CN103098222B - 交流偏置热载流子太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

描述了极高效率太阳能电池的设计。新交流偏置方案通过能够实现对热载流子的提取将光伏功率提取能力增强至高于电池带隙。当在传统太阳能电池中应用时，该交流偏置方案具有是其所产生的净效率两倍以上的潜力。当连同结合了基于量子阱（QW）或量子点（QD）的太阳能电池的太阳能电池而应用时，所描述的交流偏置方案具有以下潜力：可能跨越整个太阳光谱扩展这种太阳能电池功率提取覆盖，从而能够实现前所未有的太阳能功率提取效率。在这种电池内，新交流偏置方案将电池能量转换能力扩展至高于电池材料带隙，同时使用量子限制结构来将电池能量转换能力扩展至低于电池带隙。将光限制腔结合到电池结构中，以便允许吸收电池内部光电发射，从而进一步增强电池效率。

Description

交流偏置热载流子太阳能电池
相关申请的交叉引用
本申请是于2010年7月9日提交的美国专利申请No. 12/833,661的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及太阳能电池、太阳能供电系统和方法的领域。
背景技术
太阳能电池效率损失机制
现今的太阳能电池实质上低于由Sockley-Queisser Model (SQ-Model [W.Shockley and H.J. Queisser, "Detailed Balance Limit of Efficiency of p-nJunction Solar Cell", J. App. Phys., Vol. 32, pp. 510-519 , March 1961])建立的理论效率水平进行操作。本文描述的太阳能电池设计可以超过由SQ-Model建立的极限。为了向着超过SQ-Model改进太阳能电池效率，重要的是理解导致太阳能电池效率上的降低的机制。图1（改编自"Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar EnergyConversion", M.A. Green, Springer, New York, 2003, pp. 35-43）说明了单结太阳能电池中的这些效率降低机制。参照图1，太阳能电池中的效率损失机制包括以下列出的效应。
表示具有低于器件的带隙（被标记为Eg）的能量（Ep）的未被吸收的输入光子，因此，太阳能电池未将其能量转换为电流。
表示具有高于带隙的能量的被吸收的输入光子，但是通过产生声子（在图1中由虚线表示），由于将光激励电子和空穴（载流子）分别张弛至导带最小值（CBM）和价带最大值（VBM），损失其过度能量作为热量。在该损失机制中，首先，具有高于太阳能电池材料带隙的能量的光激励载流子将与其他载流子平衡，以形成可由玻尔兹曼（Boltzman）分布描述的载流子群体（参见图2）。此时，定义载流子分布的温度将高于材料晶格温度，并且因此，载流子被称作“热载流子”。典型地，由于其较低的有效质量，电子主要包含与高温相关联的附加能量。在典型太阳能电池中，通过在其冷却时间τc时段期间产生声子来对电池材料晶格放出其过度能量，热电子将与电池材料晶格平衡（参见图2）。然后，这些声子与其他声子进行交互，并且，超出电池材料带隙Eg的所吸收的光子能量Ep损失成热量，并因此未被太阳能电池转换为电压。根据电池材料的载流子移动性和晶格特性，载流子冷却时间τc以几皮秒至几纳秒的时标出现（参见图2）。如图2中所示，到载流子冷却时间τc的结束为止，光激励载流子分布将在电池材料的导带和价带（分别为CBM和VBM）的边缘附近与电子和空穴的窄能量分布联合。典型地，光激励载流子寿命的该最后阶段将持续光激励载流子系统地重组时的几微秒（载流子重组时间τr），从而对光子给予其残余获得能量。为了使传统太阳能电池能够将光激励载流子的能量转换为电能，在光激励载流子重组之前（这意味着在载流子重组时间τr过去之前），必须分离光激励载流子并向电池接触部传输这些光激励载流子。典型地，选择传统太阳能电池的设计参数，以实现在光激励载流子重组之前（即，在载流子重组时间τr过去之前）向电池接触部传输光激励载流子所需的载流子传输特性。从以上讨论可见，将在两个主要阶段（即，载流子冷却和载流子重组）中耗散对光激励载流子给予的太阳能光子能量。在这两个主要阶段中的前一个阶段（即，冷却阶段）期间，光激励载流子对声子给予超过材料带隙能量分离的其能量，而在后一个阶段（即，重组阶段）期间，光激励载流子通过辐射重组来对光子给予其残余能量，典型地，该残余能量等于材料带隙能量分离。
表示在被提取之前辐射重组且产生具有等于带隙的能量的光子或具有小于带隙的能量的可能的多个光子的光激励载流子（电子和空穴）。该辐射能量不必损失，这是由于这些光子可以被重新吸收。然而，除非被限制，这些辐射光子将从电池重新发射回到输入太阳光并永远损失——最终约束可由太阳能电池实现的最高效率的效应。在大多数散装半导体材料中，典型地，载流子重组的时标小于几微秒（参见图2）。为了使太阳能电池有效率，在载流子重组之前，必须将大多数光激励载流子传输至电池接触部并提取这些光激励载流子，尽管此时，要从电池提取的电子和空穴的能量分离将仅与电池材料带隙能量相当。
表示借助带隙内的电子状态所非辐射重组的光激励载流子（电子和空穴）。典型地，这些状态由太阳能电池材料晶格结构中的缺陷或者由杂质原子导致，并且，所得到的非辐射载流子重组将产生声子，因此，将导致这些载流子的激励的所吸收的太阳光子的能量被转换为热量，而不是由太阳能电池转化为电流。该损失机制是单片多结堆叠太阳能电池中的主要效率损失机制之一，其中，接续层之间的晶格失配可能造成晶格错配位错，这可能通过在载流子可非辐射地重组的堆叠电池边界处创建附加区，来严重地减弱太阳能电池性能。
表示太阳能电池接触部未有效提取的光激励载流子（电子和空穴）。典型地，该损失机制由趋于导致从电池提取出载流子时低效的电池接触部处的高电阻所导致，从而最终限制可由太阳能电池实现的最高效率。该机制也是单片多结堆叠太阳能电池中重要的效率损失机制，这是由于仅存在两个接触部以从多结堆叠提取电流，使得产生堆叠内电池结构的最低个别电流限制了整个多结堆叠的总电流。而且，该损失介质是在从太阳能电池提取热载流子方面的困难背后的主要肇因，这是由于这些载流子趋于在接触部处快速冷却下来，即导致热载流子在电池结附近聚集的效应，使得难以在这些载流子冷却下来之前提取这些载流子。
除以上效率损失机制外，典型地用于预测太阳能电池效率（即，SQ-Model）的理论模型包括特定假设，这些假设限制了可由太阳能电池实现的所感知的效率——从而在某种程度上防止太阳能电池设计者将其设计拉至其真实极限。以下列出了这些假设中最相关的假设。
1. 输入是未集中的太阳光谱；
2. 每个入射太阳光子将产生仅一个电子空穴对；
3. 电池可以实现仅一个准费米能级（QFL）分离；
4. 电池可以操作于热平衡下，其中，电池和载流子温度相等；以及
5. 电池操作于稳态电流流动条件下。
通过检查可针对每入射太阳光子提取的电能的量来计算基于SQ-Model的太阳能电池效率极限。由于入射太阳光子将电子从太阳能电池材料价带激励至其导带，因此仅具有比电池材料带隙更多能量的光子将产生功率。这意味着：具有1.1 eV处的带隙的硅（Si）太阳能电池的理论转换效率将小于50%，这是由于太阳光谱内的光子中的几乎一半具有低于1.1 eV的能量。考虑从6000°K处的太阳光吸收的太阳光子与在300°K处操作的电池之间的能量上的差异，SQ-Model平衡假设将意指：高于和超出电池材料带隙能量的任何太阳光子能量将损失。由于蓝色光子具有高于1.1 eV的太阳能量中的大致一半，因此这两个假设的组合将导致单结Si太阳能电池的大约30%的理论效率峰值性能。
除由SQ-Model假设所意指的效率限制外，存在在太阳能电池中使用的材料系统所意指的若干其他考虑，例如材料系统的载流子产生速率和移动性特性。这些类型的考虑在正常条件下不影响电池效率，但在特定条件（例如，由于集中而引起入射太阳光子的数目上的增加）下引入进一步限制。这两个效应中的第一个（即，载波产生速率）设置了由于光激励而在电池材料内产生载流子的速率的饱和（或最大）水平，并因此限制可从电池提取的能量的量。直觉上，随着入射在电池表面上的太阳光子的数目增加，可由电池产生的能量的量应当增加。然而，在一些材料系统（例如Si）中情况不是这样，其中，由于低电子移动性，在比电子快得多的速率下，空穴的数目随光激励的增加而增加。该空穴和电子密度不平衡将使光激励电子在它们可以被提取之前与充分可用的空穴重组，从而对可从电池提取的电子/空穴的数目加以限制。在Si电池中，在小于2个太阳单位（2-sun）的入射光处达到该限制速率（平衡）。结果，当两倍那样多的太阳光入射在Si太阳能电池的表面上时，载流子产生速率将仅稍高于1个太阳单位（1-sun）的情况，从而使输入能量与输出能量之比更低，这表示低得多的效率。出于该原因，Si太阳能电池对太阳能集中器来说不是有效的。
其他材料系统（例如，砷化镓（GaAs）或氮化镓（GaN））中的电子移动性比硅中的电子移动性高得多，使光激励电子能够更快地到达电池结，从而减轻了空穴/电子密度不平衡的发生并降低了电子和空穴将在它们可以被提取之前重组的可能性，这进而将允许入射太阳光子的数目上的增加，以继续导致在达到平衡之前光激励载流子的数目上的增加。因此，电子移动性上的这种提高将允许由这种材料系统制成的太阳能电池在集中的太阳光下具有提高的效率。
本公开的以下部分中的讨论意在强调将避免以上解释的许多效率损失机制的若干个新颖的设计方案，并因此允许在以下部分中描述的交流偏置太阳能电池设计供应极高的太阳能功率转换效率。本公开的后续部分将讨论交流偏置太阳能电池的多个实施例的成本/效率性能，并将其与由当前传统太阳能电池实现的性能进行比较。因此，以下讨论的目的在于示出：本发明的交流偏置太阳能电池要实现的所预测的成本/效率性能可以供应达到光伏太阳能电池产业的第3代（3G）目标的每kWh的太阳能成本。
利用热载流子
如早先所解释的，太阳能电池中的主要损失机制之一是由于热载流子张弛而引起的、具有高于电池材料带隙的能量的入射太阳光子的损失，图1中的损失机制。尽管理论上可能在冷却发生之前在接触部处分离和收集热电子，但是由于热载流子的快速热化（短冷却时间τc），在传统太阳能电池中不会观察到这一点。目前存在由本领域中的研究人员想到以利用热载流子提高太阳能电池效率的两个概念，即，使用选择性能量接触（SEC）和多激子生成（MEG）的直接提取。这两个概念均依赖于首先放慢载流子冷却，但是以不同方式利用热载流子能量。
使用图3A中所说明的SEC的直接热载流子提取的理论处理（"Solar EnergyMaterial and Solar Cells", P. Würfel, 46 (1997), pp. 43-52）被广泛公布，并已经示出：如果可以有效地提取热载流子，则来自单结电池的68%的热力学极限附近的实质太阳能电池效率提高（"The Physics of Solar Cells" J. Nelson, , Imperial CollegePress, 2003, pp. 309-316）将是可能的。然而，不容易将热（高能量）电子和空穴（载流子）与电池接触部分离，这是由于这些热载流子趋于通过与导致热载流子的高能量作为热量快速损失的声子的交互而损失其高能量。SEC和MEG方案两者中在电池内保持光激励热载流子群体背后的整个概念是最小化电子-声子交互。然而，在金属接触部附近，非常容易使热载流子通过接触部中的大量可用电子状态而冷却下来。因此，典型地，热载流子将趋于在电池结附近聚集，从而使得在这些载流子冷却下来之前传输和提取这些载流子变得甚至更困难。在典型太阳能电池材料中，热载流子在冷却之前可穿过电池材料的距离趋于是非常短（小于微米）的，从而使得在热载流子冷却下来之前将热载流子传输至电池接触部变得更困难。
应当注意，SEC方案的原理是使用具有窄密度的状态的接触材料，其中，在紧邻的可用状态之间具有较大带隙（"Solar Energy Material and Solar Cells", P. Würfel,46 (1997), pp. 43-52）。然而，窄密度的状态还将产生极低的电子移动性，并且因此，在状态的密度的狭窄与保持经过接触部的足够高的电导率之间必须存在一定水平的折衷。在SEC变得可行之前将需要解决的附加问题是电池的几何结构及其关联的接触部。考虑到热载流子在冷却之前可经过的距离典型地非常短，那么将有必要设计电池结构，使得与SEC接触部非常接近地生成载流子，以确保载流子在接触部处被收集之前不会冷却。因此，可能需要非常短的吸收区和/或卷曲表面，以最小化热载流子将必须经过的距离（"ThirdGeneration Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion", M.A. Green,Springer, New York, 2003, pp. 35-43）。
利用热载流子提高太阳能电池的效率的其他可能性是通过MEG（"ThirdGeneration Photovoltaics Advanced Solar Energy Conversion", M. A. Green,Springer 2006, pp 81-88）。在这种情况下，使用热电子的过度能量来创建附加激子，即，束缚电子空穴对。热电子必须具有带隙Eg的至少两倍的能量，以创建一个附加电子空穴对。该过程不限于具有两倍带隙的能量的电子，而是该过程还可以扩展至具有更高能量的电子。在1个太阳单位（1-sun）AM1.5光谱下，MEG增强电池的所预测的理论效率超过44%，而在最大太阳光集中下，效率可以逼近SEC电池的效率。尽管MEG可以发生在散装半导体中，但是其发生的概率如此低的，使得其对电池的效率没有多大贡献（"Third GenerationPhotovoltaics", Gregory F. Brown and Junqiao Wu, Laser & Photon Rev., 1-12(2009), published online: 2 February 2009）。
如早先所述，放慢热载流子的冷却是SEC和MEG方案的前提，并且，用于通过本领域中正在进行的研究实现这一点的最广泛实行的方式是通过使用量子限制结构。存在以下情况：其中，热载流子的冷却时间超过散装半导体中的典型冷却时间。期望该现象发生在结合量子限制结构的许多材料系统中。首先，研究并发现了多量子阱（MQW）和量子点（QD）具有比散装半导体的热载流子冷却时间长得多的热载流子冷却时间（"Third GenerationPhotovoltaics", Gregory F. Brown and Junqiao Wu, Laser & Photon Rev., 1-12(2009), published online: 2 February 2009）。已经在这些类型的结构中观察到逼近几十纳秒的热载流子冷却时间。这种增大已经归于被称为量子结构中的声子瓶颈效应的现象。典型地，热电子通过与光学声子的交互而冷却，并且由于存在量子限制，可以创建光学声子的不平衡水平。由于由MQW或QD的量子限制方面所导致的声子瓶颈效应，这些光学声子无法足够快地与晶格平衡，从而放慢热电子的进一步冷却——延长了其冷却时间τc（参见图2）。在MQW的二维量子限制内，声子瓶颈效应在需要相对较高照明水平（例如，典型地在太阳光集中下出现的那些照明水平）的高载流子光激励密度处发生。然而，由于QD的三维量子限制方面，期望声子瓶颈效应在所有照明级下发生。由于MQW和QD中的热载流子的放慢的冷却，期望这些类型的器件结构在热载流子提取方面起到重要作用。
原理上，在图3A中所说明的SEC热载流子电池中，其中热载流子冷却被结合有电池材料的量子限制结构放慢，那么将存在足够的时间来将载流子传输至接触部，尽管在可以通过接触部的窄密度状态在其高能级处收集载流子的情况下，这些载流子仍是热的。这将在理论上允许由电池产生的光电压上的提高。然而，电池接触部处的提高的光电压将趋于抵消负责将载流子传输至电池接触部的内置电势Vbi。结果，将载流子传输至接触部将耗费的时间（载流子提取时间）将实质上增加至可达到载流子重组时间τr的点；这意味着：由于电池载流子内置传输机制的减弱，载流子将在到达接触部之前重组，这进而将导致由净能量提取实质上不大于传统电池的净能量提取的电池所产生的光电流中的实质上减小。因此，尽管SEC热载流子电池可以在理论上生成更高光电压，但是所实现的提高将最可能大于由作为延长的载流子提取时间的直接后果的光电流上的减小所造成的补偿。
考虑到对可再生能量（特别是光伏（PV）太阳能电池）增加的关注，存在对于在实质上不提高PV电池的成本的情况下提高PV电池的效率的需要。已经在理论上预测热载流子PV太阳能电池能够供应PV电池效率上的实质提高，但到目前为止，尚未实现这些预测中的任一个。前文讨论的两个热载流子太阳能电池方案需要用于增加载流子冷却时间的装置，这需要将量子限制结构包括在电池材料内，这进而将非常可能提高电池成本。MEG热载流子电池的优点仅可以在致使该方案不实际的非常高的太阳光集中下被实现。除了需要通常需要使用多层超晶格的特殊类型的接触部外，SEC热载流子太阳能电池方案似乎遭受一种内置缺陷，即抵消其达到比传统PV电池可供应的更高的能量效率的能力。考虑到对更高效且更低成本的PV太阳能电池的高需求以及当前被实行以达到该目的的方案的弱点，可在太阳能电池中不显著增大的情况下有效地实现更高效率的PV太阳能电池方案将最可能具有相当大的市场价值。
附图说明
图1说明了光伏太阳能电池效率损失机制。
图2说明了光伏太阳能电池效率损失机制。
图3A说明了使用选择性能量接触部的现有技术光伏太阳能电池的能带结构。
图3B说明了传统固定偏置制式太阳能电池中的电子流动。
图4说明了在黑暗中以及在照明下传统p-n结太阳能电池的电流-电压（I,V）特性。
图5A呈现了本发明的可变偏置热载流子太阳能电池的优选实施例的高级别框图。
图5B说明了本发明的可变偏置热载流子太阳能电池的光电压的波形。
图5C呈现了本发明的热载流子太阳能电池的详细框图。
图6说明了本发明的热载流子太阳能电池的期望（I,V）特性。
图7A呈现了具有直流电流（DC）输出的本发明的热载流子太阳能电池的示例框图。
图7B说明了具有交流电流（AC）输出的本发明的热载流子太阳能电池的示例框图。
图7C说明了本发明的自偏置热载流子太阳能电池的示例框图。
图7D表示了具有直流电流（DC）输出的本发明的交流热载流子太阳能电池的示例框图。
图8说明了本发明的交流偏置热载流子太阳能电池的示例实施方式。
图9A呈现了本发明的热载流子太阳能电池的替代实施例的高级别框图。
图9B说明了本发明的热载流子太阳能电池的替代实施例的交流串联偏置的光电压的波形。
图9C说明了本发明的热载流子太阳能电池的替代实施例的脉冲并联偏置的光电压的波形。
图9D呈现了本发明的热载流子太阳能电池的替代实施例的并联偏置电路的典型框图。
图10A说明了结合量子限制装置的本发明的热载流子太阳能电池的核心太阳能电池的能带结构。
图10B说明了结合量子限制装置的本发明的热载流子太阳能电池的核心太阳能电池的中频带。
图11A说明了结合光限制装置的本发明的热载流子太阳能电池的核心太阳能电池的截面视图。
图11B说明了结合光和量子限制装置两者的本发明的热载流子太阳能电池的核心太阳能电池的截面视图。
图12说明了用于本发明的交流热载流子太阳能电池的候选材料系统。
具体实施方式
本发明的以下详细描述中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着：结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。该详细描述中的各处中短语“在一个实施例中”的出现不必均指代相同实施例。
本文要描述的用于收获热载流子的方案不是依赖于如所描述的现有技术中那样放慢热载流子冷却，而是依赖于加速热载流子提取。本文描述的用于热载流子提取的方案源自以下观察：如果载流子提取足够快，则也许可能在载流子的高能量被损失成热量之前提取这些载流子。这可以在以下情况下实现：如果负责将载流子传输至接触部的电场的强度可以在热载流子冷却时间τc的持续时间内（这意味着在载流子冷却下来之前）瞬时增大。电场的强度上的这种增大的效果将是：将热载流子的传输速度提高至载流子提取时间将变得比载流子冷却时间τc更短的程度，从而能够在载流子仍是“热的”时（这意味着在载流子仍具有高于电池带隙的边缘的能级时）实现对载流子的提取。如果可以实现这一点，则将最确定的是，在器件级实现比在热载流子集中处附近使用复杂超晶格接触部实行的当前主导方案容易得多，该当前主导方案已被证明在几何学上相当难以实现。这种方案的热载流子提取能力将不会受前文解释的复杂超晶格接触部的选择性能量方面中的任一个约束，并且将不会施加将使太阳能电池器件结构复杂的任何几何限制。而是，其将结合传统散装材料以及基于量子限制的太阳能电池而进行应用，其中只是在电路级而不是在器件材料级有所增加。在后续部分中，以下讨论提供了与该方案在散装材料电池中（针对该部分的其余内容）以及在结合量子限制结构中（对于其，本文描述的载流子加速方案同样可适用）的应用有关的进一步细节。
在没有照明的情况下，使太阳能电池的n掺杂和p掺杂侧接触导致电子从电池的n掺杂侧至p掺杂侧的暂时电流流动，以补偿由电池结的两侧的费米能级中的差异所导致的接触电势（传统地，被称为该结的内置电势Vbi）。一旦由电池结处的扩散电荷形成的电场补偿了作用于电子和空穴的接触扩散力，该暂时电流流动就停止。在照明下，由入射太阳光子所导致的光激励导致了电池内的载流子群体密度上的提高，这是由于来自电池的p掺杂侧的价带的光激励电子被提升至导带。随着电池内的光激励载流子群体的这种增大，电池的内置电场εbi将光激励载流子分离，并使电子和空穴分别向电池n接触部和p接触部移动。当将负载跨接在电池的两侧时，如图3B中所说明的，光激励电子在电池内沿从电池的p掺杂侧至n掺杂侧的方向流动，在移动至负载中的同时损失其能量，并通过电池的p掺杂侧处的接触部返回至电池，在n掺杂侧处，这些光激励电子是在n掺杂侧接触部处提取的并流动至所连接的负载中，在电池的p掺杂侧处，这些光激励电子与电池的p掺杂侧中等待的空穴重组。在图3B中说明了太阳能电池和所连接的负载内的电子的这种正向偏置流动。
参照图3B，根据跨越电池接触部的负载电阻RLoad的值，在电池接触部处建立的光电压将导致跨越电池结的抵消负责载流子传输效应的电池内部电场εbi的电场εpv。随着跨越电池接触部的光电压升高，由电池内置电势Vbi导致的电池内部电场εbi变为被导致在电池接触部处建立的光电压的相反电场εpv减弱。由此，对称地减弱向电池接触部的光激励载流子传输，从而使更少数目的光激励载流子能够在其重组之前到达电池接触部。该效应对热载流子太阳能电池有害，这是由于电池传输机制主要是由电池内置电势Vbi所导致的电池内部电场εbi，而要从电池提取的电子的能量现在比传统太阳能电池的光电压高得多，并且因此，要提取的电子期望生成的跨越电池接触部的光电压现在比传统太阳能电池的光电压高得多。如先前所解释的，从热载流子提取寻求的更高光电压减弱了导致光电流减小的电池的内置载流子传输机制，从而致使热载流子太阳能电池的更高功率提取效率无法达到。
图4说明了在黑暗中（405）以及在照明下（410）传统p-n结太阳能电池的电流-电压（I,V）特性。为了最大化从现今的传统单结太阳能电池产生的输出功率，典型地，负载电阻RLoad的值被选择在抵消的电场εbi和εpv（即，由电池内置电势Vbi和在电池接触部处建立的光电压导致的电场）之间的平衡点处，这将实现来自电池的最大产生光电压（Vm）和光电流（Im）。典型地，最大产生光电压（V­m）和光电流（Im）由电池在图4的（I,V）曲线的拐点（415）附近的偏置处实现。为了实现这些最大光电压Vm和光电流Im值，这两个抵消的电场εbi和εpv之间的平衡必须留出足以在载流子重组之前将最大数目的光激励载流子传输至接触部的载流子传输力。在跨越几微米的结耗尽区生成内部电场的电池内置电势Vbi的典型值~1伏的情况下，载流子传输速度（传统上，也被称作漂移速度）可以跨越电池耗尽区达到典型地处于范围~107 cm/s内的饱和速度。当跨越电池接触部的光电压处于最小值时，该级别的载流子传输速度可以在载流子重组之前较长时间容易地将光激励载流子传输至电池接触部。这在图4中是清楚的，图4示出了：当电池光电压低于图4的（I,V）曲线的拐点（415）时，由电池生成的光电流处于其最大值。然而，当跨越电池接触部的光电压处于最高可能值（典型地，其处于电池带隙（典型地，在硅中为1.1eV，并且在砷化镓中为1.4eV）的范围内）时，所得到的跨越电池接触部的电场εpv将电池内部电场εbi减弱至向电池接触部的载流子传输几乎停止并且电池光电流减小至最小值的程度，这是由于载流子在到达电池接触部并从电池中得以提取之前进行重组。这在图4中是清楚的，图4示出了：当电池光电压高于图4的（I,V）曲线的拐点（415）时，由电池生成的光电流快速减小至最小值。该状况在热载流子太阳能电池中被严重加剧，这是由于这些电池背后的主要目的是提取具有实质上比电池材料带隙能量更高的能量的热电子，由于当电池光电压达到实质上比电池材料带隙能量更高的值时，负责载流子传输的电池内部场εbi将已经充分减弱至没有在任何能级处的光激励载流子可到达电池接触部的点。
在图5A中说明了本发明的热载流子太阳能电池设计的优选实施例的高级别框图。本发明的热载流子太阳能电池的该优选实施例通过以下方式克服了在早先描述的现有技术热载流子电池设计中遇到的缺陷：允许由电池生成的光电压在最小值（Vmin）与最大值（Vmax）之间间歇地变化，使得跨越电池的光激励载流子的平均传输速度保持在将导致在载流子冷却下来之前（这意味着在比载流子冷却时间τc短的持续时间内）将光激励载流子传输至电池接触部的值。本发明的热载流子太阳能电池500设计的交流光电压的最小值Vmin将被选择在电池内部内置电场εbi仍处于其最高值的点（意味着光激励载流子传输速度可达到其最大值的点）处。本发明的热载流子太阳能电池500的交流光电压的最大值Vmax将被选择在实质上与太阳能电池500内的光激励载流子的电化电势的最大值相当的值处。（电化电势是由太阳光子进行的光激励所导致的半导体材料的准费米能级之间的能量分离。）本发明的热载流子太阳能电池500的交流光电压的这种最大值Vmax将被选择在可由电池在不考虑这种高光电压值将对减小电池内部内置电场εbi的值具有的抵消效应的情况下实现的最高光电压处。在图4中利用参考标记420说明了相对于传统太阳能电池的（I,V）特性的Vmin和Vmax的值的可能范围。本发明的热载流子太阳能电池500的光电压在基于以上准则而选择的最小值Vmin和最大值Vmax­之间的交替将导致跨越电池的光激励载流子传输速度分别达到最大值和最小值的交替时间段。根据本发明的热载流子电池的光电压的最小值和最大值之间的交替的占空比，可以将所得到的光激励载流子的平均传输速度维持在以下值处：该值将提供载流子向电池接触部的连续传输，并且因此，甚至当电池光电压处于其交替周期的最大值处时，提供连续的光电流。
图5B说明了表示本发明的热载流子电池500的光电压的交替的波形。如图5B中所说明的，本发明的热载流子太阳能电池500的光电压在其最小值Vmin和最大值Vmax之间的交替将具有持续时间Tb。图5B中所说明的波形的第一关键参数是允许光电压达到其最小值Vmin的周期Tb的百分比，图5B表示了本发明的热载流子电池500的光电压的交替，该百分比在图5B中被表示为（αTb），其将必须被保持得足够长以维持光激励载流子所需的平均传输速度，而又足够短以将由热载流子电池500实现的平均光电压保持在最高可能值处。当允许电池的内部内置场εbi在交替周期Tb­期间增大至其最大值时，向本发明的热载流子太阳能电池500的接触部的光激励载流子传输的主导部分将在光电压交替周期Tb的时间段（αTb）期间进行。由于如前所述，当电池光电压处于其最小值Vmin时，光激励载流子传输速度可以在时间段（αTb）期间达到~107 cm/s，这足以在1 ns中传输光激励载流子接近100 μm。在考虑时间段（αTb）期间的载流子传输速度构建和衰减的瞬态效应时，假定该时间段期间光激励载流子的平均传输速度可以仅达到~0.1×107 cm/s是合理的，这仍足以在1 ns中传输光激励载流子接近10 μm。这意味着：如果电池光电压达到其最小值Vmin的光电压交替时段的子间隔（αTb）=1 ns，则电池内部场εbi将能够在该时间间隔内传输光激励载流子接近10 μm。这暗含着：可以根据必须将光激励载流子传输至电池接触部的平均距离来选择时间段（αTb）。例如，在砷化镓（GaAs）单结太阳能电池中，电池发射极和基极层之间的典型厚度可以小于5 μm，这暗含着：GaAs太阳能电池中的光激励载流子将必须经过2.5 μm的平均距离以在电池接触部处被提取。这意味着：对于GaAs太阳能电池，（αTb）=0.25 ns将足以允许足够的时间以在热载流子冷却时间τc内将电池500内的几乎所有光激励载流子传输至接触部。相当的值（αTb）将适用于薄膜型太阳能电池（例如，碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS）和铜铟镓硒（CIGS）），这是由于这些类型的太阳能电池的电池发射极和基极层之间的典型厚度也可以小于5 μm。对于间接带隙太阳能电池（例如，硅（Si）和锗（Ge）太阳能电池），由于这些电池的较大光吸收长度，电池发射极和基极层的典型厚度可以比GaAs、CdTe和CIGS太阳能电池大得多。然而，这些电池的间接带隙、载流子移动性和晶格特性可以使这些电池中的热载流子冷却时间τc比GaAs、CdTe和CIGS太阳能电池长至少一个量级。在Si单结太阳能电池中，电池发射极和基极层的典型厚度可以是300 μm，这暗含着：Si太阳能电池中的光激励载流子将必须经过150 μm的平均距离以在电池接触部处被提取。这意味着：对于Si太阳能电池，（αTb）=15ns将足以允许足够的时间以在热载流子冷却时间τc内将电池500内的几乎所有光激励载流子传输至接触部。
应当注意，尽管载流子传输时间的值对Si太阳能电池来说更高，但是期望Si中的热载流子冷却时间τc也将更长。然而，本公开中的后续讨论将示出：当在Si太阳能电池结构内结合光限制装置时（这允许Si电池中的接触部至接触部厚度被实质上减小），可以使载流子传输时间实质上更短。对于结合光限制装置的这种薄Si太阳能电池，20 μm厚的硅膜将具有比没有光限制装置的400 μm厚的Si电池高得多的吸收系数（"Physics of SolarCells", Würfel, pp. 173-177）。此外，在要在后续讨论中描述的结合了还结合隐埋接触部的光限制装置的薄Si太阳能电池中，可以使电池接触部之间的距离为大约5 μm，这将进而使这种类型的电池的载流子传输时间与GaAs、CdTe和CIGS太阳能电池的载流子传输时间相当。这意味着：对于结合光限制装置的Si太阳能电池，还可以使（αTb）=0.25 ns成为可能。
图5B中所说明的波形的第二关键参数是光电压经过从其最小值Vmin至最大值Vmax的完整周期的周期Tb，图5B表示了本发明的热载流子电池500的光电压的交替。利用在最小光电压时段（αTb）期间传输电池内的光激励载流子的能力，剩下的是将周期Tb选择为实质上等于或短于载流子冷却时间τc。由于如前所解释的，根据电池材料晶格特性，热载流子冷却以几纳秒的时标发生，因此还可以将本发明的热载流子电池的光电压的交替（即，周期Tb）选择为也为大约几纳秒。通过针对GaAs、CdTe、CIGS和薄膜Si类型的太阳能电池选择时段（αTb）=0.25 ns，参数值α = 0.1的值将导致Tb = 2.5 ns的值，这足够短以确保由电池在周期时间Tb内生成的热载流子将不具有在实质上所有热载流子将被传输至电池500的接触部的子周期（αTb）出现之前冷却下来的可能性。
应当注意，光激励载流子传输将继续在整个周期Tb中以变化的传输速度发生，其中，在周期Tb内的不同时刻处达到电池500接触部的载流子得以在与其能级成比例的能级处被提取，这是由于使跨越电池500接触部的光电压在周期Tb期间在从低于电池的带隙能量扩展至与要从电池500提取的热载流子的能量相对应的期望最大值的值的范围内改变。对于传统Si太阳能电池（这意味着未结合光限制装置或隐埋接触部的那些太阳能电池），可以选择更大的参数值α，例如α = 0.5，这将得到Tb = 30 ns的值，这可以足以确保可以在冷却之前从电池提取大量的光生热载流子，这是由于：如前所解释的，期望基于Si的电池中的热载流子冷却时间τc实质上比基于GaAs、CdTe和CIGS的太阳能电池中的热载流子冷却时间更长（接近一个量级）。
本发明的热载流子电池500的光电压在周期Tb期间从其最小值Vmin至最大值Vmax的可变性允许跨越提取能量范围来提取光激励载流子，可以使该提取能量范围实质上与在电池内生成的光激励载流子的能量分布图（profile）相匹配，该能量分布图从电池的带隙能量直到如允许电池500的光电压在周期Tb期间达到的所选最大值所定义的最大能级进行跨度。这是对本发明的热载流子电池500来说独特的区别特征，这是由于所有当前传统单结光伏太阳能电池可以仅在单个能级处从电池提取光激励载流子。仅多结太阳能电池可以通过使用昂贵的p-n结堆叠在大范围的能级内以及甚至然后在针对每结层的单个能级处，提取光激励载流子。相比之下，本发明的热载流子电池500可以跨越大范围的能级以及仅使用单个结来提取光激励载流子。由于其光电压的交替，本发明的热载流子太阳能电池500可以被看作是以下太阳能电池：其以可与载流子冷却速率τc相当或比载流子冷却速率τc更快的速率在时间上扫过大范围的提取能量，从而允许不仅在冷却之前而且在与载流子的能级相当的能级处从电池提取这些载流子。还值得一提的是，由于如前所解释的，本发明的热载流子电池500中的载流子提取能量在热载流子冷却时间τc内循环通过大范围的能级，因此在电化电势（能量分离）的给定值处到达电池接触部的热电子/空穴对（载流子对）还可以它们在接触部处冷却下来之前被传输至电池500负载，这是由于电池500接触部之间的瞬时提取能量差将在载流子对冷却时间间隔τc内与热电子/空穴对能级分离相匹配。这意味着：在周期Tb的任何给定时刻处，电池500的瞬时光电压，以及因此，其接触部之间的电势分离，将与在间隔时间间隔Tb ≤ τc内光激励的热电子/空穴对中的一些的能级分离相匹配，从而允许在这些载流子对的能级分离衰减之前通过具有匹配能量分离的接触部将这些载流子对从电池传送至负载。该特征使本发明的热载流子电池500不需要复杂选择性能量接触部以从电池提取出热载流子。使这一点成为可能的原因是：本发明的热载流子电池500的交替光电压使电池接触部处的瞬时且在时间上离散的窄提取能带在电池光电压的交替周期Tb（其在持续时间上与热载流子冷却时间间隔τc相当或比热载流子冷却时间间隔τc更短）内的任何离散时刻处可用，该瞬时且在时间上离散的窄提取能带持续了实质上比热载流子冷却时间间隔τc更短的时间间隔，还使得该时间间隔以等于或短于载流子冷却时间τc的速率Tb周期性地可用。换言之，使本发明的热载流子电池500的接触部处的提取能级在时间上是能量选择性的，这是由于以比热载流子冷却速率更快的速率来交替电池的光电压。此外，除在时间上能量选择性外，还使热载流子电池500的接触部之间的提取能级分离在时间上变化以覆盖宽能带，该宽能带将从电池带隙能量至实质上高于电池带隙能量的期望能级的程度进行跨度。本发明的热载流子太阳能电池500的这些独特特征实际上将允许多结太阳能电池以实质上较低的成本从单结太阳能电池中获得电池能量提取效率效益。
如图5A所说明的，通过分别串联或并联地将偏置电路510或520与核心太阳能电池元件530结合，使本发明的热载流子电池500的光电压根据图5B中所说明的波形而变化。偏置电路510或520中的任一个可以被实现为可与传统的基于GaAs、CdTe、CIGS或Si的太阳能电池集成的集成电路器件或分立组件电路板。为了使电池的光电压如图5B中所说明的在时间上变化，偏置电路510或520将必须使跨越核心太阳能电池530的接触部的有效电阻也在时间上变化，以这样的方式以便将使跨越核心太阳能电池530的接触部的光电压遵循图5B中所说明的波形。不失一般性，其余讨论将集中于串联偏置电路510的详细描述，这是由于并联偏置电路520的设计将实质上类似，尽管具有不同集合的设计参数。本领域技术人员可以容易地利用本文提供的串联偏置电路510的详细描述来选择并联偏置电路520的设计参数。
图5C说明了利用在图5C中的虚线框510内结合的串联偏置电路的本发明的热载流子太阳能电池500的示例详细框图。图5C示出了与核心太阳能电池530串联连接的偏置电路510，核心太阳能电池530可以是基于GaAs、CdTe、CIGS或Si的p-n结太阳能电池。图5C中所说明的偏置电路510基本上是由振荡器550、二极管560以及在图5C上相应地标记的多个电阻器和电容器组成的时变电阻器Rv。振荡器500的功能是生成具有频率fs的可变电压信号vin，频率fs的值等于本发明的热载流子太阳能电池500的光电压Vout的期望交替周期Tb的倒数值，或者fs = (Tb )-1。对于前文讨论的设计示例，当针对本发明的基于GaAs、CdTe、CIGS或薄膜Si的热载流子太阳能电池中的实现选择Tb = 2.5 ns的值时，需要由振荡器550生成的频率fs将是fs = 400 MHz。对于前文讨论的设计示例，当结合传统的基于Si的电池、针对本发明的热载流子电池500的实现选择Tb = 15 ns的值时，需要由振荡器550生成的频率fs将是fs = 66.7 MHz。
将选择电阻器和电容器对（R1,C1）的值以及二极管560的（I,V）特性，以实现分别创建跨越核心太阳能电池530的接触部的光电压Vout的所需最大和最小值所需要的可变电阻Rv的最大和最小值。将选择电阻器和电容器对（R2,C2）的值以及二极管560的（I,V）特性，以实现相对于周期持续时间Tb设置子间隔（αTb）的占空比的比率α。在由振荡器550生成的电压vin的一个周期期间，电压vin的时间变化将使跨越二极管560的有效电阻周期性地改变，这将进而使整个偏置电路510的有效电阻Rv也周期性地从最小值Rvmin改变至最大值Rvmax。当与负载电阻RL的值一起考虑时，偏置电路510的有效电阻的这种周期性改变将使本发明的热载流子太阳能电池500的图5C的示例实施方式的光电压Vout也遵循图5B中所说明的波形而周期性地改变。本领域技术人员将了解，可以以除前述的方式外的许多可替换方式来实现实施时变电阻器的期望效果，但是最终效果将是相同的。
图5C中所说明的串联偏置电路510的类型与可被设计为充分在交流偏置太阳能电池500的实现所需的频率范围内生成调制信号的无线应用中典型地使用的那些类型类似。本领域技术人员将了解，除图5C中所说明的电路设计外，还存在许多替代的电路设计，其可以被用于生成图5B中所说明的偏置波形，具有相当的最终结果。
图6是期望由本发明的热载流子太阳能电池500产生的光电压和光电流（I,V）特性的说明。应当注意，由热载流子太阳能电池500实现的光电压和光电流实际上是由核心太阳能电池530在被动态偏置时所提供的光电压和光电流，如前文讨论中所解释的。因此，参照图5C，由热载流子太阳能电池500实现的光电压和光电流分别是跨越负载电阻器RL的电压和经过负载电阻器RL的电流。如前所解释的，当使本发明的热载流子太阳能电池500的光电压Vout遵循图5B中所说明的波形而在时间上变化时，核心太阳能电池530的接触部处的有效提取能量（其将被称作Eout）也将遵循图5B中所说明的波形而在时间上变化。图6示出了曲线611、612、613、614、615和616的组，每个曲线表示当核心太阳能电池530的接触部处的提取能量处于在从1.5eV至2.5eV的范围变化的Eout的值时，核心太阳能电池530将产生的期望（I,V）特性。在图6中将本发明的热载流子太阳能电池500要产生的期望（I,V）特性说明为曲线611、612、613、614、615和616的组的包络620，这些曲线表示当跨越热载流子太阳能电池500的核心太阳能电池530的电压扫过从Vmin至Vmax的光电压范围内的值的集合时，期望由热载流子太阳能电池500实现的光电压和光电流。
如图6中所说明的，期望由本发明的热载流子太阳能电池500产生的（I,V）特性将在能够由电池500接触部处的提取能量Eout值的大范围所实现的大范围内进行扩展，提取能量Eout值从稍低于核心太阳能电池530的带隙扩展至与能够由所结合的偏置电池510实现的热载流子太阳能电池500的最大光电压Vout相对应的Eout的值。例如，由于热载流子太阳能电池500的接触部处的提取能量Eout所处的速率以可与热载流子冷却速率相当或比热载流子冷却时间更快的速率进行变化，因此在电池500的接触部处的提取能量Eout的瞬时值处于1.7eV时本发明的热载流子太阳能电池500的光电压变化周期Tb内的时刻处，电池500的光电压Vout将处于~1.15 V，具有表示由处于E­out = 1.7eV的能量值的太阳光子光激励的由电池500提取的载流子的数目的光电流值。类似地，在电池500光电压Vout~1.35 V时的时刻处，热载流子电池500的光电流值将表示由具有处于Eout = 1.9eV的值的能量值的太阳光子光激励的由电池500提取的载流子的数目，等等。实际上，本发明的热载流子太阳能电池500的可变偏置将使电池能够在由具有在大范围内扩展的能量的太阳光子光激励的载流子的能量由于载流子冷却效应而损失之前提取这些光激励载流子，从而允许本发明的热载流子电池500产生由包络620表示的光电压和光电流的值，由包络620表示的光电压和光电流的值显著地高于将由独立操作于静态（固定）传统偏置值下的核心电池530供应的光电压和光电流的值。
如前所解释的，本发明的热载流子太阳能电池500的光电压和光电流将以实质上与图5B中所说明的波形相当的轮廓在时间上变化。为了利用热载流子太阳能电池500的可变输出，将必须将其输出转换至DC或AC格式。本发明的热载流子太阳能电池500向DC格式的转换可以是通过以下操作来实现的：将热载流子太阳能电池500的光电压Vout与偏置电路510的输出vout进行混频，以便以与将由无线电接收到的信号从射频（RF）频带转换至基带的下转换非常相同的方式，将光电压Vout下转换至基带。如图7A中所说明的，这可以是通过以下操作来实现的：在热载流子太阳能电池500的输出处添加混频器540。本文中一般将图7A-7D中的本发明的热载流子电池的总体配置称作热载流子电池700。那么，在图7A中，热载流子电池将由以下组成：核心太阳能电池530以及与其串联连接的偏置电路510，以及在其共同输出处连接的混频器540。应当注意，如图5A中所说明的，可以使用与核心太阳能电池530并联连接的偏置电路520来等效地实现本发明的热载流子电池700的总体配置。
可替代地，如图7B中所说明的，可以通过以下操作将本发明的热载流子太阳能电池700的输出转换至AC格式：首先，将偏置电路510的输出vout与具有与期望AC格式相同的频率的振荡器信号进行混频，然后将输出vout的混频版本与热载流子太阳能电池500的光电压Vout进一步混频，以便将其下转换至AC格式的期望频率。例如，如果期望使本发明的热载流子太阳能电池700的输出处于60-Hz AC格式，则将首先使用混频器750将偏置电路510的输出vout与60-Hz振荡器745的输出信号进行混频，然后使用混频器540将所得到的信号与热载流子太阳能电池500的输出Vout进一步混频，以产生从总体热载流子太阳能电池700输出的60-Hz AC格式。热载流子太阳能电池700的允许其输出被转换至AC或DC格式的该独特的特征能够由热载流子太阳能电池500的交流偏置方面实现。值得注意的是，热载流子太阳能电池700的使其输出分别为DC或AC的图7A和图7B的配置中包括的混频电路之间在复杂度上的差异并不显著。这进而暗含着：可以使热载流子太阳能电池700的图7A和图7B的DC和AC配置具有实质上相同的成本并实现实质上相同的太阳能功率转换效率。这是本发明的热载流子太阳能电池700在与典型地需要逆变器以将其DC输出转换至AC的现今传统太阳能电池相比时的实质区别，其中增加了成本，外加总体电池效率上25%的降低。
在图7D中示出了可能使用的另一偏置方案，图7D说明了期望目标和期望结果两者。如图7D中所示，核心太阳能电池530被连接在接地与输出电路710之间，输出电路710进而被连接至负载。输出电路710包括开关稳压器740的高频形式，开关稳压器740特别使电压控制器730控制对开关稳压器740的切换进行控制的（Vmin, Vmax）电压值，使得其呈现核心太阳能电池530（电感器暂时耦合在核心太阳能电池的输出与电路接地之间，然后，将该电感器切换至电路输出以恢复电感器中暂时存储的磁能）上的可变非耗散负载（除正常电路损耗外）并提供DC输出。特别地，尽管典型地，大多数开关稳压器控制切换以将稳压后的电压输出提供给负载，而不管负载中的改变如何，但是图7D的开关稳压器740一直控制其输出处（即，核心太阳能电池530的输出处）的电压，使得核心太阳能电池530的输出处的电压以期望的频率在Vmin与Vmax之间摆动。本领域技术人员可以通过控制开关占空比、开关频率或者这些或其他参数的组合来实现这一点。
对于向Vmax的电压摆动，注意，Vmax将是比核心太阳能电池的开路电压更高的电压，使得控制（Vmin, Vmax）的电压控制器730需要具有将Vmax拉至高于核心太阳能电池的开路电压的电压的能力。因此，在图7D中，控制（Vmin, Vmax）的电压控制器730不仅感测节点720处的电压，而且具有将节点720处的电压上拉至超出其将趋于由自身达到的电压的能力。期望用于上拉的节点720处的阻抗非常高，这是由于核心太阳能电池530仍在更高电压处输出电流。在这一点上，可以将Vmax设置在以下电压处：高于该电压，提升节点720上的电压所需的功率超过从核心太阳能电池530恢复的功率，除非出于某种原因发现Vmax的某个更高值有用。还可能的是，应当将Vmax设置在稍低于以下电压的电压处：对于该电压，提升节点710上的电压所需的功率等于从核心太阳能电池530恢复的功率，这是由于总体考虑是总太阳能电池系统效率，而不是系统的某小部分的效率。可以从向负载的输出中取得用于上拉的少量功率，如图7D中所示。
在将节点720处的电压提高至Vmax时，开关稳压器740将相对不活动，或者可能完全不活动，其中，向Vmax的斜坡上升主要由核心太阳能电池530的输出、电容器C1的值和节点720处的上拉所控制，其中然后，开关稳压器740变得更加活动，以比核心太阳能电池530将电荷添加至电容器C1更快地通过开关稳压器740将来自电容器C1的电荷传送至负载和输出电容器C2，从而使电容器C1上的电压降低至Vmin，此后，周期重复。在极限内，可以在开关稳压器740的单个开关周期中实现从Vmax至Vmin的电压摆动，其中，逐周期地进行调整，以保持Vmin中的期望精度。这将最小化开关稳压器的频率要求，其中，Vmax与Vmin之间的电压的波形至少部分地由电容器C1的值所控制。在图7D中，将向电压控制器730的输入示作fs = 1/Tb（参见图5B和6）。根据系统的操作，实际开关频率可以是fs或者可以更高。而且，Vmax和Vmin可以是可编程的或自适应的，以调整入射在核心太阳能电池上的光的特性——早晨、中午、晚上、晴、多云、人造光等。
在图7D中，开关稳压器740控制电容器C1上的电压以便以期望频率实现Vmin和Vmax。因此，负载上的DC电压不由该电路稳压，而是将由与其连接的电路（例如，逆变器）有效地稳压，以将负载上的DC电压转换至60 Hz以便耦合至配电系统。而且，按照期望，开关稳压器740可以是升压、降压或升压/降压稳压器。这种开关电路是本领域公知的并且不需要本文进一步描述。
交流偏置热载流子太阳能电池的性能
为了分析本发明的热载流子太阳能电池的实施例700的性能，将必须考虑某些设计参数和实现细节。这些细节中的第一个是用于实现偏置电路510或520和混频器电路540的方案以及这些电路要如何与热载流子太阳能电池700的核心太阳能电池元件530集成。图8说明了本发明的热载流子太阳能电池700的示例实施方式，其中，偏置电路510或520和混频器电路540被实现为与太阳能电池模块的背面接合的集成电路（IC）器件。由于热载流子太阳能电池700包括除核心太阳能电池530外的附加电路（即，偏置电路510或520和混频器电路540），这将消耗将由电池生成的功率中的一些，因此必须在所得到的期望功率附加效率PAE（PAE是由RF电路设计采用的术语，根据RF电路设计，实现输入至输出放大增益的RF电路的PAE是电路的输入和输出功率之间的差除以供给功率）的方面评估热载流子太阳能电池700的效率，PAE可以被表达为：
等式1
其中，
是可由热载流子太阳能电池700实现的太阳能功率转换效率；
是被表达为输出与输入功率比的输出混频器540的插入损耗；
是由偏置电路510或520消耗的功率；
是由混频器电路540消耗的功率；以及
是入射在热载流子太阳能电池700上的太阳辐射的辐射功率。
和的值取决于设计方案和由热载流子太阳能电池700的输出混频器540所处理的功率电平。为了如由等式1所表达定量地分析热载流子太阳能电池700的效率，假定图7A中所说明的偏置电路510和输出混频器电路540被设计为驱动核心太阳能电池530的100 cm2子电池面积。应当注意，可以使用多个这种子电池来创建热载流子太阳能电池700的任意大小，如图8中所说明的，每个子电池具有其自身的驱动电路，其中，其输出被组合以提供单个输出，以AC或DC格式。对于所假定的子电池大小，所假定的子电池面积的AM1.5太阳通量入射的辐射功率将是。在这种太阳入射光辐射功率的电平以及热载流子太阳能电池700的期望太阳能功率转换效率的情况下，混频器540的输入处的期望功率将处于5.4W的范围内。出于该性能分析示例的目的，应当注意，尽管热载流子太阳能电池的理论上预测的效率可以在1个太阳单位（1-sun）下达到68%的热力学极限，但是为了允许实现损失余量，将热载流子太阳能电池700将实现的效率的期望值保守地选择为小于热载流子太阳能电池的效率的预测理论极限的80%。
基于这些期望值，偏置电路510和混频器电路540的0.18微米CMOS集成电路实现被估计能够保守地实现以下性能参数：
；
；
；以及
。
当在等式1中使用以上值时，在我们的基准设计示例中使用的热载流子太阳能电池700的功率附加效率（PAE）估计是，其为将被用于实现热载流子太阳能电池700的典型传统核心太阳能电池530的效率的两倍以上。
在考虑热载流子太阳能电池700的所假定的效率时，该基准设计示例暗含着：用于生成交流偏置并转换热载流子太阳能电池700的输出（不论是转换至AC还是DC）的附加电路将消耗电池输出功率的大约12%。应当注意，传统太阳能电池损失其所产生的功率的25%以上至典型地在其输出处使用的DC/AC逆变器，而本发明的热载流子太阳能电池700将仅损失小于该百分比的一半至其偏置和混频器电路，但仍将能够在被用于实现以固定偏置进行操作的热载流子太阳能电池700的传统核心太阳能电池530的DC/AC逆变器之前实现原始效率的两倍以上。这意味着基于AC输出处的比较，热载流子太阳能电池700将很可能实现在其输出处具有AC/DC逆变器的传统太阳能电池的总体太阳能功率转换效率的几乎2.7倍的总体太阳能功率转换效率。
应当注意，在功率附加效率的以上估计的水平的情况下，热载流子太阳能电池700的自偏置方案也将可行。在图7C中所说明的这种自偏置方案中，热载流子太阳能电池700将不需要供给任何附加功率以便进行初始化，并将最初操作于非交流（固定）偏置模式，其中，其所生成的能量的小部分被用于对其交流偏置和混频器电路进行初始化。如图7C中所说明的，热载流子太阳能电池700的功率输出将被用于将供给功率提供给偏置电路510和混频器电路540，其在图5C中被示出，共同封闭在虚线框580中，其中，其功率供给线585是从太阳能电池输出功率590提供的。一旦偏置电路510和混频器电路540达到稳态（其将小于毫秒），就期望本发明的热载流子太阳能电池700的交流偏置操作模式是由被用于实现热载流子太阳能电池700的传统核心太阳能电池530所产生的输出功率的两倍以上。
成本考虑
前述讨论中描述的交流偏置和混频器电路被估计为需要使用0.18 CMOS技术的~1mm2的管芯面积。为了降低将与这种小管芯大小相关联的封装开销成本，可以容易地将图8中所说明的子电池中的四个子电池的偏置和混频器电路组合至单个芯片上，该单个芯片将被置于背面上每四个（四元组）子电池的中心处。这种芯片被估计为具有使用0.18微米CMOS技术的~4 mm2的管芯面积，其中，所估计出的未封装管芯成本为~$0.19/管芯。该四元组偏置和混频器芯片的封装成本被保守地估计为处于管芯成本的5倍的范围内，这将导致每四元组偏置和混频器芯片的所估计的成本为~$1。该估计最可能偏保守，尤其是当使用低成本封装技术（例如，包封胶（glop-top））来将四元组偏置和混频器芯片直接集成在热载流子太阳能电池700子电池的背面上时，如图8中所说明的。在考虑由热载流子太阳能电池700四元组子电池基于前述的设计示例所产生的所估计的输出功率时，四元组偏置和混频器芯片的添加将导致每瓦特的成本的补偿，这意味着：针对增加的成本~$25/m2，每平方米将使用四元组偏置和混频器芯片的25，其中，来自基于Si的热载流子太阳能电池的所估计的净产生输出功率为~475 W/m2。在考虑到Si太阳能电池的普遍的每瓦特的成本处于从的范围内时，将传统Si太阳能电池转换为基于Si的热载流子太阳能电池700的所估计的成本补偿被估计为处于Si太阳能电池的每瓦特的成本的当前值的从1%至1.6%的范围内，出于所有实际目的，这是可忽略不计的。在考虑到可由热载流子太阳能电池700实现的功率输出的上的增大时，结合Si太阳能电池作为其核心元件530的热载流子太阳能电池700的所估计的每瓦特的成本将处于的范围内，这反映了3倍以上的每瓦特成本降低。在每瓦特的成本的补偿和效率提高的该规模处，期望将薄膜型太阳能电池（例如，CdTe、CIGS或薄膜Si）用作核心太阳能电池530的本发明的热载流子太阳能电池700可以实现远低于且可能处于的范围内（充分处于针对第3代太阳能电池而提出的范围内）的每瓦特的成本。
反向偏置热载流子太阳能电池
前述讨论中描述的交流偏置热载流子太阳能电池500的实施例700依赖于周期性地降低电池的光电压输出，以便瞬时地导致光激励载流子的传输速度上的提高。将另外以不同方式实现可相比的效果的替代方案将在足够短的时间间隔内间歇地在电池接触部处应用外部反向偏置。短反向偏置脉冲的间歇应用将跨越电池接触部引入附加外部电场εext，该附加外部电场εext实际上将起作用以施加电池的内置电场。结果将是：这些反向偏置脉冲间隔将使光激励载流子的传输速度瞬时地提高至高于电池材料的饱和速度，并且根据所应用的反向偏置脉冲的幅度，光激励载流子传输速度可以达到弹道过冲水平。本发明的热载流子太阳能电池500的该替代实施例将使用并联偏置520来生成反向偏置脉冲，反向偏置脉冲将实现向电池接触部的实质上更短的光激励载流子传输时间。此外，本发明的热载流子太阳能电池500的该替代实施例还将同时使用串联偏置电路510，但是在这种情况下，是为了维持高传输速度，尽管比所应用的反向偏置的持续时间期间的传输速度低，并且还为了实现在实施例500和700的情境内早先描述的在时间上选择性的提取能量方案。本发明的热载流子太阳能电池500的该替代实施例的主要特征是：其允许使本发明的热载流子太阳能电池500的载流子传输和载流子提取能量方面分离。在本发明的热载流子太阳能电池的这两个方面分离的情况下，以下操作变成可能：在能够独立选择电池光电压的可变性的周期的适当值的同时，通过适当选择所应用的反向偏置脉冲的间歇周期来维持载流子传输速度的时间连续高值，电池光电压的可变性的周期的适当值使热载流子太阳能电池500和700的在时间上能量选择性的方案能够在光激励载流子冷却下来之前及时在电池接触部处提取光激励载流子。
图9A说明了热载流子太阳能电池500（其现在被称作900）的替代实施例的框图，除与偏置电路510类似的串联偏置电路910外，该热载流子太阳能电池还使用并联偏置电路920来跨越接触部生成短持续时间反向偏置脉冲的流，串联偏置电路910导致跨越电池900接触部的电阻，并从而使得热载流子电池900的光电压输出值以与前述实施例700中实质上类似的方式在最小值Vmin与最大值Vmax之间周期性地变化。由串联偏置电路910引入的可变偏置的效果将是：使热载流子太阳能电池900能够在大范围的提取能量E­out处在其接触部处提取热载流子，该大范围的提取能量Eout从稍低于其核心太阳能电池元件530的电池带隙能量扩展直至由偏置电路920所能够实现的光电压的最大值将能够实现的最大期望能级。在本发明的热载流子900的情况下，光电压的波形将不再包括前文解释的两个子间隔αTb和(1-α)Tb，而是取而代之，将仅需要在持续时间上与载流子冷却时间τc相当或比载流子冷却时间τc短的、电池光电压输出的间歇改变的周期时间Tb。
图9B说明了热载流子太阳能电池900的光电压的波形，其示出该波形可以是例如简单正弦波形，其中，其最小值Vmin和最大值Vmax如前文指定的那样被选择。在使载流子传输加速度和在时间上选择性的能量载流子提取方面分离的情况下，可以使热载流子太阳能电池900的电池光电压的间歇改变的周期时间T­b甚至比热载流子太阳能电池500和700的该周期时间更短。在Tb ~ 1 ns的情况下，热载流子太阳能电池900的提取能量Eout将以甚至将比一些太阳能电池材料系统中的载流子冷却速率更快的速率进行改变。为了实现Tb ~ 1ns，偏置电路910中包括的振荡器的频率将是fs ~ 1 GHz。
尽管由串联偏置电路910创建的时变光电压仍将造成前述的载流子传输加速度效应，但是热载流子太阳能电池900中的载流子传输加速度效应的主要部分将由并联偏置电路920实现。并联偏置电路920将跨越核心太阳能电池元件530创建非常短且周期性的反向偏置脉冲。在图9C中说明了将由并联电路920所生成且跨越核心太阳能电池元件530所应用的偏置的波形。图9B中所说明的波形基本上是反向偏置的短脉冲的周期性流，每个短脉冲具有持续时间tp、脉冲重复周期Tp和幅度Vp。当在核心太阳能电池530的接触部处应用由并联偏置电路920生成的脉冲中的每一个时，其将导致在与核心太阳能电池530的内置电场εbi相同的方向上的外部电场εext，从而实际上在将电子传输至电池负接触部并将空穴传输至电池正接触部时增强内置电场εbi的效果。在图4中利用参考标记425说明了相对于传统太阳能电池的（I,V）特性的Vp的值的可能范围。
在由并联偏置电路920生成的反向偏置的持续时间tp期间，将在沿相同方向作用的两个电场εbi和εext的组合协作效果下向核心太阳能电池530的接触部传输载流子，以向热载流子太阳能电池900的负接触部传输电子并向热载流子太阳能电池900的正接触部传输空穴。核心太阳能电池530的内部内置电场εbi与由并联偏置电路920生成的所应用的反向偏置脉冲所导致的外部电场εext之间的第一且主要区别在于：该外部电场εext将跨越电池从接触部至接触部的全部厚度进行扩展，而不是主要存在于核心太阳能电池530耗尽区厚度内。核心太阳能电池530的内部内置电场εbi与由并联偏置电路920生成的所应用的反向偏置脉冲所导致的外部电场εext之间的第二区别在于：可以将外部电场εext的强度设置为造成期望载流子加速度效应所需的适当水平。此外，由于在较短时间间隔内周期性地应用外部电场εext，因此生成该外部电场εext的电路（即，并联偏置电路920）将消耗的功率的量将非常小。
在反向偏置脉冲持续时间tp­期间，内部电场εbi和外部电场εext两者将沿相同方向作用，并均将对光激励载流子向核心太阳能电池530的接触部的传输作出贡献。在适当选择所应用的反向偏置脉冲的幅度Vp的情况下，可以使内部电场εbi和外部电场εext的组合强度导致载流子传输速度达到弹道过冲速度，典型地，弹道过冲速度在脉冲持续时间tp期间比107 cm/s大得多，但将快速衰减至~107cm/s的饱和速度水平。当适当选择反向偏置脉冲幅度Vp、持续时间tp和重复周期Tp（例如，Vp ~ -1V，Tp ~ 1 ns以及tp ~ 0.1 Tp）时，可以将跨越核心太阳能电池530的载流子传输速度连续地维持在非常接近~ 107 cm/s的饱和速度。这意味着：可以将向核心太阳能电池530的接触部的光激励载流子传输连续地维持在1 ns中接近100 μs，这将允许在具有~ 5 μm的接触部至接触部厚度的薄核心太阳能电池530（例如，CdTe、CIGS或薄Si）内生成的光激励载流子能够在25 ps内到达电池接触部，25 ps足够短于大多数太阳能电池材料的热载流子冷却时间τc。热载流子太阳能电池900的这些组合特征还将使得可能应用在具有~ 300 μm的典型接触部至接触部厚度的传统Si太阳能电池中，其中，在这种情况下，所实现的载流子传输时间为~ 1.5 ns，其也足够短于Si材料的热载流子冷却时间τc。
在分别由串联和并联偏置电路910和920生成的共同偏置的情况下，热载流子太阳能电池900可以在载流子冷却下来之前较长时间将光激励载流子传输至核心太阳能电池530的接触部，并使这些载流子也在其在电池接触部处冷却下来之前在时变选择性提取能量处被提取。热载流子太阳能电池900中使用的串联偏置电路910框图实质上与图5C中参考的串联偏置电路510的框图类似。图9D说明了可结合本发明的热载流子太阳能电池500的实施例900使用的并联偏置电路520的典型框图。图9D中所说明的电路的类型与典型地在超宽带无线应用中使用的那些电路的类型类似，并可以被设计为生成具有小于一纳秒的重复间隔的在持续时间上小于皮秒的脉冲。可以容易地应用这种设计参数，以生成图9中所说明的反向偏置波形。本领域技术人员将了解，除图9D中所说明的电路设计外，还存在许多替代的电路设计，其可以被用于生成图9C中所说明的反向偏置波形，具有可相比的最终结果。
如图9A中所说明的，与热载流子太阳能电池500类似，将通过将串联偏置电路910的输出与跨越负载电阻器RL的电池输出进行混频，将热载流子太阳能电池900的最终输出下转换至DC或AC格式，区别在于：在实施例900的情况下，将必须添加低通滤波器950，以在由混频器电路540实现的下转换之前从电池900的输出移除反向偏置的所应用的宽带光谱。尽管图9A说明了提供AC输出的热载流子太阳能电池900配置，但是可以容易地实现热载流子太阳能电池900的配置，以通过从图9A的框图中消除60-Hz振荡器745和混频器750来提供DC输出。
参照对太阳能电池中的损失机制的前述讨论，本发明的热载流子太阳能电池500、700和900通过避免两个主要损失机制（即，损失机制，热载流子冷却；以及损失机制，接触部提取效率）来实现所产生的净效率提高。以下部分中的讨论意在示出：当连同结合量子限制结构（例如，QW或QD）的核心太阳能电池实现本发明的交流偏置方案时，所得到的热载流子太阳能电池将能够通过避免另一个主要损失机制（即，损失机制，光子的损失，其中，Ep < Eg；外加损失机制，由于辐射重组而引起的光激励载流子的损失）来实现更高的所产生的净效率提高。如后续讨论中将解释的，使用结合光和量子限制结构俩者的核心太阳能电池530的热载流子太阳能电池500、700和900很可能实现将超过由多结太阳能电池实现的净效率的所产生的净效率，从而通过避免对与完全与损失机制相关联的单片多结堆叠和晶格失配问题（损失机制的诱因）的需要来间接地避免损失机制。
扩展覆盖交流偏置热载流子太阳能电池
在前述讨论中已经描述将p-n结太阳能电池（例如，Si、GaAs、CdTe和CIGS）用作其核心太阳能电池530的本发明的交流偏置热载流子太阳能电池的多个实施例，该部分中的讨论旨在将本发明的交流偏置太阳能电池的能力扩展到还收获具有低于电池带隙Eg的能量Ep的入射太阳光子的能量。用于实现该目的的途径是：连同结合量子限制结构（例如，QW和QD）的III-V材料太阳能电池应用本发明的交流偏置太阳能电池。这是本发明的交流偏置太阳能电池的引人注意的应用，这是由于III-V合金的多用途材料带隙选项外加其直接带隙和高载流子移动性在与本发明的交流偏置方案相结合时可以产生单结太阳能电池，该单结太阳能电池将具有太阳光谱的扩展覆盖并供应极高的所产生的净效率。尽管以下讨论将被限于基于MQW的太阳能电池，但是除量子限制的额外维度的效应外，基于QD的交流偏置热载流子太阳能电池背后的基础概念实质上类似。
已经专门研究使用量子限制结构（例如，QW和QD）的光伏（PV）太阳能电池，但是即使这些PV太阳能电池被预测为由于将太阳光子吸收扩展至低于本征电池带隙而实现效率增强（"Quantum Well Solar Cells", K.W.J. Barnham et al, Physica E14 (2002) 27-36），与散装材料太阳能电池相比，这些PV太阳能电池也尚未获得广泛使用，这主要是由于其预测的效率增强与电池成本上的提高之间的不平衡。该不平衡由以下事实导致：基于量子限制的太阳能电池带隙扩展将主要处于带隙的较低能量侧，从而仅向更长波长提高电池光子吸收能力。此外，所实现的电池带隙扩展的宽度将非常取决于所使用的材料系统和所结合的量子结构的带隙结构。然而，如前所讨论，太阳能电池内对量子结构的结合将供应放慢III-V材料合金系统中的热载流子的冷却（扩展冷却时间τc）的能力。结合量子结构的太阳能电池中的所得到的延长载流子冷却时间τc使将本发明的交流偏置方案应用于基于III-V材料的太阳能电池更可行，这是由于典型地，这种材料中的载流子冷却时间比Si、CdTe或CIGS材料系统中的载流子冷却时间更短。应用能够实现对具有扩展至电池材料带隙Eg外的能量的光激励载流子的提取的本发明的交流偏置热载流子提取方案的优点将等效地适用于结合量子结构的基于III-V材料的太阳能电池。将光激励载流子能量提取扩展至低于电池材料带隙Eg的所结合的量子结构和将光激励载流子能量提取扩展至高于电池材料带隙Eg的本发明的交流偏置的组合效应将产生将具有可能跨越太阳光谱的大量部分的扩展覆盖的太阳能电池。例如，当连同结合量子限制结构（例如，QW或QD）的基于GaAs的太阳能电池应用本发明的交流偏置方案时，可以使本发明的所得到的热载流子太阳能电池的光激励载流子提取扩展至远低于和高于GaAs的Eg = 1.42eV的带隙能量值。
可以以与实施例500、700或900非常相同的方式结合基于MQW的太阳能电池应用前述讨论中描述的本发明的交流偏置方案，其中，核心太阳能电池530是结合量子限制结构（例如，QW或QD）的基于III-V材料的太阳能电池。在图10A中说明了这种核心太阳能电池530的能带结构，图10A示出了在p-i-n结太阳能核心太阳能电池的本征区内结合的MQW（"Quantum Well Solar Cells", K.W.J. Barnham et al, Physica E14 (2002) 27-36）。所结合的MQW将被设计为将电池能量提取能力扩展至低于电池材料带隙能量Eg。这将是通过逐渐降低MQW的带能（将其分级）以提供对低于电池带隙Eg的能带的宽覆盖来实现的。在图10A中说明了分级后的MQW表示什么意思，图10A示出了与具有从Ea至Eb进行跨度的不同值的所结合的QW中的每一个相关联的带隙，Ea和Eb均低于电池材料带隙Eg。从Ea至Eb的能级的范围可以被视为低于本征带隙能量Eg的电池的光子能量吸收能力的扩展。这意味着：这将能够实现由具有低于电池带隙能量Eg的从Ea至Eb的范围内的能量的入射太阳光子对载流子的光激励。实际上，该方案实质上克服了前文解释的电池效率损失机制，这是由于其将允许电池转换电池带隙Eg处或之下的入射太阳光子的能量。在以下讨论中提供对该效应的详细解释。
在图10B中示出了在照明下基于MQW的交流偏置热载流子电池的能带结构的说明。在照明下，基于MQW的交流偏置热载流子电池的带结构可以由以下至少三个准费米能级（QFL）描述（"Detailed Balance Efficiency Limits with Quasi-Fermi LevelVariations", S.P. Bremner, R. Corkish and C.B. Honsberg, IEEE Trans. ElectronDevices, vol. 46, No. 10, Oct 1999; A. Luque and A. Marti, Ultra-highefficiency solar cells: the path for mass penetration of solar electricity,Electronics Letter, vol. 44, No. 16, July 2008）：
▪ QFLV，其描述了电池价带（VB）中的空穴的群体；
▪ QFLI，其描述了由分级后的MQW形成的中频带（IB）中的电子和空穴（载流子对）的群体；以及
▪ QFLC，其描述了电池的导带（CB）中的电子的群体。
在图10A中分别被指定为P1、P2和P3的具有电池材料带隙Eg处或之下的能量的多个太阳光子吸收将能够实现由分级后的MQW创建的图10B中所说明的多个QFL分离之间的以下多个载流子转移：
。
当将交流偏置与结合基于量子限制的核心太阳能电池530的热载流子太阳能电池500、700或900一起使用时，由图10A中所说明的分级后的MQW吸收的“额外”低能量光子P2和P3所产生的载流子将被提取并贡献“额外”电流。该额外电流来自更低能量（相对于电池带隙）处的光子的扩展吸收，并且还来自由于分级后的MQW中的量子限制的效应而增大的载流子群体（"Quantum Well Solar Cells", K.W.J. Barnham et al, Physica E14 (2002)27-36）。这种情况下的主要差异将是：本发明的热载流子太阳能电池500、700和900的时变光电压还将在其Vmin中扩展，以在接触部处提供提取具有比核心电池530材料带隙能量Eg的能量低的能量的光激励载流子所需的更低提取能量。本发明的交流偏置热载流子太阳能电池的该实施例的附加优势在于：太阳能电池光电压向提取具有低于电池材料带隙Eg的能量的光激励载流子所需的较低值的交替还将允许电池周期性地操作于较低光电压值，这进而能够实现增强电池的载流子传输能力的载流子传输电场值中的周期性增大。这意味着：在降低电池光电压以增强本发明的热载流子太阳能电池500、700和900的载流子传输能力的时间间隔期间，利用光电压的降低值来提供提取具有低于由在本发明的热载流子太阳能电池的核心太阳能电池内结合的量子结构所能够实现的电池材料带隙能量的能量的光激励载流子所需的电池接触部处的提取能量的较低值。
光限制交流偏置热载流子太阳能电池
如前所解释的，在热载流子太阳能电池实施例500、700和900中使用的核心太阳能电池530的接触部至接触部厚度显著地影响载流子传输时间，并因此显著地影响本发明的交流偏置热载流子太阳能电池的性能。例如，即使典型地，Si中的载流子寿命特性比III-V材料长得多，但是如前所解释的，对于基于硅的核心太阳能电池530，在从~1.5 ns至~15 ns的范围变化的载流子传输时间可以由热载流子太阳能电池900和500实现。这些值是图2中所说明的载流子寿命的载流子冷却阶段的高端。由此，在具有大接触部至接触部厚度的太阳能电池（例如，传统Si太阳能电池）中可能未完全实现本发明的交流偏置热载流子提取方案的优点。然而，出于成本降低的原因，存在旨在减小基于Si的太阳能电池厚度的密集进行中的活动；这是还将允许在这种电池中可完全实现本发明的交流偏置热载流子提取方案的优点的趋势。例如，电池顶表面的纹理外加反射表面在基于Si的太阳能电池的背面处的布置将导致进入电池吸收器的光的多次反射，这将进而允许利用薄得多的电池吸收器来吸收入射在电池上的太阳光子。该简单光陷阱装置可以使20 μm厚的Si太阳能电池具有甚至比400 μm Si太阳能电池更好的光吸收（"Physics of Solar Cells", P. Würfel, pp. 173-177）。
在图11A中说明了利用与前文参考的那些方面类似的光陷阱方面外加隐埋接触部的光限制太阳能电池结构（"The Physics of Solar Cells", J. Nelson, pp. 188-191）。如图11A中所说明的，这种电池结构将结合反射垂直侧壁，反射垂直侧壁将总体电池划分为多个子电池，典型地，每个子电池将具有约几十微米的宽度Lc。这些侧壁将用于多个目的。首先，侧壁将被用于跨越整个电池创建多个光学微腔。这些微腔将提供对未导致载流子的第一次经过期间对载流子的光激励的入射太阳光子以及由于光激励载流子的辐射重组而在电池结构内生成的光子的光限制。其次，如图11A中所说明的，侧壁还将用作将与电池顶表面处的微网状物互连的隐埋接触轨。如图11A中所说明的，该微网状物将具有约几微米的正交节距，并将跨越子电池的整个顶侧表面，以便提供所应用的偏置的均匀分布以及均匀的接触部，以用于在不显著阻挡电池顶表面的光入射的情况下提取电池功率输出。
由图11A中所说明的微腔的反射微腔子电池侧壁、背面和纹理顶侧所实现的光限制将得到进入子电池的光，在由于微腔子电池侧壁和背面的吸收而衰减之前反射多达4-6次。当微腔子电池侧壁之间的距离是Lc ~ 50 μm时，图11A中所说明的微腔子电池结构的所创建的光限制能力将使实现结合图11A中所说明的光限制微腔的基于Si的太阳能电池的接触部至接触部厚度~5 μm成为可能。如前所解释的，该接触部至接触部厚度将能够实现~0.25 ns的载流子提取时间，这充分处于硅电池的期望载流子冷却时间内。当图11A中所说明的光限制电池结构被用作本发明的热载流子太阳能电池的配置500、700和900中的核心电池530的结构时，其将允许这些电池以更短的载流子传输时间进行操作。此外，其还将便于将由光激励载流子的辐射重组生成的光子所进行的载流子光激励——在典型太阳能电池中，这些光子由于前文所解释的效率损失机制而损失，这是由于这些光子未被限制在这种电池结构内。
值得一提的是，由结合图11A的光限制微腔的电池结构所提供的光限制和由图10A的电池材料结构所提供的载流子量子限制的组合，在如图11B中所说明的在交流偏置太阳能电池500、700和900的核心太阳能电池530的情境内共同使用时，将对提高由未导致第一次经过中的载流子激励的光子所进行的载流子激励的概率作出贡献。由于子电池微腔的光限制以及MQW的载流子限制效应，由辐射重组生成的光子将导致对一个或多个载流子的后续激励的可能性可以由所生成的光子的延长的寿命极大地增强。因此，图11B的光子和载流子限制方面的组合实际上将增强一个太阳光子将导致对多个载流子的激励的可能性——这是将避免由前文讨论的SQ模型所建立的效率极限的关键假设之一（即，假定太阳入射光子产生仅一个电子空穴对）的效应。
参照对太阳能电池中的损失机制的先前讨论，本发明的热载流子太阳能电池将能够通过避免以下损失机制来实现所产生的净效率提高：具有Ep < Eg的光子的损失，损失机制；由于热载流子张弛而引起的损失；由于辐射重组而引起的光激励载流子的损失；以及由于接触部提取效率而引起的损失。此外，本发明的热载流子太阳能电池将完全避免损失机制，这是由于其将能够实现与具有单结电池结构的单片多结电池的效率相当的效率，从而避免引发该损失机制的晶格失配问题。
基于以上讨论，可能结合量子限制结构（例如，QW或QD）和光子微腔子电池的本发明的交流偏置热载流子太阳能电池将能够：
1. 将具有电池材料带隙Eg处、之上和之下的能量的入射太阳光子的能量转换为功率；
2. 通过再循环否则将损失的所发射的光子来利用与由光激励载流子的辐射重组导致的内部光电发射相关联的能量；
3. 通过单个入射太阳光子来实现多载流子对激励；
4. 能够实现从结合多QFL分离的电池结构提取光激励载流子；以及
5. 操作于消除AC/DC逆变器损耗的交流输出模式。
候选材料系统
如前所解释的，可以结合传统散装材料太阳能电池材料（例如，传统Si、CdTe、CIGS）以及III-V材料（例如，结合量子限制（例如QW和QD）的散装GaAs和太阳能电池）来实现本发明的交流偏置热载流子太阳能电池。图12（改编自"Third GenerationPhotovoltaics", Gregory F. Brown and Junqiao Wu, Laser & Photon Rev., 1-12(2009), published online: 2 February 2009）示出了参考太阳光谱的能量分布、可结合本发明的交流偏置热载流子太阳能电池使用的若干个候选太阳能电池材料系统的带隙能量。如图12中所示，现今的最高效单结太阳能电池（包括基于Si、InP和GaAs的那些太阳能电池）具有1.1eV与1.4eV之间的带隙能量，并可以典型地将跨越太阳能光谱的太阳光子的仅相对较窄带转换为能量。太阳能光谱的该窄覆盖基本上是在1个太阳单位（1-sun）下将现今的单结光伏太阳能电池效率限制在低于30%的因素。实际上，由于实现损耗，所产生的净效率甚至更低，这使典型单结太阳能电池模块的所产生的净效率变为远低于20%，该实现损耗的大部分是25% DC至AC逆变器损耗。实际上，最佳效率单结Si电池实现了小于24%的效率，不算DC至AC逆变器损耗，这在被考虑时将导致来自电池的18%的所产生的净效率。相比之下，本发明的交流偏置热载流子太阳能电池可以具有将从0.65eV扩展至3.15eV的太阳光子能量覆盖，从而覆盖太阳光谱的大部分并产生比18%高数倍的净效率水平。
在图12中说明了两个候选交流偏置热载流子太阳能电池的太阳能光谱覆盖。在图12中指定为Si-ABC的基于Si的第一候选使用传统Si太阳能电池或者结合光限制微腔的图11A中描述的薄Si太阳能电池。第二候选基于使用结合了在图12中指定为InGaN MQW-ABC的分级后的MQW的InxGa1-xN材料系统。利用本发明的交流偏置热载流子提取方案，将可能扩展基于Si的太阳能电池光谱覆盖，以使其从1.1eV的Si带隙能量至几乎3eV进行跨度，从而能够实现可以是传统Si电池的2.5倍以上的总体功率转换效率。在现今的高效率的基于Si的太阳能电池的典型产生功率零售成本0.35 $/kWh（"Solar Photovoltaics: ExpandingElectric Generation Options", Electric Power Research Institute (EPRL),December 2007）的情况下以及在考虑由于添加组件以实现本发明的交流偏置方案而引起的成本提高时，可由基于Si的交流偏置太阳能电池实现的效率提高将产生小于0.15 $/kWh的太阳能功率零售成本，这小于由现今的Si电池实现的功率零售成本的一半并充分处于现今的传统功率零售成本的范围内。
氮化铟镓（InxGa1-xN）材料系统具有从0.65eV至3.4eV进行跨度的带隙能量，从而使其与太阳光谱几乎完美匹配。该材料系统的全电势太阳能覆盖可以由前述基于MQW的InxGa1-xN交流偏置热载流子太阳能电池实现。可以结合使用（InxGa1-xN）材料，通过使跨越多个量子阱的铟含量“x”的值从低值变化至高值以创建具有跨越氮化镓（GaN）的带隙进行跨度的带隙的多个量子阱，来实现图10A的分级后的MQW。利用对基于MQW的InxGa1-xN材料的中频带的适当设计，可以使InxGa1-xN材料实现从几乎0.65eV扩展至3.4eV的带隙。这种类型的材料系统在结合本发明的交流偏置方案而使用时将能够实现太阳光谱的几乎完全覆盖，从而使得可能实现来自单结太阳能电池的超高效率，尤其是当结合太阳能集中器而使用时。如前所解释的，在这种电池输出功率已经是交流电的情况下，可以利用所实现的效率中的大多数来在考虑其他实现损耗之后提供实现高于70%的所产生的净效率的潜力。在所产生的净效率和所估计出的成本Wp 2.25 $/W的这种水平下，结合100x太阳能集中器进行操作的InxGa1-xN MQW交流偏置热载流子太阳能电池将具有实现小于0.10 $/kWh的太阳能功率零售成本的潜力——这小于由现今的最高效传统太阳能电池所实现的功率零售成本的三分之一，并且还充分处于现今的传统功率零售成本的范围内。
如上所解释的，本公开中描述的散装Si电池和基于MQW的III-V太阳能电池中的交流偏置方案的应用的两个示例示出了由电池生成的功率的零售成本中的所预测的数倍降低，这指示了本发明的交流电热载流子太阳能电池可以导致达到第3代（3G）太阳能电池成本目标。
性能比较
表1是当前最常使用的太阳能电池的所实现的效率以及前文讨论的交流偏置热载流子太阳能电池的两个示例应用（即，在1个太阳单位（1-sun）下操作的基于Si的电池和与100x太阳能集中器（100个太阳单位（100-sun））一起操作的InxGa1-xN的基于MQW的电池）的预测产生净效率（或功率附加效率，PAE）的表格。为了正确看待表1的比较，应当注意，当前太阳能电池的所列出的所实现的效率并未反映由在其输出处所需要的DC至AC转换器导致的所估计出的25%的损失。另一方面，由于交流偏置热载流子电池功率输出是AC，因此在表1中列出的两个交流电电池的所预测的效率性能是在说明可能的实现损耗后在系统级处的所产生的净效率。因此，对于有意义的一对一比较，当前太阳能电池的效率性能值应当缩减25%。
表1强调了贯穿本公开所贯彻的以下主题：使用本发明的所描述的交流偏置方案而实现的太阳能电池可以实现由当前单结电池实现的效率上的数倍提高。此外，表1还强调了：根据所选材料系统（基于量子限制结构，QW或QD）具有实现与多结太阳能电池相当或可能高于多结太阳能电池的所产生的净效率的潜力。在被实现时，实现该水平的所产生的净效率的成本/效率效益可以非常可能以其向着实现所设置的3G目标的方式投入太阳能电池产业。
表1
本发明的交流电热载流子电池和传统太阳能电池的效率预测的比较。
结论
本公开描述了用于实现太阳能电池中的极高效率的新设计方案。首先，描述了新交流偏置方案，其通过能够实现对热载流子的提取来将光伏功率提取能力增强至高于电池带隙。当结合散装材料单结太阳能电池而应用时，所描述的交流偏置热载流子电池具有是核心电池所产生的净效率两倍以上的潜力。其次，当结合基于量子阱（QW）或量子点（QD）的太阳能电池应用该交流偏置方案时，本发明的交流偏置热载流子太阳能电池具有以下潜力：跨越整个太阳光谱扩展其核心太阳能电池功率提取覆盖，从而能够达到太阳能功率提取效率的前所未有的水平。再次，当连同结合了量子和光子限制两者的核心太阳能电池来应用交流偏置方案时，所得到的太阳能电池可以潜在地避免限制现今太阳能电池的效率的几乎所有损失机制。这是通过以下来实现的：将所描述的交流偏置方案的热载流子提取能力与结合分级后的MQW和子电池光子限制微腔的新电池设计进行组合，从而进一步增强电池效率，其中，分级后的MQW用于将电池光伏功率提取能力扩展至低于电池带隙，以及子电池光子限制微腔用于利用载流子辐射重组并能够实现每单个吸收光子的多个载流子的生成。
因此，本发明具有多个方面，按照期望，可以单独或者以各种组合或子组合来实践这些方面。尽管出于说明的目的而非限制的目的已经在本文公开并描述了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在这些优选实施例中进行形式和细节上的各种改变。
在以上详细描述中，已经参照本发明的具体实施例描述了本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的较宽精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。相应地，以说明性而非限制性的意义来看待设计细节和附图。本领域技术人员将认识到，可以与以上针对优选实施例而描述的实施方式不同地实现本发明的部分。例如，本领域技术人员将意识到，可以利用许多变型来实现本发明的交流偏置热载流子太阳能电池的串联和并联偏置电路，并且，这些偏置电路的具体设计参数可以实质上改变交流偏置的特性，并因此实质上改变所得到的太阳能电池的性能。本领域技术人员将进一步认识到，在不脱离本发明的基本原理和教导的情况下，可以对本发明的上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应当仅由随后的权利要求所确定。

Claims (50)

1.一种操作太阳能电池的方法，包括：
针对具有单个结以及第一和第二接触部的太阳能电池，使跨越第一和第二接触部的太阳能电池操作电压在最小和最大太阳能电池操作电压之间周期性地交替；
该太阳能电池操作电压在最小和最大太阳能电池操作电压之间的交替的周期比太阳能电池的热载流子冷却时间短，以在太阳能电池操作电压的交替期间从太阳能电池提取跨越能级范围的光激励载流子，所述光激励载流子包括光激励热载流子。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，太阳能电池是散装材料太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，太阳能电池结合了量子限制。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：
最小太阳能电池操作电压是以下太阳能电池操作电压：以该太阳能电池操作电压，太阳能电池内置电势足够高，以使在太阳能电池内光激励的电子和空穴以逼近或达到其最大值的传输速度向太阳能电池的第一和第二接触部加速；以及
最大太阳能电池操作电压实质上等于在太阳能电池内生成的光激励载流子的电化电势的最大值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，太阳能电池首先以固定太阳能电池操作电压进行操作，以将功率提供给电路，使跨越第一和第二接触部的太阳能电池操作电压然后在最小和最大太阳能电池操作电压之间周期性地交替。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，将太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期选择为足够短，以将由太阳能电池实现的平均光电压保持在最高可能值处或附近。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，将太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期选择为足够长，以维持用于在热载流子冷却时间内将太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至太阳能电池的第一和第二接触部的平均载流子传输速度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在最小和最大太阳能电池操作电压之间周期性地交替的周期以及子周期的持续时间与交替周期之比是响应于太阳能电池的带隙、载流子移动性和晶格特性而选择的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，太阳能电池操作电压的交替包括比交替周期短的至少一个时间间隔，在所述至少一个时间间隔期间，太阳能电池操作电压达到相反极性的以及持续时间和重复周期的太阳能电池操作电压，以维持足以在热载流子冷却时间内将太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至第一和第二接触部的平均载流子传输速度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，将太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期选择为足够长，以维持用于在热载流子冷却时间内将太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至太阳能电池的第一和第二接触部的平均载流子传输速度，将太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期选择为足够短，以将由太阳能电池实现的平均光电压保持在最高可能值处，以及在最小和最大太阳能电池操作电压之间周期性地交替的周期以及子周期的持续时间与交替周期之比是响应于太阳能电池的带隙、载流子移动性和晶格特性而选择的，允许太阳能电池接触部之间的提取能量分离在时间上扫过实质上与太阳能电池内的光激励载流子的电化电势的分布图相匹配的提取能量的范围，从而允许单结太阳能电池具有多结太阳能电池的能量提取效率效益。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，将太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期选择为足够长，以维持用于在热载流子冷却时间内将太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至太阳能电池的第一和第二接触部的平均载流子传输速度，将太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期选择为足够短，以将由太阳能电池实现的平均光电压保持在最高可能值处，以及在最小和最大太阳能电池操作电压之间周期性地交替的周期以及子周期的持续时间与交替周期之比是响应于太阳能电池的带隙、载流子移动性和晶格特性而选择的，从而在太阳能电池接触部之间提供提取能量分离，以便以与热载流子冷却速率相当或比热载流子冷却速率更快的速率在时间上扫过大范围的提取能量，允许在每个接触部处通过在时间上离散的窄提取能带以及利用实质上等于太阳能电池内的光激励载流子之间的能量分离的接触部之间的瞬时能量分离，将到达太阳能电池接触部的光激励载流子传送至太阳能电池负载。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
太阳能电池材料选自由硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS）、铜铟镓硒（CIGS）以及III-V材料的合金构成的组；以及
太阳能电池的第一和第二接触部之间的太阳能电池操作电压在最小和最大太阳能电池操作电压之间的交替具有与热载流子冷却时间相当或比热载流子冷却时间更短的交替周期，能够实现在时间上离散的窄提取能量，所述在时间上离散的窄提取能量允许在太阳能电池材料或太阳能电池接触部内冷却下来之前从太阳能电池提取热载流子。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，太阳能电池材料选自由硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS）、铜铟镓硒（CIGS）以及III-V材料的合金构成的组。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，太阳能电池的太阳能电池操作电压在最小和最大太阳能电池操作电压之间的交替在实质上与在太阳能电池内生成的光激励载流子的能量分布图相匹配的提取能量的范围上提取太阳能电池内的光激励载流子，所述能量分布图从太阳能电池材料的带隙能量跨度至实质上等于要从太阳能电池提取的热载流子的电化电势的最大值的能量。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，太阳能电池包括量子限制结构、光限制结构或者这两者。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，太阳能电池的太阳能电池操作电压在最小和最大太阳能电池操作电压之间的交替提取由太阳光子光激励的太阳能电池内的载流子，所述太阳光子具有在以下能量范围上扩展的能量，所述能量范围从太阳能电池材料的带隙能量扩展至实质上等于要从太阳能电池提取的热载流子的电化电势的最大值的能量。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，太阳能电池的太阳能电池操作电压的交替提供了在实质上与在太阳能电池内生成的光激励载流子的能量分布图相匹配的提取能量的范围上对太阳能电池内的光激励载流子的提取，所述能量分布图从实质上低于太阳能电池材料的带隙能量跨度至实质上等于要从太阳能电池提取的热载流子的电化电势的最大值的能量值。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，太阳能电池的太阳能电池操作电压的交替导致对由太阳光子光激励的太阳能电池内的载流子的提取，所述太阳光子具有在从实质上低于太阳能电池材料的带隙能量至实质上等于要从太阳能电池提取的热载流子的电化电势的最大值的能量的大范围的能量上扩展的能量。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，太阳能电池包括由量子阱或量子点组成的量子限制结构。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，量子限制结构包括多个量子阱，其中，对多个量子阱的带隙进行分级，以针对量子阱提供不同带隙值的范围，其中，所述不同带隙值的范围低于太阳能电池材料带隙值。
21.一种太阳能电池，包括：
核心太阳能电池具有第一和第二核心太阳能电池接触部；
核心太阳能电池操作电路，耦合至第一和第二核心太阳能电池接触部，所述核心太阳能电池操作电路在第一和第二核心太阳能电池接触部之间提供时变核心太阳能电池操作电压，并将从第一和第二核心太阳能电池接触部接收到的电能耦合至输出负载；
第一和第二核心太阳能电池接触部上的时变核心太阳能电池操作电压在最小和最大核心太阳能电池操作电压之间交替；
核心太阳能电池操作电压在最小和最大核心太阳能电池操作电压之间的交替的周期比核心太阳能电池的热载流子冷却时间更短，以从核心太阳能电池提取跨越能级范围的光激励载流子。
22.根据权利要求21所述的太阳能电池，其中：
核心太阳能电池具有第一和第二接触部；
将核心太阳能电池操作电路耦合以使第一和第二接触部之间的太阳能电池操作电压在最小和最大太阳能电池操作电压之间周期性地交替，最小太阳能电池操作电压是以下值：在该值处，核心太阳能电池内部内置电场足够高，以使得在核心太阳能电池内生成的电子和空穴向第一和第二接触部传输，最大太阳能电池操作电压实质上等于在核心太阳能电池内生成的载流子的电化电势的最大值。
23.根据权利要求22所述的太阳能电池，其中，太阳能电池操作电压的交替周期包括允许太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期，所述子周期被选择为足够长，以维持足以在热载流子冷却时间内将核心太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至第一和第二接触部的平均载流子传输速度。
24.根据权利要求22所述的太阳能电池，其中，太阳能电池操作电压的交替周期包括允许太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期，所述子周期足够短，以将由核心太阳能电池实现的平均光电压保持在最高可能值处或附近。
25.根据权利要求22所述的太阳能电池，其中，太阳能电池操作电压的交替周期包括太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期，所述子周期被选择为足够长，以维持用于在热载流子冷却时间内将核心太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至核心太阳能电池的第一和第二接触部的平均载流子传输速度，以及子周期的持续时间与交替周期之比是响应于核心太阳能电池的带隙、载流子移动性和晶格特性而选择的。
26.根据权利要求22所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池是自偏置的，从而在初始化时，核心太阳能电池以固定偏置进行操作，并且然后，核心太阳能电池操作电路由固定偏置核心太阳能电池初始供电以被初始化，并后续针对核心太阳能电池的稳态操作导致交流太阳能电池操作电压。
27.根据权利要求22所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池操作电压的最大和最小值均处于核心太阳能电池的操作极性内。
28.根据权利要求27所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池由III-V三元合金氮化铟镓InxGa1-xN组成，其中，下标“x”表示三元合金氮化铟镓内的铟含量的比率，核心太阳能电池结合多个量子阱，其中，通过将跨越多个量子阱的“x”从低值变化至高值以创建具有跨越氮化镓的带隙进行跨度的带隙的多个量子阱，来对多个量子阱的带隙进行分级，以针对量子阱提供不同带隙值的范围，其中，所述不同带隙值的范围低于核心太阳能电池带隙值。
29.根据权利要求28所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池具有跨越太阳辐射的能量谱的大部分进行扩展的太阳光谱。
30.根据权利要求22所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池操作电路使最大和最小太阳能电池操作电压均处于核心太阳能电池的操作极性内，并使太阳能电池操作电压的交替周期包括至少一个更短时间间隔，在所述至少一个更短时间间隔期间，核心太阳能电池偏置瞬时达到相反极性的太阳能电池操作电压，所述相反极性的太阳能电池操作电压、持续时间和重复周期维持足以在热载流子冷却时间内将核心太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至第一和第二接触部的平均载流子传输速度。
31.根据权利要求30所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池材料选自由硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS）、铜铟镓硒（CIGS）以及III-V材料的合金构成的组。
32.根据权利要求30所述的太阳能电池，其中：
核心太阳能电池材料选自由硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS）、铜铟镓硒（CIGS）以及III-V材料的合金构成的组；以及
太阳能电池操作电压在最小和最大太阳能电池操作电压之间的交替导致在实质上与在核心太阳能电池内生成的光激励载流子的能量分布图相匹配的提取能量的范围上提取核心太阳能电池内的光激励载流子，所述能量分布图从核心太阳能电池材料的带隙能量跨度至实质上等于要从核心太阳能电池提取的热载流子的电化电势的最大值的能量值。
33.根据权利要求30所述的太阳能电池，其中，太阳能电池操作电压的交替周期包括允许太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期，所述子周期足够短，以将由核心太阳能电池实现的平均光电压保持在最高可能值处或附近，以及其中，所述子周期足够长，以维持用于在热载流子冷却时间内将核心太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至核心太阳能电池的第一和第二接触部的平均载流子传输速度，子周期的持续时间与交替周期之比是响应于核心太阳能电池的带隙、载流子移动性和晶格特性而选择的，从而允许核心太阳能电池接触部之间的提取能量分离在时间上扫过实质上与核心太阳能电池内的光激励载流子的电化电势的分布图相匹配的大范围的提取能量，从而允许单结核心太阳能电池在功能上如多结太阳能电池那样执行。
34.根据权利要求30所述的太阳能电池，其中，太阳能电池操作电压的交替周期包括允许太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期，所述子周期足够短，以将由核心太阳能电池实现的平均光电压保持在最高可能值处或附近，以及其中，所述子周期足够长，以维持用于在热载流子冷却时间内将核心太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至核心太阳能电池的第一和第二接触部的平均载流子传输速度，子周期的持续时间与交替周期之比是响应于核心太阳能电池的带隙、载流子移动性和晶格特性而选择的，从而允许核心太阳能电池接触部之间的提取能量分离在时间上扫过实质上与核心太阳能电池内的光激励载流子的电化电势的分布图相匹配的大范围的提取能量，从而允许核心太阳能电池实现比能够使用在第一和第二接触部之间具有固定偏置的核心太阳能电池实现的更高的光电压和光电流值。
35.根据权利要求30所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池偏置的最大和最小值均处于核心太阳能电池的操作极性内，以及其中，核心太阳能电池操作电路被实现为在核心太阳能电池的背面上安装的电路板或集成电路芯片上，以导致用于核心太阳能电池的交流太阳能电池操作电压。
36.根据权利要求30所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池包括量子限制结构、光限制结构或者这两者。
37.根据权利要求36所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池包括由量子阱或量子点组成的量子限制结构。
38.根据权利要求37所述的太阳能电池，其中，量子限制结构包括多个量子阱，其中，对多个量子阱的带隙进行分级，以针对量子阱提供不同带隙值的范围，其中，所述不同带隙值的范围低于核心太阳能电池带隙值。
39.根据权利要求37所述的太阳能电池，其中：
核心太阳能电池材料选自由硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS）、铜铟镓硒（CIGS）以及III-V材料的合金构成的组；以及
量子限制结构允许在实质上与在核心太阳能电池内生成的光激励载流子的能量分布图相匹配的提取能量的范围上提取核心太阳能电池内的光激励载流子，所述能量分布图从实质上低于核心太阳能电池材料的带隙能量跨度至实质上等于要从核心太阳能电池提取的热载流子的电化电势的最大值的能量值。
40.根据权利要求38所述的太阳能电池，其中：
核心太阳能电池材料选自由硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS）、铜铟镓硒（CIGS）以及III-V材料的合金构成的组；以及
量子限制结构允许提取具有在以下能量范围上扩展的能量的核心太阳能电池内的光激励载流子，所述能量范围从实质上低于核心太阳能电池材料的带隙能量扩展至实质上等于要从核心太阳能电池提取的热载流子的电化电势的最大值的能量。
41.根据权利要求30所述的太阳能电池，其中，太阳能电池操作电压的交替周期包括允许太阳能电池操作电压逼近或达到最小太阳能电池操作电压的子周期，所述子周期被选择为足够长，以维持足以在热载流子冷却时间内将核心太阳能电池内的实质上所有光激励载流子传输至第一和第二接触部的平均载流子传输速度，所述子周期足够短，以将由核心太阳能电池实现的平均光电压保持在最高可能值处或附近，子周期的持续时间与交替周期之比是响应于核心太阳能电池的带隙、载流子移动性和晶格特性而选择的，从而允许核心太阳能电池接触部之间的提取能量分离以便以与热载流子冷却速率相当或比热载流子冷却速率更快的速率在时间上扫过大范围的提取能量，这允许在每个接触部处通过在时间上离散的窄提取能带以及利用实质上与核心太阳能电池内的光激励电子和空穴之间的能量分离匹配的接触部之间的瞬时能量分离，来将到达核心太阳能电池接触部的光激励载流子传送至核心太阳能电池负载。
42.根据权利要求41所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池材料选自由硅（Si）、砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）、铜铟硒（CIS）、铜铟镓硒（CIGS）或者III-V材料的合金构成的组，从而允许在核心太阳能电池材料或第一和第二接触部内冷却下来之前从核心太阳能电池提取热载流子。
43.根据权利要求30所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池偏置的最大和最小值均处于核心太阳能电池的操作极性内，以及其中，核心太阳能电池还包括以微腔形式的光限制结构，所述微腔具有反射侧壁、反射背面和有纹理的顶侧；
光限制微腔的反射侧壁被用于将微腔的顶侧上的电接触网状物与微腔的背面处的接触垫互连。
44.根据权利要求43所述的太阳能电池，其中，光限制微腔提供第一和第二接触部之间的足够短以能够实现从核心太阳能电池提取热载流子的距离。
45.根据权利要求43所述的太阳能电池结构，其中，微腔还通过能够实现对在核心太阳能电池内生成的光子的限制和后续吸收以及对由来自核心太阳能电池的内部发射的光子所导致的光激励载流子的后续提取，来增强核心太阳能电池的效率。
46.根据权利要求21所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池操作电路在核心太阳能电池上提供时变的非耗散负载。
47.根据权利要求21所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池操作电路是开关稳压器。
48.根据权利要求47所述的太阳能电池，其中，对开关稳压器的切换响应于与开关稳压器的输入耦合的电压控制器，以控制开关稳压器获得最小和最大太阳能电池操作电压。
49.根据权利要求21所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池是散装材料太阳能电池。
50.根据权利要求21所述的太阳能电池，其中，核心太阳能电池结合了量子限制。
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