CN1864273A - 一种光生伏打元件 - Google Patents

Abstract

一种光生伏打元件，具体而言在光生伏打单元中用作太阳电池，包括光子吸收器(10)。导电工作元件至少部分地嵌入在光子吸收器(10)中。工作元件(12)通过相界与光子吸收器(10)隔开。工作元件(12)还具有比光子吸收器(12)高的电子迁移率。意外地发现大大提高了所述光生伏打元件的效率。

Description

一种光生伏打元件

技术领域

本发明涉及一种光生伏打元件，具体而言在光生伏打设备中用作通过吸收太阳光来产生电能的太阳电池。

背景技术

例如，通过“Sonnenenergie：Photovoltaik”(B.G.Teubner Verlag，Stuttgart，1997)或“Forschungsverbund Sonnenenergie Themen 95/96，Photovoltaik 3”，高效太阳电池已为人知。根据这些内容，高效光生伏打元件包括：称作“p基极”的光子吸收器，其由区域熔融、p掺杂(约为1.5×10¹⁶cm^-3)的单晶硅制成。光子吸收器的电导率约为1Ω^-1cm^-1、厚度约为200μm。光子吸收器的前侧构造为有凹陷的倒金字塔形。为获得高的防反射效果，光子吸收器的前侧覆盖有热生长的厚度约100nm的二氧化硅层。在SiO₂层之下，提供了掺杂约1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3、穿透深度约0.5-3μm的发射极层。为了供给或耗散由光量子吸收激发的电子，暴露于光的光子吸收器的前侧提供有由Ti-Pd-Ag制成的金属导体。铝被气相淀积在光子吸收器的底侧作为后接触。气相淀积的铝通过点接触连接到背表面场(BSF)。点接触和BSF确保了在气相淀积的铝和光子吸收器之间的电接触。

使用这种光生伏打元件，可获得21.3％的峰值效率。但是，这个效率仍然太低。尤其为了获得从化石燃料到可再生能源的大规模转换，特别是借助于光生伏打元件，当前可获得的光生伏打元件的效率是不够的。

从DE19837365已知将金、银或砷化钾的簇提供在暴露于太阳光的太阳电池的光学区域中。簇的大小在3000和10000个原子之间，并且它们小于10μm。通过谐振效应，所述簇产生了提供附加电流的附加电荷载流子对，由此提高了效率。这种太阳电池的一个缺点是用于簇的材料相当昂贵。此外，簇与太阳电池相比非常小，将簇引到用于光子吸收器的材料中是复杂和麻烦的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种光生伏打元件或光生伏打装置，其易于制造并具有提高的效率。

根据本发明，通过具有如权利要求1所述特征的光生伏打元件和具有如权利要求16所述特征的光生伏打装置，达到了上述目的。

意外地发现，通过本发明的光生伏打元件可获得更高的效率，在其中导电工作元件至少部分地嵌入在光子吸收器中。可以是常规太阳电池的吸收器层的光子吸收器，例如，特别为p掺杂的并由此设计为“p基极”。这里，工作元件通过相界与光子吸收器隔开，即工作元件不是光子吸收器的掺杂或光子吸收器的合金，而是具有和光子吸收器不同的物理特性。此外，工作元件具有比光子吸收器高的电子迁移率。具体地，工作元件的电导率高于光子吸收器的电导率。优选地工作元件的电导率高于1.4Ω^-1cm^-1、更优选地高于1.6Ω^-1cm^-1，特别优选地高于2.0Ω^-1cm^-1，特别地，甚至高于8.0Ω^-1cm^-1。根据本发明，工作元件制作为大表面元件，相对于体积具有大的表面。为此，工作元件是伸长的，具体地例如伸长的圆柱或平行六面体。特别地，表面与体积的比率大于2.5，优选地大于4.0，特别优选地大于6.5。

光子吸收器与导体的体积比优选地在2-7的范围之间。特别优选的体积比约为4。

例如，工作元件可以是导体，使得和常规光生伏打元件相比，导体不是设置在光子吸收器外，而是在其内。意外地发现工作元件的优选实施例是电绝缘的，即工作元件既不连接到正极也不连接到负极，而是将其部分地设置在光子吸收器中。由此，工作元件可以是既不连接到正极也不连接到负极、而是嵌入在光子吸收器中且不接触到电压源的导体。

似乎工作元件的嵌入部分具有某种放大特性。由光量子激发的电子似乎易于将它们的电脉冲传递给在工作元件中的电子。在与具有较高欧姆电阻的介质、具体即光子吸收器或环境的相界，该电脉冲在工作元件中反射，直到在工作元件中存储了足够的能量，以便能将高能电脉冲通过光子吸收器从工作元件传输到电导体。导体不需要是本发明的光生伏打元件的一部分，但例如，它们也可以是容纳光生伏打元件的光生伏打装置的外邻接表面。假设这种效应是由引起放大效应的谐振现象引起。由此，工作元件是放大元件或电谐振体。工作元件由此使得电谐振具有频率带宽约在75Hz-85Hz的波特性。特别地，工作元件可以存储电子并例如依靠温度将它们发射到光子吸收器，由此触发附加的电子/空穴事件，其导致附加的放大，因此提高了效率。

在光子吸收器中的光子吸收产生了电子/空穴对，可通过电场将其作为电流从光子吸收器泄出。为此，例如，光子吸收器的相对侧可分别提供有连接到正极或负极的电容器板。在优选实施例中，通过提供至少部分地嵌入在光子吸收器中的至少一个导体来建立电场。这避免了设置在光子吸收器外的电容器板。类似于工作元件，导体可以嵌入在光子吸收器中，由此，避免了不同的生产过程并降低了制造成本。此外，导体可以具有和工作元件相同的成分，以避免提供不同的材料成分。由此，有可能先制造大表面光子吸收器，多个工作元件嵌入到其中。此后，可将大表面光子吸收器划分为一些小的光子吸收器。为建立电场，各个工作元件可设计为导体。例如，连接到正极或负极的线缆可以焊接到工作元件之一。优选地，将各个工作元件串联连接。由此，通过结构上简单、适于大规模生产的措施，可制作具有全部功能的太阳电池。

在优选实施例中，至少两个导体设置在光子吸收器中，导体中的一个是连接到正极的正导体，而另一个导体是连接到负极的负导体。在特别优选的实施例中，正导体设置成使得它们终止在或伸出光子吸收器的第一前侧，并以对应的设计，使负导体终止在或伸出光子吸收器的第二前侧。由此，以非常简单的方式，有可能在第一前侧通过第一汇流导体来互连多个、特别是全部正导体，并且在第二前侧通过第二互连导体来互连多个、特别是全部负导体。

优选地，光生伏打元件是多层结构。在此实施例中，光生伏打元件包括至少两个通过邻接表面接触的光子吸收器。优选地，光子吸收器的取向是反平行的。在特别优选的实施例中，正导体和负导体设置成使得正导体和负导体由邻接表面隔开。因此，实现了正导体和负导体的较大空间分隔。此外，例如在其中设置了工作元件和导体两者的两个光子吸收器都可以是光子吸收器的导体连接到正极并且另一个光子吸收器的导体连接到负极的相同结构。因此，本发明的光生伏打元件尤其适于大规模生产。优选地，光生伏打元件可以例如包括四层，第三和第四层分别与第一和第二层反平行。这允许增加吸收度。为进一步增加吸收度，可以提供多于四层。

优选地，光子吸收器基本上由硅制成，特别是单晶硅，其可能被掺杂以便产生“p基极”。

优选地，工作元件的较大部分、特别是完全由金属制成，并可能进行掺杂或成为合金。出于高的原材料成本的考虑，优选地避免使用金属Pt、Ag和Au。具体地，金属选自元素周期表3.-6.主族或1.至8.副族。优选地，金属是副族金属，其电子组态具有由至少十个电子占据的d壳。

本发明还涉及一种包括具有凹陷的容纳元件的光生伏打装置。这些凹陷容纳了上述的光生伏打元件。光生伏打装置包括连接到正极或负极的第一和第二连接导体。连接导体确保了到光生伏打元件的电连接。为此，将连接导体具体地连接到正导体或负导体，并/或如果存在，连接到对应的汇流导体。因此，有可能以节约成本和模块化的结构，连接多个本身可能模块化组装的光生伏打元件。为此目的，将凹陷提供给多个光生伏打元件，具体地，该凹陷与光生伏打元件的至少一个光子吸收器接触并与导体绝缘。在优选实施例中，光生伏打装置至少在凹陷区域导电，并由优选含铝的金属构成，如AIP，其可能被掺杂。容纳元件基本上具有放大功能，其可以解释如下：通过光感生由p基极产生或另外由于谐振感应而来自工作元件的、能量至少为0.8eV、来自光子吸收器的电子，在给定几何条件下到达容纳元件，在此它们触发电子迁移，该电子迁移引起放大效应，使得外流的电子以大约三倍的数目返回到光子吸收器中。通过如此大量的撞击在容纳元件上的余光的光感生电子，增加了从容纳元件流回到光子吸收器中的电子份额。在这方面，特别地将光生伏打元件配置成适合容纳元件的凹陷，使得优选地获得容纳元件和光生伏打元件之间的直接接触。

优选地，多个第一连接导体连接到正好一个第一电流导体，并且多个第二连接导体连接到正好一个第二电流导体。由此，可通过使用单对导体来分接借助于光生伏打装置而提供的整电压。第二电流导体实现了“背表面场”的功能，该“背表面场”被缩减为“背表面线”。从而，有可能在空间上隔开由此形成的“背表面线”以避免电短路电流、或减小干扰电场。因此，减少了用于形成后接触的材料的使用。

和已知系统相对照，本发明规定：隔开电荷所必要的电场遍布于一个宽的空间，并具体地覆盖光生伏打元件的下列部件：

-在功能上对应于n⁺发射极的带形/线形导体，

-嵌入在硅基体中的负板，

-设计成对的硅层，每一对具有反平行的取向，

-嵌入在硅基体中的正板。

在特别优选的实施例中，光生伏打装置包括连接装置，以机械连接和电连接并排设置的至少两个光生伏打装置。利用不同连接装置和公用连接装置，机械连接或电连接都可以实现。由此，有可能模块化地连接多个光生伏打装置并有可能将它们串联连接，例如有可能因此组装特别大的光生伏打设备。

一个独立的发明提供了用于生产单晶各向异性硅的方法。首先，对应于用于光生伏打元件的光子吸收器的所需层厚，将掺杂的单晶硅的六面体切割成切片。将这种切片较慢地例如在90分钟内加热到其熔点，并具体地在此温度水平维持约30分钟。此后，将硅切片小心地、特别在例如八个小时内分间隔冷却到约300℃。从约300℃，可不用控制地进行冷却。在此过程后，获得了具有均匀层厚的单晶各向异性硅的优选为圆形的切片。优选地，从所述硅切片切出或锯出三个光子吸收器，它们设置为彼此成一限定的角度，特别地具有半径对称性。利用这种方法，可生产出晶体结构取向高度一致的光子吸收器。由此，有可能以彼此反平行的取向来设置两个光子吸收器，从而提高了吸收光量子的能力。由此，互相反平行的各向异性光子吸收器具有彼此指向相反的晶体结构取向(α＝180°)。

以下是参考附图对本发明的优选实施例的详细描述。

附图说明：

在图中：

图1是光生伏打元件的示意性透视图，

图2是沿着图1的线II-II穿过光生伏打元件获得的示意性截面图，

图3是光生伏打元件的第二实施例的示意性俯视平面图，

图4示出沿着图3的线IV-IV获得的光生伏打元件的示意性侧截面图，

图5示出多层光生伏打元件的示意性侧面图，

图6示出沿图5中箭头VI的方向获得的光生伏打元件的示意性侧截面图，

图7示出沿图5中箭头VII的方向获得的光生伏打元件的示意性侧截面图，

图8是光生伏打装置的俯视平面图，

图9示出沿图8中箭头IX-IX获得的光生伏打装置的示意性侧截面图，以及

图10是用于制作光子吸收器的硅切片的示意性俯视平面图。

具体实施方式

在图1中所示的光子吸收器10中，导电工作元件12被电绝缘地嵌入。此外，将工作元件设计为正导体14和负导体16。为了易于焊接，正导体14的一部分伸出光子吸收器10的第一前侧18。类似地，负导体16的一部分伸出光子吸收器10的第二前侧20。

光子吸收器10可吸收电磁辐射，特别在95nm和1220nm之间的范围中。具体地，光子吸收器10的吸收最大值在130nm±15nm和720nm±15nm。由此可实现约42％的电磁辐射的吸收度。

工作元件12、正导体14和负导体16完全嵌入在光子吸收器10中。它们避开光子吸收器10的表面与光子吸收器10的表面齐平(图2)。

在本发明光生伏打元件的另一个实施例中，多个工作元件12、正导体14和负导体16设置在光子吸收器10中(图3)。存在使效率特别高的工作元件12、正导体14和负导体16之间的相互距离。根据所使用的材料通过实验有可能确定此距离。为了工作元件12的电绝缘，硅树脂垫(silicone pad)22设置在光子吸收器10的前侧18、20和工作元件12的前面之间。工作元件12、正导体14和负导体16是伸长的并基本上彼此平行地设置。工作元件12、正导体14和负导体16基本上设计为条形，条形并排设置并具有基本为平行六面体的几何形状。

特别地，通过焊接分别将正导体14的伸出端和负导体16的伸出端连接到第一汇流导体24和第二汇流导体26(图4)。汇流导体24、26分别提供在第一前侧18和第二前侧20上。

本发明的光生伏打元件可以是单层、双层或多层的(图5)。例如，光子吸收器10可以包括例如四层28、30、32、34，每一层通过邻接表面36接触。为产生较高的防反射效果并为了增加光吸收或辐射吸收，光子吸收器10优选地在其顶表面和其底表面提供有纹理化的(textured)聚碳酸酯层38以用作“光阱”。在两侧上，聚碳酸酯层38本身的外部提供有玻璃层40以保护本发明的光生伏打元件免受损坏。为达到最大可能光吸收，第一层28和第三层32具有相互反平行的各向异性的晶体结构。类似地，第二层30和第四层34也具有相互反平行的各向异性的晶体结构。多层光生伏打元件44由容纳元件54支持。由此，对于光子吸收器10或层28、30、32、34可吸收的电磁辐射，孔径角或入射角大于130°并且直至约153°。

优选地，充入具有低氧含量的气体，如氮。由此，产量可以增加10％。优选地，有可能在减小升温效应之外，还产生特别为0.3-0.5巴的真空。

在本发明的光生伏打元件的多层实施例中，汇流导体24、26优选地也遍及几个层(图6、图7)。因此，例如将汇流导体24、26纵向设置。由于正导体14和负导体16从相对前侧18和20伸出，避免了短路的危险。但是，优选地不分别将汇流导体24、26放置在带相反类型电的导体的端上，以避免由该区域中强电场引起的可能的干扰以及短路。

本发明的光生伏打装置42包括多个本发明的光生伏打元件44(图8)。在单元内，光生伏打元件44的每个第一汇流导体26连接到连接导体46。类似地，汇流导体27连接到连接导体48。后者形成配置为“背表面线”的后接触，而汇流导体26在功能上对应于常规光生伏打系统的n⁺发射极。各个光生伏打元件的连接导体46和48进一步电连接直至端极。此外，光生伏打装置42包括连接装置(未示出)以机械连接相邻的光生伏打装置42。此外，相邻光生伏打装置42的电流导体50、52电互连。图6和图7示出随后的导体的设置的可能结构。它们是串联连接的。

为容纳多个光生伏打元件44，光生伏打装置42具有容纳元件54，其具有凹陷56(图9)。光生伏打元件44放置在容纳元件54的凹陷56中。这里，通过至少部分地导电和与第三层32和第四层接触，容纳元件54可充当放大器。优选地避免了与相反极性的导体的接触。在优选的结构中，容纳元件44具有在最下层34下的开口57，由此节约了材料。开口57有可能完全例如利用AIP来封闭。层28、30、32、34特别设计为厚度约为3mm至18mm的厚层系统，使得减少了光生伏打元件44断裂的危险。

为生产光子吸收器10，首先制作单晶各向异性硅的第一硅切片58(图10)，从中锯出光子吸收器10。优选地，待锯的光子吸收器10位于离硅切片58的边缘60的一距离处，以避免在硅切片58的边缘部分中的原子晶格中的可能结构缺陷。在光子吸收器10锯掉后剩余的硅切片58的其余部分可熔化并再使用，使得硅切片材料可充分地循环使用。

Claims (16)

1.一种光生伏打元件，包括：

光子吸收器(10)，以及

导电大表面工作元件(12)，其至少部分地嵌入在所述光子吸收器(10)中，

所述工作元件(12)通过相界与所述光子吸收器(10)隔开，并且所述工作元件(12)具有比所述光子吸收器(10)高的电子迁移率。

2.如权利要求1所述的光生伏打元件，其特征在于，所述工作元件(12)基本上电绝缘。

3.如权利要求1或2所述的光生伏打元件，其特征在于，至少一个导体(14，16)至少部分地嵌入在所述光子吸收器(10)中，所述导体特别地具有与所述工作元件(12)相同的成分。

4.如权利要求3所述的光生伏打元件，其特征在于，所述工作元件(12)和所述导体(14，16)是伸长的并基本上彼此平行。

5.如权利要求3或4所述的光生伏打元件，其特征在于，所述导体配置为正导体(14)和负导体(16)，所述正导体(14)终止在或伸出所述光子吸收器(10)的第一前侧(18)，而所述负导体(16)终止在或伸出所述光子吸收器(10)的第二前侧(20)。

6.如权利要求5所述的光生伏打元件，其特征在于，在多层结构中，至少提供两个光子吸收器(28，30，32，34)，它们经由邻接表面(36)接触，在其中所述正导体(14)和所述负导体(16)设置为使得所述正导体(14)和所述负导体(16)通过所述邻接表面(36)彼此隔开。

7.如权利要求5或6所述的光生伏打元件，其特征在于，多个正导体(14)通过第一汇流导体(27)彼此连接，并且多个负导体(16)经由第二汇流导体(26)彼此连接。

8.如权利要求1-7之一所述的光生伏打元件，其特征在于，所述光子吸收器(10)基本上由硅、特别是各向异性单晶硅制成。

9.如权利要求8所述的光生伏打元件，其特征在于，两个相应的光子吸收器(28，32；30，34)具有相互反平行的晶体结构。

10.如权利要求1-9之一所述的光生伏打元件，其特征在于，所述工作元件(12)大部分、特别是全部由金属制成。

11.如权利要求10所述的光生伏打元件，其特征在于，所述工作元件(12)的所述金属选自3.-6.主族或是选自1.-8.副族的副族金属，其电子组态优选地具有由至少十个电子占据的d层。

12.如权利要求1-11之一所述的光生伏打元件，其特征在于，所述工作元件(12)具有高于1.4Ω^-1cm^-1的电导率，优选地高于1.6Ω^-1cm^-1，更优选地高于2.0Ω^-1cm^-1。

13.一种光生伏打装置，包括具有凹陷(56)的容纳元件(54)，在其中设置有至少一个如权利要求1-12之一所述的光生伏打元件(44)，其中存在于光生伏打元件(44)中的导体(14，16)的每个连接到汇流导体(26，27)。

14.如权利要求13所述的光生伏打装置，其特征在于，多个光生伏打元件(44)设置在至少一个凹陷(56)中，所述凹陷(56)与所述光生伏打元件(44)的至少一个光子吸收器(10)接触。

15.如权利要求13或14所述的光生伏打装置，其特征在于，多个第一连接导体(46)和多个第二连接导体(48)各分别与第一电流导体(50)和第二电流导体(52)连接。

16.如权利要求13至15之一所述的光生伏打装置，其特征在于连接装置，用于机械和电连接并排设置的至少两个光生伏打装置(42)。

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