CN104303318B - 具有带阻滤光器的光伏器件及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种光伏器件(10a‑e)，包括：作为非晶半导体材料的光吸收材料(34、35)；以及具有给定阻带的带阻滤光器结构(20)，相对于光吸收材料设置结构以衰减到达光吸收材料并且具有在阻带内角频率ω*的电磁辐射，其中阻带对应于从非晶材料的价带尾(VBT)状态至非晶材料的导带尾(CBT)状态的电子激发
Description
技术领域
本发明总体涉及薄膜光伏器件领域，也即包括作为光吸收材料的非晶半导体材料的器件。特别地，涉及包括用以减小光退化效应的带阻滤光器的薄膜PV电池单元。
背景技术
首先，需要一些定义：
-光伏(PV)器件通过展现出光伏效应的材料将太阳能辐射转变为直流电而产生电能；
-光伏电池单元(或PV电池单元，也称作太阳能电池单元或光电单元)是依靠光伏效应将光能直接转换为电能的固态器件(半导体PV电池单元)或聚合物器件(例如有机PV电池单元)；
-薄膜光伏电池单元(或薄膜太阳能电池单元)是由沉积在衬底上的光伏材料的一个或多个薄层(或薄膜)制成的太阳能电池单元。所沉积的层的厚度范围从纳米至数十微米或更大。薄膜PV电池单元可以根据所使用的PV材料分类，也即：
-非晶硅(a-Si)；
-其他薄膜硅(TF-Si)；
-碲化镉(CdTe)；
-硒化铜铟镓(CIS或CIGS)；以及
-染料敏化太阳能电池单元(DSC)或其他聚合物/有机太阳能电池单元等等。
-光伏模块(也称作太阳能模块、太阳能面板或光伏面板)是经连接的光伏电池单元的组件。
非晶硅(a-Si)涉及硅的非晶相。其可以在相对低的温度下(通常在200-300℃的范围内)在各种衬底上沉积为薄膜，并且由此以低廉成本提供对于包括光伏的许多应用的可能性。如果需要，a-Si材料可以由氢钝化。氢原子键合至悬挂键；氢钝化可以以数量级减小悬挂键密度，使得大多数Si原子为4重配位(4-fold coordinated)，正如在单晶Si(c-Si)或SiH4分子中。氢化非晶硅(a-Si:H)具有在将要用于器件内的充分低的缺陷量。在没有氢的情形下，a-Si将具有高密度缺陷，例如由于未钝化的悬挂键，该事态显著改变了光电导率。然而，在文献中，相信a-Si:H基器件中存在的氢是被称作Staebler-Wronski效应的、导致材料的光致退化效应的主要因素。
等离子增强化学气相沉积(PECVD)是用于生长a-Si:H基非晶材料的主流技术。氢化非晶硅薄膜电池单元通常使用p-i-n结构。通常的面板结构包括正面侧玻璃、透明导电氧化物、薄膜硅、背接触、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)以及背侧玻璃。
发明内容
根据第一方面，本发明实施为一种光伏器件，包括：
·非晶光伏材料；以及
·带阻滤光器结构，具有从下限角频率ωmin≥0延伸至上限角频率ωmax的给定阻带，其中ωmax>ωmin，其中滤光器结构设置在器件中相对于光伏材料以衰减到达光伏材料的具有在阻带内角频率ω*的电磁辐射，以使得ωmin<ω*<ωmax，并且其中ωmin和ωmax使得所述角频率ω*对应于从非晶光伏材料的价带尾(VBT)状态至非晶光伏材料的导带尾(CBT)状态的电子激发
在一些实施例中，光伏器件可以包括一个或多个以下特征：
-对应于阻带的上限角频率ωmax的能量小于或等于非晶光伏材料的迁移带隙并且优选地等于所述迁移带隙
-对应于阻带的下限角频率的能量小于非晶光伏材料的光学带隙
-对应于非晶材料的阻带宽度的能量对应于以下总和的两倍：对应于非晶光伏材料的导带尾的范围的能量以及对应于非晶光伏材料的价带尾的范围的能量
-阻带在下限角频率ωmin＝ωgap-ΔωC-ΔωV与上限角频率ωmax＝ωgap+ΔωC+ΔωV之间延伸，其中ωgap对应于光吸收材料的光学带隙以及其中ΔωC和ΔωV分别对应于能量和分别对应于非晶光伏材料的导带尾的范围以及非晶光伏材料的价带尾的范围；
和分别是导带尾状态的Urbach能量以及价带尾状态的Urbach能量；
-非晶光伏材料包括氢化非晶硅；
-非晶光伏材料包括氢化非晶硅，并且：在1.7和2.0eV之间；以及小于0.2eV，并且优选地在0.1和0.2eV之间；
-非晶光伏材料包括：
-掺杂具有锗或掺杂具有锗和碳的氢化非晶硅；
-碲化镉(CdTe)；
-二硒化铜铟(CIS)；
-无机非晶材料；或
-有机光伏材料；
-器件具有层状结构，具有形成了带阻结构的所述层状结构的一个或多个层；
-层状结构包括不同材料的两个或多个邻接层的图形，优选为a-Si:H和a-SiGe:H，该图形沿着层状结构重复；
-所述邻接层中的一个层被设计为吸收阻带内的辐射频率，并且所述邻接层中的另一个、优选为两个邻接层均包括所述非晶光伏半导体材料；
-层状结构形成布拉格反射器，配置后者以反射具有在阻带内的频率的辐射，并且优选地配置作为全方向反射器；以及
-带阻结构是与层状结构的层邻接的阻带滤光器层。
根据另一方面，本发明实施作为操作根据实施例的光伏器件的方法，方法包括：将光伏器件暴露至辐射以滤除达到光吸收材料并且具有在阻带内频率的辐射；以及借由光伏器件产生电能。
现在将借由非限定示例并且参照附图描述实施了本发明的器件和方法。
附图说明
-图1示出了展示了在典型的非晶半导体中各种可能的电子激发的能量图(左侧)，由电子态密度或DoS(右侧)示意图补充，以示出依据本发明实施例的原理；
-图2是原型p-i-n单结光伏器件的示意图，由带阻滤光器补充，如在实施例中；
-图3是根据实施例的单结光伏器件的多个具体实施方式的示意图；
-图4展示了如对于a-Si:H基太阳能电池单元设计和对于选定波长试验所获得的效率退化(以％表示)；
-图5展示了如图4中的效率退化，但是这次对于装备具有带阻滤光器的a-Si:H基太阳能电池单元设计而获得，如在实施例中；
-图6A-图6C是根据实施例的具有层状结构的多结光伏器件的示意图，具有选择出采用给定频率辐射的反射/吸收滤光器结构；
-图7表示图6的变型例；
-图8是根据实施例的另一光伏器件的示意图，具有设置作为超晶格的层状结构，用作用于具有不需要频率的辐射的反射器；
-图9是根据其他实施例的基于集成的a-Si:H电池单元的串接互连的光伏器件的简化3D视图；以及
-图10A-图10F是多结光伏器件的示意图，也即三结器件(A-B)和双结器件(C-F)。
具体实施方式
本发明人已经识别出了造成引起上述光退化效应(Staebler-Wronski效应)的基本机制。基于该发现，已经设计了新解决方案以减小PV器件中的光退化效应。这些解决方案利用了包括在PV器件中的一个或多个阻带滤光器结构(或者紧密相关的滤光器结构)。
主要想法是包括带阻滤光器结构以阻断引起活性非晶材料中光退化的电子激发。为此的原因在于，如本申请人已经发现的那样，从非晶光伏材料的价带尾(或VBT)状态至导带尾(或CBT)状态的电子激发是造成光退化效应的原因。
在现有文献中，通常相信光致退化与钝化a-Si悬挂键的氢原子的存在相关联。目前，已经提出了VBT至CBT电子激发引起了该光退化。这种结论显著基于大规模的自始(ab initio)计算及其解释而得到。因此，在此提出的PV设计的主要目的在于滤除引起了非晶PV半导体材料中光致变化的一部分光谱。
参照图1至图3以及图6至图8，首先描述本发明的通用方面。提出了PV器件10a至10e的新设计，其有利的适用于薄膜太阳能电池单元。作为现有技术的器件，这些PV器件首先包括一个或多个非晶PV半导体34(也称作吸收器，或光吸收材料)。在此，“非晶光伏材料”应该广泛地理解。更正式的，非晶PV材料意味着PV吸收器材料的至少大部分是非晶的。PV吸收器可以例如是完全非晶的。然而，可以实现的是，本发明的实施例可以涉及例如微晶、纳晶或微形(micromorphous)硅。例如，原晶和非晶硅可以组合在串接太阳能电池单元中。
这些非晶半导体是活性PV部件，其展现了所需的光伏效应，如本身已知的那样。它们可以由吸收材料的一个或多个层构成，其一旦暴露至辐射则使其能够用于产生电能。接着，本设计进一步包括具有给定阻带的带阻滤光器结构20。带阻滤光器结构可以显著地包括在吸收器层结构(图2、图3、图6)的一侧上、或者如果合适的工程设计的话(图7、图8)从其自身层状结构得到的滤光器层20。在所有情形下，带阻滤光器结构合适的设置在器件中，相对于非晶PV材料34和/或35，以至少基本上衰减了到达其的外部电磁辐射，该外部电磁辐射具有在阻带内的角频率。
如通常由带阻滤光器已知的那样，可以设计带阻滤光器结构以至少衰减(也即基本上)或者可能的完全防止具有在给定阻带内频率的辐射穿过滤光器并且到达想要保护的部件。
在该发明中，并且作为以上发现的结果，阻带对应于非晶材料的价带尾状态至导带尾状态的电子激发因此，不同于关注与非晶PV材料的质量的现有方法，在此提出修改到达其的辐射的特性。当这种PV器件暴露至辐射(例如具有分布在广谱中的频率的太阳光)时，滤光器结构滤除了到达吸收器的不需要的辐射。这种PV器件因此可以有利的用于产生电能而减小一旦暴露至阳光则导致的退化。
在图1中，具有约能量的光子是造成退化的光子。为了阻断该机制，提供滤光器以通过具体筛除光谱的不需要部分(也即具有ω*附近的角频率)来保护PV非晶半导体。
导致退化的频率范围是对于材料特定的。因此必须根据器件中使用的非晶PV半导体材料调整带阻滤光器结构。
更具体地，图1示意性示出了如本发明中使用的典型非晶半导体材料中的能级。在下文中，为了说明，假设该材料是a-Si:H或者实质上基于此。然而，如下所述的光退化机制适用于广阔类别的非晶PV半导体，如稍后所述。图1显著地示出了：
-给定非晶PV材料的价带VB，具有其带尾区域(VBT)；
-导带CB，具有其带尾区域(CBT)；
-ωmax，表示(阻带的)上限角频率；
对应于迁移带隙；
-ωmin是(阻带的)下限角频率；
是对应于光学带隙的能量；
-EUC是CBT Urbach能量；以及
-EUV表示VBT Urbach能量，平均Urbach能量在下文中由EU表示。
能带图由对于相同非晶半导体的电子态(或DoS)示意密度图补充。DoS展现了五个不同的区域：
-VB区域(对应于广延态ES)；
-VBT区域，对应于定域态LS；
-中央尖峰，对应于深的缺陷D。然而后者并未反映在左边的能级图中，因为深层缺陷并未在设计的解决方案中扮演关键角色；
-CBT区域，再次对应于定域态LS；以及
-CB区域，也对应于广延态ES。
每个迁移线分隔了广延态ES与定域态LS。
现在简要描述上述概念，也即LS、ES、ECM、EVM、ωgap等等。在诸如a-Si:H之类的材料中缺乏长程有序对于光学和电学特性具有后果。键合杂乱导致能带拖尾和局域化，而点状缺陷导致在中部带隙中的电子能级。在完美的单晶固体(完美晶态固体意味着无杂质的无限、无缺陷晶态固体)中，电子将经受周期性电势。其随后遵循布洛赫定理，电子态是“延展”态，因为电子波函数在所有晶体中延展，也即具有给定动量k的电子的位置可以在晶体中任何地方，作为不确定性原理的直接结果。现在，在接受作为非晶材料的标准模型的莫特模型中，由迁移边缘分隔了定域态和广延态。CB迁移边缘由ECM标注，类似于单晶半导体中的导带。ECM标注了“未键合”电子的最低允许能量，也即在零温度下并未占据的最低广延态能级。类似的，价带边缘由EVM标注。因此，广延态ES和定域态LS由在导带CB中能量ECM以及在价带VB中能量EVM处的迁移边缘而分隔。在零温度下，仅在ECM之上和EVM之下的载流子是可迁移的，并且可以有助于导电。两个迁移边缘之间的能量差称作迁移带隙(通常约为1.8eV)。ECM之下和EVM之上的定域态称作带尾态。通常假设它们以指数降低/增大，也即能量以指数分布，显著地是因为导带尾与Urbach边缘的相互关系(也即在非晶材料的带隙能量附近光学吸收系数的指数尾)。迁移边缘、VB和CB带尾以及类似的光学带隙是在在文献中良好记载的非晶半导体的关键描述符。光学带隙的标准定义显著地记载在作者为J.Tauc、R.Grigorovici和A.Vancu的Phys.Stat.Sol.15,627(1966)中。该定义引用在许多教科书中并且在此假设采用。
如上所述，PV器件的本设计滤除了具有在滤光器的阻带内的频率ω*的辐射，其对应于从非晶PV材料的VBT状态至CBT状态的激发过滤的频率ω*因此位于阻带的上限角频率ωmax与下限角频率ωmin之间(ωmax>ωmin>0)。稍后解释如何可以确定这些限值频率。
现在，带阻滤光器应该优选地并未消除或者大大减小光谱ω>ωM的产生了光电流的有用部分。因此，应该小于或者等于(也即至少接近于)非晶PV材料的迁移带隙实际上，由具有能量的光子所引起的电子激发可以与由于从VBT-LS至CBT-LS的光跃迁导致的亚带隙吸收相关。因此，允许的最大、也即对应于阻带的上限角频率ωmax的跃迁能量优选地等于(或者稍微小于或大于)非晶材料的迁移带隙结果，可以防止所有(或基本上所有)从VBT状态至CBT状态的电子激发在图1的示例中，假设ωmax等于ωM。
类似的，从图1可以理解，无需防止具有ω<ωmin的激发，使得微调滤光器以便于展现下限(或截断)频率ωmin>0(严格的)。顺便，因为VBT和CBT状态的分散，ωmin通常小于ωgap。
然而，在变型例中，可以使用展现了下限频率ωmin＝0的滤光器。在该情形下，带阻滤光器按照带阻与高通滤光器的定义仅减小至高通滤光器。然而，合适的微调如上所述的上限(或截断)频率ωmax(例如ωmax＝ωM)，无论如何都防止了不需要的频率。这种变型例可以例如预期用于诸如图2和图3所示的单结PV电池单元。
就此而言，具有远小于带隙值能量的光子形成了可忽略的光电流，但是这些光子仍然可以有害于非晶材料，因为它们可以引起在价带尾与导带尾之间的跃迁(均朝向中带隙指数延展)。频率ωmin可以视作对于截断频率的估算值，也即是在低频限制中相对无害和基本上有害辐射之间的“分界线”。注意，在这方面，ωM可以视作对应的高频“分界线”。
如上所述，由于之前所述的发现，无需事先滤除针对ω<ωmin的辐射频率ω，使得根据实施例的滤光器结构可以在ωmin≥0和ωmax>ω之间扩展，尤其是在类似单结器件中。然而，对于多结电池单元而言，事情有些更复杂。在此，出于两个主要原因，使用如图6至图7的层状结构。第一原因是更薄的层与更厚的相比较少退化，使得图6、图7中的层34和35通常制作得比如图2和图3中所示的单结电池单元的活性层34更薄。然而，典型的多结电池单元的总厚度类似于典型的单结电池单元。另一原因是层材料具有不同的带隙，因此额外的层(例如a-SiGe:H具有比a-Si:H更小的带隙)用于捕捉顶层未吸收的一部分光谱并且将其转换为电能，顶层例如是如果在图5A中由a-Si:H制成则具有更大带隙的层34。因此，对于图6A的PV器件使得滤光器(层20)选出0<ω*<ωmax的所有频率将利用具有这种稍微不合理的滤光器的多层结构。
然而，图6C的电池单元设计(也参见以下说明)将允许在双结结构中由滤光器20选出0<ω*<ωmax,34(具有调整至层34的材料的ωmax,34)的所有频率，以及由滤光器21选出0<ω**<ωmax,35(具有调整至层35的材料的ωmax,35)的所有频率。在该示例中，层35假设具有比层34更小的带隙，也即ωmax,35<ωmax,34，与使用用于层35的a-SiGe:H的实施例一致，应该注意，a-SiGe:H与a-Si:H相比具有更小的带隙。
接着，返回参照图1，因为带尾状态的分散特性，可以意识到，滤光器阻带可以有利的视作ωgap±Δω，其中Δω＝ΔωC+ΔωV，其中ΔωC和ΔωV对应于能量和其能量度量了CBT和VBT的相应范围。因此，可以根据非晶半导体的基本特性表达滤光器阻带特性，非晶半导体的基本特性可以试验测量和/或计算。
例如，可以考虑Δω，使得其中平均Urbach能量EU定义为其CB和VB分量的平均值，也即EU＝(EUC+EUV)/2，或者等价于角频率，Δω＝ΔωC+ΔωV，其中并且阻带可以因此基本上在下限角频率ωmin＝ωgap-ΔωC-ΔωV与上限角频率ωmax＝ωgap+ΔωC+ΔωV之间延伸，其中ωgap对应于非晶PV材料的光学带隙并且其中和分别是导带尾状态与价带尾状态的Urbach能量。因此，对应于阻带宽度的能量可以基本上为2(EUC+EUV)。更通常的，阻带的宽度应该通常对应于CBT和VBT范围总和的两倍。
当然，比对应的Urbach能量更好的对于CBT和VBT分散的描述可以依赖于例如如下材料，对于该材料而言发现CBT或VBT偏离理想的指数特性等等。例如使用其他描述，其仍然正比于EUC和EUV，也即xEUC和xEUV，其中仍然，将要获得的结果应该基本上保持相同，也即过滤了从非晶PV材料的VBT状态至CBT状态的激发。此外，应该提取所考虑的阻带限制频率，例如基于知晓的能量态密度或者适用于所使用的非晶材料的其他电子结构数据，或者仍然基于滤光器制造约束。然而，优化的阻带限制频率应该可以位于如上规定的理想的理论限制之内，也即在ωmin＝ωgap-ΔωC-ΔωV与ωmax＝ωgap+ΔωC+ΔωV之间。
注意，可以例如通过光调制红外吸收来分立测量在非晶半导体中导带和价带的尾状态的宽度。此外，可以通过电导率试验来测量迁移带隙。因此，规定阻带特性所需的所有量是所使用的非晶PV材料所固有的可测的(或甚至可计算的)量。
如上所述，该非晶PV材料优选是a-Si:H。因此，如可以验证的那样，通常在1.7和2.0eV之间，根据a-Si:H薄膜中带隙的典型数值。调查在Urbach边缘处能带尾状态的能量分布，似乎对于合适的数值应该通常小于0.2eV(例如在0.05至0.2eV的范围内)。对于良好质量的材料而言，该数值应该通常接近0.1eV或更小。
更通常的，可以根据非晶PV半导体的带隙和Urbach能量值选择对于阻带的合适的数值。就此而言，吸收器可以包括其他材料，诸如掺杂具有锗和/或碳的氢化非晶硅，例如a-Si1-xGex:H或a-Si1-x-yGexCy:H，其中x和y在0与1之间(例如0.1)。Ge/C原子的引入添加了额外的自由度以用于控制材料的特性。在该情形中，碳浓度的增加增宽了导带和价带之间的电子带隙；锗导致相反的情形。为了完整，非晶材料可以进一步包括碲化镉(CdTe)，二硒化铜铟CIS，无机非晶材料或有机光伏材料。在每种所述材料中，过滤从VBT状态至CBT状态的激发被预期为减小光退化效应。
接着，可以以数种方式获得带阻滤光器结构。特别地，器件可以具有层状结构，并且带阻结构可以由所述层状结构的多个层的一个得到，如图2、图3、图6、图7和图8所示。
或许，获得所需带阻滤光器的最简单方式是在活性PV层34一侧上提供例如与层状结构的层邻接的滤光器层20或21，如图2、图3和图6所示。如此方式，相对于活性材料设置滤光器以衰减在工作中到达滤光器的不需要的辐射波长。明显的，图2、图3、图6至图8的描述是故意简化的。例如，如本领域常用的那样，可以提供(未示出)盖层、额外滤光器、额外材料层(欧姆接触、背侧接触、聚乙烯丁缩醛和背侧玻璃等等)。
图2中示意性示出的器件10a是根据实施例的基于单结(p-i-n)太阳能电池单元。其明显的包括：
-带阻滤光器层20；
-p掺杂半导体层32；
-光吸收材料34，也即本征a-Si基半导体(或i-a-Si:H)；以及
-n掺杂半导体层36。
单层32、34和36的设置基本上类似于现有的器件。因为空穴朝向p型层移动的迁移率远低于电子朝向n型层移动的迁移率，所以p型层在滤光器之后布置在顶部，也即光强度保持更强，使得空穴的收集效率增强，因为空穴随后必须比电子传播更短距离以达到相应的层(对于电子而言为n型层并且对于空穴而言为p型层)。仍然，将层32、34和36设置在带阻滤光器层20“之下”以衰减或者移除不需要的辐射频率。
就此而言，可以沉积或者布置在太阳能电池单元顶部上并且展现了如上所述合适的滤光特性的任何材料应该事先聚集，只要并不损害太阳能电池单元的总体性能。允许用于调整带阻滤光器的带阻的各种方法在本领域是已知的。
例如，带阻滤光器可以设计作为在特定波长范围(阻带)内显示出强烈吸收的材料的薄膜(层20)。例如，该层可以由透明稀释剂(通常是KBr-溴化钾)制成，该透明稀释剂由吸收材料(通常浓度～1％)掺杂。选择吸收材料的真实浓度，以微调带阻滤光器的上限和下限频率。例如，可以依赖于由掺杂具有四甲基卤化铵或金属铬酸盐的溴化钾(KBr)构成的带阻光学滤光器。许多合适的材料可以在公开的光学光谱的公用数据库中找到，例如参见Sadtler标准光谱(http://www.lib.utexas.edu/chem/info/sadtler.html)。
单层滤光器(层20)也可以设计作为频率选择线表面(FSS)。FSS基本上是布置在用作对特定光波长范围(滤光器的阻带)的反射器的层42顶部上的一些合适的介电材料(层20)的栅格表面，例如这种滤光器可以设计作为周期性小片的阵列。可以通过改变层厚度(t，在400-900nm之间)、小片宽度(w，约500nm)、阵列的周期(p约500-1000nm)以及用于小片的材料的折射率而容易的微调滤光器特性(上限和下限频率)。适用于这些目的的可能的材料可以是硫属化合物玻璃(例如GeSe或Ge-Sb-Se)。其他类型的栅格表面以及介电材料也可以用于形成适用于本发明的带阻滤光器。
对于布置在玻璃(层42)顶部上的复合滤光薄膜20使用类似Ta2O5/SiO2(或SiO2/Ta2O5)、TiO2/SiO2(或SiO2/Ta2O5)的高和低指数介电材料的交替叠层也允许设计具有所需特性的带阻滤光器。其他类型的介电材料也可以用于制造适用于本发明实施例的带阻滤光器。
换言之，带阻滤光器可以设计作为布置在顶部上的、由单个材料制成、或者仍然包括不同材料的若干层的薄膜20。
在诸如图2、图3、图6-图10所示的实施例中，层滤光器20或21的横向尺寸可以基本上与其他层32、34、35、36横向尺寸相同。仍然，滤光器可以提供作为盖层的一部分，可能夹在器件上等等，使得滤光器的尺寸可以不同于其他层。滤光层的真实厚度将取决于化学组分，也即用于滤光器的材料，以及取决于必须由滤光器选出的光的波长范围。滤光材料的总厚度通常相当于所过滤光波长。
此外，通常，滤光器可以设计作为多层结构。例如，层20可以是介电材料制成的介电布拉格镜。通常，特征性厚度应该约为或者大于λ＝2πc/ωM(也即使用标准计数法，对于为600nm)。
接着，图3中示意性示出的器件10b也是基于根据实施例的单结(p-i-n)太阳能电池单元器件。所示的连续层由以下构成：
-玻璃层42；
-ZnO:Al(层44)；
-p+a-SiC:H(层32)；
-i-a-Si:H(层34)；以及
-n+a-SiC:H(层36)。
单层42、44、32、34和36的层设置同样类似于现有技术的器件。也即，Si基的层沉积在涂覆具有透明导电氧化物(此处为ZnO:Al)层的玻璃42上。然而，阻带滤光器层20布置在顶部上，其中滤光器具有如上所述的所需特性。
进一步详述，图9示意性示出了单块集成的a-Si:H子单元的串接互连。也即，图9连续示出了(从底部至顶部)：
-滤光器层(或覆盖层)20，布置在至活性层的光路上(在图9中假设光来自底部)；
-玻璃层42(注意，在变型例中层20和42应该是同一层)；
-透明导电氧化物或TCO 44；
-a-Si:H层34；以及
-背侧电极46。
注意，可以通过传统的掩膜技术获得如图9所示子单元的集成。也可以使用激光划片。a-Si:H电池单元的单块集成显著地允许易于从单个衬底获得所需的输出电压。此外，用于子单元的集成的工艺步骤易于实施在模块的整体制造工艺中，如本身已知的那样。
稍后将参照图6-图8以及图10描述其他变型例。
为了展示如上所述带阻滤光器的优点(也即耦合至太阳能电池单元以减小光致退化)，显示光退化对于所吸收光波长的依赖性是充足的。本发明人已经对于具有选择具有特定波长辐射的窄带通滤光器的一组a-Si基太阳能电池单元执行了产量测量。所使用的太阳能电池单元是如图3所示的a-Si基太阳能电池单元，除了使用带通滤光器替代带阻滤光器(在图3中层20的水平处)之外，以选择所需的波长。该实验的结果示出在图4中，其展示了对于选定波长的效率退化(以％计)。最后一列展示了总体效率退化(以％计)。这些结果显示光退化明显的取决于波长并且在600nm附近达到其最大。该数值对应于光子能量与之前所述的数值一致。换言之，可以预期衰减了在该能量范围内光子的带阻光滤光器以减小太阳能电池单元的总体光退化，如另外图5中所示。图5示出了与图4相同的情形，除了对于装备具有带阻滤光器(如图3)的太阳能电池单元获得结果之外。如所示，在该示例中总体效率退化(最后一列)充分减小，也即以～35％减少。
总体效率退化的该减小导致太阳能电池单元的关于太阳能电池的长期使用的性能的改进，从而允许更有效收集太阳能，也即从阳光辐射产生更多的电能。例如，以25％、50％和100％减小的总体效率退化将分别以高达～5％、10％和20％增大当前制造的现有技术太阳能电池单元的稳定产量，其对应于所产生电能的等效增加。这种增加将视作基本上太阳能的大规模生产。
接着，如前所述，带阻滤光器结构可以由布置在器件顶部上的简单滤光器构成。在下文论述的变型例中，可以由更复杂设计得到带阻滤光器结构。
例如，PV器件可以具有层状结构，包括不同材料的两个(或更多)邻接层的重复图形，例如a-Si:H层34和a-SiGe:H层35，如图6-图7所示。层34可以例如是活性层，而层35更具体的设计用以吸收不需要的辐射频率，如图7示意性所述。
然而，层35(a-SiGe:H)可以也是活性的。例如，如果层35的厚度与层34相当(作为图6和图7器件的情形)，则层35也是活性的，并且层35随后有效地吸收了对于层34有害的那些光子而不论由层34(a-Si:H)微弱吸收，那些光子也即具有对应于a-Si:H层的与对应于a-SiGe:H层的之间的能量的光子。注意，后者小于前者，并且一旦Ge浓度增大则减小。层35随后在该情形中具有双重角色：(i)以保护层34免受光谱的有害部分，以及(ii)以将该辐射转换为电能，从而提高PV电池单元效率。
图6A(图6B)中的滤光器层20(21)在层34(层35)的顶部上，并且滤光器特性必须调整为层34(层35)的特性，因为在此找寻以选出ω<ωM，其中是a-Si:H(a-SiGe:H)的迁移带隙，其大于(小于)a-SiGe:H(a-Si:H)的迁移带隙。
在图6C中，示出了具有两个滤光器层20和21的备选项设计。层34和35可以在化学/尺寸上微调以达到该目的。微调Ge和C掺杂剂的浓度以及氢浓度允许微调层34和35的吸收范围。就此而言，可以有利的使用由a-Si:H/a-SiGe:H提供的材料兼容性。例如，对于层34的化学组分可以是采用PECVD获得的氢化非晶硅(a-Si:H)，其中氢的典型浓度约为10at％(或原子百分比，意味着对于9个Si而言平均具有1个H原子)。关于层35：氢化非晶硅可以例如掺杂具有锗(a-Si1-xGex:H)，如对于现有技术太阳能电池具有约10at％氢浓度以及范围在0.25<x<0.75内的锗浓度。
现在关注尺寸；横向尺寸(开口面积)是宏观的，并且可以例如是数百cm2。因此，在上的滤光器20可以由额外的“吸收”层35补充，如图6A的器件10c中，由此首先反射了不需要的辐射波长并且随后吸收了不需要的辐射。在变型例中，仅提供“吸收”层35，如图7的器件10d中，由此在层35中吸收了不需要的辐射波长。
在实施例中，替代于使用滤光器单层，使用超晶格，其用作针对具有不需要频率的辐射的介电全方向反射器(介电布拉格镜面)，如图8。为了达到该目的，可以依赖于重复的层，适用于工程设计以提供所需的阻带范围。例如，耦合至均匀媒介30(诸如空气)层34/35的重复图形可以甚至定制尺寸，以便于形成全方向反射器，如图8示意性所示，也即后者反射了具有在阻带内频率的辐射(不论入射光的角度)。在给定上限和下限频率ωmin和ωmax(分别具有约1.6eV和1.8eV的典型数值)的情形下，并且在给定层34(对于具有约10at％的典型氢浓度的a-Si:H而言n34为～3.4)、层35(对于具有典型Ge浓度x～0.25-0.75以及约10at％的典型氢浓度的a-SiGe:H而言n35为～4.5)和均匀媒介30(典型的具有n30＝1的空气)的折射率的情形下，可以使用如由Y.Fink等人在Science 282,1679(1998)的另一文档中推导得到的两个解析表达式给定的ωmin、ωmax与h34、h35、n35、n34之间的关系而获得层34(h34)和层35(h35)的厚度。例如，对于如上给定的层34/35以及均匀媒介30的特性而言，主吸收器(层34)的厚度约为50-100nm(该数值是另外适用于制造薄膜太阳能电池单元)，并且次吸收器(层35)的厚度约为5-10nm。如本领域技术人员可以意识到的那样，可以预期全方向反射器的其他设计。层34、35以及均匀媒介30的所有参数可以同时微调以将反射器的全方向频率范围与所需的阻带范围ωmin、ωmax相匹配，只要并不损害太阳能电池单元(图8)的总体性能。对于a-Si:H和a-SiGe:H的典型折射率的参考可以在W.W.Hernandez-Montero等人发表的OpticalMaterials Express 2,358(2012)中找到。
现在，参照图10简要描述PV器件的其他可能设计，其中展示了多结光伏器件的示意图。
也即，在图10A-图10B中示出了三结器件，而图10C-图10F涉及双结器件。双结电池单元可以包括层34(例如a-Si:H)和层35(例如a-SiGe:H)。在变型例中，两个层可以均包括a-Si:H。然而，a-Si:H层中的一个可以具有不同于另一层34的带隙(可以通过改变第二a-Si:H层中的氢浓度来完成)。类似的，三结电池单元可以包括层34(a-Si:H)，随后是另一层35(a-Si1-xGex:H)，以及随后又一层35(a-Si1-yGey:H)，其中x不同于y，也即使得两个a-SiGe:H材料的带隙不同。如前所述，滤光器层20和21随后根据吸收材料层34、35的特性而调整。
最后，本光伏器件的实际实施方式将采取封装的形式，显著地包括薄膜PV电池单元、电极以及本领域常用的其他部件。这些器件可以进一步包括屏蔽层以保护这些部件的一些以避免暴露至辐射。此外，可以设置屏蔽层以密封电池单元封装以保护免受灰尘、湿气等等。屏蔽层可以进一步包括盖板窗口。在变型例中，滤光器结构可以与窗口邻接布置，或者该窗口可以甚至用作滤光器以过滤不需要的频率，替代了如上所述提供滤光器层。更通常的，具有如前所述特性的滤光器可以实施作为这种屏蔽层的一部分。
尽管已经参照某些实施例描述了本发明，本领域技术人员应该理解的是可以不脱离本发明的范围而做出各种改变以及可以替换等价方式。此外，可以做出许多修改以根据本发明的教导不脱离其范围而适用于特定情形或材料。因此，本发明意在不限于所述特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。就此而言，许多变形是可能的。例如，除了在以上示例中引用的之外的其他材料、化学组分和层尺寸可以用于获得基本上与该发明实施例中所提供的相同的结果，也即其中滤光器的阻带对应于从用作吸收器的非晶材料的VBT状态至CBT状态的电子激发。
以下参考文献将有助于理解该发明中涉及的、但是已经在其他文献中提出的一些具体概念：
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参考标记列表
10a-10e 光伏器件
10f 光伏器件(多芯片封装)
20、21 带阻滤光器结构/滤光器
32 p掺杂半导体层
34 非晶光伏(活性)半导体材料
35 光吸收材料/额外半导体层
36 n掺杂半导体层
42 玻璃层
44 透明导电氧化物(或TCO)
46 背电极
CB 导带
CBT 导带尾
Eu 平均Urbach能量Eu
Euc CBT Urbach能量
Euv VBT Urbach能量
迁移带隙
光学带隙
VB 价带
VBT 价带尾
ωmin 阻带下限角频率
ωmax 阻带上下角频率
[ωmin，ωmax] 阻带
Claims (25)
1.一种光伏器件(10a-e)，包括：
非晶光伏材料(34)；以及
带阻滤光器结构，具有从下限角频率ωmin≥0延伸至上限角频率ωmax的给定阻带，其中ωmax>ωmin，以及
其中相对于所述光伏材料在所述器件中设置所述滤光器结构，以衰减到达所述光伏材料的、具有在所述阻带内的角频率ω*的电磁辐射，使得ωmin<ω*<ωmax，以及其中ωmin和ωmax使得所述角频率ω*对应于从所述非晶光伏材料的价带尾状态至所述非晶光伏材料的导带尾状态的电子激发
2.根据权利要求1所述的光伏器件，其中，对应于所述阻带的上限角频率ωmax的能量小于或者等于所述非晶光伏材料的迁移带隙
3.根据权利要求1或2所述的光伏器件，其中，对应于所述阻带的下限角频率的能量小于所述非晶光伏材料的光学带隙
4.根据权利要求1或2所述的光伏器件，其中，对应于所述非晶光伏材料的阻带的宽度的能量(ΔωC+ΔωV)对应于以下两者之和的两倍：
对应于所述非晶光伏材料的导带尾的范围的能量以及
对应于所述非晶光伏材料的价带尾的范围的能量
5.根据权利要求3所述的光伏器件，其中，对应于所述非晶光伏材料的阻带的宽度的能量(ΔωC+ΔωV)对应于以下两者之和的两倍：
对应于所述非晶光伏材料的导带尾的范围的能量以及
对应于所述非晶光伏材料的价带尾的范围的能量
6.根据权利要求1所述的光伏器件，其中，所述阻带延伸在ωmin＝ωgap-ΔωC-ΔωV的下限角频率、与ωmax＝ωgap+ΔωC+ΔωV的上限角频率之间，其中ωgap对应于所述非晶光伏材料的光学带隙以及其中ΔωC和ΔωV分别对应于能量和能量和分别对应于所述非晶光伏材料的导带尾的范围以及所述非晶光伏材料的价带尾的范围。
7.根据权利要求6所述的光伏器件，其中，和分别是导带尾状态的Urbach能量以及价带尾状态的Urbach能量。
8.根据权利要求1或2所述的光伏器件，其中，所述非晶光伏材料包括氢化非晶硅。
9.根据权利要求3所述的光伏器件，其中，所述非晶光伏材料包括氢化非晶硅。
10.根据权利要求6或7所述的光伏器件，其中，所述非晶光伏材料包括氢化非晶硅并且：
在1.7eV与2.0eV之间；以及
小于0.2eV。
11.根据权利要求1或2所述的光伏器件，其中，所述非晶光伏材料包括：
-掺杂有锗或掺杂有锗和碳的氢化非晶硅；
-碲化镉(CdTe)；
-二硒化铜铟；
-无机非晶材料；或
-有机光伏材料。
12.根据权利要求3所述的光伏器件，其中，所述非晶光伏材料包括：
-掺杂有锗或掺杂有锗和碳的氢化非晶硅；
-碲化镉(CdTe)；
-二硒化铜铟；
-无机非晶材料；或
-有机光伏材料。
13.根据权利要求1或2所述的光伏器件，其中，所述器件具有层状结构，其中所述层状结构的一个或多个层形成所述带阻结构。
14.根据权利要求3所述的光伏器件，其中，所述器件具有层状结构，其中所述层状结构的一个或多个层形成所述带阻结构。
15.根据权利要求13所述的光伏器件，其中，所述层状结构包括不同材料的两个或多个邻接层的图形，该图形沿着所述层状结构重复。
16.根据权利要求14所述的光伏器件，其中，所述层状结构包括不同材料的两个或多个邻接层的图形，该图形沿着所述层状结构重复。
17.根据权利要求15所述的光伏器件，其中，所述邻接层中的一个被设计为吸收在所述阻带内的辐射频率，以及所述邻接层中的另一个包括所述非晶光伏半导体材料。
18.根据权利要求16所述的光伏器件，其中，所述邻接层中的一个被设计为吸收在所述阻带内的辐射频率，以及所述邻接层中的另一个包括所述非晶光伏半导体材料。
19.根据权利要求13所述的光伏器件，其中，所述层状结构形成布拉格反射器，所述布拉格反射器被配置成反射具有在所述阻带内的频率的辐射。
20.根据权利要求15所述的光伏器件，其中，所述层状结构形成布拉格反射器，所述布拉格反射器被配置成反射具有在所述阻带内的频率的辐射。
21.根据权利要求17所述的光伏器件，其中，所述层状结构形成布拉格反射器，所述布拉格反射器被配置成反射具有在所述阻带内的频率的辐射。
22.根据权利要求13所述的光伏器件，其中，所述带阻结构是与所述层状结构的层邻接的带阻滤光器层。
23.根据权利要求15所述的光伏器件，其中，所述带阻结构是与所述层状结构的层邻接的带阻滤光器层。
24.根据权利要求17所述的光伏器件，其中，所述带阻结构是与所述层状结构的层邻接的带阻滤光器层。
25.一种操作根据权利要求1至21中任一项所述的光伏器件的方法，包括：
-将所述光伏器件暴露至辐射以滤除到达所述非晶光伏材料并且具有在所述阻带内频率的辐射；以及
-借由所述光伏器件产生电能。
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