CN103855236A - 多结多头光伏器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多结多头光伏器件。这里描述的光伏器件可操作将光转换成电能，包括：基底、第一结、第二结和第三结；其中，第一结和第二结按相反极性排列，并且第二结和第三结按相反极性排列。该光伏器件还包括直接电连接到第一和第二结的阳极或到第一和第二结的阴极的端子。

Description

多结多头光伏器件
相关申请的交叉引用
本申请与如下美国专利申请相关：序列号12/621497、12/633297、61/266064、12/982269、12/966573、12/967880、61/357429、12/974499、61/360421、12/910664、12/945492、12/966514、12/966535、13/047392、13/048635、13/106851、61/488535、13/288131、13/494661、13/543307和61/563279，这些美国专利申请的公开内容通过引用被整体上结合于此。
技术领域
本发明一般地涉及多结(multi-junction)多头(multi-tab)光伏器件。
背景技术
光伏器件(也称为太阳能电池)是一种固态设备，其通过光伏效应将太阳光的能量直接转换成电能。电池组被用来制造太阳能模块，也称为太阳能板。从这些太阳能模块生成的能量(被称为太阳能电力)是太阳能源的一个示例。
光伏效应是在暴露于光时在材料中产生电压(或相应的电流)。虽然光伏效应与光电效应直接相关，但是两种过程不同，应区分开。在光电效应中，材料在暴露于足够能量辐射的情况下在材料表面喷射电子。光伏效应的不同在于，所生成的电子在材料内的不同带之间(即，从价带到导带)转移，从而在两个电极之间建立电压。
光伏是一种用于通过使用太阳能电池将来自太阳的能量转换成电能来生成电功率的方法。光伏效应指的是太阳能光包(light-packets)的光子-敲击电子成更高能量状态，以产生电能。在更高能量状态下，电子能够从它在半导体中与单个原子相关联的正常位置逃离，以成为电路中的电流的一部分。这些光子包含与太阳光谱的不同波长相对应的不同能量多少。当光子撞击PV电池时，它们可以被反射或吸收，或者它们可以直接穿过。被吸收的光子可以生成电能。术语光伏指的是光电二极管的无偏置工作模式，其中穿过器件的电流完全由于光能。实质上，所有光伏器件都是某种类型的光电二极管。
由于太阳光具有广泛的能量谱，因此单个p-n结器件在超过一定水平增大吸收方面存在局限。为了克服该局限，已经提出利用具有不同带隙的不同半导体材料分别堆叠多个p-n结的方法。这种多结光伏器件更高效地吸收太阳光，并产生比单结器件更多的电能。在多结光伏器件中，入射太阳光应该朝着器件底部穿过较高带隙材料，然后再穿过降低地较低带隙材料。这是因为短波长需要先被位于光接收侧的高带隙材料吸收，而较长波长是透明的。较长波长可以被下面的具有较小带隙的材料吸收。在多结光伏器件中的每个结被串联电连接，并应该具有相同的光电流以避免浪费。
如图1A所示，从光进入的顶部开始，在优选地单半导体晶体中的一系列活动层是：高导电p型材料的窗口和抗反射层10；包含为p-型导电性而掺杂的上层区域14的半导体层12；具有相对较高带隙能量的p-n结16；和下层区域18，其具有n型高导电透明接触层20、包含n型上层区域24的第二半导体层22、具有相对较低带隙能量的n-p结26、和下层p型区域28。在区域28的底部连结有适于连接外部导线32的金属电极30。
接触层10和20可以具有与活动层12和22相同的材料，但是被更高掺杂。而且，在下层活动层28和电极30之间可以存在高导电p型基底层。
到上层窗口10的电接触是经由连结的金属电极34来形成的，该金属电极34优选地是网格，其导体只覆盖表面区域的一小部分，保留其余部分对进入光透明。网格34适合连接到外部引线36。
中间引线38通过金属网格导体40阵列连接到接触层20，该金属网格导体40阵列通过例如蒸发沉积被沉积在孔42中，孔42是穿过窗口层10和上层半导体层12的、通过例如光刻工艺蚀刻而成的。
图1B示出图1A的器件的等效电路。穿过两个结的电流方向是相反的。结不能直接平行连接，因为它们生成不同电压。
发明内容
这里描述的光伏器件可操作将光转换成电能，包括：基底、第一结、第二结和第三结；其中，第一结和第二结按相反极性排列(即，背对背)，并且第二结和第三结按相反极性排列(即，背对背)。
根据一实施例，第一、第二和第三结中的至少一个被纹理化。
根据一实施例，该光伏器件还包括直接电连接到第一和第二结的阳极或到第一和第二结的阴极的第一端子。
根据一实施例，该光伏器件还包括直接电连接到第二结和第三结的阳极或第二结和第三结的阴极的第二端子。
根据一实施例，第一、第二和第三结包括外延层。
根据一实施例，该光伏器件还包括第二过孔，其被配置为容纳到第二结的直接电连接。
根据一实施例，第二过孔的侧壁被电绝缘材料覆盖。
根据一实施例，第二过孔的侧壁被第一结的材料覆盖。
根据一实施例，该光伏器件还包括第三过孔，其被配置为容纳到第三结的直接电连接。
根据一实施例，第二过孔的侧壁被电绝缘材料覆盖。
根据一实施例，第二结和第三结被配置为使得第二结和第三结的电流基本相等。
根据一实施例，该光伏器件还包括第四结，其中第三结和第四结按相反极性排列(即，背对背)。
根据一实施例，该光伏器件还包括直接电连接到第三和第四结的阳极或到第三和第四结的阴极的第三端子。
根据一实施例，第四结包括外延层。
根据一实施例，第四结被纹理化。
根据一实施例，该光伏器件还包括第四过孔，其被配置为容纳到第四结的直接电连接。
根据一实施例，第四过孔的侧壁被电绝缘材料覆盖。
根据一实施例，第四和第三结被配置为使得第四和第三结的电流基本相等。
根据一实施例，第三结的带隙小于第四结的带隙。
根据一实施例，第一、第二和第三结包括单晶材料、微晶材料、非晶体材料、多晶材料、和/或它们的组合。
根据一实施例，第四结包括单晶材料、微晶材料、非晶体材料、多晶材料、和/或它们的组合。
根据一实施例，基底是电绝缘材料。
根据一实施例，基底包括玻璃、聚合物或它们的组合。
根据一实施例，基底是柔性的。
根据一实施例，基底是透明的。
根据一实施例，该光伏器件包括与基底基本垂直的一个或多个结构，其中第一、第二和第三结适形地沉积在所述一个或多个结构上。
根据一实施例，所述一个或多个结构中的至少一些各自具有尖部和非尖部。
根据一实施例，尖部具有结构的高度的大约10％到100％的高度。
根据一实施例，非尖部在宽度或直径上基本一致。
根据一实施例，尖部的侧壁和基底构成从60到85度的角度。
根据一实施例，尖部是圆锥或截头锥体。
根据一实施例，尖部在其顶端不具有平面表面。
根据一实施例，穿过尖部的平面截面的顶端的曲率(K)满足方程≥n/λ，其中，n是尖部的折射率，λ是380nm。
根据一实施例，第一、第二和第三结被覆盖层所覆盖。
根据一实施例，覆盖层的折射率小于第一、第二和第三结的折射率。
根据一实施例，所述一个或多个结构具有与基底的至少一部分相同的组成。
根据一实施例，第一、第二和第三结是从如下组选择的：p-i-n结、p-n结和异质结。
根据一实施例，第一、第二和第三结包括重掺杂p型半导体材料层和重掺杂n型半导体材料层，以及可选的夹在重掺杂p型半导体材料层和重掺杂n型半导体材料层之间的内在半导体层。
根据一实施例，第一、第二和第三结包括从如下组选择的半导体材料：硅、锗、组III-V复合材料、组II-VI复合材料和四元材料。
根据一实施例，第一结的带隙小于第二结的带隙；并且其中第二结的带隙小于第三结的带隙。
根据一实施例，该光伏器件还包括沉积在相邻的结构对之间的至少一个导电层。
根据一实施例，该光伏器件还包括适形地沉积在结构和基底之间的一个或多个透明传导氧化物层。
根据一实施例，在结构上的所述一个或多个透明传导氧化物层的部分的厚度小于在基底上的所述一个或多个透明传导氧化物层的另一部分的厚度。
根据一实施例，一种制造具有一个或多个结构的光伏器件的方法，其中，所述一个或多个结构包含尖部；所述方法包括：通过反应离子蚀刻具有金属层作为护膜的基底来制造一个或多个结构；通过蚀刻所述一个或多个结构来形成尖部。
根据一实施例，该方法还包括：通过将聚合物的前驱体泼注在基底上然后再固化来制造聚合物模具；移走聚合物模具并用氧化物层覆盖聚合物模具；利用聚合物模具冲压未固化的陶瓷材料；通过固化未固化的陶瓷材料来形成陶瓷结构。
根据一实施例，一种将光转换成电能的方法包括：将这里描述的光伏器件暴露于光；从该光伏器件取得电流。
根据一实施例，一种光致检测器包括这里描述的光伏器件，其中该光致检测器被配置用于当暴露于光时输出电信号。
根据一实施例，一种检测光的方法包括：将这里描述的光伏器件暴露于光；测量来自该光伏器件的电信号。
附图说明
图1A是现有技术的光伏器件的示意性截面图。
图1B示出图1A的器件的等效电路。
图2A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。
图2B示出图2A的器件的等效电路。
图3A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。
图3B示出图3A的器件的等效电路。
图4A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。
图4B示出图4A的器件的等效电路。
图5A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。
图5B示出图5A的器件的等效电路。
图6A和图6B分别示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。
图6C示出图6A和图6B中的器件的等效电路。
图7A和图7B分别示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。
图7C示出图7A和图7B中的器件的等效电路。
图8A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。
图8B示出图8A的器件的等效电路。
图9A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。
图9B示出图9A的器件的等效电路。
图10A和图10B分别示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。
图10C示出图10A和图10B中的器件的等效电路。
具体实施方式
这里所使用的术语“光伏器件”意思是可以通过将诸如太阳能辐射之类的光转换成电能来产生电功率的器件。这里所使用的术语“单晶体”意思是材料的晶格在整个结构中是连续的并且不中断，其中基本上不存在晶粒边界。导电材料可以是具有大体上零带隙的材料。导电材料的导电性一般是大于103S/cm。半导体可以是具有最高大约3eV的精细带隙的材料并且一般具有在103到10-8S/cm范围内的导电性。电绝缘材料可以是具有大于大约3eV的带隙的材料并且一般具有低于10-8S/cm的导电性。这里使用的术语“基本垂直于基底的结构”意思是结构和基底之间的角度是从85°到90°。这里使用的术语“覆盖层(cladding layer)”意思是包围结构的物质层。这里使用的术语“连续的”意思是不具有间隙、孔或中断。这里使用的术语“耦合层”意思是有效地用于将光引导入结构的层。
这里使用的组III-V复合材料意思是由组III元素和组V元素构成的复合物。组III元素可以是B、AI、Ga、In、Tl、Sc、Y、镧系元素系列和锕系元素系列。组V元素可以是V、Nb、Ta、Db、N、P、As、Sb和Bi。这里使用的组II-VI复合材料意思是由组II元素和组VI元素构成的复合物。组II元素可以是Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra。组VI元素可以是Cr、Mo、W、Sg、O、S、Se、Te和Po。四元材料是由四种元素构成的复合物。
这里描述的是可操作用来将光转换成电能的光伏器件，其包括基底和布置在基底上的至少两个重叠的结。
在一实施例中，基底包括电绝缘材料。基底可以包括玻璃、聚合物、陶瓷、一种或多种适合的电绝缘材料或它们的组合。
在一实施例中，基底包括导电材料。
在一实施例中，基底包括半导体，例如硅。
基底可以包括一种或多种适合的导电材料、一种或多种适合的电绝缘材料、一种或多种半导体、或它们的组合。
在一实施例中，基底是柔性的。在一实施例中，基底是透明的。
在一实施例中，基底具有大约5μm到大约300μm(优选地，大约200μm)的厚度。
在一实施例中，第一结覆盖在基底上或是基底的一部分，第二结覆盖在第一结上，并且第三结(如果存在的话)覆盖在第二结上。第一、第二和第三结可以从p-i-n结、p-n结和异质结中选择。可以有更多结(例如，第四结和第五结)覆盖在第二结上。在一实施例中，这些结中的每个具有大约20nm到大约200nm(优选地，大约100nm)的厚度。在一实施例中，这些结中的每个具有大约0.5μm到大约5μm(优选地，大约2μm)的厚度。第一、第二和第三结按相反极性排列，即，在这些结之中每个相邻对中，空间排列是阴极-阳极-阳极-阴极或者阳极-阴极-阴极-阳极。这种排列也称为“背对背”排列。
在一实施例中，至少两个重叠的结中的至少两个适形地布置在与基底基本垂直的一个或多个结构上。
在一实施例中，与基底基本垂直的一个或多个结构是锥体、圆柱体或棱柱体，其具有从如下组中选择的横截面：椭圆形、圆形、方形、和多边形横截面、条带形。与基底基本垂直的一个或多个结构可以是网状物。这里使用的术语“网状物”意思是像网一样的图样或构成。
在一实施例中，结构是宽度在从大约1μm到大约10μm(优选地，大约2μm)的锥体、圆柱体或棱柱体。
在一实施例中，结构是高度在从大约2μm到大约50μm(优选地，大约10μm)的锥体、圆柱体或棱柱体；两个最近的结构之间的中心到中心距离是从大约0.5μm到大约20μm(优选地，大约4μm)。
在一实施例中，结构具有与基底相同的组成。在一实施例中，结构是电绝缘材料，例如玻璃、聚合物、氧化物或它们的组合。
在一实施例中，结构的顶部是尖的。通过任意合适的方法(例如各向同性蚀刻)结构可以是圆的或尖的。尖顶部可以增强耦合到结构的光。
在一实施例中，尖部具有从结构高度的大约10％到100％(优选地，大约33％)的高度。在一实施例中，结构的除了尖部之外的部分(即，不尖的部分)在宽度或直径上是基本均匀的。
在一实施例中，尖部的侧壁和基底形成从60-85度的角度。
在一实施例中，尖部的形状是圆锥形。在一实施例中，尖部是截头锥体。在一实施例中，尖部在其顶部处不具有平面表面。
在一实施例中，穿过尖部的平面横截面的顶部的曲率(K)满足等式：≥n/λ，其中n是尖部的折射率，λ是380nm。
尖部可以通过适当的方法来制造，例如使用稀释后的硅蚀刻剂的湿法蚀刻。
在一实施例中，可以通过如下方法来制造具有与基底基本垂直的一个或多个结构的光伏器件(其中一个或多个结构具有尖部)，包括：利用适当的方法制造一个或多个结构，例如反应离子蚀刻具有圆形或多边形金属层作为护膜的基底；通过利用适当的蚀刻剂(例如，稀释后的硅蚀刻剂)蚀刻一个或多个结构来形成尖部；通过将聚合物的前驱体(precursor)泼注在基底上然后再固化(cure)来制造聚合物(例如，聚二甲基硅氧烷)模具；移走聚合物模具并通过适当的方法(例如原子层沉积)将聚合物模具覆盖一层氧化物(例如Al2O3)；利用聚合物模具冲压未固化的陶瓷材料；通过固化未固化的陶瓷材料来形成陶瓷结构。该陶瓷结构可以用作这里公开的光伏器件的基底。
在一实施例中，导电层可以置于基底或结构和第一结之间。在一实施例中，该导电层与在基底或结构和第一结之间的整个接合面是同延的。在一实施例中，该导电层可以具有大约0.1μm到大约3μm(优选地，大约1μm)的厚度。在一实施例中，该导电层可以具有大约2nm到大约100nm(优选地，大约10nm)的厚度。该导电层可以是透明的、半透明的或不透明的。
在一实施例中，透明的导电层可以置于任意或所有对的相邻结之间。在一实施例中，透明的导电层与一对相邻结之间的整个接合面是同延的。该透明的导电层可以具有大约2nm到大约100nm(优选地，大约10nm)的厚度。
该透明的导电层优选地具有针对可见光至少90％的透光率。该透明的导电层优选地与相邻结的对形成欧姆接触。在一实施例中，该透明的导电层包含任意适当的材料，例如ITO(氧化铟锡)、AZO(铝掺杂氧化锌)、ZIO(氧化锌铟)、ZTO(氧化锌锡)等。该透明的导电层串联地连接相邻结的对。该透明的导电层优选地有效用于防止相邻结之间的扩散。
在一实施例中，结中的一个包括重掺杂(p+)半导体材料层、轻掺杂(n-)半导体材料层和重掺杂(n+)半导体材料层。p+层、n-层和n+层形成p-n结或异质结。p+层、n-层和n+层可以是不同的半导体材料或相同的半导体材料。p+层、n-层和n+层可以是单晶的、多晶的或非结晶的。
在一实施例中，结中的一个包括重掺杂(p+)半导体材料层、轻掺杂(p-)半导体材料层和重掺杂(n+)半导体材料层。p+层、p-层和n+层形成p-n结或异质结。p+层、p-层和n+层可以是不同的半导体材料或相同的半导体材料。p+层、p-层和n+层可以是单晶的、多晶的或非结晶的。
在一实施例中，结中的一个包括重掺杂p型(p+)半导体材料层、本征(i)半导体层和重掺杂n型(n+)半导体材料层。p+层、i层和n+层形成p-i-n结。p+层、i层和n+层可以是单晶的、多晶的、微晶的(“μc”)(可互换地，称之为“纳晶的”或“nc”)或非结晶的。在一实施例中，结包括从如下组选择的一种或多种半导体材料：硅、锗、组III-V复合材料、组II-VI复合材料和四元材料。
纳晶半导体(也称为微晶半导体)是一种多孔半导体形式。它是具有次晶结构的半导体的同素异形形式-类似于非晶半导体，因为它具有非晶态。纳晶半导体不同于非晶半导体，因为纳晶半导体在非晶态内具有小晶粒。这与多晶半导体(例如，多晶硅)相对照，多晶半导体单独由晶粒构成，晶粒间由粒子边界分隔开。
在一实施例中，内结(即，靠近结构的结)的带隙比外结(即，远离结构的结)的带隙小。
表1和2示出示例性的材料和结的组合。
表1
Figure BSA0000098789910000081
表2
Figure BSA0000098789910000091
在一实施例中，覆盖层可以适形地沉积在最外侧结(即，该结在重叠在结构/基底上的那些结之中并且不介于另一结和结构之间)上。透明的导电层可以沉积在最外侧结合覆盖层之间。
覆盖层对可见光基本透明，具有至少50％的透光率。覆盖层可以由导电材料或电绝缘材料制成。在一实施例中，覆盖层是透明的导电氧化物。在一实施例中，覆盖层是从如下组选择的材料：氧化铟锡、铝掺杂氧化锌、氧化锌铟、和氧化锌锡。在一实施例中，覆盖层是从如下组选择的材料：Si3N4、Al2O3、SiO2、和HfO2。在一实施例中，覆盖层具有大约2的折射率。在一实施例中，覆盖层具有大约1.5的折射率。在一实施例中，覆盖层具有低于覆盖层和结构之间的任意结的折射率。在一实施例中，覆盖层具有从大约10nm到大约500nm(优选地，大约200nm)的厚度。在一实施例中，覆盖层被配置作为光伏器件的电极。
根据一实施例，传导(例如，金属)层被沉积在结构之间并且该传导层在结之上。传导层可以是从如下组选择的材料：ZnO、Ni、Pt、Al、Au、Ag、Pd、Cr、Cu、Ti和它们的组合。传导层优选地是诸如金属的导电材料。传导层优选地具有针对任意波长的可见光(即，光具有从390到750nm的波长)至少50％的反射率(即，被反射的入射电磁功率的比例)。传导层可以具有至少5nm(优选地，从大约20nm到大约200nm，例如大约80nm)的厚度。结构之间的传导层优选地被连通。传导层可以工作用于将入射到其上的光反射到结构，以使得光被结构吸收；和/或传导层充当光伏器件的电极。这里所使用的术语“电极”意思是用来与光伏器件建立电接触的导体。
在一实施例中，结构之间的空间可以用诸如聚合物之类的填充材料来填充。填充材料优选地是透明的和/或具有低折射率。在一实施例中，填充材料的上表面包含一个或多个微透镜，它们被配置用来将光伏器件上的入射光聚集到结构上。
在一实施例中，制造光伏器件的方法包括：使用平板印刷技术在抗蚀剂层(resistlayer)中生成开口图样，其中开口的位置和形状对应于结构的位置和形状；通过蚀刻基底形成结构和结构之间的区域；将反射层沉积到底壁。这里所使用的抗蚀剂层意思是用来将图样转移到该抗蚀剂层被沉积到的基底上的薄层。抗蚀剂层可以经由平板印刷术成形，以形成微米(亚微米)级临时护膜，该护膜在后续处理步骤期间保护下层基底的所选区域。该抗蚀剂一般是针对给定平板印刷技术配比的聚合物或其前驱体和其他小分子(例如，光酸生成剂)的专用混合。在光致平板印刷(photolithography)期间使用的抗蚀剂被称为光致抗蚀剂。在电子束(e-beam)平板印刷期间使用的抗蚀剂被称为电子束抗蚀剂。平板印刷技术可以是光致平板印刷、电子束平板印刷、全息平板印刷。光致平板印刷是在精细加工中使用的工艺，用于选择性地移除部分薄膜或大块基底。其使用光来在基底上将几何图样从光致护膜转移到光感化学光致抗蚀剂(或简称“抗蚀剂”)。然后，一系列化学处理将曝光图样刻入到光致抗蚀剂下面的材料中。在复杂的集成电路(例如现代CMOS)中，晶片将经历最多50次光致平板印刷周期。电子束平板印刷是在覆盖有膜(称为抗蚀剂)的表面上按图样方式扫描电子束(“曝光”抗蚀剂)并且有选择地移除经曝光的或未经曝光的抗蚀剂区域(“冲洗”)的实践。如同光致平板印刷，目的在于在抗蚀剂中建立非常小的结构，其可以随后(通常通过蚀刻)被转移到基底材料。其被开发用于制造集成电路，也被用来生产纳米技术制品。
在一实施例中，结构和结构之间的区域是通过深蚀刻再各向同性蚀刻来形成的。深蚀刻是一种高度各向异性蚀刻工艺，其用来在晶片中生成深的、壁陡的孔和沟道，纵横比通常为20：1或更大。示例性的深蚀刻是Bosch工艺。Bosch工艺(也称为脉冲或时分复用蚀刻)重复地在两种模式之间交替以实现几乎垂直的结构：1、标准的近各向同性等离子蚀刻，其中等离子体包含某些离子，它们在几乎垂直的方向上撞击晶片(对于硅，这通常使用六氟化硫(SF6))；2、化学惰性的钝化层的沉积(例如，C4F8源气体产生类似聚四氟乙烯(Teflon)的物质)。每个阶段持续数秒。钝化层保护整个基底免受进一步化学撞击并防止进一步蚀刻。但是，在蚀刻阶段，轰击基底的方向性离子在沟道的底部(而非沿着侧壁)撞击钝化层。它们与之碰撞并使其喷溅，使基底暴露于化学蚀刻剂。这些蚀刻/沉积步骤被重复多次，从而使得大量非常小的各向同性蚀刻步骤仅在被蚀刻的凹陷的底部发生。为了刻穿0.5mm硅晶片，例如需要100-1000个蚀刻/沉积步骤。该两阶段工艺使得侧壁以大约100-500nm的幅度呈波浪状。周期时间可以调整：短周期产生较平滑的壁，长周期产生更高的蚀刻率。各向同性蚀刻是使用蚀刻剂物质经由化学工艺从基底非方向性地移除材料。蚀刻剂可以是腐蚀性液体或化学活性离子化气体，称为等离子体。
在一实施例中，将光转换成电能的方法包括：将光伏器件暴露于光；从光伏器件取得电流。电流可以从波长选择层取得。
在一实施例中，光致检测器包括光伏器件，其中光致检测器被配置用于当暴露于光时输出电信号。
在一实施例中，检测光的方法包括：将光伏器件暴露于光；测量来自光伏器件的电信号。电信号可以是电流、电压、电感和/或电阻。偏置电压被施加到光伏器件中的结构。
在一实施例中，光伏器件从太阳光产生直流电，其可用于为装备供电或为电池充电。光伏发电的实际应用曾是为轨道卫星或其他航天器供电，但是现在大多数光伏模块被用于市电并网的发电。在此情况下，需要变换器将DC转换成AC。对于偏远家居、船舶、房车、电车、路边应急电话、远程感测和管道阴极保护的离网供电存在一较小市场。在大多数光伏应用中，辐射是太阳光，因此，器件被称为太阳能电池。在p-n结太阳能电池的情况下，材料的照明导致产生作为激励电子的电流，并且通过内置的耗尽区电场和通过扩散迫使其余孔在不同方向上移动。太阳能电池通常被电连接并封装成模块。光伏模块通常在前侧(面向太阳侧)具有玻璃板，允许光穿过，同时防止半导体晶片受外界元素(雨、冰雹等)影响。太阳能电池也通常串联连接在模块中，以产生加和电压。并联连接电池将产生更高电流。模块随后被按串联或并联(或其两者)互连，以产生具有所需峰值DC电压和电流的阵列。
在一实施例中，光伏器件还可以与建筑物相关联：集成到建筑物中，安装在建筑物上，或安装在地面附近。光伏器件可以被改造进现有建筑物中，通常安装在现有屋顶结构上或现有外墙上。可替换地，光伏器件可以位于远离建筑物但通过线缆连接以为建筑物供电。光伏器件可以用作主要或辅助电功率源。光伏器件可以被并入到建筑物的屋顶或外墙中。
在一实施例中，光伏器件还可用于太空应用，例如卫星、航天器、空间站等等。光伏器件可以用作地面交通工具、海洋交通工具(船舶)和火车的主要或辅助能源。其他应用包括路标、监控相机、停车计时器、个人移动电子设备(例如，手机、智能电话、膝上型计算机、个人媒体播放器)。
示例
图2A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。图2B示出图2A中的器件的等效电路。该器件包括以下层：
200：用于层201的钝化和绝缘的介电层；
201：第一结的p+掺杂层；
202：第一结的p掺杂层；
203：第一结的n掺杂层；
204：在层210是III-V复合材料的情况下是缓冲层；否则，层204是第一结的n+掺杂层；
210：第二结的n+掺杂层；
211：第二结的n掺杂层；
212：第二结的p掺杂层；
213：第二结的p+掺杂层；
220：第三结的p+掺杂层；
221：第三结的p掺杂层；
222：第三结的n掺杂层；
223：第三结的n+掺杂层；
224：n+接触层；
230：用于层222的钝化和抗反射的介电层。
在该实施例中，第一、第二和第三结被示为平面的，但是它们可以具有非平面形状。第一结的带隙小于第二结的带隙，第二结的带隙小于第三结的带隙。层222被纹理化，以用于增强光吸收。在图2A-2B中的端子1-4是金属电极。第一、第二和第三结的材料可以从表1选择。层201-204、210-213和220-224优选地是外延层。
图3A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。图3B示出图3A中的器件的等效电路。该器件包括以下层：
300：用于层301-304和310-312的钝化和绝缘的介电层；
301：第一结的p+掺杂层；
302：第一结的p掺杂层；
303：第一结的n掺杂层；
304：在层310是III-V复合材料的情况下是缓冲层；否则，层304是第二结的n+掺杂层；
310：第二结的n+掺杂层；
311：第二结的n掺杂层；
312：第二结的p掺杂层；
313：第二结的p+掺杂层；
320：第三结的p+掺杂层；
321：第三结的p掺杂层；
322：第三结的n掺杂层；
323：第三结的n+掺杂层；
324：接触层；
330：用于钝化和抗反射的介电层。
在该实施例中，第一、第二和第三结被示为平面的，但是它们可以具有非平面形状。第一结的带隙小于第二结的带隙，第二结的带隙小于第三结的带隙。层322被纹理化，以用于增强光吸收。在图3A-3B中的端子1-4是金属电极。到第三结的电连接是通过端子3所穿过的过孔来形成的。类似地，到第二结的电连接是通过端子2所穿过的另一过孔来形成的。层300在这些过孔的整个侧壁上延伸以提供电绝缘。这些过孔可以由适当的方法制成，例如激光或深RIE(反应离子蚀刻)。第一、第二和第三结的材料可以从表1选择。层301-304、310-313和320-324优选地是外延层。
图4A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。图4B示出图4A中的器件的等效电路。该器件包括以下层：
400：用于层401-404、410-413和420-422的钝化和绝缘的介电层；
401：第一结的p+掺杂层；
402：第一结的p掺杂层；
403：第一结的n掺杂层；
404：在层410是III-V复合材料的情况下是缓冲层；否则，层404是第一结的n+掺杂层；
410：第二结的n+掺杂层；
411：第二结的n掺杂层；
412：第二结的p掺杂层；
413：第二结的p+掺杂层；
420：第三结的p+掺杂层；
421：第三结的p掺杂层；
422：第三结的n掺杂层；
423：第三结的n+掺杂层；
430：第四结的n+掺杂层；
431：第四结的n掺杂层；
432：第四结的p掺杂层；
433：第四结的p+掺杂层；
434：接触层；
440：用于钝化和抗反射的介电层。
在该实施例中，第一、第二、第三和第四结被示为平面的，但是它们可以具有非平面形状。第一结的带隙小于第二结的带隙；第二结的带隙小于第三结的带隙；并且第三结的带隙小于第四结的带隙。层432被纹理化，以用于增强光吸收。在图4A-4B中的端子1-5是金属电极。到第四结的电连接是通过端子4所穿过的过孔来形成的。类似地，到第三结的电连接是通过端子3所穿过的另一过孔来形成的。类似地，到第二结的电连接是通过端子2所穿过的又一过孔来形成的。层400在这些过孔的整个侧壁上延伸以提供电绝缘。这些过孔可以由适当的方法制成，例如激光或深RIE(反应离子蚀刻)。第一、第二和第三结的材料可以从表1选择。层401-404、410-413、420-423和430-434优选地是外延层。
图5A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。图5B示出图5A中的器件的等效电路。该器件包括以下层：
500：用于层501-504的钝化和绝缘的介电层；
501：第一结的p+掺杂层；
502：第一结的p掺杂层；
503：第一结的n掺杂层；
504：在层510是III-V复合材料的情况下是缓冲层；否则，层504是第一结的n+掺杂层；
510：第二结的n+掺杂层；
511：第二结的n掺杂层；
512：第二结的p掺杂层；
513/520：隧道结(tunnel junction)的p+和n+掺杂层；
521：第三结的n掺杂层；
522：第三结的p掺杂层；
523：第三结的p+掺杂层；
524：接触层；
530：用于钝化和抗反射的介电层。
在该实施例中，第一、第二和第三结被示为平面的，但是它们可以具有非平面形状。第一结的带隙小于第二结的带隙，第二结的带隙小于第三结的带隙。层522被纹理化，以用于增强光吸收。在图5A-5B中的端子1-3是金属电极。到第二和第三结的电连接是通过端子2所穿过的过孔来形成的。层500在过孔的整个侧壁上延伸以提供电绝缘。过孔可以由适当的方法制成，例如激光或深RIE(反应离子蚀刻)。第一、第二和第三结的材料可以从表1选择。该器件与图3A-3B中的实施例的器件相同，除了通过调整第二和第三结的厚度使得来自第二和第三结的电流匹配(即，彼此基本相等)之外。层501-504、510-513和520-524优选地是外延层。
图6A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。图6B示出根据与图6A的实施例可替换的实施例的光伏器件的示意性截面。图6C示出图6A-6B中的器件的等效电路。这些器件包括以下层：
600：底部端子；
601：用于层602的钝化和绝缘的介电层；
602：第一结的n+掺杂层；
603：第一结的n掺杂层；
604：用于到层610的电连接的过孔中的金属；
605(仅在图6A中，不在图6B中)：用于绝缘通过层602-603的侧壁的介电层；
607：顶部端子；
610：第一结的p+掺杂层；
615：第一结和第二结之间的透明传导氧化物(TCO)层；
620：第二结的p+掺杂层；
621：第二结的内在层；
622：第二结的n+掺杂层；
625：用于抗反射和电传导的顶部TCO层。
在该实施例中，第一和第二结可以是平面的或非平面的。第一结的带隙小于第二结的带隙。层603被纹理化，以用于增强光吸收。在图6A-6B中的端子1-3是金属电极。到第二结的电连接是通过端子2所穿过的一个或多个过孔来形成的。如图6A所示，层605在这些过孔的整个侧壁上延伸以提供电绝缘。可替换地，如图6B所示，层610在这些过孔的整个侧壁上延伸。过孔可以由适当的方法制成，例如激光或深RIE(反应离子蚀刻)。第一和第二结的材料可以从表2选择。
图7A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。图7B示出根据与图7A的实施例可替换的实施例的光伏器件的示意性截面。图7C示出图7A-7B中的器件的等效电路。这些器件包括以下层：
700：底部端子；
701：用于层702的钝化和绝缘的介电层；
702：第一结的n+掺杂层；
703：第一结的n掺杂层；
704：用于到层710的电连接的过孔中的金属；
705(仅在图7A中，不在图7B中)：用于绝缘通过层702-703的侧壁的介电层；
707：顶部端子；
710：第一结的p+掺杂层；
715：第一结和第二结之间的透明传导氧化物(TCO)层；
720：第二结的p+掺杂层；
721：第二结的内在层；
722：第二结的n+掺杂层；
725：第二结和第三结之间的TCO层；
730：第三结的p+掺杂层；
731：第三结的内在层；
732：第三结的n+掺杂层；
735：用于抗反射和电传导的顶部TCO层。
在该实施例中，第一和第二结可以是平面的或非平面的。第一结的带隙小于第二结的带隙；第二结的带隙小于第三结的带隙。层703被纹理化，以用于增强光吸收。在图7A-7B中的端子1-3是金属电极。到第二和第三结的电连接是通过端子2所穿过的一个或多个过孔来形成的。如图7A所示，层705在这些过孔的整个侧壁上延伸以提供电绝缘。可替换地，如图7B所示，层710在这些过孔的整个侧壁上延伸。通过调整第二和第三结的厚度使得来自第二和第三结的电流匹配(即，彼此基本相等)。过孔可以由适当的方法制成，例如激光或深RIE(反应离子蚀刻)。第一、第二和第三结的材料可以从表2选择。
图8A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。图8B示出图8A中的器件的等效电路。该器件包括以下层：
800：底部端子；
801：用于层802的钝化和绝缘的介电层；
890：与基底基本垂直的一个或多个结构(层803可以是基底的一部分)；
802：第一结的p+掺杂层；
803：第一结的p掺杂层；
805：用于到第三结的电连接的过孔中的金属；
806：用于到第二结的电连接的过孔中的金属；
807：用于绝缘金属806和805的介电层；
808：第一结的n掺杂层；
810：在层811是III-V复合材料的情况下是缓冲层；否则，层810是第一结的n+掺杂层；
811：第二结的n+掺杂层；
812：第二结的n掺杂层；
813：第二结的p掺杂层；
814：第二结的p+掺杂层；
820：第三结的p+掺杂层；
821：第三结的p掺杂层；
822：第三结的n掺杂层；
823：第三结的n+掺杂层；
830：n+掺杂接触层；
832：作为顶部端子的传导层；
835：透明氧化物的覆盖层。
在该实施例中，第一结的带隙小于第二结的带隙，第二结的带隙小于第三结的带隙。层808、810-814、820-823、830和835与结构890是适形的。层832是沉积在结构890之间并在第一、第二和第三结之上的传导(例如，金属)层。层832可以是从如下组选择的材料：ZnO、Ni、Pt、Al、Au、Ag、Pd、Cr、Cu、Ti和它们的组合。层832优选地是导电材料，例如金属。层832优选地具有对任意波长的可见光(即，光具有从390到750nm的波长)至少50％的反射率(即，被反射的入射电磁功率的比例)。层832可以具有至少5nm(优选地，从大约20nm到大约200nm，例如大约80nm)的厚度。结构890之间的层832优选地被连接。层832可以工作用于将入射到其上的光反射到结构，以使得光被结构吸收；和/或层832充当光伏器件的电极。
穿过结构890、层808、810-814、820、823和830的平面截面的顶端的曲率(K)分别满足方程K≥n/λ，其中，n是结构890、层808、810-814、820、823和830各自的折射率，λ是380nm。
图8A-8B中的端子1-3是金属电极。到第三结的电连接是通过端子3所穿过的过孔来形成的。类似地，到第二结的电连接是通过端子2所穿过的另一过孔来形成的。层807在这些过孔的整个侧壁上延伸以提供电绝缘。过孔可以由适当的方法制成，例如激光或深RIE(反应离子蚀刻)。第一、第二和第三结的材料可以从表1选择。层801-803、808、810-814、820-823和830优选地是外延层。
图9A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。图9B示出图9A中的器件的等效电路。该器件包括以下层：
900：底部端子；
901：用于层902的钝化和绝缘的介电层；
990：与基底基本垂直的一个或多个结构(层903可以是基底的一部分)；
902：第一结的p+掺杂层；
903：第一结的p掺杂层；
905：用于到第三结和第二结的电连接的过孔中的金属；
907：用于绝缘金属906的介电层；
908：第一结的n掺杂层；
910：在层911是III-V复合材料的情况下是缓冲层；否则，层910是第一结的n+掺杂层；
911：第二结的n+掺杂层；
912：第二结的n掺杂层；
913：第二结的p掺杂层；
914：第二结的p+掺杂层；
920：第三结的p+掺杂层；
921：第三结的p掺杂层；
922：第三结的n掺杂层；
923：第三结的n+掺杂层；
930：n+掺杂接触层；
932：作为顶部端子的传导层；
935：透明氧化物的覆盖层。
在该实施例中，第一结的带隙小于第二结的带隙，第二结的带隙小于第三结的带隙。层908、910-914、920-923、930和935与结构990是适形的。层932是沉积在结构990之间并在第一、第二和第三结之上的传导(例如，金属)层。层932可以是从如下组选择的材料：ZnO、Ni、Pt、Al、Au、Ag、Pd、Cr、Cu、Ti和它们的组合。层932优选地是导电材料，例如金属。层932优选地具有对任意波长的可见光(即，光具有从390到750nm的波长)至少50％的反射率(即，被反射的入射电磁功率的比例)。层932可以具有至少5nm(优选地，从大约20nm到大约200nm，例如大约80nm)的厚度。结构990之间的层932优选地被连接。层932可以工作用于将入射到其上的光反射到结构，以使得光被结构吸收；和/或层932充当光伏器件的电极。
穿过结构990、层908、910-914、920、923和930的平面截面的顶端的曲率(K)分别满足方程K≥n/λ，其中，n是结构990、层908、910-914、920、923和930各自的折射率，λ是380nm。
图9A-9B中的端子1-3是金属电极。到第二和第三结的电连接是通过端子2所穿过的过孔来形成的。层907在过孔的整个侧壁上延伸以提供电绝缘。过孔可以由适当的方法制成，例如激光或深RIE(反应离子蚀刻)。第一、第二和第三结的材料可以从表1选择。层901-903、908、910-914、920-923和930优选地是外延层。
通过调整第二和第三结的层的厚度使得来自第二和第三结的电流匹配(即，彼此基本相等)。
图10A示出根据一实施例的光伏器件的示意性截面。图10B示出根据与图10A的实施例可替换的实施例的光伏器件的示意性截面。图10C示出图10A-10B中的器件的等效电路。这些器件包括以下层：
1000：底部端子；
1001：用于层1002的钝化和绝缘的介电层；
1090：与基底基本垂直的一个或多个结构(层1003可以是基底的一部分)；
1002：第一结的n+掺杂层；
1003：第一结的n掺杂层；
1005：用于到第一、第三和第二结的电连接的过孔中的金属；
1007：用于绝缘金属1005的介电层；
1010：第一结的p+掺杂层；
1015：第一结和第二结之间的TCO层；
1020：第二结的p+掺杂层；
1021：第二结的内在层；
1022：第二结的n+掺杂层；
1025：第二结和第三结之间的TCO层；
1030：第三结的p+掺杂层；
1031：第三结的内在层；
1032：第三结的n+掺杂层；
1033：用于抗反射和电传导的顶部TCO层；
1035：由透明氧化物制成的覆盖层；
1040：作为顶部端子的传导层。
在该实施例中，第一结的带隙小于第二结的带隙，第二结的带隙小于第三结的带隙。层1010、1015、1020-1022、1025、1030-1033和1035与结构1090是适形的。层1040是沉积在结构1090之间并在第一、第二和第三结之上的传导(例如，金属)层。层1040可以是从如下组选择的材料：ZnO、Ni、Pt、Al、Au、Ag、Pd、Cr、Cu、Ti和它们的组合。层1040优选地是导电材料，例如金属。层1040优选地具有对任意波长的可见光(即，光具有从390到750nm的波长)至少50％的反射率(即，被反射的入射电磁功率的比例)。层1040可以具有至少5nm(优选地，从大约20nm到大约200nm，例如大约80nm)的厚度。结构1090之间的层1040优选地被连接。层1040可以工作用于将入射到其上的光反射到结构，以使得光被结构吸收；和/或层1040充当光伏器件的电极。
穿过结构1090、层1010、1015、1020-1022、1025、1030-1033和1035的平面截面的顶端的曲率(K)分别满足方程K≥n/λ，其中，n是结构1090、层1010、1015、1020-1022、1025、1030-1033和1035各自的折射率，λ是380nm。
图10A-10B中的端子1-3是金属电极。到第二和第三结的电连接是通过端子2所穿过的过孔来形成的。层1007在过孔的整个侧壁上延伸以提供电绝缘。可替换地，如图10B所示，层1010在过孔的整个侧壁上延伸。过孔可以由适当的方法制成，例如激光或深RIE(反应离子蚀刻)。第一、第二和第三结的材料可以从表2选择。
通过调整第二和第三结的层的厚度使得来自第二和第三结的电流匹配(即，彼此基本相等)。
TCO层1015、1025和1035可以具有不一致的厚度，以减小光学损失。例如，TCO层1015、1025和1035直接在传导层1040下面的部分可以具有比TCO层1015、1025和1035的其他部分更大的厚度。
将光转换成电能的方法包括：将光伏器件暴露于光；使用光伏器件吸收光并将光转换成电能；从光伏器件取得电流。
根据一实施例的光致检测器包括光伏器件，其中该光致检测器被配置用于当暴露于光时输出电信号。
检测光的方法包括：将光伏器件暴露于光；测量来自光伏器件的电信号。电信号可以是电流、电压、电感和/或电阻。
虽然这里已经公开了各种方面和实施例，但是其他方面和实施例将对本领域技术人员是明显的。这里所公开的各种方面和实施例是出于举例说明的目的而不希望作为限制，真实范围和精神由所附权利要求来指示。

Claims (20)

1.一种可操作将光转换成电能的光伏器件，包括：基底、第一结、第二结和第三结；其中，所述第一结和所述第二结按相反极性排列，并且所述第二结和所述第三结按相反极性排列。
2.如权利要求1所述的光伏器件，还包括第一端子，其直接电连接到所述第一结和所述第二结的阳极或所述第一结和所述第二结的阴极。
3.如权利要求1所述的光伏器件，还包括第二端子，其直接电连接到所述第二结和所述第三结的阳极或所述第二结和所述第三结的阴极。
4.如权利要求1所述的光伏器件，还包括第二过孔，其被配置为容纳到所述第二结的直接电连接。
5.如权利要求4所述的光伏器件，其中，所述第二过孔的侧壁被电绝缘材料覆盖。
6.如权利要求4所述的光伏器件，其中，所述第二过孔的侧壁被所述第一结的材料覆盖。
7.如权利要求1所述的光伏器件，其中，所述第二结和所述第三结被配置为使得所述第二结和所述第三结的电流基本相等。
8.如权利要求1所述的光伏器件，还包括与所述基底基本垂直的一个或多个结构，其中，所述第一、第二和第三结被适形地沉积在所述一个或多个结构上。
9.如权利要求8所述的光伏器件，其中，所述一个或多个结构中的至少一些各自具有尖部和非尖部。
10.如权利要求9所述的光伏器件，其中，所述尖部具有所述结构的高度的大约10％到100％的高度。
11.如权利要求9所述的光伏器件，其中，所述尖部的侧壁和所述基底构成从60到85度的角度。
12.如权利要求9所述的光伏器件，其中，所述尖部是圆锥或截头锥体。
13.如权利要求9所述的光伏器件，其中，所述尖部在其顶端不具有平面表面。
14.如权利要求9所述的光伏器件，其中，穿过所述尖部的平面截面的顶端的曲率(K)满足方程≥n/λ，其中，n是所述尖部的折射率，λ是380nm。
15.如权利要求9所述的光伏器件，其中，所述第一、第二和第三结被覆盖层所覆盖。
16.如权利要求15所述的光伏器件，其中，所述覆盖层的折射率小于所述第一、第二和第三结的折射率。
17.如权利要求8所述的光伏器件，还包括适形地沉积在所述结构和所述基底上的一个或多个透明传导氧化物层。
18.如权利要求17所述的光伏器件，其中，在所述结构上的所述一个或多个透明传导氧化物层的部分的厚度小于在所述基底上的所述一个或多个透明传导氧化物层的另一部分的厚度。
19.一种制造具有一个或多个结构的光伏器件的方法，其中，所述一个或多个结构包含尖部；所述方法包括：
通过反应离子蚀刻具有金属层作为护膜的基底来制造所述一个或多个结构；
通过蚀刻所述一个或多个结构来形成所述尖部。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：
通过将聚合物的前驱体泼注在所述基底上然后再固化来制造聚合物模具；
移走所述聚合物模具并用氧化物层覆盖所述聚合物模具；
利用所述聚合物模具冲压未固化的陶瓷材料；
通过固化所述未固化的陶瓷材料来形成陶瓷结构。
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