CN109273549A - 光伏电池 - Google Patents

Abstract

一种包含半导体元件（10）的光伏电池，所述半导体元件全部由单一的导电类型组成。具有的逸出功与半导体元件的逸出功不同的偏压介质（26），所述偏压介质（26）覆盖元件的一个面，并引起带弯曲，从而在空间载荷区产生电场。电极与空间载荷区内的半导体元件接触。通过半导体元件吸收光产生的载流子被电场加速朝向电极。

Description

光伏电池

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年9月4日提交的NO.61/899400，题为无半导体结的高带隙太阳能电池的美国临时专利申请的申请日的权益，该专利申请在此全部引用作为参考。

背景技术

本发明涉及光伏电池。迄今为止，人们投入了相当大的努力于本领域以开发光伏电池，例如，半导体装置可将光转化为电能。通常，此类电池包含多层半导体材料，所述半导体材料包括n型半导体和p型半导体，其中n型半导体主要的或多数电荷载流子为电子，且 p型半导体的多数电荷载流子为空穴。这些层共同限定p-n结。电极被提供于与在结的对立两侧的半导体材料相接触。当彼此分离时，由于不同的掺杂，p型材料和n型材料具有不同的费米能级。费米能级为使得该能级被电子占据的概率为50%的能级。当p型材料和n型材料在电池的p-n结彼此结合，彼此的费米能级进入平衡并形成空间载荷区。空间载荷区在结附近提供了电场。当光撞击在半导体材料上时，进入的光子使电子从半导体的价带被提升为导带，从而引起电荷载流子数目的增加。术语“带隙”是指半导体材料的价带和材料的导带之间的能量差。

空间电荷区的电场使电荷载流子穿过p-n结的速度加快。空穴和电子向相反的方向移动。电子传递至与n型材料接触的第一电极，反之空穴传递至与p型材料接触的第二电极。这会在电极之间产生电势差，从而在电极产生有用的、可用的电能。外电路与电极连接可利用该电能。

来自这种p-n结电池的可用的电压差或电势差是有限的。从这种电池输出的最大电压由n型材料中导带的能级和p型材料中价带的能级之间的差异限定。这种差异通常小于半导体的带隙。理想的光伏电池由具有宽带隙的材料构成，例如，约1.7电子伏特或更多。宽能带材料可有效吸收波长约小于800纳米的光。这种光在光谱的可见和紫外线部分，并且构成太阳能的实质部分撞击地球。此外，由宽带隙材料构成的电池可与由窄带隙材料构成的电池结合使用。在这样的布置中，宽带隙电池被设置在窄带隙电池的前面。长波长光不能被宽带隙电池吸收，并穿过至窄带隙电池，光在那里被吸收。

由硅形成的p-n结可通过相对便宜的工艺制成，例如将掺杂物植入到硅片中。然而，硅具有1.12电子伏特的带隙。在某些宽带隙半导体材料中p-n结电池的制造，需要通过外延沉积的有序过程形成多个层。在外延沉积工艺中，通过沉积材料，材料被生长于衬底上，最典型的是从蒸汽或气体状态，在现有的固态晶体上，使得生长晶体形成具有晶体晶格间距的结构，所述晶体晶格间距由衬底的晶格间距决定。然而，使用某些宽带隙半导体材料可能难以生长具有相反导电型的高质量半导体材料。因此，尽管迄今为止在本领域投入了相当大的努力以发展光伏电池，进一步的改进仍是人们所希望的。

发明内容

根据本发明一个实施例的光伏电池，包括具有正面、背面和面之间的厚度方向的半导体元件。半导体元件优选全部由n型半导体或全部由p型半导体组成。偏压介质优选覆盖半导体元件的所述面的第一面。偏压介质优选具有的费米能级或逸出功不同于半导体元件的标准的费米能级或逸出功。偏压介质引起半导体元件中的带弯曲，使得空间载荷区存在于半导体元件内，且在厚度方向有单向电势梯度贯穿空间载荷区。电池优选还包括在厚度方向上彼此间隔的正电极和背电极，各电极在无光照时在空间载荷区内与半导体元件接触。

本发明的另一方面提供一种发电方法。根据本发明该方面的方法优选包括保持单向电势梯度在梯度方向贯穿半导体元件的空间载荷区，所述半导体元件全部由p型半导体或全部由n型半导体组成。该方法优选还包括在保持电势梯度的同时，将光引导至空间载荷区中，使得至少一些光被半导体吸收，且吸收的光使电子从价带提升至导带。该方法最优选进一步包括在一对电极上收集电流，该一对电极在梯度方向彼此间隔且在空间载荷区内或邻近空间载荷区与半导体接触。最优地，在收集步骤中，电极在空间载荷区域内与半导体接触。

根据本发明的另一方面的光伏电池优选包括具有第一面、第二面和面之间的厚度方向的半导体材料。偏压介质优选仅仅覆盖第一面的第一部分，并引起半导体元件中的带弯曲。第一电极优选覆盖并接触与第一部分分隔的第一面的第二部分。在本发明的该方面，第一电极优选不与偏压介质直接导电接触。根据本发明该方面的电池优选包括第二电极，第二电极与半导体元件在远离第一面的位置处接触。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例与外电路连接的光伏电池的截面示意图。

图2和图3为描绘根据本发明另一实施例的电池截面示意图。

图4为描绘根据本发明又一实施例的电池平面示意图。

图5为沿着图4中线5-5的截面示意图。

图6为与图5相似的截面示意图，但描绘的是根据本发明又一实施例的电池。

具体实施方式

根据本发明一个实施例的光伏电池包括具有正面12、背面14和这些面之间延伸的厚度方向的半导体元件10。如在此所使用的，并且如通常在本领域中理解的，固体物体的面之间延伸的厚度方向为两面之间的最短直线的方向。其中两个面是相互平行的，如图1所示，厚度方向是垂直于面的方向。在描绘的实施例中，厚度方向为图1中由箭头T指示的水平方向。半导体元件10选择性地可与一个或多个附加的半导体或衬底层16、17和18一元化。在本实施例中，附加层远离起着产生电能的作用的半导体主体10区域，并且，相应的，附加层可基本上是任何成分和任何导电类型。例如，附加层可以包括电绝缘层17和由具有比元件10内的半导体更小的带隙的半导体形成的层16和层18。层16和层18可以是相反的导电类型，并因此可限定具有电极的常规的p-n结电池，所述电极如示意图描绘的21和23。

在本实施例中，半导体元件10全部由具有单一导电类型的半导体材料组成。在所说明的示例中，导电类型为n型。半导体可基本上为任何半导体，例如，III-V半导体，诸如包括选自由如镓、铟和铝组成的族的一种或多种III族元素和选自由氮、磷、砷和锑组成的族的一种或多种V族元素。或者，半导体材料可为II-VI半导体，包括选自由镉、锌和汞组成的族的一种或多种II族金属和选自由如氧、硫、硒和碲组成的族的一种或多种VI族元素。半导体也可以是IV族半导体，如硅或碳化硅。半导体可能是未掺杂的，可能是通过加入一种或多种掺杂剂至标称半导体的有意掺杂，或可能是无意掺杂，例如，通过晶格空位。例如，氮化镓可能在常见的外延生产过程中，在无意掺杂的n型半导体内形成。掺杂剂或半导体本身的其他细节可以是常规的。

在图1中，假定附加层16、17和18不影响半导体的电子状态。材料的属性未受外界影响的打扰在此称之为材料的“标准”属性。材料具有导带和价带。导带的标准能级被表示为E_c，且价带的标准能级表示为E_v。在所示的n型半导体中，标准费米能级E_FS低于标准导带能级E_c。

偏压材料26的层覆盖半导体元件10的正表面12。在本示例中，偏压材料26作为薄层，从而使偏压材料对波长内的光透光，所述光为被半导体吸收的光。如本发明公开使用的术语“透光”表示元件使得在感兴趣的波长内的光的本质部分将通过该元件被透射。完美的透光度并不需要，例如，100%透射。其中，在此处，半导体元件10为n型，偏压材料26具有的标准费米能级E_FM低于半导体的标准费米能级E_FS。换言之，该偏压材料的逸出功Φm大于半导体在其标准状态下的逸出功。材料的逸出功为从费米能级中移动电子至真空所需的能量。金属的逸出功也被称为金属的“电子亲合性”。在所示的特定示例中，偏压材料26为导电金属。例如，当半导体元件10为IIVI半导体，比如硫化镉n被掺杂为10¹⁷，具有约4.2电子伏特（“eV”）的逸出功，偏压材料26可能为金属，比如具有约4.78eV逸出功的金。在本实施例中，偏压层26是足够薄到透光的金属层。该金属是导电的，从而偏压介质作为第一电极。

在图1中，黑暗条件下，半导体元件和相关结构在开路中被示出。在此条件下，没有光落在半导体，且没有电流流经半导体。金属和半导体的逸出功在一个能级上得到平衡，该能级由共同的费米能级F_E表示。在所说明的金属和半导体的情况下，该平衡费米能级F_E基本上等于该金属的标准费米能级F_M。换言之，半导体的费米能级下降至平衡费米能级F_E。要实现这一点，电子从半导体相邻的正表面12被转移至偏压介质。这使得半导体贯穿半导体的一个区域，该区域在此被称之为“空间载荷区”，也被称为 “耗尽区”，与正表面12相邻耗尽电子，因此该区带正电荷，并使得偏压介质带负电荷。在偏压介质中的电荷被集中在非常薄的区域中，该区域通常为几埃厚，被称为“增量电荷区”（未示出），与半导体正表面12邻接。与正表面相邻的半导体的导带内的电子被偏压介质上的负电荷排斥。在离正面逐渐更远的距离，通过介于偏压介质和电子之间正电荷半导体的量逐渐增大，使排斥力减小。换言之，在半导体的空间载荷区内有电场。在空间载荷区内，半导体导带内的任何电子具有由电场施加的附加势能，并因此比在空间载荷区外的导带的电子能级更高。这由曲线20的向上弯曲表示。因为半导体的带隙为定量，价带的能级也在空间载荷区内增加，如由曲线22的向上弯曲表示。术语“带弯曲”通常用于描述空间载荷区内能级的扭曲。这些曲线向上弯曲的幅度等于半导体10的标准费米能级与偏压介质26的标准费米能级之间的差异。这种差异被称之为金属-半导体结的“内建电压”（“V_BI”）。电场的强度由曲线20的斜率表示，并在空间载荷区的边界逐渐下降到零，如图1中的线28所示。在黑暗、开路的条件下，空间载荷区的厚度t_SC取决于半导体的载流子浓度以及内建电压V_BI和介电常数。在上述条件下的厚度t_SC可很快由本领域技术人员计算。通过举例的方式，对于在不同内建电压掺杂硫化镉不同载流子浓度，t_SC的近似值如下表所示。最大电场E_MAX也在表I中示出。

表I

硫化镉n掺杂量	10<sup>13</sup>	10<sup>15</sup>	10<sup>17</sup>	10<sup>19</sup>
V<sub>BI</sub> 0.25 V
					空间载荷区的厚度t<sub>SC</sub>	49000 A	4900 A	490 A	49 A
E<sub>MAX</sub> (V/cm)	1.0 x 10<sup>3</sup>	1.0 x 10<sup>4</sup>	1.0 x 10<sup>5</sup>	1.0 x 10<sup>6</sup>
V<sub>BI </sub>0.5 V
					空间载荷区的厚度t<sub>SC</sub>	70000 A	7000 A	700 A	70 A
E<sub>MAX</sub> (V/cm)	1.46 x 10<sup>3</sup>	1.46 x 10<sup>4</sup>	1.46 x 10<sup>5</sup>	1.46 x 10<sup>6</sup>
V<sub>BI</sub> 1.0
					空间载荷区的厚度 t<sub>SC</sub>	98000 A	9800 A	980 A	98 A
E<sub>MAX </sub>(V/cm)	2.0 x 10<sup>3</sup>	2.0 x 10<sup>4</sup>	2.0 x 10<sup>5</sup>	2.0 x 10<sup>6</sup>

根据本实施例的光伏电池还包括第二电极30。在厚度方向，第二电极30与正表面12远离，且与第一电极26远离。换言之，电极26和电极30彼此不接触，并且这些电极之间在厚度方向存在非零距离d₂。半导体元件10的一部分被设置在这些电极之间。在厚度方向，正表面12与第二电极30之间的距离d2小于在黑暗、开路条件下，空间载荷区的厚度t_SC。换言之，在黑暗、开路条件下，第二电极与空间载荷区内的半导体接触。因此，电极26和电极30都与半导体元件10的空间载荷区接触。在本实施例中，电极30对能通过由层16和层18形成的附件单元的低能光子透光。在实践中，电极30可能包括金属的薄层或多个彼此间隔的不透光导体，使得光可以通过导体之间的空间透射。在图1的实施例中，第二电极30被假定与半导体欧姆接触。因此，假定的目的是说明第二电极30不引起明显的带弯曲，或以其他方式明显影响空间载荷区内导带的配置。如从检查图1可以理解，在从结12至第二电极的厚度方向具有电势梯度，所述结12在偏压材料26和半导体之间。换言之，本实施例中的梯度方向与厚度方向相同。图1中示意性示出的电路29，包括可被连接于电极26和电极30之间的开关31和负载33。

在运行中，光穿过透光偏压材料26并进入半导体。光在位于正表面12和理论边界36之间的半导体的区域内被吸收。在距离正表面12的深度X处的光强度I_X由以下方程给出：

I_X=I₀e^-αX

其中：

I_O是正表面12处的光强度；且

α是对于光照射在半导体上，半导体的吸收系数。除非在本公开中另有注明，α的值应取为能量高于半导体带隙的太阳辐射的那部分的平均值。

如在本公开中使用的，吸收区域的厚度t_A被取为等于深度X等于α^-1。在这个深度，I_X/I₀等于e^-1或约0.37。换言之，t_A为入射光子的约63%被吸收的深度X。厚度t_A可大于或小于空间载荷区的厚度t_SC，但优选地，t_A小于t_SC。再举例来说，硫化镉提供约4000埃厚的吸收区域。

光的光子的吸收促进电子从价带至导带。这由图1中的箭头32表示。因此，光的吸收增加半导体的载流子浓度。光子能量通过空间载荷区内电的电势梯度加速，形成附加载流子。因此，电子从正表面离开并朝向第二电极移动，反之，空穴朝向正表面12、偏压材料和电极26移动。电子传递至第二电极30，使得第二电极相对于偏压介质和第一电极26带负电荷。少数载流子（空穴，在n型半导体中示出）的数目增加相对于目前在黑暗条件下小数目的少数载流子尤其显著。少数载流子的积累趋于减少空间载荷区的厚度。这通过图1中的边界28’示意性表示。理想地，第二电极30被设置在空间载荷区减少的厚度内，如图1所示。例如，在用于陆地使用的光伏电池中，当电池经受1太阳光照时，第二电极优选仍在空间载荷区的厚度内。如在本公开中使用的，术语“太阳”指的是光，该光具有每平方米1000瓦的强度和对应于太阳能撞击地球的光谱的光谱。此光谱称作为AM1.5光谱。在开路条件下，随着外电路30中无电流流动，电极间的电势差的大小将小于半导体的带隙。当开关31闭合时，电子将从第二电极30流经外电路至第一电极，在此情况下，偏压材料26，将与空穴结合。半导体内的内部电流被称为光电流，并由图1中的箭头I_PHOTO表示。

空间载荷区内的电场引起载流子，特别是电子，加速到相对较高的速度。此外，电极的相对接近的间距，使由载流子移动的距离最小化。这是尤其重要的，其中，构成元件10的半导体为直接半导体，且光子吸收过程为直接吸收过程。如在本公开中使用的，术语“直接跃迁”指的是光子被电子的量子跃迁吸收的过程，所述电子的量子跃迁为从价带至导带，该过程不需要与其他粒子或波相互作用，或生成其他粒子或波。这种直接跃迁过程应与间接跃迁过程相对比，间接跃迁过程通常涉及与“声子”相互作用，例如，在半导体材料内的振动波。术语“直接半导体”指的是能够在直接跃迁过程中吸收光子的半导体。因为直接跃迁过程只涉及两个粒子或波相互作用，例如，光子和电子，如果撞击光子具有的能量至少等于带隙，吸收过程可能发生。因此，直接半导体起非常高效的吸收材料的作用。然而，反向跃迁，例如，电子从导带下降至价带，被称为“载流子复合”，也有可能在直接半导体中。换言之，在直接半导体内的载流子复合发生远快于在间接半导体内。因为载流子在图1中所示电池的电极间区域内在相反的方向快速移动，且由于电极间的距离小，大量载流子存活充分时间以到达电极，使得大量电流可通过电池生成。

与此相反，在被称为“肖特基二极管”的常规结构中，第二电极在空间载荷区外很远的位置与半导体接触。通过光子吸收所产生的载流子将要穿过半导体的一个大区域而扩散，它不受与空间载荷区相关联的电场影响。因此，载流子在到达电极前将要经受持续很久的滞留时间。试图把由直接半导体形成的此种肖特基二极管结构作为光伏电池使用，将经受大量的载流子复合，并产生减少的输出电流。

如图1所示包含半导体元件10的电池可由直接半导体制成。此外，所述电池没有包含p-n结。因此，这种电池可由各种各样的半导体制成。例如，很难制成的p型半导体可被使用。某些半导体显示n型掺杂，即使没有有意添加掺杂剂。当使用这样的半导体，电池包含的半导体10可不用任何有意掺杂来制造。

具有的能量小于元件10中半导体的带隙的光子穿过半导体而不被吸收，且穿过透光电极30和21，使得它们到达由层16和层18构成的附加光伏电池。该电池吸收这些光子并在电极21和电极23之间产生电势。这些电极可连接至任何配置的另一外电路（未示出）。在此类电路的一个示例中，与附加层16和附加层18相关联的电极和与半导体10相关联的电极26和电极30串联。因此，该装置作为一个整体起复合电池的作用，随着短波光在包括元件10的正面电池被吸收且被转换为电能，且随着长波光在包含层16和层18的背面电池被转换为电能。在进一步实施例中，由层16和层18构成的附加电池可被省略，且第二电极30可为反射性的。在这样的布置中，第二电极对任何未被吸收的光重新定向，光回到第一电极和第二电极之间的空间中。该反射光将包括一些具有的能量比半导体元件10的带隙更大的光子。当这些光子返回朝第一电极26移动时，将至少部分被吸收。在进一步的变型中，如图1所示提供一种由层16和层18形成的附加电池，但第二电极30被形成为选择性反射结构。该结构反射高能光子朝第一电极26返回，但对低能光子透光。在该布置的变型中，背面电池可包含透光电极，且由低带隙半导体形成的一个或多个附加电池可被置于背面电池之后，使得附加电池吸收更小波长的光。在进一步的变型中，半导体主体包括位于元件10之前的一个或多个附加电池，该附加电池由具有比元件10的材料更大带隙的半导体制成。

根据本发明的另一实施例的光伏电池（图2）类似于参考图1的如上所述的电池。在这种情况下，然而，整个半导体元件仅由设置在第一电极和偏压材料126之间的半导体材料层和第二电极130构成。在本实施例中，半导体元件的整体具有的厚度小于空间载荷区的标准厚度。这里再次地，两个电极都与空间载荷区接触。在本实施例中，第二电极130包括金属层131和高掺杂半导体材料的薄层111，该薄层111与半导体元件110接触。在示出的特定示例中，半导体110再次为n型，且层111是通常被称为n+层。层111为相同的导电型，即n型，作为半导体主体110的其余部分，但是具有如此高的载流子浓度以致在某些方面起类似金属的作用。这样的层可以促进半导体主体110和第二电极130的金属层之间的传导。大量电子到达第二电极130帮助在第二电极的电子保持高浓度。如果电子在第二电极的浓度足够高，由掺杂形成的n+层可能不必要。

根据本发明的又一实施例的光伏电池（图3）类似于图1和图2，不同之处在于半导体主体210全部由p型半导体形成。在这种情况下，偏压层226由具有的费米能级高于半导体210且逸出功低于半导体的材料形成。同样在本实施例中，偏压材料在半导体中产生带弯曲。这里再次地，偏压材料226和第二电极230之间的厚度方向的间距或距离小于空间载荷区的厚度，使得第二电极230被置于空间载荷区内。这种电池的运行与如上所述的基本相同，不同之处在于电流的流动方向是相反的。

根据本发明的又一实施例的电池如图4和图5所示。该电池包括包含多个电极元件301的第一电极，所述多个电极元件301覆盖于半导体元件的第一表面312。一个这样的元件被示于图5。单个电极元件彼此之间通过布线线路303导电连接示意性示于图4中。布线线路优选为尽实际可能的薄，使得布线线路仅覆盖第一表面312的最小所需区域。

偏压介质326也覆盖半导体元件的第一表面312。偏压介质326优选覆盖第一表面的很大一部分。在本文中称为“该表面的第一部分”。与此相反，电极元件301优选覆盖第一表面312的第二、较小的部分。换言之，电极元件301被设于第一表面312上偏压介质不存在的区域。每个电极元件优选包括一个或多个导电层，例如金属层。在所示的特定实施例中，每个电极元件301包括第一金属层305和与第一表面接触的第二金属层307。在其他变型中，只有一个金属层，或两个以上的金属层也可使用。电绝缘体309围绕每个电极元件301，使得电极元件不与偏压介质326直接导电接触，并由此第一电极作为一个整体。布线线路303（图4）也与偏压元件绝缘。偏压介质326优选为透光的，但可以是导体或高掺杂半导体。例如，如果半导体310为n型，偏压介质326可能包括p+型半导体327的薄层，且可选择性地包括位于p+型半导体327和半导体元件之间的跃迁层329，该跃迁层329界定表面312以提高这些元素的晶格匹配。偏压介质不形成穿过电池的传导路径的一部分，且不是半导体元件310的一部分。因此，这里再次地，设于电极之间的半导体元件310全部由n型半导体组成。通过p+介质的n型半导体宽带隙的偏压可产生大量带弯曲和大的内建电压。这可减轻任何由跃迁层引起的内建电压的降低。

电池被描述为连接至外部负载331，例如电阻负载。在运行中，光传递至半导体主体内穿过偏压介质，如图5中的箭头h_γ所示。然而，与电极元件301对齐的主体的区域保持大体上无光照。因此，这些区域将没有载流子，且将具有的导电性远低于与偏压介质对齐的区域的导电性。

在与电极元件远离的半导体的区域中，电池的运行很像上面讨论的实施例。因此，由箭头标记的I_PHOTO表示的光电流在第二电极330和第一表面312之间的厚度方向上流动。假如在第一表面312的载流子浓度足够高时，远离电极元件301的电池区域的光电流也将沿着表面312朝向电极元件，在垂直于厚度方向的方向流动，使得光电流将穿过电极元件，并穿过外部负载331，且回到第二电极330。

负载331的电压差作为第一电极的电极元件301和第二电极之间的外部偏压出现。这个外部偏压趋于抵消带弯曲的效果。换言之，由负载施加的外部电压抵消由偏压介质施加的空间载荷区内的电场。例如，曲线320示意性地表示不存在外部偏压时的半导体的导带，反之，曲线321示意性地表示存在外部电压时的导带。这效果减少场驱动载流子穿过半导体，并因此趋于减少光电流。另外，外部偏压趋于产生与光电流相反的电流，如图5中箭头I_DARK所示。这减少了在电池中流动的净电流。

然而，由于外部偏压施加于电极元件301和第二电极330之间，这些效果将主要发生于与电极元件对齐的主体的区域。这些区域构成电池的一个相对较小的部分。因为半导体的这些区域大体上无光照，并具有非常低的载流子浓度，I_DARK将小于具有第一电极覆盖整个正面的可比电池上的I_DARK。此外，远离电极元件的半导体的那些区域将在半导体内的电场中承受较小的相关偏差的减少。应当相信的是，这些因素提高如图4和图5所示的电池的性能。

根据本发明的另一实施例的电池（图6）包括由间接半导体形成的半导体元件410，例如，硅。该电池具有包含多个电极元件401的第一电极，图6中只示出了多个电极元件的其中之一。电极元件401在半导体元件的第一表面412上彼此间隔。该电池还包括偏压介质426和类似于以上参照图4和图5讨论的绝缘体409。在这个电池中，偏压介质和半导体之间的相互作用形成在黑暗、开路条件下具有厚度t_SC的空间载荷区。第二电极430与位于空间载荷区外的半导体接触。在这个电池中，正表面412与第二电极430之间的距离d₂大于t_SC。所述的特定示例包含n型半导体。在空间载荷区的边界428和第二电极430之间的区域中，在黑暗条件下没有电场。这由图6中示意性示出的导带E_C的平缓部分表示。在运行中，空间载荷区产生的电子在空间载荷区内电场的影响下，朝向边界428传递，然后从边界428向第二电极430扩散。因为半导体为间接半导体，载流子将有足够的寿命到达电极。在这个电池中，结合利用间隔的电子元件401和与电极元件绝缘的偏压介质426提供类似于以上参照图4和图5讨论的益处。

众多变型和以上讨论的元素的组合可被采用。例如，以上参照图4-6讨论的实施例，电极元件不必为如图所示的绝缘的循环元件的形式。在一种变型中，电极元件为彼此平行延伸的伸长条形式，且在方向垂直于条的伸长方向上彼此间隔。在包括伸长条电极元件的布置中，布线路线303（图4）可被省略。单个电极元件的金属层可在条的伸长方向上延伸，并因此可有助于载流至共同导体。电连接单个电极元件的其他结构可被采用。

在其他实施例中，描述为固体层的各种电极可被形成为复合电极，每个包括一组彼此间隔的元件。这些元件可以为不透光的，但该复合电极作为一个整体将大体上透光。在另一个变型中，光可被引导进入电池，穿过半导体元件的背面，如图2或图3中所示。

在进一步的变型中，半导体元件被形成为一个较大的半导体主体的一部分，其包括覆盖在偏压介质和半导体第一面的半导体的附加层。同样在该布置中，偏压介质覆盖在半导体元件的一个面上。

在以上讨论的实施例中，偏压介质与半导体元件直接接触。然而，偏压介质可通过常规MIS结采用的绝缘体的薄层，从半导体元件分隔。例如，这样的绝缘层可被用于代替图5中所示的跃迁层329。这种布置为次优选的，因为它降低了内建电压V_BI。

虽然本发明在此参考特定实施例描述，但是应该理解的是，这些实施例仅仅说明本发明的原理和应用。因此应该理解的是，可对说明性实施例进行许多修改，且其他布置不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种光伏电池，包括：

（a） 具有第一面、第二面和面之间厚度方向的半导体元件，其中半导体元件是直接半导体；

（b） 仅覆盖且直接接触第一面的第一部分的透光偏压介质，偏压介质具有的标准费米能级与半导体的标准费米能级不同，其中该偏压介质引起半导体元件中的带弯曲；

（c） 第一电极，第一电极覆盖并直接接触与第一部分分隔的第一面的第二部分，第一电极不与偏压介质直接导电接触，第一面的第二部分比第一面的第一部分小；以及

（d）第二电极，第二电极与半导体元件在远离第一面的位置处接触，第一电极和第二电极形成连接以使光电流流动通过电池。

2.如权利要求1所述的光伏电池，其中半导体元件具有从第一面延伸至第二电极的第一区域，且其中第一区域全部为p型或全部为n型。

3.如权利要求2所述的光伏电池，其中第二电极覆盖并接触半导体元件的第二面的至少一部分。

4.如权利要求1所述的光伏电池，其中第一电极包括在半导体元件的第一面上彼此间隔的多个电极元件，电极元件彼此导电连接，并且其中偏压介质在电极元件之间延伸。

5.如权利要求4所述的光伏电池，其中每个电极元件包括与第一面接触的导电材料和把导电材料从偏压介质分隔的绝缘材料。

6.如权利要求4所述的光伏电池，其中每个所述电极元件包括不透光材料。

7.如权利要求1所述的光伏电池，其中第二电极与半导体元件欧姆接触。

8.如权利要求7所述的光伏电池，其中第二电极包括与半导体元件接触的高掺杂半导体层和与高掺杂半导体层接触的金属。

9.如权利要求1所述的光伏电池，其中偏压介质包括与半导体元件的第一面接触的金属。

10.如权利要求1所述的光伏电池，其中偏压介质包括覆盖半导体元件第一面的高掺杂半导体层。

11.如权利要求1所述的光伏电池，其中半导体元件为n型半导体，且偏压介质具有的费米能级低于半导体元件的标准费米能级。

12.如权利要求11所述的光伏电池，其中半导体元件选自由III-V半导体、II-VI半导体和IV族半导体组成的族。

13.一种包括如权利要求1所述的光伏电池的电路，以及一种电连接到光伏电池的第一电极和第二电极的负载。

14.一种发电方法，包括如下步骤：

（a） 保持半导体的第一表面的第一部分与偏压介质直接接触，同时也保持第一表面的第二部分与第一电极直接接触，且保持第一电极不与偏压介质直接导电接触，其中所述偏压介质具有的标准费米能级与半导体的标准费米能级不同，偏压介质引起半导体元件中的带弯曲；以及

（b） 在步骤（a）中，保持第二电极与半导体在远离第一表面的位置处接触；

（c） 在步骤（a）和步骤（b）中，将光引导至半导体中，使得至少一些光在直接跃迁过程中被半导体吸收，且吸收的光使电子从价带提升至导带；以及

（d） 在电极收集产生的电流。

15.如权利要求14所述的方法，还包括引导电流穿过电极之间的负载，同时保持偏压介质与负载电绝缘。

16.如权利要求14所述的方法，还包括阻挡光透射进入与第一接触对齐的半导体的区域的步骤。

17.如权利要求16所述的方法，其中第一电极是不透光的，且阻挡步骤在第一电极的至少一部分进行。