CN102428575A - 用于高功率太阳能电池的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于提高产生的功率从而提高太阳能电池(20，30)的效率的方法和装置。本发明的最佳方式目前被视为双结或三结叠层太阳能电池(20，30)，其在太阳能电池层(200，201，202，203)之间分别具有一个或两个光子滤波器(100，101)。光子滤波器(100，101，102)被布置成反射具有比λx短的波长的光子，并且被布置成通过以下方式透过具有比λx长的波长的光子：会聚较低能量光子，使其离开光子滤波器(100，101，102)的另一侧上的小面积孔(140，141)，并且将光子滤波器(100，101，102)的另一侧布置成反射(150，151)具有比λx长的波长的所述光子中的至少一些。通过使用在太阳能电池层(200、201、202和203)之间的本发明的光子滤波器(100、101和102)，可在滤波器之间将具有太阳能电池层的量子效率(QE)最高的能量的光子捕获到太阳能电池层。

Description

用于高功率太阳能电池的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于提高太阳能电池产生的功率和效率的方法和装置。
背景技术
光伏太阳能电池是最近发现的产生能量的新方法，该方法始于二十世纪五十年代前苏联和美国的卫星电源系统。光伏太阳能电池以非常小的环境影响产生电力，并由此而为公众所需要。目前的光伏太阳能电池的问题在于，不能够对于其成本和/或表面积来说产生足够的能量，以使得其在经济上是可行的。
因此，已经提出许多技术来提高太阳能电池的效率。EP 1724841A1描述了一种多层太阳能电池，其中并入并且一体地层压多个太阳能电池模块，从而不同灵敏度波长带是这样的：灵敏度波长带的中心波长越短的模块越靠近阳光入射侧。该文献以引用方式并入本文中。目前尚不清楚导致多层太阳能电池的效率方面的缺陷的全部因素。然而，根据本申请人的研究，一般的叠层太阳能电池主要受累于光子-声子过程，该过程发生在太阳能电池的最大量子效率的带以外，即频率空间内太阳能电池产生大量热能的位置。与缺点有关的各个因素也在US6689949的第1和第2栏中列出，其以引用方式并入本文中。
US 6689949公开了一种光伏反射腔，腔中具有若干太阳能电池。腔内的太阳能电池在滤波器下面，该滤波器对光进行滤波，使得入射光子通量更适合太阳能电池的量子效率，即更适合其响应或检测器响应。
NASA和JPL(喷气推进实验室)也已提出一种称为“Rainbow”(彩虹)的替代技术，该技术使用分束器和聚光器将太阳光谱分裂成不同的带，并将不同带的光会聚到不同的分立的太阳能电池中，这些太阳能电池能够最佳地处理分裂且会聚的光谱。该方案需要非常复杂的光学装置，并且到目前为止还没有投入实用。
US 5021100公开了一种叠层太阳能电池，该电池在第一太阳能电池和第二太阳能电池(在该公开中为阳光侧的入射电池)之间具有反射膜，假设反射膜将高能光子反射到第二太阳能电池，并将低能光子留给第一太阳能电池(在该公开中位于第二太阳能电池后面)。该文献以引用方式并入本文中。US 5021100有一个严重的问题，即反射膜是双向的，也就是说，第一太阳能电池中的任何反射光子将通过反射膜泄漏回第二太阳能电池，并且由于这些光子不能在第二太阳能电池内被吸收而产生声子和热。
发明内容
所研究的本发明涉及一种系统和方法，用于有效解决现有技术的问题和实现更大功率的太阳能电池。
本发明的更具体的目的是提供上述太阳能电池系统，该系统具有高的设计成本，但最终具有较低的生产成本和大的规模经济。为了实现这个目的，本发明提出了一种叠层太阳能电池，其中每个太阳能电池层利用具有一定能量的光子工作，在该能量下，太阳能电池层具有最高量子效率。
本发明的一个方面涉及一种在与阳光入射侧相反的一侧具有光子反射器的太阳能电池。该反射器被布置成将波长适于太阳能电池的量子效率函数的光子反射回太阳能电池。
在本发明的一个方面，存在一种具有两个太阳能电池层的叠层太阳能电池。在这两个太阳能电池之间存在光子滤波器。入射阳光的太阳能电池被暴露，并且该太阳能电池层通常具有较高能量的带隙。太阳光子进入该第一太阳能电池，并且太阳光谱的较高能量部分可能转化为光电流。一些高能量光子不与半导体相互作用，而只是穿过其中或通过光子-声子过程被分离成具有较低能量的光子和声子。仍具有足以在第一层(即光子的能量(E)E＞Ebg1大于第一太阳能电池的带隙(Ebg1)的地方)中转化为光电流的高能量的那些光子被光子滤波器反射回第一太阳能电池层。这些光子将获得转化为光电流的第二次机会。优选地，第一太阳能电池层非常薄且非常纯，使得存在较少时间和空间用于非吸收过程(即由不匹配带隙的光子进行的热转换)。此时，具有能量E＜Ebg1带隙的光子穿过滤波器到达具有较低带隙Ebg2的第二太阳能电池层。这些光子中的大部分此时可与第二带隙相互作用。光子滤波器将收集较低能量的光子，然后通过滤波器另一侧上非常小的孔将较低能量的光子会聚到第二太阳能电池层内。这些小孔是光子可穿透的。光子滤波器的另一侧上的其余区域也被反射材料覆盖。这是因为在第二太阳能电池层的底部也存在反射器，该反射器将能够在第二太阳能电池层内转化为光电流的光子反射回第二太阳能电池层。从该反射器反射的一些光子在其返程中第二次穿过第二太阳能电池层之后仍未被吸收。这些光子被上述小孔周围的反射材料送回。在光子滤波器的与阳光入射侧相反的一侧和叠层太阳能电池系统的底部的反射器捕获能够在第二太阳能电池层中产生光电流的光子，即通常E＞Ebg2的光子。这些光子来回跳动，直到其被吸收或分离成能量小于Ebg2的光子。
光子被截留在第二太阳能电池内是由于第一光子滤波器具有单向性。也就是说，除了泄漏的光子经小孔返回的非常小的可能性之外，光子群的大部分在具有有利于光电吸收和电流产生的带隙的第二太阳能电池内的两个反射器之间跳动。上述光子滤波器依靠由本发明人开发并命名为空间光谱调制(spatiospectral modulation)的技术。
在上述实例中，单向光子滤波器也可通过根据本发明的两个反射性光子滤波器来实现，这两个反射性光子滤波器其间具有粗糙和/或抗反射涂层。另外，根据本发明，太阳能电池和光子滤波器的材料可选择为基于材料的折射率来实现光子的单向滤波。相比之下，这些光子滤波器在理想单向性方面有从杂散角度泄漏光子的形式的一定损失。
在本发明的实施例的一个方面，叠层太阳能电池包括若干太阳能电池层，并且在两层之间存在光子滤波器。光子滤波器经过调谐，使其仅捕获一定能量的光子，在该一定能量下，太阳能电池层以理想地接近1的良好的量子效率(QE)工作。其余光子仅被光子滤波器传送到下一层。实际上可存在许多层，这些层优选地非常薄，或换句话讲，设计成太阳能电池和量子效率不很好(即远小于1)的能量的光子群之间的相互作用最小。
所谓“量子效率”是指如Larousse Dictionary of Science andTechnology(拉鲁斯科技词典)中所定义的一般涵义：量子效率(物理学)：“光电池中指定波长的入射辐射的每个光子释放的电子数”。本发明人进一步指出，该参数可在必要时被归一化，以产生通常100-0％的范围。量子效率是光电池将光子转化为电力的良好程度的极佳量度。检测器响应或响应是作为波长的函数的量子效率，也就是说，它说明了光电池如何对不同能量的入射光子做出响应。
就本申请中的太阳能电池而言，高量子效率(QE)是指比在相同光子能量下的其它替代太阳能电池层的QE高的QE。实际上，可能值得保持在特定太阳能电池层中的谱带是当QE超过10％(即目前批发市场上的太阳能电池的总QE)时的谱带。然而，如果叠层太阳能电池要在目前的市场环境下经济地替代石油和天然气，则应将大约30-50％视为阈值QE。如本申请的下文中将描述的，使太阳能电池层具有小于30-50％的QE的能量的光子应移动到具有较高QE的其它太阳能电池层。对于便携式电子设备，30-50％能够类似地被视为良好的QE，但这应取决于根据本发明的器件要求。例如，Nokia E71移动电话具有72cm2的面积和电压3.7V的1.5Ah的电池。如果本发明的太阳能电池实现50％的效率并覆盖具有72cm2的面积的电话的表面(假设太阳光通量为1000W/m2)，则这意味着按照本申请人的计算，电池将在暴露大约1.5小时后充满电。很显然，如果其提供大部分时间不必使用电网充电器的额外的有益效果，则暴露1.5小时够用大约一周的电池将开始投放市场。
本发明的一些或全部上述优点出现在一个实施例中，其中可存在具有由上述反射光子滤波器分离的不同带隙的许多(例如一百个)太阳能电池层。通常，半导体结只能在非常窄的带下保持高量子效率。离最佳能量越远，QE变得越小。在本发明的一个实施例中，存在一百个太阳能电池层，这些太阳能电池层在波长空间内10-20nm宽的带处具有高QE。通过使用这些电池，可以用以非常高的量子效率工作的半导体结对从150nm(紫外线)至1500nm(红外线)的整个太阳光谱进行采样。光子滤波器被设置成使得第一太阳能电池层将具有在波长空间内150-160nm能量的光子，第二太阳能电池层的情况为160-170nm，第三太阳能电池层的情况为170-190nm，依此类推。自然地，第一太阳能电池层只需要在150nm-160nm的带内有效，这比较容易实现。此外，应当尽可能少地干扰具有160nm以上的波长的光子。这些光子将传送到后面的层，并且如上所述分别被捕获到其各自的10-20nm带内，使得太阳能电池层在该带处具有最高效率。
根据本发明的叠层太阳能电池包括至少两层太阳能电池：第一层和第二层，其特征在于，
-在第一太阳能电池层和第二太阳能电池层之间布置第一光子滤波器，
-该太阳能电池被布置成光子滤波器在与阳光入射侧相反的一侧上，
-光子滤波器被布置成将一定能量的光子反射回第一太阳能电池，
-光子滤波器被布置成可透过不布置成被反射的其它能量的光子，并且这些光子被布置成进入第二太阳能电池。
上述光子滤波器也被布置成将从第二太阳能电池返回的光子反射回去，并防止它们进入第一太阳能电池，从而实现根据本发明的光子滤波器的单向性。在一些实施例中，在第二太阳能电池的底部存在反射器，以实现在第二太阳能电池内截留具有合适能量的光子。
根据本发明提供了一种制备上述叠层太阳能电池的方法。
根据本发明的光子滤波器被布置成从其第一侧反射具有比λx短的波长的光子，并且被布置成将具有比λx长的波长的光子会聚，以使其离开与光子滤波器第一侧相反的另一侧上的小面积孔，通过这种方式透过具有比λx长的波长的光子，并且光子滤波器的另一侧被布置成反射具有比λx长的波长的所述光子中的至少一些。
叠层太阳能电池包括根据本发明的至少两个太阳能电池层，其特征在于，所述叠层太阳能电池被布置成将入射光子传送到下述太阳能电池层，相比叠层太阳能电池内的其它所述太阳能电池层，该太阳能电池层在所述入射光子的能量处具有最高量子效率(QE)。
根据本发明的叠层太阳能电池包括至少两层太阳能电池：第一层和第二层，其特征在于，
-在第一太阳能电池层和第二太阳能电池层之间布置第一光子滤波器，
-在第一光子滤波器和第二太阳能电池层之间布置抗反射涂层，
-在所述抗反射涂层和第二太阳能电池层之间布置第二光子滤波器。
根据本发明的叠层太阳能电池包括至少两层太阳能电池：第一太阳能电池层和第二太阳能电池层，其特征在于，在第一和第二太阳能电池层之间布置至少一个单向光子滤波器。
在本申请的上下文中，“单向光子滤波器”是指这样的光子滤波器：其被布置成反射一组光子，并被布置成单向通过一组光子，而且被布置成不允许已通过的光子再次返回并穿过所述光子滤波器。虽然这种理想的光子滤波器难以(如果还有可能)在现实生活中制造，但本发明提供了四种单向光子滤波器：空间光谱调制滤波器、抗反射涂层滤波器、粗糙抗反射滤波器和/或折射率滤波器。虽然认识到这些滤波器单向滤波光子的实用局限性，但在本申请中将这些滤波器看作单向的。
根据本发明的叠层太阳能电池包括至少两层太阳能电池：具有能带隙Ebg的第一太阳能电池层和第二太阳能电池层，其特征在于，第二太阳能电池在等于或大于Ebg的光子能量处具有比第一太阳能电池层小的折射率。
根据本发明，在上述叠层太阳能电池中，第二太阳能电池通常在小于Ebg的光子能量处也具有比第一太阳能电池层大的折射率，并且具有小于Ebg的带隙。
根据本发明的叠层太阳能电池包括至少两层太阳能电池：第一太阳能电池层和第二太阳能电池层，其特征在于，至少一个所述太阳能电池层被布置成其量子效率(QE)-波长函数和其折射率-波长函数在相同波长下达到峰值和/或高值。
一种根据本发明的便携式电子设备包括至少一个太阳能电池，其特征在于，所述便携式电子设备的特征是被布置成由所述便携式电子设备的机械运动产生电力的至少一个压电晶体和/或至少一个机械装置。所述太阳能电池优选地为叠层太阳能电池，最优选地为本申请所描述的叠层太阳能电池，但在一些实施例中，也可以为常规太阳能电池。
除了和结合上述产生优点的实施例，本发明的最佳方式目前被视为双结或三结叠层太阳能电池，其在太阳能电池层之间分别具有一个或两个本发明的光子滤波器。该叠层太阳能电池用来为自充电移动电话供电，该移动电话可具有作为备用的机械/动能发电机，例如压电晶体或可见于例如手表中的摆动/弹簧系统，以用于在移动电话被遮光(例如，在使用者的口袋中)时充电。
附图说明
在下文中，将结合根据附图的示例性实施例更详细地描述本发明，在附图中：
图1以框图示出本发明的单向光子滤波器10的实施例。
图2以框图20示出具有两个太阳能电池层的本发明的叠层太阳能电池。
图2B以框图21示出具有带有替代的单向光子滤波器的两个太阳能电池层的本发明的叠层太阳能电池的实施例。
图2C以框图22示出本发明的叠层太阳能电池的实施例，其具有带有替代的单向光子滤波器的两个太阳能电池层和在阳光入射侧的聚光装置。
图2D以框图23示出具有带有通过选择太阳能电池的材料的折射率实现的替代的光子滤波的两个太阳能电池层的本发明的叠层太阳能电池。
图3以框图30示出具有四个太阳能电池层的本发明的叠层太阳能电池的实施例30。
图4示出本发明的叠层太阳能电池的光谱(即在能量-波长空间内)操作的实施例40。
图5以流程图示出本发明的叠层太阳能电池的操作的实施例50。
一些实施例在从属权利要求中描述。
具体实施方式
图1示出在叠层太阳能电池内隔离(即被置于两个太阳能电池层之间)的光子滤波器100的示例性实施例。在该图中，假设阳光入射侧在上方。在一些实施例中，λ2的光子比λ1的光子具有更高能量，即λ2＜λ1，但根据本发明也能够相反地构造滤波器100，即其反射低E光子，同时让高E光子通过。光子滤波器100具有在阳光入射侧的反射罩110。反射罩110可以是梳状(Rugate)滤波器或根据本发明的任何其它光学带通滤波器。反射罩下面是至少一个聚光装置，该装置用于未被反射的光子，即穿过反射罩110的光子。这些聚光装置通常为任何形状(可以是图中所示圆形)的透镜，并且将光子群会聚到断面缩小的漏斗(horn)130内。该漏斗可从内部涂以反射材料，使得穿过其中的光子被导向到至少一个小孔140之外。在一些实施例中，可以没有漏斗，但在这些实施例中，光子在离开滤波器100时，仍然被聚焦成小斑。在入射阳光的相反侧，大部分面积被另一个光子反射器150占据。小孔被嵌入反射器150中，并且仅占光子滤波器100另一侧的一小部分面积。反射器150被设计成将这样的光子反射回去：该光子从至少一个小孔140进入下面的太阳能电池，但不与该太阳能电池层相互作用，而是被第二太阳能电池层另一侧上的另一个滤波器反射。在一些实施例中，根据本发明，反射器150与小孔140的面积比被使得尽可能大。这是因为小孔的面积相比反射器150越小，反射的光子泄漏回第一太阳能电池200(从而违背滤波器的单向性)的概率越小。
在一些实施例中，除了将入射光会聚到小孔内之外，可通过其它方式实现允许反射器150的反射的空间调制的效果。例如，在一些实施例中，可使用单向透光滤波器来替代根据本发明的聚光装置120和小孔140。在该实施例中，根据本发明重要的是，透光性确实是单向的，滤波器100绝不让那些滤波至下一层的光子返回到第一层200。
根据本发明，滤波器100、110、150可以是任何带通、短通、长通和/或陷波滤波器、梳状滤波器和/或分立层叠层滤波器。
虽然在本发明的一些实施例中太阳能电池层可以仅有几纳米厚，但根据本发明也可能的是，光子滤波器非常薄，仅仅几纳米厚。
在一些实施例中，至少一个小孔140包含将光子从小孔有效地分散到第二太阳能电池内的衍射或分散元件。
至少一个聚光装置120、漏斗130、孔140、反射器110和/或150可由根据本发明的任何材料制成。光学滤波器和/或反射器部件110、130、150和/或聚光元件120、121、140、141可由根据本发明的下列任何材料制成：反射箔，例如金属箔；紫外线/可见光/红外线反射镜，例如，铝或金镜或在低膨胀玻璃衬底上带有不透明真空沉积金属涂层的所述镜或镜箔、铝/MgF2镜、铝/SiO镜、铝/电介质镜、受保护金镜和/或普通镜和/或任何梳状滤波器材料和/或介电堆叠材料和/或任何带通、短通、长通和/或陷波滤波器。反射和/或聚光材料的选择应根据材料的反射率-波长函数，并且在本发明的一些实施例中，还应根据其它实际情况，例如成本和可用性。在一些实施例中，优选的是，反射和/或聚光应最高对于远红外的波长是有效的，或者在任何情况下，对于和太阳能电池层中的最小带隙相对应的波长是有效的。聚光结构也可被替换成滤波器，即：梳状滤波器和/或叠层介电滤波器或将所述两种技术组合以实现单向滤波器的滤波器。这可以实现为由于滤波器100之后的光子的角度和能量分布，在外表面150上实际上始终存在对已穿过滤波器的光子的全内反射，从而防止其返回。然而，当光子来自另一侧(110，即未被反射的那些)时，这些光子被对齐以从内部穿透面150。
应该指出的是，根据本发明，实施例10可与在下文中的实施例20、21、30、40和50自由排列与组合。
图2A、2B、2C和2D示出本发明的实施例，其中两个太阳能电池层与本发明的光子滤波器组合以实现本发明的叠层太阳能电池20。入射阳光在所示图的顶部。根据本发明，第一太阳能电池层200或本申请提及的任何后续的太阳能电池层通常可由下列材料制成或包含下列材料：Si(硅)、多晶硅、薄膜硅、非晶硅、Ge(锗)、GaAs(砷化镓)、GaAlAs(镓铝砷)、GaAlAs/GaAs、GaP(磷化镓)、InGaAs(铟镓砷)、InP(磷化铟)、InGaAs/InP、GaAsP(镓砷磷)、GaAsP/GaP、CdS(硫化镉)、CIS(铜铟硒)、CdTe(碲化镉)、InGaP(磷化镓铟)、AlGaInP(磷化铝铟镓)、InSb(锑化铟)、CIGS(铜铟镓硒)和/或InGaN(氮化铟镓)。同样，第一太阳能电池层200或本申请提及的任何后续的太阳能电池层的特征可以为能够产生光电效应的任何元件或合金组合或任何材料，这种光电效应在下列公开物中有所描述：FI20070264；FI20070743；FI20070801；EP 09154530.1；授予JosukeNakata的名称为“Multilayer Solar Cell”(叠层型太阳能电池)的EP 1724841A1；授予James P.Campbell等人的名称为“Transparent solar cell andmethod of fabrication”(透明太阳能电池及制备方法)的US 6320117；Solar Electricity，Thomas Markvart，2nd Edition，ISBN 0-471-98852-9(Thomas Markvart，《太阳能发电(第二版)》ISBN 0-471-98852-9)；和″An unexpected discovery could yield a full spectrum solar cell，PaulPreuss，Research News，Lawrence Berkeley National Laboratory(PaulPreuss，“意外发现可产生全光谱太阳能电池”，Research News，劳伦斯伯克力国家实验室)，这些公开物均以引用方式并入本申请中。
在附图中，入射光子撞击太阳能电池p-n结并激发电子，从而产生可用来为负载供电的光电流。第一光子滤波器100布置在太阳能电池层200和201之间，太阳能电池200被布置成光子滤波器100位于与阳光入射侧相反的一侧。光子滤波器100被布置成将具有一定能量的光子(λ2光子)反射回第一太阳能电池200内，所述一定能量使得第一太阳能电池200具有高量子效率。另一方面，光子滤波器100被布置成可透过其它能量或波长λ1的光子，并且这些光子被布置成进入第二太阳能电池(201)。光子滤波器100不允许λ1光子返回到第一太阳能电池层，从而实现单向性。因此，具有可在第一太阳能电池层200内转化为光电流的能量/波长λ2的光子被例如反射器110反射回第一太阳能电池层200，那些不能转化的光子被布置成被传送到另一个太阳能电池层(例如第二太阳能电池层201)，并且如果处于比第二太阳能电池层201的能带隙高的能量，则被截留。
在一些实施例中，太阳能电池层非常薄，以最小化不期望的光子相互作用(即在使太阳能电池层的量子效率较低的能量处发生的相互作用)的散射截面。这些相互作用使太阳能电池变热。在一些实施例中，太阳能电池200的阳光入射侧被半渗透膜或图2B所示的抗反射涂层167覆盖。在一些实施例中，在太阳能电池200的阳光入射侧存在膜，该膜只允许太阳光子进入，而不允许其出去。在本发明的一些实施例中，这种抗反射效应通过粗糙化第一太阳能电池200的阳光入射表面来获得。
在本发明的一些实施例中，入射阳光在第一太阳能电池200的一部分上会聚，并且所得光束被布置成在穿过第一太阳能电池层200之后被反射器110分散，即，在本发明的一些实施例中，反射器也可具有不同的形状。这在图2C中更详细地示出，在该图中，透镜190将光子会聚到耗尽区，并且反射器具有分散装置195，用于将光子分散到耗尽区内并进一步分散到反射器180、181上。尤其在该实施例中，根据本发明，第一太阳能电池200的阳光入射表面的一些部分被布置有光子反射器180、181，尤其是上面不再具有许多入射光子的那些部分，因为入射光子已经会聚到第一太阳能电池200的其它部分。反射器180、181通常针对整个太阳光谱，但也可专门设计用于λ2光子。
在一些实施例中，反射滤波器110通常为梳状滤波器，但可以是根据本发明的任何其它带通光子滤波器。滤波器110将光子分成两个群：反射光子λ2和穿过的光子λ1。在本发明的一些实施例中，存在将光子群分开的截止频率/波长/能量λx，就第一光子滤波器而言，让我们称其为截止λx100。
在图2A中，第二太阳能电池201被布置成在与阳光入射侧相反的一侧111和阳光入射侧150上具有光子滤波器。光子滤波器100被布置成会聚具有不能被反射器110反射的其它能量的光子，并且所述光子从与阳光入射侧相反的光子滤波器100侧穿过小孔140。这些光子在进入第二太阳能电池层时再次经历上述过程，但在不同的带隙和截止波长的情况下。λ1光子与第二太阳能电池层201的带隙相互作用(即至少具有相互作用的能量的那些光子)。
可以总结的是，本发明的光子滤波器对太阳光谱进行空间光谱调制，即，其在图2A所示的物理空间(会聚到小孔)和频率空间(滤波)内改变光子信号/群。
在一些实施例中，第二太阳能电池201被布置成在与阳光入射侧相反的一侧上具有第二光子滤波器101。第二光子滤波器101将λ1光子群分成两部分。此处，让我们将截止波长命名为λx111。第二光子滤波器101被布置成将具有一定能量的光子反射回第二太阳能电池201，所述能量使得第二太阳能电池201具有高量子效率。这些光子在图2A、2B、2C、2D中标有λ4。第一光子滤波器100也被布置成将具有一定能量的光子反射回第二太阳能电池201，所述能量使得第二太阳能电池201具有高量子效率，并且在一些实施例中，在与阳光入射侧相反的第一光子滤波器100的一侧上具有光子反射器150。这些光子在图2A中标有λ5。在一些实施例中，这些波长相同，即，这些光子标有λ4＝λ5，但在根据本发明的其它实施例中也可以不同。在一些实施例中，光子滤波器100、101被布置成将一定能量的光子截留在第二太阳能电池内，所述能量使得第二太阳能电池201具有高量子效率。具有这样的能量的光子将在滤波器100和101之间跳动，直到其被第二太阳能电池层201吸收或经过光子-声子过程为止，该过程允许这些光子逸入具有能量/波长λ3的光子群并离开滤波器101。换句话讲，第二光子滤波器101被布置成可透过不处于使第二太阳能电池201具有高量子效率的能量的光子，并且这些可透过光子被布置成进入第三太阳能电池202(此处未示出)或离开叠层太阳能电池系统。
根据本发明还提供了一种制备上述太阳能电池的方法。在本发明的一些实施例中，通过以下方法制备、制造和/或生长太阳能电池层和/或光子滤波器：光刻、分子束外延(MBE)、金属有机气相外延(MOVPE)、直拉(CZ)硅晶生长法、限边馈膜生长(EFG)、浮区硅晶生长法、硅锭生长法和/或液相外延(LPE)。下列参考文献中所述的任何制备方法都可用于生产根据本发明的太阳能电池：名称为“Anactive solar cell and method of manufacture”(有源太阳能电池和制造方法)的FI20070264；名称为“Thermodynamically shielded solar cell”(热力学屏蔽的太阳能电池)的FI20070743；名称为“Method and means fordesigning a solar cell”(设计太阳能电池的方法和装置)的FI20070801；名称为“Low cost solar cell”(低成本太阳能电池)的EP 09154530.1；授予Josuke Nakata的名称为“Multilayer Solar Cell”(叠层型太阳能电池)的EP 1724841A1；授予James P.Campbell等人的名称为“Transparent solar cell and method of fabrication”(透明太阳能电池及制造方法)的US 6320117；Solar Electricity，Thomas Markvart，2nd Edition，ISBN 0-471-98852-9(Thomas Markvart，《太阳能发电(第二版)》ISBN0-471-98852-9)；和″An unexpected discovery could yield a full spectrumsolar cell，Paul Preuss，Research News，Lawrence Berkeley National6320117Laboratory(Paul Preuss，“意外发现可产生全光谱太阳能电池”，Research News，劳伦斯伯克力国家实验室)；授予Ugur Ortabasi的名称为“Concentrating photovoltaic cavity converters for extremesolar-to-electric conversion efficiencies”(用于极端光电转换效率的集中光伏腔转换器)的US 6689949；授予David g.Jenkins的名称为“Concentrating photovoltaic kaleidoscope and method”(集中光伏万花筒及方法)的US 2008/0251112A1。
光学滤波器部件、反射器元件110、111、130、131、150、151和/或聚光元件120、121、140、141可由根据本发明的下列任何材料制成：反射箔，例如金属箔；紫外线/可见光/红外线反射镜，例如，铝或金镜或在低膨胀玻璃衬底上带有不透明真空沉积金属涂层的所述镜或镜箔、铝/MgF2镜、铝/SiO镜、铝/电介质镜、受保护金镜和/或普通镜和/或任何梳状滤波器材料和/或介电堆叠材料和/或任何带通、短通、长通和/或陷波滤波器。反射和/或聚光材料的选择应根据材料的反射率-波长函数，并且在本发明的一些实施例中，还应根据其它实际情况，例如成本和可用性。在一些实施例中，优选的是，反射和/或聚光应最高对于远红外的波长是有效的，或者在任何情况下，对于和太阳能电池层中的最小带隙相对应的波长是有效的。
应该指出的是，根据本发明，实施例20可与在上文和下文中的实施例10、21、22、23、30、40和/或50自由排列与组合。
图2B提供了一种用于本发明的叠层太阳能电池的替代的有创新性的光子滤波器构造。如上所述，阳光进入叠层太阳能电池的第一太阳能电池200。滤波器110优选地被调节为将高能量和短波长λ2光子反射回太阳能电池200，并且第一太阳能电池200通常被布置成具有高能带隙和在这些较高能量下具有高效率的响应或量子效率(QE)函数。滤波器100被布置成通过具有较长波长λ1的较低能量光子。这些λ1光子被布置成进入第二太阳能电池201，第二太阳能电池201具有在这些光子的能量下具有较高量子效率的响应和带隙。然而，第二太阳能电池201需要在阳光入射侧上的光子滤波器170，并且需要将λ1光子布置成通过该滤波器，以确保将光子截留在第二太阳能电池201中。为了上述目的，在两个滤波器110和170之间布置有抗反射涂层160。滤波器170被布置成将第二太阳能电池201入射侧的λ1光子反射回第二太阳能电池201，因此，这些光子需要小心穿过滤波器170以到达第二太阳能电池201，以使得滤波器170不将其反射回第一太阳能电池200，因为那里不需要λ1光子，原因是根据本发明它们不能转化为电流。
抗反射涂层160通常为具有折射率√(n110n170)的四分之一波长层，其中n110是滤波器110的折射率，n170是滤波器170的折射率。如上所述，抗反射涂层通常具有(1/4)*λ1或类似的厚度。应该指出的是，由于最佳厚度随波长变化，在本发明的一些实施例中，抗反射涂层的最佳厚度可以明显偏离λ1，具体取决于穿过光子滤波器110的二次光子光谱。
在本发明的一些实施例中，抗反射涂层160包含若干层上述四分之一波长层，通常基于不同的波长来增加抗反射涂层160的光谱范围。在本发明的一些实施例中，折射率可偏离√(n110n170)，优选地适应根据本发明的其它设计要求。抗反射涂层160被设计成实现λ1光子进入第二太阳能电池层201的平滑过渡，并且在滤波器170和第二太阳能电池层201之间没有抗反射涂层的事实被设计成防止此时在第二太阳能电池层201内的任何光子经滤波器170朝第一太阳能电池层200返回。
在本发明的一个实施例中，材料的折射率被调节为在滤波器170和第二太阳能电池层201之间存在全内反射。在该实施例中，优选地，滤波器170将具有低折射率，而第二太阳能电池层201则应具有高折射率。根据本发明且考虑到临界角定律θ＝arcsin(nto/nfrom)，这将是优选的，其中nto为光子将进入的目标材料的折射率，nfrom为下述材料的折射率，光子试图从该材料离开以进入目标材料。因此，如果滤波器170具有相对第二太阳能电池层201较低的折射率，→对于从滤波器170到第二太阳能电池层201的光子arcsin(high)→未限定，即使在掠射角也没有全内反射，则光子将通过。然而在返回时，arcsin(low)→即使对于几乎垂直入射的返回光子，也会发生全内反射。在一些特定界面中，材料的折射率可用来实现根据本发明的优选分布。
事实上，在本发明的一些实施例中，当适当调节材料的折射率时，不需要使用抗反射涂层160。
事实上，在一个实施例中，在两个太阳能电池层200和201之间没有滤波器，相反，在某些波长处材料的折射率被选择为在适当光子能量处对于适当太阳能电池层产生光子截留，并且在两个太阳能电池层200和201之间的界面实现了本发明的单向光子滤波器。该实施例在图2D中示出。例如，在一个实施例中，第二太阳能电池201在低于第一太阳能电池200的能带隙的能量处具有高相对折射率，在高于第一太阳能电池200的能带隙的能量处具有低相对折射率。通过这样选择折射率，更适合第一太阳能电池层200的带隙的高能量光子在第二太阳能电池201的界面处被反射回第一太阳能电池200中。
此外，更适合第二太阳能电池层201的带隙的低能量光子此时将透过该界面。此外，被透射至第二太阳能电池201内的光子通常从第二太阳能电池201底部的反射器反射回来。当这些光子返回该界面时，全内反射的可能性非常大，因为对于返回的被反射光子来说，界面具有高相对折射率nfrom和低相对折射率nt0。因此，返回的光子被捕获到第二太阳能电池层201内，除非其能够传送至另一个第三太阳能电池层或穿过具有类似折射率的界面或此前提及的其它单向滤波器选项中的一些离开。此外，由此产生了破坏(disruptive)的发明：实际上，在叠层太阳能电池中，太阳能电池材料的折射率-波长函数应在所述太阳能电池材料的带隙附近达到峰值，甚至更优选地在远离该带隙的能量下具有低折射率。因此，叠层太阳能电池中的太阳能电池层应具有与折射率-波长函数一起达到峰值的QE(量子效率)-波长函数，即，在本发明的叠层太阳能电池的太阳能电池层中，高折射率将理想地与高QE相关。
很显然，根据本发明具有通过如上所述选择太阳能电池层材料的折射率实现的一个以上的光子滤波器。例如，具有四个太阳能电池层的叠层太阳能电池可具有通过选择具有合适的折射率的各个太阳能电池层实现的两个界面，以及具有一些更精致的单向光子滤波器构造的一个界面，例如，如前所述的空间光谱调制、抗反射涂层和/或粗糙化的界面。当然，还根据本发明的是，在太阳能电池层之间具有单个滤波器层，如图2C所示。
λ1光子接着通过滤波器170进入第二太阳能电池201，λ4光子被布置成截留在第二太阳能电池201中，而λ3光子被布置成穿过滤波器111并离开第二太阳能电池201。与此前所述一致，第二太阳能电池201通常被布置成在光子λ4的能量处具有高量子效率，该光子通常为光子群λ1的高能量光子。通常根据本发明，光子λ3具有较低能量和较长波长，在该波长下，第二太阳能电池201不再有效率。因此，λ3光子被布置成离开第二太阳能电池，并且可以进入第三太阳能电池(未示出)，或者仅仅离开叠层太阳能电池。λ3光子通常透过根据本发明的滤波器111并到达抗反射界面165，因为如上所述，λ3光子是第二太阳能电池中不需要的。
在这种特定情况下，已通过将两个光子滤波器111和171之间的界面粗糙化来实现抗反射界面165。粗糙化的界面165被布置成通常通过光子滤波器171来防止全内反射和反射。这是因为在粗糙化的界面中，光子不能以全内反射的角度通过单次反射逸出界面，相反，它们将在通常允许透射的粗糙界面中某些地方以入射角到达光子滤波器171。
很显然，在本发明的一些实施例中，图2B的抗反射涂层160和/或抗反射界面165可用来替代图2A的空间光谱调制光学滤波器构造(120、130、140)。
很显然，本发明的叠层太阳能电池的特征可以在于具有任何数量和任何类型的滤波器构造的太阳能电池，这些滤波器构造可包括具有根据本发明的任何组合和/或排列的抗反射涂层160、抗反射界面165、适当选择的折射率nto、nfrom和/或空间光谱调制。应该指出的是，可根据本发明将任何界面粗糙化以增强抗反射性，例如，也可根据本发明使基于如上所述所选折射率布置到滤波器光子的界面粗糙化。
为清楚起见，应该指出的是，叠层太阳能电池具有与图2A、2B、2C和2D中的入射阳光平行的耗尽区界面。很显然，耗尽区界面也可以与入射阳光垂直或事实上成任何角度，因为重点是让光子进入根据本发明具有光电活性的第一太阳能电池200。在本发明的一些实施例中，P区和N区之间的耗尽区界面被布置成垂直于入射阳光，但根据本发明，任何布置都是可能的。收集产生的光电流的电触点在图2B中示出为前触点250和后触点251，但很显然，它们可以根据本发明被设置成适应不同构造。电触点通常被隐藏以最小化遮蔽损失，例如通过如前触点250所示的斜埋触点(Angled Buried Contacts)，其中触点实际上以一定角度埋在表面下面，从而不产生对入射辐射的遮蔽。甚至内埋触点也应根据本发明制备成反射光子。相似地，可使用任何光学集中器、透镜等将阳光或来自其它光源的光聚焦到本发明的太阳能电池，尤其是聚焦到根据本发明的第一太阳能电池200的入射侧，图2C中仅示出一个实例。
应该指出的是，根据本发明，实施例21可与在上文和下文中的实施例10、20、22、23、30、40和/或50自由排列与组合。
图2C示出了具有在阳光入射侧的聚光装置190和截留反射器180、181的实施例22。光子通常被会聚到耗尽区，并且在第一太阳能电池层200的顶部可存在分散反射器195，以确保反射的光子不被反射并通过进入时的小孔离开太阳能电池。
图2C还示出在所述太阳能电池层200和201之间的单个单向滤波器100，这是本发明的有用实施例。
应该指出的是，实施例22可根据本发明与在上文和下文中的实施例10、21、23、30、40和/或50自由排列与组合。
图2D示出本发明的最简单实施例23，但该实施例对所选材料的标准最严格。在该实施例中，滤波器100纯粹通过两个太阳能电池层200和201之间的界面100来实现，这些太阳能电池层具有如上所述经选择的带隙和折射率。
应该指出的是，实施例23可根据本发明与在上文和下文中的实施例10、21、22、30、40和/或50自由排列与组合。
图3示出本发明的一个实施例，其中存在四个太阳能电池层200、201、202和203以及三个或四个光子滤波器100、101、102和103。应当认识到，本发明的其中一个关键的创新概念是让每个太阳能电池层在一定能带处工作，在该能带处，太阳能电池层利用尽可能多的所述能带的光子而具有高量子效率(QE)，并且将不在该能带的光子移动到在这些被移动的光子的能带处具有更好QE的另一个太阳能电池层。因此，太阳能电池层的QE-波长分布对于在设计中实施多少太阳能电池层很重要。通常，对于半导体结来说，最佳能量周围的能带越窄，量子效率越高。当进入的能带包括具有仅略大于带隙的能量的光子时，光子中的几乎所有能量会被光电转换，从而产生高效率。
在本发明的一个实施例30中，叠层太阳能电池包括若干太阳能电池层200、201、202、203，并且在两个太阳能电池层之间存在光子滤波器100、101、102。光子滤波器调整为仅捕获具有适当能量的那些光子，在该能量下，太阳能电池层以理想地接近1的良好的量子效率(QE)工作。其余光子仅被光子滤波器传递到下一层。太阳能电池层200、201、202优选地非常薄或以其它方式设计，使得太阳能电池和一定能量的光子群之间的相互作用最小，在该能量下，量子效率不很好(即远小于1)。在一些实施例中，最末太阳能电池层(即本例中的203)可以较厚。其也可以具有在与阳光入射侧相反的一侧上的反射镜或光子滤波器103，该滤波器可被设计成让热光子出去，但捕获具有光伏带隙吸收势(即足以被吸收的能量)的光子。
在本发明的一个优选实施例中，第一太阳能电池层200为具有3.4eV(电子伏)的带隙的GaN层。在本发明的一些实施例中，第二太阳能电池层201为具有1.93eV的带隙的InGaP层。在本发明的一些实施例中，第三太阳能电池层202为具有1.1eV的带隙的多晶硅层。在本发明的另一些实施例中，最末太阳能电池层203为具有0.17eV的带隙的InSb层。截止波长λx可能是什么呢？在层200中，具有小于3.4eV的带隙的光子是没用的，因为其不能被吸收为光电流。因此，λx100应对应于3.4eV左右，即365nm，即可以让波长365nm(纳米)以上的光子通过的UV反射镜。因此，带隙1.93eV的InGaP第二太阳能电池层201将需要λx101对应于1.93eV左右，即643nm，即可以让波长643nm以上的光子通过的可见光反射镜。带隙1.1eV的多晶硅第三太阳能电池层202将需要用于λx102的1128nm，即红外反射镜。波长在阈值1128nm左右以上的光子将被透射到具有InSb带隙0.17eV→7301nm的第四层203。在本发明的一些实施例中，该最末层203将被制备得较厚，因为所有剩余光子都应在该层203中相互作用。
在本发明的一些实施例中，优选地将太阳能电池系统制备得较薄。在本发明的一些实施例中，每个太阳能电池层的厚度是与带隙相当的波长的合理倍数，以确保太阳能电池层中的光子的粒子性质。例如，如果倍数为10，则太阳能电池层200、201、202和203将分别具有3650nm、6430nm、11280nm和73010nm的厚度。在本发明的优选实施例中，四分之一波长抗反射涂层将分别具有大致91.25nm、160.75nm、282nm和1825nm的厚度。假设滤波器具有可比较的厚度，则根据本发明的该实施例，该结构将为约1毫米厚。自然地，这些参数可以根据本发明调整。显然，四层叠层太阳能电池为优选实施例，因为其非常好地对太阳光谱和所得二次光谱(在第一太阳能电池层之后出现的光谱)、三次光谱(在第二太阳能电池层之后出现的光谱)和四次光谱(在第三太阳能电池层之后出现的光谱)进行采样。
应注意的是，实施例30可根据本发明与在上文和下文中的实施例10、20、21、22、23、40和/或50自由排列与组合。
图4示出了在能量空间(即光谱空间)中的本发明的示例性实施例。入射太阳光谱300从UV区的200nm延续至大约2400nm，光谱300为通常在地球上出现的AM 1.5G 1000W/m2太阳光谱。第一太阳能电池层200具有能量比GaN略低并且能量比InGaP略高的太阳能电池响应。其在365-645nm之间(即蓝光)具有相当高的QE，如在光谱300下面的QE图中所示。由于太阳能电池响应实际上与入射光谱300中密集的大凸起重合，示出收集的光电流功率谱的光谱分布(从而由第一太阳能电池层200产生的能量和功率)的光电流功率谱400在形状上与第一太阳能电池层200的响应非常类似。然而，光子光谱401在到达第一光子滤波器100时将有较大变化。光子滤波器100在本发明的一些实施例中将对光子光谱401进行空间光谱调制，或者如上所述使用另一个单向滤波器。光子滤波器100将优选地反射具有较高能量和较短波长的λ2光子，即具有应与根据本发明的太阳能电池层200的能带隙相对应的λx100的较短波长的光子。λ1光子将被聚光装置或其它空间调制装置(产生调制的空间分量)或者被另一个单向滤波器透射至第二太阳能电池层201，并且在根据本发明的一些实施例中，该层将再次具有不同的截止频率λx101。
太阳能电池响应201从该光子群转化光电流。光子滤波器101将把λ4光子反射回太阳能电池层201，并且进行反射的反射器位于与阳光入射侧面向相同方向的一侧上。光子滤波器100将具有在小孔140(将λ1光子释放到第二层201内)周围的反射器150或另一个反射滤波器170或界面，该反射滤波器或界面如前所述位于面向第二太阳能电池层的阳光入射侧上。该反射器将把λ5光子再次从光子滤波器100的与阳光入射侧相反的一侧反射回去，导致光子被截留在光子滤波器100和101之间，以便光子可与第二太阳能电池层的带隙相互作用。尽管光子滤波器将是单向的，但在实际情况下，可能无法实现完全理想的单向滤波结果：在采用空间光谱调制的情况下，通过返回的光子不大可能地入射到小孔，将发生少量光子泄漏，在折射率结构中可能保留一些散射角光子，在该入射角下，一小部分光子或许能够违背单向性，即使其处于本应将其截留在当前所处的太阳能电池层内的能量。
在根据本发明的一些实施例中，其余低能量光子λ3被传送到第三太阳能电池层202，或者在本发明的一些实施例中只是离开叠层太阳能电池被释放或保留在晶格中。
应该指出的是，实施例40可根据本发明与在上文和下文中的实施例10、20、21、22、23、30和/或50自由排列与组合。
图5以流程图50示出本发明的方法和装置的操作的实施例。我们首先观察光子进入第一太阳能电池层200之后的情况。一旦光子群穿过第一太阳能电池层200，一些光子即被吸收和在该太阳能电池层中激发光电流。在穿过优选地很薄的第一太阳能电池层200之后，光子在步骤600中到达光子滤波器100，在该步骤中，具有比λx100短的波长的光子被反射回第一太阳能电池层200。入射和反射的光子产生太阳能电池200的光功率。
在步骤610中，具有比λx100长的波长的光子被至少一个透镜120聚光。该透镜可具有根据本发明的任何形状和任何材料，但也可被任何其它聚光装置代替，事实上可被能够以所需方式将光子群分开的任何装置(例如被单向滤波器)代替。关于将穿过的光子聚光的关键是进行空间方面的调制，以便在光子滤波器100的面向第二太阳能电池层201的另一壁实现足够的反射表面。
根据本发明，在一些实施例中，采用其它等同装置来进行聚光和空间调制。例如和替代地，在一些实施例中，具有比λx100长的波长的光子可传送到抗反射涂层或如图2B中所解释的粗糙界面，或者可以传送到具有一定折射率的界面或如图2C所示和如前所述的单向滤波器100，所述折射率被调节为确保如图2D所示和如前所述的光子选择和截留。
在步骤620中，具有比λx100长的波长的光子经至少一个小孔140进入太阳能电池201，该小孔通常非常小，以便最大化光子滤波器100的面向第二太阳能电池层201的另一壁的反射区域150。这些入射光子中的一些此时从第二太阳能电池层201产生光功率。在步骤630中，具有比λx100短的波长的光子被光子滤波器101反射。这些光子因而只是被反射回第二太阳能电池层201。这些被反射的光子中的一些被吸收并且产生太阳能电池201的光功率。
被反射的光子中的一些再次穿过第二太阳能电池层201，而没有被吸收。假设其波长比λx101短，则这些光子被再次反射，这次是被光子滤波器100的反射器150反射。在本发明的一些实施例中，在面向第二太阳能电池层201的壁上的光子滤波器的反射器150被设计成简单地反射回所有光子或根据本发明在尽可能宽的带上反射尽可能多的光子。在步骤630中，此时将存在在根据本发明的光子滤波器100和101之间来回跳动的光子群。这种光子截留为光子被吸收到第二太阳能电池层201内提供了若干机会。在步骤640中，不再有机会被转化为光电流的光子被透镜121或其它聚光装置会聚。合理的是调节截止λx101，以便将确实有机会在第二太阳能电池层201内被吸收的所有光子反射回去，但自然地，可根据本发明以其它方式(例如基于其它设计标准)选择λx101。
在步骤650中，具有比λx101长的波长的光子进入太阳能电池202，优选地，从光子滤波器101面向第三太阳能电池层202的壁内的小孔141进入。该过程在第三太阳能电池层202内以上述相同的原理进行，所不同的是以更长的波长来产生太阳能电池202的光功率。
应该指出的是，实施例50可根据本发明与在上文和下文中的实施例10、20、21、22、23、30和/或40自由排列与组合。
结合提供对光子单向滤波的空间光谱调制来解释方法50的操作。根据本发明，使用前述其它单向光子滤波器来实现对已作必要修正的实施例50的操作。
还应该注意的是，在所有或一些实施例中，除了带隙间半导体之外，也可使用带隙内半导体结(例如量子级联半导体结)来实现根据本发明的特定太阳能电池层的所需光电性质。此外，还应该指出的是，本发明的太阳能电池不一定是正方形或平坦的，实际上，其可以实现为任何形状，例如在一些实施例中为球形，如名称为“Thermodynamically shielded solar cell”(热力学屏蔽的太阳能电池)的FI20070743及其对等专利或其它文献中所述。此外，还应强调的是，在本发明的一些实施例中，本发明的太阳能电池或叠层太阳能电池系统可以实现为从纳米级结构到大型结构的任何尺寸。从发电厂级别的装置到非常小的便携式装置的电源解决方案，根据本发明的太阳能电池和光子滤波系统可在许多市场中使用。
还应该注意的是，此处已将本发明描述为最高带隙太阳能电池和最高带通滤波器首先入射阳光。
应该注意的是，本发明也可以相反的顺序实施，即在一些实施例中首先存在较小能量的太阳能电池层和滤波器。实际上，在本发明的一些实施例中，太阳能电池层的带隙可具有任何顺序，重要的是，这些太阳能电池层利用适当的能量的光子工作，在该能量下，太阳能电池层具有良好的QE，并且不利用使QE较低的能量的光子工作。
然而，在本发明的一些实施例中，优选的是，在从叠层太阳能电池的阳光入射侧向反面移动时，首先是最高带隙的材料，并且滤波的进行和带隙具有从高到低的顺序，因为这样产生能量的每个第一光电单元产生最少次数的光电吸收。通俗地讲，吸收其自身的较大能量的光子首先以较少量的吸收产生较多能量，因为吸收具有较高能量。这导致较少量的二次光子和声子的产生，并且我们确实想要避免小能量光子，尤其是当其能量过小使得迫使我们在连续的太阳能电池层中寻找足够小的带隙时。然而，当首先从低带隙材料开始时，会发生多次的吸收，但以每次吸收是在低单位能量进行的。在这种情况下，能量较高的光子将产生大量二次光子，并且光谱将“变冷”，即相当快地移动至较低E的光子。一旦这些光子开始接近我们无法再进行光电收集的能量，它们就开始寄生，因而不是优选的。
应该注意的是，此处所述实施例可以任何组合或排列方式与本发明人的下列其它专利申请和/或其对应的国际专利中描述的任何实施例结合使用：名称为“An active solar cell and method of manufacture”(有源太阳能电池和制造方法)的FI20070264；名称为“Thermodynamicallyshielded solar cell”(热力学屏蔽的太阳能电池)的FI20070743；名称为“Method and means for designing a solar cell”(设计太阳能电池的方法和装置)的FI20070801；和名称为“Low cost solar cell”(低成本太阳能电池)的EP 09154530.1，这些专利明确地并入本申请中。
例如，在本发明的一些实施例中，优选地尤其在较下层太阳能电池层中使用如FI20070264中所述的偏置电压，以便在非常低的带隙下实现光电转换。例如，在根据本发明的一些实施例中，可通过非常有效的方式实现FI20070743中的聚光和对流、传导和/或辐射屏蔽方案，以确保高光子通量。同样，可使用FI20070801中的软件设计方法来设计根据本发明的叠层电池中的一些。EP 09154530.1中的一些成本降低实施例或其它实施例可与本发明的实施例结合。因此，通过将同一发明人的这五个专利申请的实施例组合，可得到许多可用的实施例，这些专利都涉及相同的主题，即为全球能源问题提供光电解决方案。
应该注意的是，从上述太阳能电池层收集光电流的电极可被布置成根据本发明的任何构造。此外，p-n结相对于入射阳光通量或人工光的位置和/或角度可被布置成任何位置和/或角度，并且本发明的系统可以任何几何形状实现。
目前尚不清楚导致太阳能电池效率不足的全部因素。然而，根据本申请人的研究，一般的叠层太阳能电池主要受累于光子-声子过程，该过程发生在太阳能电池的最大量子效率的谱带以外。本申请中提出的创新性概念，即过滤光子群以使得叠层太阳能电池的所有层都以其最佳量子效率(QE)工作，将大大提高太阳能电池的效率和所产生的功率。由于将光子返回前面的太阳能电池层的不期望的泄漏最小化，因此本发明的光子滤波器的单向性实现了这个优点。
上述发明具有多个应用场景。本发明的太阳能电池可安装到发电厂，以产生入网的电能。本发明可安装到任何建筑物上，以便为该建筑物或别处的空调和家用电器等提供电能。本发明的太阳能电池可安装到车辆上，以便为车辆的马达供电、为电池充电或为车辆的电器供电。然而，由于本发明的太阳能电池具有相当高的设计和初始制造成本，最有利的应用可能是在便携式电子设备领域。膝上型计算机、移动电话、电剃须刀、脱毛机、电牙刷、计算器、诸如MP3播放器(如ipod)的音乐播放器、掌上电脑、电视机、收音机、屏幕、监视器、打印机、闪存驱动器、外接硬盘驱动器、手表和/或目前需要充电器的任何其它类型的电动设备都可以安装本发明的太阳能电池。由于本发明的太阳能电池可非常有效地产生单位面积的高功率，因此该太阳能电池可使装置的电池始终保持大量电能，而不会增加便携式装置的尺寸。本发明的另一个突出优点是，其也可以非常有效地将人工光转化为电能。在一个有利的实施例中，叠层太阳能电池的至少一个太阳能电池层被专门布置成使其具有一定的带隙和光谱响应，可以有效地将室内的灯(例如，荧光灯、LED(发光二极管)或灯泡)发射的光子转化为电能。通过根据本发明选择具有适当光谱响应和带隙的太阳能电池层材料，本发明的太阳能电池层也可被布置成在室内和室外阳光下均良好地工作。
很显然，本发明的太阳能电池可以被伪装，以在美学上适合任何产品或建筑物。另外，很显然，本发明的太阳能电池可与其它发电机制(例如，通过压电晶体等进行动能发电)结合，以增加便携式电子设备的电池时间，甚至在本发明的一些实施例中可以不使用电网充电器。
事实上，包括被布置成通过光电转换发电的太阳能电池(由阳光和室内灯光)和被布置成由其机械运动(例如，通过使用和携带电力系统的人的机械运动)发电的压电晶体的发电系统本身就是一项发明。该系统可用来实现具有长得多的电池时间的新装置，或者甚至不受电网充电限制的新的便携式装置。机械和光伏电源的组合尤其优选，因为光伏发电在便携式装置暴露时工作，而压电和/或基于例如可见于手表中的摆动和/或弹簧的其它机械发电系统通常在便携式电子设备被隐藏在使用者口袋中(即被移动到暗处)时使用。这样，本发明的系统几乎随时都在为便携式电子设备充电。尤其是在一个实施例中，机械发电机和太阳能电池的组合电力系统的特征在于具有在一定能量处的带隙的太阳能电池，该能量与从荧光灯或其它室内照明系统发射的光子(通常在400-500nm的波长)相关。
本发明的叠层太阳能电池将完美地适合用于便携式装置的上述电源解决方案，因为其可以处理各种入射光光谱，例如在一些实施例中的室内灯光光谱。
上文已经结合上述实施例说明了本发明，并且已经展示了若干种商业和工业优点。本发明的方法和装置允许构造这样的太阳能电池：其中大量非常薄的太阳能电池层分别以几乎100％的量子效率工作，因为本发明的光子滤波器将光子群限制在太阳能电池层的最有效谱带内，从而通过本发明使实践中理想的太阳能电池成为可能，该电池提供了接近太空中的太阳常数1.37kW/m2和地面上大约1kW/m2的功率。
上文已结合上述实施例说明了本发明。然而，很显然，本发明并不限于这些实施例，还包括在下列权利要求和本发明的精神和范围内的所有可能的实施例。
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Claims (22)

1.一种叠层太阳能电池，其包括至少两层太阳能电池，第一层(200)和第二层(201)，
-在第一太阳能电池层(200)和第二太阳能电池层(201)之间布置第一光子滤波器(100)，
-第一太阳能电池层(200)被布置成在与阳光的入射侧相反的一侧上具有光子滤波器(100)，
-光子滤波器(100)被布置成将一定能量(λ2)的光子反射回第一太阳能电池层(200)中，
-光子滤波器(100)被布置成透过没有被布置成被反射的其它能量(λ1)的光子，并且这些光子被布置成进入第二太阳能电池层(201)，其特征在于，
光子滤波器(100)被布置成从其第一侧(110，111)反射具有比λ2短的波长的光子，并且通过下述方式被布置成透过比λ2长的波长的光子，所述方式是会聚(120，121)所述长波长光子以使其离开光子滤波器(100，101)的与第一侧相反的另一侧上的小面积孔(140，141)，并且光子滤波器(100，101)的另一侧被布置成反射(150，151)比λ2长的波长的所述光子中的至少一些。
2.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述一定能量(λ2)是第一太阳能电池层(200)具有比第二太阳能电池层(201)高的量子效率(QE)处的能量，和/或所述其它能量(λ1)是第二太阳能电池层(201)具有比第一太阳能电池层(200)高的量子效率(QE)的能量。
3.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，第二太阳能电池(201)被布置成在与阳光的入射侧相反的一侧(111)和阳光入射侧(150)上具有光子反射器。
4.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，光子滤波器(100，101)被布置成会聚(120，121)其它能量的所述光子，并且所述光子从与阳光的入射侧(150，151)相反的光子滤波器(100，101)侧穿过小孔(140，141)。
5.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，光子滤波器(100，101，102，103)为介电堆叠和/或梳状滤波器和/或两种滤波器的组合。
6.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池，其特征在于，第二太阳能电池层(201)被布置成在与阳光的入射侧相反的一侧上具有第二光子滤波器(101)。
7.根据权利要求6所述的叠层太阳能电池，其特征在于，
-第二光子滤波器(101)被布置成将具有作为第二太阳能电池层(201)具有高量子效率的能量处的能量的光子反射回到第二太阳能电池(201)中，
-通过位于第一光子滤波器(100)中与阳光的入射侧相反的一侧上的光子反射器(150)，第一光子滤波器(100)也被布置成将具有作为第二太阳能电池层(201)具有高量子效率处的能量的能量的光子反射回到第二太阳能电池层(201)中，
-光子滤波器(100，101)被布置成将处于第二太阳能电池层(201)具有高量子效率(QE)处的能量的光子俘获到第二太阳能电池层(201)中。
8.根据权利要求6所述的叠层太阳能电池，其特征在于，
-第二光子滤波器(101)被布置成透过不处于所述第二太阳能电池(201)具有高量子效率(QE)处的能量的光子，
-所述透过的光子被布置成进入第三太阳能电池(202)。
9.一种用于制备根据权利要求1所述的太阳能电池的方法。
10.一种叠层太阳能电池，其包括至少两个太阳能电池层，其特征在于，所述叠层太阳能电池(20，30)被布置成将入射光子传送到太阳能电池层(200，201，202，203)，与叠层太阳能电池中的其它所述太阳能电池层相比，所述太阳能电池层(200，201，202，203)在所述入射光子的能量处具有最高量子效率(QE)。
11.根据权利要求6和/或10所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述被传送的光子被布置成被捕获到具有最佳量子效率(QE)的所述太阳能电池层(200，201，202，203)中。
12.一种叠层太阳能电池，其包括至少两层太阳能电池，第一层(200)和第二层(201)，其特征在于，
-在第一太阳能电池层(200)和第二太阳能电池层(201)之间布置第一光子滤波器(110)，
-在所述第一光子滤波器(110)和第二太阳能电池层(201)之间布置抗反射层(160，165)，
-在所述抗反射涂层(160)和第二太阳能电池层(201)之间布置第二光子滤波器(170)。
13.根据权利要求12所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述抗反射层(160，165)通过粗糙化在第一光子滤波器(110)和第二光子滤波器(170)之间的界面中的表面来建立。
14.根据权利要求12所述的叠层太阳能电池，其特征在于，抗反射层(160)由四分之一波长抗反射层来建立。
15.根据权利要求12所述的叠层太阳能电池，其特征在于，光子被布置成被捕获到具有最佳相对量子效率(QE)的太阳能电池层中。
16.一种叠层太阳能电池，其包括至少两层太阳能电池，第一太阳能电池层(200)和第二太阳能电池层(201)，其特征在于，在所述第一太阳能电池层(200)和所述第二太阳能电池层(201)之间布置至少一个单向光子滤波器(100)。
17.根据权利要求16所述的叠层太阳能电池，其特征在于，光子被布置成被捕获到具有最佳相对量子效率(QE)的太阳能电池层(200，201，202，203)中。
18.一种叠层太阳能电池，其包括至少两层太阳能电池，具有带隙能Ebg的第一太阳能电池层(200)和第二太阳能电池层(201)，其特征在于，第二太阳能电池(201)在等于或高于Ebg的光子能量处具有比第一太阳能电池层(200)低的折射率。
19.根据权利要求18所述的叠层太阳能电池，其特征在于，第二太阳能电池(201)在低于Ebg的光子能量处具有比第一太阳能电池层(200)高的折射率。
20.一种叠层太阳能电池，其包括至少两层太阳能电池，第一太阳能电池层(200)和第二太阳能电池层(201)，其特征在于，至少一个太阳能电池层(200，201)被布置成使其量子效率(QE)-波长函数和其折射率-波长函数在相同波长处达到峰值和/或高值。
21.一种包括至少一个太阳能电池的便携式电子设备，其特征在于，所述便携式电子设备的特征是被布置成由所述便携式电子设备的机械运动产生电力的至少一个压电晶体和/或至少一个机械装置。
22.根据权利要求21所述的便携式电子设备，其特征在于，所述太阳能电池是根据权利要求1、10、12、16、18和/或20所述的叠层太阳能电池。
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