅以提供散射。在基材结构中，多晶和晶体硅太阳能电池在空气/硅界面以及/或者硅/基材界面处采用散射。为了取消工艺步骤和改进性能，人们需要在不使用织构化表面的情况下提供光俘获。
出于以上的原因，太阳能的成本比常规高压输电网能量贵大约2-3倍。在一些太阳能领域中，例如居家、公寓综合建筑、工业园的屋顶用途或者不易获得高压输电网能量的应用，重量轻以及波形因子可以是显著的优点。因此，本领域需要一种新颖的提供光伏太阳能电池的方法，其具有以下特征：低成本，高效率，重量轻以及低波形因子。
发明概述
根据一个或多个实施方式，光生伏打装置包括：基本透明的基材，其具有第一和第二主表面以及多个侧表面；薄膜半导体层，该薄膜半导体层与所述基材的第一主表面连接，包括第一和第二主表面以及其中的至少一个光敏性p-n结；以及光导向功能元件，该功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过基材射入半导体层，使得光在其第一和第二主表面之间多次反射，多次照射在p-n结上。
所述半导体层的厚度可以约小于2微米，例如约为1-2微米。所述基本透明的基材可以由玻璃、玻璃陶瓷和聚合物中的至少一种形成。
本领域技术人员在结合附图阅读本发明说明后，将清楚地了解本发明的其它方面、特征、优点等。
附图简要说明
为说明本发明的各方面的目的，在附图中示出优选形式，但是，应理解，本发明不限于所示的精确排列和设施。
图1是现有技术的光生伏打装置的侧视图；
图2是根据本发明一个或多个方面的光生伏打装置的透视图。
图3是根据本发明一个或多个其他方面的光生伏打装置的侧视图；
图4是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置的侧视图；
图5是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置的侧视图；
图6是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置的侧视图；
图7是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置的侧视图；
图8是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置的侧视图；
图9是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置的侧视图；
图10是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置的侧视图；
图11A是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置的侧视图；
图11B是用于图11A的光生伏打装置的替代的光转向元件的侧视图；以及
图12A，12B是与本发明的光生伏打装置的基础操作理念相关的某些有价值的参数的模拟结果图。
发明详述
参见附图，其中，相同的附图标记表示相同的元件，图2中示出按照本发明的一个或多个实施方式的光生伏打装置100的透视图。所述光生伏打装置100包括基本透明的基材102，所述基材102具有第一和第二主表面108，110，以及多个侧表面，其大体形成正平行六面体。半导体层104与基材102的第一主表面108连接，包括至少一个光敏性p-n结106。
在本发明中，将结构100看作是表现出复合波导特征，因为如下文将会详细讨论的，光以波导模式在此结构之内传播。确实，光可以以一种或多种波导模式(而不是光散射)在半导体层104的第一和第二主表面之间，在所述半导体层104之内传播。作为附加或替代，光可以以一种或多种波导模式，在基材102和半导体层104的复合结构之内传播。以一种或多种波导模式进行的光传播与(现有技术的)光散射或俘获不同。在光散射或俘获中，光以相应的角度分布从不连续界面反射(使得很多的光能从电池逃逸)。与之相反的是，以一种或多种波导模式进行的光传播表现出基本上全内反射的特征，光能的逃逸极少或者根本没有。
应当理解所述光敏性p-n结106的结构和电学细节较为复杂，但在本领域中是众所周知并且已经领会的。因此，为了简要和清楚的目的，本说明书将省去这些细节(包括形成技术，电连接件的位置等)。但是，需要注意在太阳能电池技术中，在半导体材料中形成p-n结，从而将太阳辐射转化为电流。这些p-n结将由于吸收了辐射而产生的电子-空穴对分离，产生可用于外界负荷的电流。在现有技术中，根据所用的半导体材料和方法，开发出了各种太阳能电池设计。一些是简单的p-n结，而其它的更复杂，通过最优化获得较高的效率。这些更复杂的结包括p-i-n结。在一些情况中，为p-n结和/或p-i-n结添加p+层和n+层，用来改进电荷收集以及电极/太阳能电池制造。在此应用中，当提到p-n结的时候，其可以包括上述各种结中的任何结，包括现有文献已知的其它的结，以及/或者今后开发的结。
如图2的虚线箭头所示，入射的太阳能(光)可以进入基材102，具体来说是如光线A所示，通过侧表面或主表面108，110之一进入基材。根据光线A的角度，光线A’将以一种角度从基材102和半导体104之间的不连续界面反射，光线B将以特定的角度进入半导体层104。光线B将作为光线B’从半导体层104的远主表面反射。没有任何散射结构，光线B’将具有光线B的全内反射特征。(光线A’将从主表面110反射回半导体层104，该传播式样将会继续。)根据光线B’的角度，光将作为光线C从半导体层104逃逸，或者沿着平行于半导体层104的主表面的方向以波导模式传播，即如图所示的光线B，B’，B”等。在下文中将会讨论到，所述光生伏打装置100可以包括光导向功能元件，该功能元件可以进行操作，使得入射光线(或多条入射光线)A以等于或大于临界角的角度传播通过基材102进入半导体层104，使得波导作用形成光线B，B’，B”等。所述波导作用源自光线的角度(如上文讨论)以及与半导体层104的第一和第二主表面紧邻的相应的介电常数不连续。因此，当入射光在半导体层104的第一和第二主表面之间多次反射的时候，其太阳能多次照射在p-n结106上。
对于任何没有最初耦合入半导体层104内的光线，例如光线A’，或者任何离开半导体层104并进入基材102的光线，例如光线C，所述光线可以从基材的主表面110反射，返回半导体层104，例如光线D。需要设计所述结构，使得没有最初耦合入半导体层104内的光线，例如光线A’，或其它的光线，例如光线C，以全内反射的方式从表面110的界面反射。因此，根据反射的角度，这些光可以再次进入半导体层104，如上文讨论，以波导模式在其中传播。
如上文所述，作为附加或替代，光可以以一种或多种其他的波导模式，在基材102和半导体层104的复合结构之内传播。在以下的情况中，实现了此种特征：光线，例如光线D，在等于或大于临界角的时候，传播通过基材102，进入半导体层104，使得光线E，E’，D’，D”形成其他的光线E”，E”’等。
以上所述的照射在p-n结106上的光的多次反射作用具有相对于常规技术显著提高光生伏打装置100的效率的有益效果。事实上，可以将光生伏打装置100看作是处于垂直波导结构，可以增大吸收光程长度，可以带来高的效率和小的波形因子。这是因为光透入半导体层104，在每次反射中被部分吸收，由此产生更多的电子-空穴对。通过多次反射，可以有效地吸收辐射。从本质上来说，该方法解除了半导体层厚度与太阳光吸收之间的以前被人们所接受的限制关系。因此，即使在红外光谱条件下，在薄膜结构中也可以获得极为高效的光吸收。因此，可以在不降低电池效率的前提下以较低的成本进行太阳能电池的薄膜制造。
该方法的一个原理在于，在基材102中会聚并被引导的光回折到p-n结106上并反射通过p-n结106数次，这取决于入射角和基材102的厚度，以及半导体层104的性质，光导向材料/结构的使用等。在每次照射的时候，太阳辐射穿过活性太阳能电池，被吸收，产生电子-空穴对。在半导体层104中进行的几毫米的传播过程中(沿着平行于主表面108、110的方向)，光可能会回折数次，太阳光在活性介质中的有效光程长度增大。所述光程长度可以近似按照下式计算：
(光程)/(反射次数)～2*t/sin(θ)，
其中θ是辐射在活性半导体层104中的内角，t是活性半导体层104的厚度。即使对于几毫米高度的基材，通过活性半导体层104的有效光程长度也可以为活性半导体层104厚度的很多倍，由此可以实现完全吸收或接近完全吸收包括长波长在内的太阳辐射。
以上所述的照射在p-n结106上的光的多次反射作用具有相对于常规技术显著提高光生伏打装置100的效率的有益效果。即使当半导体层104为薄膜结构，例如厚度约小于1微米的时候，也可以实现此种效果。本领域普遍接受，薄膜和厚膜太阳能电池是由方法以及用于太阳能电池的活性半导体层的物理厚度限定的。在本申请所述的波导太阳能电池中，该电池的差异基于所涉及的太阳辐射在单程通过中的吸收。地平面处的太阳辐射由从紫外至近红外的波长范围组成。
根据使用的半导体材料104及其带隙，太阳能电池覆盖了一定的波长范围。随着太阳光波长的变化，特别是在接近谱带边缘的时候，吸光系数从很大的值变化到很小的值。例如，对于单晶硅，所涉及的波长范围约为350-1100纳米。单晶硅在400纳米处的吸光系数约为8.89E+04厘米-1。与之相反，单晶硅在900纳米处的吸光系数仅为2.15E+02厘米-1。如果900纳米的辐射照射在厚度为1微米(0.0001厘米)的单晶硅太阳能电池上，如果辐射单程通过所述电池，则仅有大约2％的辐射被吸收，而当波长为400纳米的时候，几乎有99％的光被吸收。在此情况中，厚度为1微米的电池在单程通过的情况下无法吸收大多数的900纳米的辐射，可以认为对于单程通过几何结构来说，所述电池太薄了。对于本文所述的波导太阳能电池来说，认为所述太阳能电池是“薄膜”太阳能电池。需要厚度约为100-200微米的硅在单程通过的情况下，吸收掉大部分的高达1100纳米的辐射，在本文中，认为具有这样的厚度的电池是“厚膜”太阳能电池。
在本文的一个或多个实施方式中，层104的半导体材料可以为以下的形式：无定形材料、微晶或纳米晶体材料、多晶材料、或者基本为单晶材料。在描述层104时所用的术语“基本上”是考虑到半导体材料通常含有至少一些固有的或有目的加入的内部缺陷或表面缺陷的事实，如晶格缺陷或少量晶粒边界。该术语还基本上反映了以下事实，特定的掺杂剂可以歪曲或者影响半导体材料的晶体结构。为便于讨论的目的，假设半导体层104是由硅形成的。上文所述的功能元件(以及下文所述的那些)可以使用其他的无机半导体材料施加，例如III-V类GaAs，二硒化铜铟镓，InP等。可以使用其它的半导体材料，例如IV-IV(即SiGe，SiC)，元素材料(即Ge)，或者II-VI(即ZnO，ZnTe等)。在适当考虑的情况下，也可以使用薄膜有机半导体。
所述基本透明的基材102可以由玻璃、玻璃-陶瓷、聚合物等形成。例如，所述基材102可以由氧化物玻璃或氧化物玻璃-陶瓷形成，例如包含碱土金属离子的玻璃基材。所述玻璃可以是基于二氧化硅的，例如由以下材料制造的基材：康宁有限公司的玻璃组合物第1737号(CORNINGINCORPORATED GLASS COMPOSITION NO.1737)或者康宁有限公司的玻璃组合物第EAGLE 2000号(CORNING INCORPORATED GLASSCOMPOSITION NO.EAGLE 2000)。
当所述半导体层104是例如硅且基材102由玻璃或玻璃陶瓷材料形成的时候，则可以使用任意现有的技术将半导体层104结合于基材102。合适的技术包括通过阳极结合法进行结合。合适的阳极结合法在美国专利第7,176,528号中描述，该专利的全文通过参考结合。
还可以使用平铺法，其中将多个半导体层104以间隔的方式设置在基材102的一个或多个主表面上。在此结构中，相应的电极以并联和/或串联的方式耦联，以实现所需的电压和电流量级。
参见图3，图中显示了另一种光生伏打装置100A的侧视图，该装置可以进行结构特征变化，以进一步改进光能向电能的转化。光生伏打装置100A的结构与图2的光生伏打装置100类似，但是，该装置100A包括至少两个薄膜半导体层104A，104B，所述层104中的至少一个与基材102的第一和第二主表面108，110连接，每个层104包含至少一个光敏性p-n结106A，106B。在此结构中，复合波导结构的波导特征可以进行操作，使得在各个半导体层104A、104B之内进行波导传播作用，以及使得光进行反射，多次照射在各个薄膜半导体层104A、104B的相应的p-n结106A，106B上。
为了便于讨论，图中所述光在各个半导体层104A，104B中的传播已经进行了简化。但是，需要注意可以实现单单在半导体层104A，104B之内的波导作用或者在一个或多个复合结构之内的波导作用(如关于图2进行的讨论)。在图3所示的实施方式中，复合结构的一个例子是基材102与半导体层104A的组合(其中如关于图2进行的讨论，通过复合结构发生波导作用-光线C，D，E，E’，D’，D”E”，E”’等)。作为替代或者附加，其它的复合结构可以是基材102与半导体层104B的组合，其中也是通过复合结构发生波导作用。复合结构的另一个例子包括基材102以及半导体层104A，104B。在此情况中，波导模式传播可以包括：(i)光线从基材102导入半导体层104A，(ii)从半导体层104A导出的反射光线射入基材102，进一步射入半导体层104B，(iii)从半导体层104B导出的反射光线射入基材102，进一步射入半导体层104A，以及(iv)重复。
下面来看图4，图4是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置100B的侧视图。为了避免重复，对图中所示在结构100B中的光传播进行了简化，但是，可以如关于图2所讨论的那样在半导体层104(和/或复合结构)之内实现波导作用。在所示的实施方式中，可以采用其它的光学机理提高太阳能的吸收以及电能的产生。例如，可以使用一个或多个透镜、棱镜、反射器、散射表面等，对太阳辐射进行转向，以便改进波导作用和光捕获。另外，集中器光学元件可以是透射的、反射的或者衍射的，可以具有成像或者非成像结构。
更具体来说，所述光生伏打装置100B可以包括光收集装置，该光收集装置可以进行操作，将太阳光导向基材102的多个侧表面中的一个，使得太阳光能够以波导模式耦合入基材102中。所述光收集装置可以是太阳光集中器120，其具有朝向基材102的多个侧表面中的一个的焦轴F。需要注意的是，焦轴F与光生伏打装置100B的垂直轴N横交(可以近似与之垂直)。
作为替代或附加，所述光收集装置可以包括凸边122，作为基材102的一个或多个侧表面的特征。所述边122的弯曲特征能够(单独地或者与集中器120组合地)改进以波导模式进行的光的收集。
所述复合波导包括透明基材102和半导体层104。另外，所述复合波导可以包括用于各种其他功能的各种其它的中间层。例如，所述复合波导可以包括位于基材102以及半导体层104之间的一个或多个透明的半导体层或者其它的介电层。这些层可以发挥电荷收集电极和/或减反射涂层或结合剂的功能。
所述中间层或其它的层可以优选包括以下选择：将选择性散射/衍射功能元件设置在最佳的位置，而不是像现有技术那样设置在整个照射的p-n结表面。所述散射/衍射功能元件用来在半导体层104之内进一步引发波导作用。它们还可以进行操作以促进额外的光俘获。对所述复合波导的中间层的一个限制是，它们不应引入不必要的损失，应当尽可能促进p-n结106内的吸收，以便获得最大的效率。
图5是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置100C的侧视图。为了放大上文所述的吸收光程长度的增加以及/或者减小活性半导体层104的高度(图5中的垂直尺寸)，以便降低成本，到达基材102底部的侧表面的光可以通过光反射元件124进行反射或散射。图5的光反射元件124的放大图显示，将至少一个光反射元件124设置在与基材102的多个侧表面中的至少一个(例如底侧表面)紧邻的位置。所述光反射元件124进行操作，使得已经以波导模式在第一和第二主表面108，110之间反射了多次的光的传播方向反转或转向，并以波导模式在第一和第二主表面108，110之间进一步反射多次，从而进一步多次地照射在p-n结上。尽管光反射元件可以采取许多形式，一个例子是棱镜结构(散射)。其它的形式可以包括透镜、棱镜、反射器、散射表面、衍射表面等。面板的长度可以约为数十厘米，吸收全部的或者几乎全部的可用的太阳能辐射。
优选沿着基材102的长度尺寸对光进行转向，仍然在复合波导的数值孔径之内。相对于串联散射结构，棱镜和衍射功能元件可能更好。这些结构的目的是对光进行转向，以增大p-n结内的有效吸收，使其不会从复合波导太阳能电池再散射出来。
一般来说，半导体层104的厚度约为1-10微米，而基材102的厚度约为数百微米。基材102和半导体层104的折射率满足以下条件：能够通过上文讨论的公式确定结构的波导射线回折之间的距离。基材102的高度应该为数毫米至数厘米，以便实现大量的回折，以便在p-n结106中实现高度的光吸收。当光在1-2微米的半导体层104之内发生波导作用的时候，吸收可以获得显著的改进。在此情况中，每次回折仅为几微米，基材102的高度只需数十至数百微米就能实现大量的回折和高吸收。
图5显示了在靠近进入面的位置设置选择性衍射或选择性散射功能元件125(在此情况中，设置在复合波导结构100C的顶边附近)，促进了半导体层104之内的波导作用。光线第一次进入半导体层104之后，被衍射/选择性散射表面125转向成较浅的角度(大于临界角，所述临界角由基材102以及半导体层104的折射率限定)，光线不会再进入基材102。相反地，光线将在半导体层104之内发生全内反射，实现了波导作用。为了开始波导作用而不是再散射，散射功能元件125应当呈带状设置，在进入点附近，宽度仅为几微米，具有数十微米的宽间隙。通过将硅层104结合于基材102，可以在进一步加工之前对硅层104的外表面进行此种织构化。作为替代或者附加的，所述衍射或散射功能元件可以设置在另外的透明介电层或钝化层上。
参见图2，为了减小基材102所需的总高度，可以例如在主表面110处，在空气/基材界面增加散射。可以沿着表面110的整个长度发生这种散射，或者可以只在从光入射边缘开始、向着另一边延伸的长度的一部分上发生这种散射。由此可以无需在124处提供光转向表面(图5)，可以比在非常薄的边124处进行加工的方式更简单地实施。
图6是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置100D的侧视图。在此实施方式中，使用至少一对光生伏打装置100-1，100-2，这些装置各自的结构基本上与图2的光生伏打装置100相同。为了避免重复，同样对图中所示在结构100D中的光传播进行了简化，但是，可以如关于图2所讨论的那样在半导体层104-1、半导体层104-2(和/或复合结构)之内实现波导作用。将至少第一和第二半导体层104-1，104-2以隔开的结构互相面对面地设置，在它们之间形成间隙G。所述间隙通过相应的棒130A，130B形成。设置在间隙G中的棒130A，130B可以进行操作，将第一和第二半导体层104A，104B隔开，以及/或者将至少一部分太阳光会聚在间隙G中，使得光以波导模式沿着所述间隙传播，多次照射在相应的p-n结上。可以在间隙空间内填充高折射率的材料，或者可以填充气体或流体，例如空气。因此，除了通过使得光经由相应基材102的边进入而在各个半导体层104之内获得多次反射以外，所述入射光还可以进入间隙，从而进入半导体层104，在其中发生波导作用，多次照射在相应的p-n结上。其结果是，即使对于厚度约为0.5-1.0微米的薄半导体层104来说，也可以增大吸收。间隙可以约为0.1-0.7毫米。
再来看装置100D之内的光传播的各个方面，可以将复合结构限定为包括两个半导体层104-1，104-2以及间隙G。在此例子中，以一种或多种波导模式进行的光传播可以定义为：将光线B从间隙G导向半导体层104-1中(反射光线还可以折回间隙中，引发进一步的传播模式)，(ii)将反射光线从半导体层104-1导向返回间隙G中，进一步射入半导体层104-2，(iii)将反射光线从半导体层104-2导向返回间隙G中，进一步射入半导体层104-1等。
通过阅读上文，本领域技术人员能够理解，在装置100D中可以限定其它的复合结构，例如以下的至少一种：(i)第一基材102-1和第一半导体层104-1；(ii)第二基材102-2和第二半导体层104-2；(iii)间隙G和第一半导体层104-1；(iv)间隙G和第二半导体层104-2；(v)间隙G以及第一和第二半导体层104-1，104-2；以及(vi)上述情况的组合。
图7是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置100E的侧视图。所述组合的基材102和半导体层104可以是上文所述的结构或者下文所述的结构中的任意一些。所述光生伏打装置100E可以进一步包括光收集装置132，该光收集装置可以进行操作，将太阳光导向基材102的多个侧表面中的一个，使得太阳光能够以波导模式耦合入基材102中然后进入半导体层104中。例如，所述光收集装置132包括基本圆柱形的棒，所述棒具有沿着其壁延伸的纵向狭槽134。所述基材102和半导体层104位于狭槽134之内，使得基材102的多个侧表面之一与狭槽134的底部136邻接。在图中，狭槽134以夸张的形式显示(图中显示了包括基材102和层104的狭槽)，但是在实际的装置中，优选密配合。
狭槽134的深度使得基材102和层104设置在与棒132的顶部相距合适距离的位置，以便实现最优化的光收集。关于这一点，棒132具有光学性质，使得太阳光以波导模式耦合入基材102。例如，棒132可以为跟踪型或非跟踪型集中器，其中棒132的材料可以是高折射率(因此为高NA)材料，例如玻璃，透明聚合物和/或有机玻璃。所述棒132可以设计形状用于更好地包装阵列以及用于减少色差。作为补充或替代，可以对棒132的表面的一部分进行改性，用于获得其它的光学性质，使得太阳光耦合入基材102的主表面之一。例如，可以对元件138进行粗糙化，形成沟槽，涂覆，(反射性和/或散射性)等，用于对光进行转向以及俘获。这可使得原本会离开棒132的光转向基材102和层104。作为替代或者补充，所述元件138可以包括设置在与棒132的外表面相邻的一个或多个反射器，其将离开棒132的壁的光导向返回基材102和半导体层104。可以将大量的棒集中器132并排叠置起来，用于在一定区域上按比例增大。
还可以将一个或多个其它的反射器139A，139B(图8)(其为次级锥形集中器)单独使用或者与棒132和/或集中器120组合使用，以形成其它的实施方式100F。所述次级锥形集中器139A，139B可以用来收集没有会聚到基材102上的光并将其俘获。这对于非跟踪型集中器132来说是特别需要的。所述反射器139A，139B可以包括具有光俘获结构的1-D折射型或反射型锥形件和/或光漏斗。它们可以是波纹状1-D线性或抛物线形的光漏斗，用于轻重量的衍射或折射聚焦元件。可以在内表面锥形上涂覆高反射性涂层或电介质镜。此种设计适合于低集中因素。
反射器139A，139B各自包括设置在与基材102和半导体层104相邻的位置的第一边137A，137B。反射器139A，139B的角度离开相应的第一边137A，137B，朝向相应的相反的边135A，135B。此种结构进行操作，由此反射器139A，139B使得光再反射回基材102和半导体层104，并且耦合入基材102的主表面108、110之一。
圆柱形透镜的长轴可以为东西取向，使得当太阳在白天在地平线上移动的时候，棒132的长的长度能够俘获太阳辐射。对于低集中设计，即使由于季节变化的原因，太阳在水平线上的位置导致光照不在轴上，棒132的高NA仍然能够俘获辐射而不发生显著的效率降低。
图9是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置100G的侧视图。在此实施方式中，光收集装置140包括以整体形式结合的折射、会聚和锥形集中器。具体来说，光收集装置140包括楔形棒，其具有沿着其窄边延伸的纵向狭槽134。所述基材102和半导体层104位于狭槽134之内，使得基材102的多个侧表面之一与狭槽134的底部136邻接。所述楔形棒140可以用透明的聚合物或玻璃材料制造。有机玻璃或聚合物材料可以提供更低的成本、更容易的成形以及更轻的重量；但是，它们的耐久性可能较差，可能会吸收太阳辐射的较短的波长。玻璃的耐久性可能较高，具有较低的紫外或蓝光吸收，但是可能较难以成形，对于高折射率材料来说可能成本较高。
所述楔形棒140的光学性质使得将太阳光导向基材102的多个侧表面之一，将原本不会耦合入基材102的光转向返回基材102和半导体层104。所述楔形棒140可以包括与狭槽134相反的凸半球表面142，其限定了朝向基材102的侧表面的焦轴。所述楔形棒140包括至少一个侧表面，优选有一对表面144，146从棒140的窄边或端部向外延伸，角度从基材102和半导体层104向外延伸到凸半球表面142的相应的边142A，142B。相应的侧表面144，146可以进行操作，将原本不会耦合入基材102的光导向返回基材102和半导体层104，例如耦合入基材102的主表面108、110之一。所述侧表面144，146可以是衍射性的，将光沿着所需的方向会聚。
图10是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置100H的侧视图。组合的基材102和半导体层104可以具有上述的结构或者下文所述的结构中任意那些合适的情况，所示的结构是图2的基础光生伏打装置100。所述光生伏打装置100H进一步包括光收集装置150，该光收集装置可以进行操作，将太阳光导向基材102的多个侧表面中的一个，使得太阳光能够以波导模式耦合入基材102中并进入半导体层104中。
例如，所述光收集装置150包括整体型空心圆柱，该圆柱包括限定了内部体积154的圆柱形壁152。所述基材102和薄膜半导体层104至少部分地设置在内部体积154之内。所述圆柱形壁152包括纵向延伸的狭槽156，限定出一个孔，太阳光通过这个孔进入内部体积154。所述圆柱形壁152包括一个反射性内表面，该内表面将光导向基材102的多个侧表面中的一个，使得太阳光以波导模式耦合入所述基材102。作为替代或者补充，所述壁152的反射性内表面可以将光导向返回基材102和半导体层104，并耦合进入基材102的主表面108、110中的一个。
所述狭槽156可以进行操作，使得在一天中进行焦点移动，由此可以制得非跟踪型太阳能面板，同时不会造成显著的效率降低。另外，所述光生伏打装置100H还可以包括如前文讨论的太阳光集中器120，将光导向狭槽156中。
图11A是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置100I的侧视图。该实施方式是波导作用和俘获几何结构的一种变化，其中，光生伏打装置成水平取向而非垂直取向。所述光生伏打装置100I包括基材102，所述基材具有第一和第二主表面108，110以及多个侧表面。有一个或多个半导体层104A、104B、104C与基材102的第一主表面108连接，包括至少一个光敏性p-n结106。
需要注意的是，在此实施方式中(以及在上文所讨论的本发明其他实施方式中)可以承载一个或多个p-n结106。这些结可以是均一或不均一类型。可以选择半导体层104使其覆盖很宽的波长范围，用于全部太阳光谱的有效应用。例如，可以将单晶硅与无定形硅，Si-Ge，Ge，GaAs等一起使用。所述单晶硅还可以与聚合物半导体组合使用。该方法在任意太阳能电池(其中单程通过的吸收不足)中提供了优点。
如图11A所示，所述半导体层104可以包括叠置的多结结构104D，104E，或者半导体层104可以是空间上分离的104A，104B，104C。
具有结构101I的光收集装置包括一个或多个太阳光集中器120A，120B，它们各自具有聚焦轴F，该聚焦轴可以进行操作，将太阳光导向基材102的第一主表面108。所述基材102的表面108上的光入射区域可以包括AR涂层，用来以不同的入射角以及不同的光谱收集光。所述光收集装置还包括一个或多个相应的反射元件121A，121B，这些元件可以进行操作，将光以与太阳光集中器120A，120B的聚焦轴横交的方式通过第一主表面108导入基材102，使得太阳光以波导模式耦合入半导体层104。
如以上讨论的一些其它的实施方式所述，对结构100I中所示的光传播进行了简化以免重复，但是任意半导体层104和/或任意大量复合结构之内的波导作用可以如上文所述完成。
水平波导结构101I可以在多个实施方式中采用。在图11A的实施方式中，将光转向元件121构建入基材102中。其可以是成形的反射/衍射空穴。
如果使用替代的成形的空穴，是更有利的，能够更好地保持基材的强度。在此替代形式中，在合适的位置将合适材料的成形的“再拉制杆”与基材102的底部相连。例如，如图11B所示，可以由大的玻璃坯拉制棱镜形杆123，成形为棱镜，加热并再拉制为大约1-2毫米的最终尺寸。可以采用与光纤再拉制技术类似的低成本技术来制造转向结构。可以以间歇法，在棱镜123的外侧面上涂覆金属或介电反射涂层。可以基于基材102的参数、集中器透镜120的参数以及太阳在地平线上移动的季节变化等设计转向棱镜123的尺寸和面角。根据太阳辐射在转向棱镜123哪一侧的面上聚焦，可以将太阳光转向左侧或右侧，射向半导体层104。这有利于即使在太阳在地平线上的移动随季节变化的情况下，收集辐射和保持效率。
水平复合波导太阳能电池结构101I的优点包括：
可以规模放大为大的面板。基材102可以非常大，半导体层104可以以很长的长度结合或沉积，宽度为几毫米或几厘米，间隙为1-2毫米(图11A)。
与垂直波导结构相比，减小了高度。在一些屋顶应用中，之前的集中器设计被认为是不切实际的，此时波形因子优点可能是很重要的。
因为不像图2的垂直设计那样，需要将大的面板切割或用线锯锯成5-10毫米高的条，所以水平方法可以获得较低的组装和加工成本。
可以更容易地在此几何结构中结合一些AR涂层和电互连步骤。与常规的光俘获结构相比，所述复合波导方法的区别特征在于，将光进入位置与太阳能电池的光波导作用区域隔开。在现有技术的基材(或覆材)结构(例如图1)中，光落在太阳能电池的整个活性表面上。如果使用的话，所述光俘获/散射功能元件需要设置在整个活性表面上。如果有任意部分没有这些功能元件，则入射在该区域上的光就不会发生散射，只会单程通过p-n结。另外，在一个区域俘获的任何的光可能通过相邻区域内的散射功能元件而从太阳能电池再散射出来。
与之相反的是，在本发明的一个或多个实施方式中，光的进入部分和波导作用部分互相隔开。例如，在图2中，光的进入点是复合波导的边缘面(基材102的顶边)，活性p-n结表面与该面隔开，与该面正交。类似地，在图11A中，光进入表面和活性p-n结表面是隔开的。用转向光学元件121促进光进入复合波导。这可以与下方的集中光学元件结合，所述集中光学元件是例如图4所示的120。该方法提供了很多优于现有技术的优点。一个显著的优点在于，光俘获不依赖于散射功能元件。由此消除了现有技术的设计中存在的再散射的问题。该方法还为p-n结的设置提供了灵活性。例如，可以如图3所示在透明基材的两侧上都制造p-n结。所述复合波导方法还提供了以下的灵活性：仅在选定的位置设置散射、衍射表面，以便进一步改进半导体层之内的波导作用，同时不用担心再散射。因为半导体层通常仅为1-2微米，在该层之内(而不是在整个基材复合波导之内)的波导作用会导致在100-200微米内的光吸收，而不是另一种情况下可能需要的几毫米的光吸收。(参照图5进行解释。)另外，因为进入面不包括非常高折射率的半导体层，能够更容易地在透明基材的进入面上设计AR涂层，该涂层通常是较低折射率的玻璃或聚合物。这允许在更宽的波长和角度范围内进行更好的最优化。
图12A，12B是与本发明的光生伏打装置的基础操作理念相关的某些有价值的参数的模拟结果图。结果显示在图2和图3所示的结构中，在没有集中器光学元件的情况下，太阳能电池顶表面处的最大可获得电流密度(MACD)-入射角图。这些结果表明本文所述的光生伏打结构可以进行操作来吸收大量的太阳光(包括长波长)，即使在半导体层厚度约小于1微米，垂直高度最小约为2毫米的情况下也可以做到。对于300-1200纳米模型中考虑的波长范围，最大MACD值为45.9mA/cm2。如果该值高于30mA/cm2，则认为是良好，如果高于35mA/cm2，则认为是极佳。图12A和12B的图的横轴表示在基材102的边缘表面上的入射角(例如见图2)。0-45度的角度范围表示与电势集中器120相关的角度，如图4所示。图12A显示了图5的设置在124处的平面反射器的性能(线条202)以及Lambertian反射器124的性能(线条204)。这模拟了0.7毫米宽、10毫米高的基材102的情况。所述半导体材料104是1微米厚的硅层。图12B显示了单侧结构100(线条206)和双侧结构100A(线条208)之间的区别。这模拟了图5的0.7毫米宽、2毫米高的基材102以及位于124处的Lambertian反射器的情况。装置性能是基材102的宽度的强函数。与较宽的基材相比，窄的基材102要获得极佳的性能所需的高度较小。包括基材厚度0.2毫米、玻璃高度5.0毫米的装置的MACD值超过40mA/cm2。该模型没有考虑一些潜在的损失机理，例如高度掺杂的硅损失，接触件遮蔽损失以及金属接触件吸收损失。
尽管本文已结合具体实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，这些实施方式仅是用于说明本发明的原理和应用。因此，应当理解，在不背离所附权利要求书所限定的本发明精神和范围的前提下，可以对列举的实施方式进行各种修改，并且可以作出其它安排。

Claims (16)

1.一种光生伏打装置，其包括：
基本透明的基材，其包括第一和第二主表面，以及多个侧表面;
薄膜半导体层，其具有第一和第二主表面，所述半导体层与所述基材的第一主表面连接，该半导体层中具有至少一个光敏性p-n结;以及
光导向功能元件，其可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过所述基材进入半导体层，使得所述光在所述半导体层的第一和第二主表面之间反射多次，多次照射在p-n结上；
所述光生伏打装置还包括：
另外的薄膜半导体层，该另外的薄膜半导体层与基材的第二主表面连接，其中包含至少一个光敏性p-n结,
其中，所述光导向功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过基材进入所述另外的半导体层，多次照射在其p-n结上。
2.如权利要求1所述的光生伏打装置，其特征在于，所述光导向功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过装置的至少一个复合结构,所述复合结构包括所述基材和所述半导体层。
3.如权利要求1所述的光生伏打装置，其特征在于，所述光生伏打装置进一步包括光收集装置，该光收集装置可以进行操作，将太阳光导向基材的多个侧表面中的一个，使得太阳光能够以波导模式耦合入基材中然后进入半导体层中。
4.如权利要求1所述的光生伏打装置，其特征在于，所述光生伏打装置还包括至少一个光转向元件，该元件设置在与基材的多个侧表面中的至少一个紧邻的位置,所述至少一个光转向元件可以进行操作，使得已经以波导模式在半导体层的第一和第二主表面之间反射了多次的光射向所述至少一个侧表面，以使得光以波导模式在半导体层的第一和第二主表面之间反转和反射多次，以更多次地照射在所述p-n结上。
5.一种光生伏打装置，其包括：
基本透明的第一基材，其包括第一和第二主表面，以及多个侧表面;
第一薄膜半导体层，该第一薄膜半导体层与所述第一基材的第一主表面连接，其中包含至少一个光敏性p-n结；
基本透明的第二基材，其包括第一和第二主表面，以及多个侧表面;
第二薄膜半导体层，该第二薄膜半导体层与所述第二基材的第一主表面连接，其中包含至少一个光敏性p-n结；
所述第一和第二薄膜半导体层以彼此相对的方式设置，相互隔开，在其间形成间隙,以及
至少一个光导向功能元件，该功能元件可以进行操作，使得入射光以相应的波导模式传播通过相应的第一和第二基材并进入相应的第一和第二半导体层，使得光在其第一和第二主表面之间反射多次，多次照射在相应的p-n结上。
6.如权利要求5所述的光生伏打装置，其特征在于，所述光导向功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过装置的至少一个复合结构,所述至少一个复合结构包括以下的至少一种：(i)第一基材和第一半导体层;(ii)第二基材和第二半导体层;(iii)间隙和第一半导体层;(iv)间隙和第二半导体层;(v)间隙以及第一和第二半导体层;以及(vi)上述情况的组合。
7.如权利要求5所述的光生伏打装置，其特征在于，所述装置还包括设置在相应的第一和第二半导体层之间的间隙内的至少一个棒,所述至少一个棒可以进行操作，获得以下的至少一种效果：将所述第一和第二半导体层隔开，将至少一些太阳光会聚入间隙中，使得光以波导模式传播进间隙中，进入相应的半导体层中，多次照射在相应的p-n结上。
8.一种光生伏打装置，其包括：
基本透明的基材，其包括第一和第二主表面，以及多个侧表面;
薄膜半导体层，其具有第一和第二主表面，所述半导体层与所述基材的第一主表面连接，该半导体层中具有至少一个光敏性p-n结;以及
光收集装置，其可以进行操作，将太阳光导向基材的多个侧表面之一，使得太阳光以波导模式耦合入基材中,通过基材并进入半导体层，使得光在半导体层的第一和第二主表面之间反射多次，多次照射在p-n结上；
所述光生伏打装置还包括：
另外的薄膜半导体层，该另外的薄膜半导体层与基材的第二主表面连接，其中包含至少一个光敏性p-n结,
光导向功能元件，其可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过基材进入所述另外的半导体层，多次照射在其p-n结上。
9.如权利要求8所述的光生伏打装置，其特征在于，所述光生伏打装置包括光导向功能元件，所述光导向功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过装置的至少一个复合结构,所述复合结构包括所述基材和所述半导体层。
10.如权利要求8所述的光生伏打装置，其特征在于：
所述光收集装置包括基本圆柱形的棒，所述棒具有沿着其壁延伸的纵向狭槽;
所述基材和薄膜半导体层位于狭槽之内，使得基材的多个侧表面之一与狭槽的底部邻接，
所述棒具有光学性质，使得太阳光以波导模式耦合进入基材并进入半导体层。
11.如权利要求8所述的光生伏打装置，其特征在于：
所述光收集装置包括楔形的棒，所述棒具有沿着其窄边延伸的纵向狭槽;
所述基材和薄膜半导体层位于狭槽之内，使得基材的多个侧表面之一与狭槽的底部邻接，
所述楔形棒的光学性质使得能将太阳光导向基材的多个侧表面之一，将原本不会耦合入基材的光导向返回基材和薄膜半导体层。
12.一种光生伏打装置，其包括：
基本透明的基材，其包括第一和第二主表面，以及多个侧表面;
薄膜半导体层，该薄膜半导体层与基材的第一主表面连接，其中包含至少一个光敏性p-n结；
光收集装置，其包括:(i)至少一个太阳光集中器，其具有聚焦轴，该太阳光集中器可以进行操作，将太阳光导向基材的第一和第二主表面之一,以及(ii)至少一个相应的转向元件，该转向元件可以进行操作，将光通过与太阳光集中器的聚焦轴横交的第一和第二主表面之一导入基材，使得太阳光以波导模式耦合进入基材以及进入半导体层,
其中与半导体层的第一和第二主表面紧邻的相应的介电常数不连续面可以进行操作，使得入射光以波导模式在所述半导体层的第一和第二主表面之间反射多次，多次照射在p-n结上；
所述光生伏打装置还包括：
另外的薄膜半导体层，该另外的薄膜半导体层与基材的第二主表面连接，其中包含至少一个光敏性p-n结,
光导向功能元件，其可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过基材进入所述另外的半导体层，多次照射在其p-n结上。
13.如权利要求12所述的光生伏打装置，其特征在于，所述光生伏打装置包括光导向功能元件，所述光导向功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过装置的至少一个复合结构,所述复合结构包括所述基材和所述半导体层。
14.如权利要求12所述的光生伏打装置，其特征在于：
所述装置包括多个薄膜半导体层，所述多个薄膜半导体层在所述基材的第一和第二主表面中的至少一者之上互相隔开;以及
多个光收集装置,它们各自设定位置，用来将光通过基材的第一和第二主表面之一导入基材。
15.一种光生伏打装置，其包括：
基本透明的基材，其包括第一和第二主表面，以及多个侧表面;
多个薄膜半导体层,所述半导体层中的至少第一半导体层与基材的第一主表面连接，包括第一和第二主表面,各个半导体层中包含至少一个光敏性p-n结；
光导向功能元件，其可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过所述基材并进入所述多个半导体层，使得所述光在所述多个半导体层的第一和第二主表面之间反射多次，多次照射在p-n结上；
所述光生伏打装置还包括：
另外的薄膜半导体层，该另外的薄膜半导体层与基材的第二主表面连接，其中包含至少一个光敏性p-n结,
其中，所述光导向功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过基材进入所述另外的半导体层，多次照射在其p-n结上。
16.如权利要求15所述的光生伏打装置，其特征在于，所述光导向功能元件可以进行操作，使得入射光以波导模式传播通过装置的至少一个复合结构,所述复合结构包括所述基材和所述至少一个半导体层。
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