TW201314931A - 電荷耦合之光伏打裝置 - Google Patents

Abstract

一種光伏打(太陽能)電池包括兩個光伏打裝置，該兩個光伏打裝置經由一電荷耦合層而量子力學耦合。該等PV裝置之一者之能帶隙大於或等於該等PV裝置之另一者之能帶隙。量子耦合層之側部分上之有效的電子障壁高度或電子親和力高於該等光伏打裝置中之光生電子之最大能量。具有較大帶隙之該光伏打裝置可包含一電子及/或電洞輸送層及光子吸收層。光子經傳輸通過該輸送層至該吸收層。一些高能光子被該吸收層吸收。該吸收層可用作高能光子之吸收器及電子/電洞(或激子)之產生器。在該吸收層中所產生之電洞可被來自第二光伏打裝置之電子淬滅。

Description

電荷耦合之光伏打裝置

本申請案主張2011年6月2日申請之美國專利申請案第13/152,211號之優先權，該申請案以引用的方式併入本文中。

光伏打效應可用於將日光(光子)轉換成電。當光子撞擊光伏打、太陽能裝置或電池(例如，一半導體p-n接面或一系列半導體p-n接面)時，光子可部分被吸收且部分被反射。太陽能電池吸收光子可引起電子-電洞對(EHP)之產生。EHP一旦跨p-n接面分開或帶偏移，即引起可能在外部負載中產生電流之電壓之產生。因此，可自該光伏打裝置擷取功率。

太陽能或光伏打電池(本文亦作「電池」)可組態成陣列以製成太陽能電池系統(本文亦稱作「模組」)。來自一模組之淨功率產生與太陽能電池之效率(η)成正比例。此效率可取決於光子吸收層及電子輸送層之基本性質、經組態用於電子路徑之電池設計及用於製造電池之技術。

隨著自1950年以後效率及成本成為光伏打行業之驅動力，隨著發明單晶矽太陽能電池，已存在用於增大效率及減小模組成本之各種太陽能電池設計及技術。此等技術可包含塊狀矽太陽能電池及薄膜太陽能電池。

塊狀矽(「矽」)太陽能電池為具有前觸點及/或後觸點之單接面或多接面。取決於形成起始基板之結晶大小及本質，此等矽可進一步分成三種類目：單晶矽、多晶矽及帶 狀矽。在矽太陽能電池當中，已在約29%之當前設計的理論電池效率限制、約25%之實驗層級效率及約18%之模組層級之情況下用單晶矽達成最高效率。見例如Green等人，「Solar Cell Efficiency Tables」,Progress in Photovoltaics Research and Applications,V17,p 85(2009)；M.A.Green,「The path to 25% Silicon Solar Cell Efficiency」,Progress in Photovoltaics Research and Applications,V17,p 183(2009)；及Yoon等人「Ultra-thin silicon solar micro cells」,Nature Materials,V7,p 909(2008)，其等之全文以引用的方式併入本文中。此等太陽能電池具有一高品質因數，即，效率乘以可靠度除以成本(即，η x R/C)。雖然新興奈米線矽亦為一塊狀矽技術，但是還有待確立此技術之η x R/C趨勢。見例如Kelzenberg等人，「Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications」,Nature Materials,V9,p239(2010)，其全文以引用的方式併入本文中。

薄膜太陽能電池之厚度可小於約10微米(「μm」)。存在多種類型的薄膜太陽能電池。「高端」太陽能電池可達成高於單晶矽太陽能電池之理論限制效率之效率。高端薄膜太陽能電池可包含例如多接面砷化鎵(GaAs)電池、磷化銦(InP)電池及變質電池。見例如King等人，「40% Efficient Metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multi-junction solar cells」,Applied Physics Letters,V90,p183516(2007)，其全文以引用的方式併入本文中。這些技術昂貴，其市場限於空間 應用及新興CPV系統。低端薄膜技術減少起始基板之成本使之比結晶矽技術成本少得多。此等薄膜太陽能電池可包含例如非晶矽、非微晶疊層、(二)硒化銅銦鎵(CIGS)太陽能電池及碲化鎘(CdTe)太陽能電池。見例如Green等，「Solar Cell Efficiency Tables」,Progress in Photovoltaics Research and Applications,V17,p 85(2009)，其全文以引用的方式併入本文中。此等技術具有直接帶隙之優點。CIGS及CdTe使效率接近16-18%。然而，可用原材料之不足及Cd之毒性可能使得難以佔領大規模的市場。非晶矽並不昂貴且具有技術優點，諸如利用針對其他含有半導體之裝置(例如，晶片)所開發之方法。非晶矽之一缺點在於其不具有非常高的效率且光引發之劣化減少非晶及非微晶疊層技術之品質因數。另一類別的薄膜技術為有機太陽能電池。在此類目中，染料敏化之太陽能電池(DSC)「避開」成本減少趨勢。然而，化學不穩定性係將DSC投入市場之一瓶頸。此技術可受益於固態、低成本溶液。見例如B.O'Regan及M.A.Gratzel，「A high efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal TiO₂ films」,Nature 353,p 737(1991)；Bai等人，「High performance dye-sensitized solar cells based on solvent-free electrolytes produced from eutectic melts」,Nature Materials,V7,p 626(2008)；Cao等人，「Engineering light absorption in semiconductor nanowire devices」,Nature Materials,online publication,July 5th,2009；及Fan等人，「Three Dimensional nano pillar array photovoltaics on low cost and flexible substrates」,Nature Materials,p1(2009)，其等之全文以引用的方式併入本文中。

儘管有眾多材料/設計/技術發明/創新，但是塊狀矽模組(現為單晶矽，且正過渡成多晶矽)當前具有約80%之固態太陽能面板市場。矽係半導體行業之基礎材料，塊狀矽模組具有最高可靠度且因此在市場中佔主導地位。然而，基本因素及技術相關之損耗已使在實驗層級下最大達成之電池效率限於約25%且在行業(或模組)層級下限於約18%。見例如Green等人，「Solar Cell Efficiency Tables」,Progress in Photovoltaics Research and Applications,V17,p 85(2009)；及M.A.Green，「The path to 25% Silicon Solar Cell Efficiency」,Progress in Photovoltaics Research and Applications,V17,p 183(2009)，其等之全文以引用的方式併入本文中。

當前太陽能電池遭受其他限制，諸如能量損耗(或損耗)。存在與撞擊一太陽能電池之光子相關聯之基本因素(例如，材料特性)及技術(設計、製造)相關之損耗。反射損耗係入射光子通量之部分被裝置表面反射之技術或設計相關之損耗。見例如E.Yablonovitch及G.D.Cody，「Intensity enhancement in textured optical sheets for solar cells」,IEEE Trans.on Electron Devices,V29,p300,(1982)，其全文以引用的方式併入本文中。歸因於不完全吸收之損耗亦係歸因於厚度受限且大波長光子未被完全吸 收之技術或設計相關之損耗。歸因於金屬覆蓋率之損耗係一設計相關之損耗且取決於電池前金屬覆蓋率及電池後金屬覆蓋率。歸因於填充因數之損耗歸因於電池之串聯電阻或分流電阻。電壓損耗歸因於開路電壓(VOC)取決於半導體之帶隙、吸收層及電子輸送層之接面電位或帶偏移。

可限制太陽能電池效率之其他損耗包含傳輸損耗、熱化損耗及複合損耗。

傳輸損耗包含低能光子之損耗。在傳輸損耗中，能量低於半導體之帶隙或吸收層之電離電位之光子未在材料中被吸收且因此未對光電流作出貢獻。對於矽結晶太陽能電池，此損耗為約23%。

熱化損耗包含歸因於光子之過剩能量之損耗。在熱化損耗中，為了產生光子引發之電子，理論上光子能量應等於帶隙之能量(E_g)。當入射光子光譜之部分之能量大於E_g時，過剩能量E-E_g因對材料加熱而損耗。對於結晶單接面矽電池，此損耗可為至負載之不完全的能量轉移及歸因於接面溫度增大之光電流減少之組合，其可為約31%。

複合損耗包含歸因於在半導體材料之介面或半導體材料塊體處產生之電荷載子(電子、電洞)複合之損耗。塊體複合損耗可藉由改良半導體中之載子壽命而最小化。

矽係半導體行業之最主要材料。雖然可獲得極高壽命的基板，但是高壽命的矽基板非常昂貴。介面及塊體複合損耗因此仍係矽及其他太陽能電池技術之主要技術挑戰。

在本發明之一態樣中，一光伏打太陽能電池(本文亦稱作「光伏打」)裝置調用藉由量子穿隧通過絕緣體而電荷耦合之裝置結構，以減少損耗(諸如熱化、複合及反射損耗)。

在一實施例中，一光伏打太陽能電池(「電池」)結構包含有效帶隙E_I電子伏特(「eV」)之一第一光伏打裝置(裝置I)，裝置I安置在具有帶隙E_II eV之一第二光伏打裝置(裝置II)上方。在一實施例中，E_I可大於或等於E_II。帶隙E_I之第一光伏打裝置量子力學耦合至具有帶隙E_II之第二光伏打裝置。

第一光伏打裝置可透過裝置I與裝置II之間的至少一電荷耦合(或量子耦合)層而量子力學耦合至第二光伏打裝置。當光落在裝置I上時，裝置I可吸收能量(hv)大於E_I之光譜，且產生電子/電洞(或激子)。未吸收之光子傳遞通過裝置I及該量子耦合層至裝置II，在裝置II處該等光子可產生其他載子。此兩個裝置之間的量子電荷耦合在一穿隧絕緣體層結束。低能載子/電荷自裝置II穿隧至裝置I以淬滅裝置I中之光生正電荷(電洞或離子)。

電池可包含一或多個電荷耦合層。例如，電池可包含至少1、或2、或3、或4、或5、或6、或7、或8、或9、或10、或50、或100層。每個層可由電荷耦合材料形成。在一些情況下，電荷耦合層堆疊之一子集由電荷耦合材料形成。

裝置I可為產生並輸送電子之半導體。裝置I可包含用於 輸送電子之半導體材料，該半導體材料可放置於用於吸收能量大於E_I之光子之高量子效率材料上(或混雜有該高量子效率材料)。未吸收之光可經傳輸通過耦合層至具有一有效帶隙E_II之(裝置II)下方之一半導體裝置。裝置I與裝置II之間的量子耦合層可為絕緣體。該量子耦合層可穿隧通過該絕緣體，可將來自裝置II之電子耦合至裝置I中之電洞或固定電荷。裝置I、該量子耦合層及裝置II可用作電主動層。裝置I及該量子耦合層亦可用作裝置II之抗反射塗層。

一光伏打電池可包含一裝置結構，該裝置結構具有裝置I、與裝置I相鄰之量子耦合層及與該量子耦合層相鄰之裝置II。裝置I可包含兩個材料層(層I-I及層I-II)，層I-I具有電子輸送半導體，且層I-II具有高效光子吸收材料。

E_I-I可大於或等於E_I-II。在一些情況下，E_I-I可大於E_I-II。入射在光伏打裝置上之光可傳遞通過輸送半導體層至可吸收能量大於或等於E_I-II之光子之層I-II。剩餘能量經轉移通過此層及量子耦合層至裝置II，其中產生其他載子。該耦合層將來自裝置II之電子耦合至裝置I並淬滅在吸收層I-II中所產生之正電荷。裝置I吸收高能光子並輸送高能載子且減少在裝置II中高能載子之產生，且因此減少裝置II中之熱化損耗並增大淨效率。且，藉由減少在裝置II中高能電子之產生，可減少裝置II中之淨熱產生且可改良裝置II之操作效率，從而提供熱化損耗之進一步減少。層I-I及層I-II可為兩個分開的層及/或混雜有帶隙E_I-I及E_I-II，其中E_I-I可大於或等於E_I-II。在一些情況下，E_I-I可大於E_I-II。

在一些實施例中，吸收層I-II可由一薄半導體層、半導體量子點或半導體量子井或所有三者之組合組成。

在本發明之另一實施例中，層I-II可為用於吸收高能光子之一吸收層。層I-II可由一半導體層上之多色譜染料、在該半導體層中所吸收之染料、直接放置在耦合層上方之染料及/或由染料製成之量子點形成。

裝置I可包含一或多個電荷耦合層。例如，裝置I可包含至少1、或2、或3、或4、或5、或6、或7、或8、或9、或10、或50、或100層。每個層可由電荷耦合材料形成。在一些情況下，電荷耦合層堆疊之一子集由電荷耦合材料形成。

裝置II可由具有單接面或多接面之一或多個半導體形成。第二光伏打裝置可由一或多個半導體及/或半絕緣體形成。裝置II可為一單/多接面矽太陽能電池(例如，單晶、多晶、帶、磊晶、薄膜或奈米線)。此裝置可設計成N+/P、N+/P/P+、N+/I/P、P/N+PERC、PERL、Tandem組態等。量子耦合層可由氧化矽(諸如二氧化矽、富含矽之氧化物)、氮化矽、氮氧化矽形成。對於直接量子穿隧此絕緣體之厚度可小於2 nm，或對於福勒諾德漢穿隧此絕緣體之厚度可大於約2 nm。用於量子耦合之電子之源可為經由負載而自裝置I傳回之載子、及/或在裝置II中所產生之載子、及誘捕在矽絕緣體介面或該介面附近之轄域中之載子。在本發明之較佳實施例中，吸收層I-II由矽(非晶、或奈米晶、或奈米線)之一薄層；嵌入在輸送層及/或耦合層 之材料中之矽量子點；或矽量子井組成。在本發明之較佳實施例中，電子輸送層I-I為帶隙大於2.5 eV之n型半導體(例如，鈦及/或其合金之氧化物)。第二光伏打裝置具有具單接面或多接面之一或多個半導體。裝置II亦可含有重摻雜半導體(例如，n+、p+矽)、金屬層或導電氧化物等。

一光伏打裝置可具有三維拓撲以增大裝置I及裝置II中之吸收係數及減小輸送層中之電子轉移損耗。此拓撲可包含具有不同定向之晶體面之波紋表面。該三維結構可為一V形溝槽或導孔或圓柱體形狀或具有最佳化用於最大光子吸收並且保持耦合層上之電場小於耦合絕緣體之崩潰強度之縱橫比之隨機粗糙表面。該三維結構減少反射(改良光子吸收)，增大量子電荷耦合且減少用於製造裝置II之有效量的矽/半導體。

在一些情況下，裝置II可用一個導電層或多個導電層(金屬、金屬合金、金屬氧化物、高摻雜半導體)取代。量子耦合層可為金屬氧化物(例如，氧化鋁)。輸送層I-I可為n型半導體，例如鈦或其合金之氧化物。吸收層I-II可為光子吸收層，例如染料及/或染料之量子點及/或半導體層及/或半導體之量子點或在該等半導體中所吸收之染料之量子點。在此一情況下，吸收層可包含多層染料以吸收能量大於0.6 eV之光子。未吸收之光子可被金屬反射且將被吸收層吸收並對作用電流/功率作出貢獻。層I-I及層I-II可為兩個分開的層或混雜有帶隙E_I-I及E_I-II，其中E_I-I可大於或等於E_I-II。在一些情況下，E_I-I可大於E_I-II。裝置II可形成為 一個三維(「3D」)組態以增大光子吸收且增大作用功率。

裝置I可由一或多個電荷耦合層形成。在一些情況下，裝置I及裝置II可形成為一個3D組態，其可增大光子吸收。

在一些實施例中，光伏打(或太陽能)電池之一陣列包含複數個光伏打電池。本文所提供之太陽能電池陣列可經組態使得單個太陽能電池浮動或彼此連接成一並聯或串聯配置。在此一情況下，該陣列中之光伏打電池之頂部及/或底部上之TCO/金屬觸點可與各電池中之裝置I及裝置II連接成一串聯或並聯配置。此組態可最佳化用於將最大功率遞送至模組負載/多個模組負載。

在另一實施例中，一光伏打(「PV」)電池包括：一第一光伏打裝置，其具有一第一能帶隙；一電荷耦合層，其與該第一光伏打裝置相鄰；及一第二光伏打裝置，其與該電荷耦合層相鄰，該第二光伏打裝置具有一第二能帶隙。此等PV電池可彼此串聯或並聯地電耦合以形成PV模組。

在另一實施例中，一光伏打電池包括：一第一光伏打裝置，其具有與一光子吸收層相鄰之一光傳輸層，該光子吸收層用於在暴露於光子時產生電荷；及一量子耦合層，其與該第一光伏打裝置相鄰，該量子耦合層用於將與該量子耦合層相鄰之一金屬層或第二光伏打裝置中之電荷耦合至該吸收層中之電荷。

在本發明之另一態樣中，一光伏打電池陣列包括複數個光伏打電池，該複數個光伏打電池之每個光伏打電池包 括：一第一光伏打裝置，其具有一第一能帶隙；至少一電荷耦合層，其與該第一光伏打裝置相鄰；及一第二及/或第三光伏打裝置，其與該電荷耦合層相鄰，該第二及/或第三光伏打裝置具有一第二及/或第三能帶隙。該複數個光伏打電池可為電浮動電池或者串聯或並聯地互聯。在一實例中，該第二光伏打裝置與該電荷耦合層相鄰，且該第三光伏打裝置與該電荷耦合層相鄰且與該第二光伏打裝置相鄰。

在本發明之另一態樣中，一種用於形成一光伏打電池之方法包括形成一第一光伏打裝置使之與一電荷耦合層相鄰，該電荷耦合層形成為與一第二光伏打裝置相鄰，其中該電荷耦合層用於將該第二光伏打裝置中之電荷耦合至該第一光伏打裝置中之電荷。

在本發明之另一態樣中，描述一種根據本文所提供之方法形成之光伏打電池。

在本發明之另一態樣中，提供包括一或多個電荷耦合之光伏打裝置之光伏打電池。在一些實施例中，一光伏打電池包括一電荷耦合之光伏打裝置。在其他實施例中，一光伏打電池包括電荷耦合至一第二光伏打裝置之一第一光伏打裝置。在其他實施例中，一光伏打電池包括電荷耦合至一導電層之一光伏打裝置。在一實施例中，該導電層由一或多種金屬形成。

在本發明之另一態樣中，一種光伏打電池包括一或多個電子耦合光伏打裝置，其等可與至少一個電光裝置、單 元、陣列及/或系統整合在一起(或整合至其中)。一電光裝置可為例如一發光裝置或液晶顯示器(LCD)。

在本發明之另一態樣中，一種光伏打電池包括一或多個電子耦合光伏打裝置，該一或多個電子耦合光伏打裝置可與其他輻射電裝置、單元、陣列及/或系統，諸如例如輻射感測器或成像器整合在一起(或整合至其中)。

自下文詳細描述熟習此項技術者將容易明白本揭示內容之額外態樣及優點，下文僅繪示及描述本揭示內容之闡釋性實施例。正如吾人將意識到，本揭示內容可具有其他及不同的實施例，且本揭示內容之若干細節可在皆不背離本揭示內容之情況下對各種明顯態樣予以修改。據此，圖式及描述被視為本質上係闡釋性的且非限制性的。

以引用的方式併入

本文以如每個公開案、專利或專利申請案具體地及個別地指示為以引用的方式併入般的相同程度而將本說明書中所提及之所有公開案、專利及專利申請案以引用的方式併入。

在隨附申請專利範圍中特定地陳述本發明之新穎特徵。可藉由參考陳述利用本發明之原理之闡釋性實施例及隨附圖式之下文詳細描述而獲得對本發明之特徵及優點之一較佳瞭解。

雖然本文已繪示及描述本發明之較佳實施例，但是熟習此項技術者將明白僅藉由舉例而提供此等實施例。熟習此 項技術者現將想出不背離本發明之眾多變動、變更及置換。應瞭解可在實踐本發明中採用本文所述之本發明之實施例之各種替代。下文請求項旨在定義本發明之範疇申請專利範圍且藉此涵蓋此等請求項之範疇內之方法及結構及其等效物。

在本發明之各種實施例中所述之光伏打裝置及電池可改良當前裝置及電池上之電荷產生及滯留。在各種實施例中所述之光伏打電池可有利地增大在一光伏打裝置上之每一給定量的入射光所產生之電荷量。光伏打電池可最小化與當前光伏打裝置相關聯之熱化及複合損耗。光伏打模組可提供用於以一清潔及可持續方式產生更多電。

如本文所使用之術語「電池」指代一可分開的或可互換的組件，諸如一光伏打太陽能電池。一電池可包含一或多個光主動(光伏打)裝置，該一或多個光主動裝置可包含一或多層光主動材料。

如本文所使用之術語「模組」指代電池或太陽能電池之一陣列。在一些情況下，可使用一種類型的電池以形成一模組。在其他情況下，一模組可包含不同類型的電池。一光伏打模組可包含一或多個可分開的或可互換的組件，諸如光伏打電池。在一些情況下，一光伏打模組可包含與另一光伏打電池相鄰之一光伏打電池。一模組中之一電池可串聯或並聯地電連接至一或多個其他電池(或模組)。

如本文所使用之術語「表面」指定第一相與第二相之間的介面。在一實施例中，表面可指定第一固相與第二固相 之間的一介面。在另一實施例中，表面可指定固相或液相與液相或汽相之間的介面。例如，表面可安置在半導體(或含有半導體之)材料之一最頂部的原子層處。在此一情況下，該表面可與蒸氣或液體或另一固體(諸如另一半導體(或含有半導體之)材料)接觸。

如本文所使用之術語「層」指定具有一或多個原子層之一裝置或結構。例如，一層半導體材料可包含半導體材料之一原子層或半導體材料之多個原子層。在一實施例中，一層為材料之一單原子的單分子層(「ML」)或單個原子層。在另一實施例中，一層包含材料之多個原子層。例如，一層可包含至少1、或至少10、或至少100、或至少1000、或至少10,000、或至少100,000、或至少1,000,000、或至少10,000,000個原子層。

如本文所使用之術語「材料性質」指代材料(諸如薄膜、層或基板)之實體、電子及光學性質。一材料性質可選自材料之化學組分、該材料之能帶隙、該材料之大小(高度、寬度、長度)、該材料之厚度、該材料之摻雜濃度、該材料之表面粗糙度、該材料之缺陷密度。

如本文所使用之術語「相鄰」意指緊挨著或鄰近。與另一層、裝置或結構相鄰之一層、裝置或結構緊挨著或鄰近於該另一層、裝置或結構。在一實例中，與一第二光伏打裝置相鄰之一第一光伏打裝置直接緊挨著該第二光伏打裝置。

將明白可為了描述本文所提供之裝置之特徵之目的而以 一命名慣例採用如本文所使用之術語「第一」及「第二」。此等術語旨在闡釋性且並不一定指示形成各種特徵之次序。例如，具有一第一光伏打裝置與一第二光伏打裝置相鄰之一光伏打電池可藉由首先形成該第一光伏打裝置接著形成該第二光伏打裝置或藉由首先形成該第二光伏打裝置接著形成該第一光伏打裝置而形成。

光伏打電池及裝置

在本發明之一態樣中，提供一種光伏打電池，該光伏打電池包含一第一光伏打裝置、與該第一光伏打裝置相鄰之一電荷耦合層、及與該電荷耦合層相鄰之一第二光伏打裝置。

在實施例中，電荷耦合層可包含用於在第一光伏打裝置與第二光伏打裝置之間提供電荷耦合之電絕緣材料。在一實施例中，該電絕緣材料為帶隙大於約0電子伏特(「eV」)、或者大於或等於約0.1 eV、或0.2 eV、或0.5 eV、或1 eV、或2 eV、或5 eV、或10 eV之介電材料。在一些情況下，電荷耦合(或量子耦合)層之帶隙可在約4 eV與10 eV之間，可大於E_I-I。

電荷耦合層可在第一光伏打裝置與第二光伏打裝置之間提供量子力學耦合。在另一實施例中，該電荷耦合層實現在該等光伏打裝置之間且跨該電荷耦合層福勒諾德漢穿隧(例如，場電子發射)。

含有電荷耦合層之光伏打裝置之係數(η)可至少為約5%、或6%、或7%、或8%、或9%、或10%、或11%、或 12%、或13%、或14%、或15%、或16%、或17%、或18%、或19%、或20%、或21%、或22%、或23%、或24%、或25%、或26%、或27%、或28%、或29%、或30%、或31%、或32%、或33%、或34%、或35%、或36%、或37%、或38%、或39%、或40%、或41%、或42%、或43%、或44%、或45%、或46%、或47%、或48%、或49%、或50%。在一些情況下，對於帶隙大於或等於約1.1 eV之一光伏打裝置(例如，一基於矽之PV裝置)，電池效率可大於約67%、或68%、或69%、或70%、或71%、或72%、或73%、或74%、或75%、或76%、或77%。對於帶隙小於約1.1 eV之一光伏打裝置(例如，一基於鍺之PV裝置)，電池效率可大於約70%、或大於約85%、或大於約80%、或大於約85%、或大於約90%。

現將參考圖。將明白該等圖並不一定按比例繪製。

參考圖1，圖解說明根據本發明之一實施例之一光伏打電池100。電池100包含一第一光伏打(「PV」)裝置105(「裝置I」)、一量子耦合層(「QCL」)(本文亦稱作「電荷耦合層」)110及一第二光伏打裝置115(「裝置II」)。箭頭指示光子(hv)進入電池100並傳播通過電池100之光伏打裝置105及115之方向。光子經傳輸並被第一光伏打裝置105吸收且接著經傳輸通過電荷耦合絕緣體110至第二光伏打裝置115。

繼續參考圖1，光伏打裝置105及115經組態以在暴露於光(或光子)時產生電。在一實施例中，在給定量的光撞擊 電池100(在第一光伏打裝置105側處)時，該光之一部分可經傳輸通過第一光伏打裝置105至電荷耦合層110及第二光伏打裝置115，該光之一部分可被第一光伏打裝置105吸收以產生電(電子)，且該光之一部分可經反射遠離電池100。此外，入射在電池100上之光之一部分可在模組中產生熱。

在一實施例中，電荷耦合層110為一量子(或量子力學)耦合層。在另一實施例中，電荷耦合層110為一電子發射耦合層。

第一光伏打裝置105之厚度可大於約一單分子層(ML)。在一些情況下，第一PV裝置105之厚度可大於或等於約1奈米(「nm」)、或2 nm、或5 nm、或10 nm、或20 nm、或50 nm、或100 nm、或200 nm、或500 nm、或1000 nm、或2000 nm、或5000 nm、或10,000 nm。在一些情況下，第一PV裝置105之厚度可在約50 nm與1000 nm之間、或在100 nm與500 nm之間。

在一實施例中，電荷耦合層110之厚度可大於1奈米(「nm」)、或2 nm、或3 nm、或4 nm、或5 nm、或6 nm、或7 nm、或8 nm、或9 nm、或10 nm、或20 nm、或30 nm、或40 nm、或50 nm、或100 nm。在另一實施例中，電荷耦合層110之厚度可在約1 nm與100 nm之間、或在1.5 nm與50 nm之間、或在2 nm與10 nm之間。

第二光伏打裝置115之厚度可大於約1 ML。在一些情況下，第二PV裝置115之厚度可大於或等於約1 nm、或2 nm、或5 nm、或10 nm、或20 nm、或50 nm、或100 nm或200 nm、或500 nm、或1000 nm、或2000 nm、或5000 nm、或10,000 nm、或20微米(「μm」)、或100 μm、或200 μm、或500 μm。在其他情況下，PV裝置115之厚度可在約5 nm與500 μm之間、或在10 nm與100 μm之間。第二光伏打裝置115之厚度可大於約Y乘以德拜長度(D)之數目乘以跨第二光伏打裝置215之一電路徑之n-p或p-n接面之數目(N)，即，Y x D x N(「x」指定乘法算子)，其中「Y」為大於或等於0之一數目。在一實施例中，第二光伏打裝置215之厚度大於或等於約0.5 x D x N、或者大於或等於約1 x D x N、或者大於或等於約2 x D x N、或者大於或等於約3 x D x N、或者大於或等於約4 x D x N、或者大於或等於約5 x D x N、或者大於或等於約6 x D x N、或者大於或等於約7 x D x N、或者大於或等於約8 x D x N、或者大於或等於約9 x D x N、或者大於或等於約10 x D x N、或者大於或等於約100 x D x N、或者大於或等於約1000 x D x N。

在一實施例中，第一光伏打裝置105可由半導體材料及半絕緣材料之一者或兩者形成。半導體材料可選自族IV、IV-IV、III-V、II-VI、III-VI半導體，諸如矽、鍺、砷化鎵及氮化銦鎵。半絕緣材料可選自氮化鎵、富含金屬之金屬氧化物(例如，Ti_xO_y、Zn_xO_y等)或氧化矽(例如，Si_xO_y)，諸如富含矽之氧化矽。在另一實施例中，第一光伏打裝置105可由IV族半導體(諸如矽及鍺之一或多者)形成。在另 一實施例中，第一光伏打裝置105可由III-V族材料形成，該III-V族材料選自鋁、鎵、銦、氮、磷、砷，舉例而言，諸如磷化鋁、砷化鋁、砷化鎵或氮化鎵。第二PV裝置105可由半導體或半絕緣體形成。

在一實施例中，電荷耦合層(本文亦稱作「量子耦合層」)110可由電絕緣或半絕緣材料(本文亦稱作「絕緣體」)形成。絕緣材料可選自任何介電材料，諸如金屬氧化物(例如，TiO_x、SiO_x)或可包含金屬、半導體或聚合材料之一或多者之複合材料。在另一實施例中，電荷耦合層110可由IV族半導體之氧化物或氮氧化物形成。在另一實施例中，電荷耦合層110可由III-V族材料之氧化物或氮氧化物形成。電荷耦合層110可由絕緣體或半絕緣體形成。

在一實施例中，電荷耦合層110之介電常數可大於約1、或2、或3、或4、或5、或6、或7、或8、或9、或10、或20、或30、或40、或50、或60、或70、或80、或90、或100。在一些情況下，電荷耦合層110之介電常數可在約1與20之間、或在約2與10之間。電荷耦合層110之崩潰強度可在約1 mV/cm與100 MV/cm之間、或在約5 MV/cm與10 MV/cm之間。

在一實施例中，第二光伏打裝置115可由半導體或半絕緣體材料形成。在另一實施例中，第二光伏打裝置115可由IV族半導體(諸如矽及鍺之一或多者)形成。在另一實施例中，第二光伏打裝置115可由III-V族材料形成，該III-V族材料選自鋁、鎵、銦、氮、磷、砷，舉例而言，諸如磷 化鋁、砷化鋁、砷化鎵或氮化鎵。該第二光伏打裝置可由IV、IV-IV、II-VI、III-V、III-VI族半導體或半絕緣體形成。在一些情況下，該第二光伏打裝置可由IV及/或III-V族半導體形成。

在實施例中，第一光伏打裝置105及第二光伏打裝置115之表面可與電極電接觸用於形成一電流動路徑(或電路)，藉此允許由電池100所產生之電子流出電池100。在一實施例中，第一光伏打裝置105及第二光伏打裝置115之表面與電極之間的電接觸為歐姆接觸。在另一實施例中，第一光伏打裝置105及第二光伏打裝置115之表面與電極之間的電接觸接近歐姆接觸。在一實施例中，第一光伏打裝置105之一表面與一第一電極電接觸。該第一電極可使在第一光伏打裝置105中所產生之電子流動並離開第一光伏打裝置105。該第一電極可包含一網狀物用於最小化被該第一電極阻擋之光量。第二光伏打裝置115之一表面可與一第二電極接觸。該第一電極及該第二電極可由金屬或含有金屬之材料(諸如包含以下材料之一或多者：鋁、銅、鐵、鎳、金、銀、鉑、鈦、鎢、鉻、釩、錳、鈷、鋅、鋯、釔、釕、銠、鎘、鉿、鉭、錸及銥)形成。該第一電極可包含選自一或多種金屬(例如，Al、Cu、Ag、Au、Pt)、導電透明氧化物/陶瓷(例如，氧化銦錫、氧化錫、氧化鋅)、導電聚合物及其組合之材料。在一些情況下，該第一電極可包含鋁及氧化銦錫(ITO)之一或多者。在一些情況下，第二PV裝置115之相對表面可與電極接觸。

在其他實施例中，提供一種光伏打電池，該光伏打電池具有與一電荷耦合層相鄰之一第一光伏打裝置及與該電荷耦合層相鄰之一第二光伏打裝置，該第一光伏打裝置具有複數層。在一實施例中，該第一光伏打裝置包含與一第二層相鄰之一第一層。該第一層之能帶隙可大於該第二層之能帶隙。在另一實施例中，該第一光伏打裝置可包含2、或3、或4、或5、或6、或7、或8、或9、或10、或11、或12、或13、或14、或15、或16、或17、或18、或19、或20、或更多層。該等層可提供成一堆疊式組態(即，一層與另一層相鄰)或混合(或混雜)組態。

繼續參考圖1，在一實施例中，PV裝置105及電荷耦合層110可用作抗反射層。電池100可包含PV裝置105上方之一額外的抗反射塗層。在一些情況下，PV電池100可包含第一PV裝置105上方之一抗反射層。該抗反射層可經組態以防止光自PV電池100反射出或最小化自PV電池100反射出之光。該抗反射塗層可由介電抗反射塗層(DARC)材料形成。在另一實施例中，該抗反射塗層可由氮化物(舉例而言，諸如富含矽之氮氧化矽)形成。在另一實施例中，PV模組可包含第二PV裝置115下方之一層反射材料。該層反射材料經組態以將傳遞通過第二PV裝置115之光反射(或散射)回至第二PV裝置115、QCL 110及第一PV裝置105中。該反射材料可由半導體氧化物、金屬氧化物或金屬及含有半導體之氧化物形成。在一些情況下，該反射材料可由氮化矽、氮氧化矽、氧化鈦形成。

繼續參考圖1，QCL 110允許光自第一PV裝置105傳遞至第二PV裝置115。QCL將第二PV裝置115中之電荷(例如，電子)耦合120至第一PV裝置105中之電荷(例如，電洞、正電荷)。在一實施例中，電荷耦合可允許第二PV裝置115中之電子量子力學穿隧至第一PV裝置105。

或者，PV電池100可包含電荷耦合層110上之一層105、安置在第二PV裝置115上之電荷耦合層110。層105及電荷耦合層110之一者或兩者可為抗反射層，經組態以允許光傳遞通過該等層並朝向第二PV裝置115，且將離開第二PV裝置115之光反射回至第二PV裝置115。在此一情況下，層105可排除任何PV裝置，即，層105僅可用於將光反射回至第二PV裝置115。然而，在其他情況下，層105可包含一PV裝置，且QCL 110可為用於將光反射回至第二PV裝置115之一抗反射層。

參考圖2，繪示根據本發明之一實施例之一光伏打電池200。光伏打電池200包含一第一光伏打裝置205、一電荷耦合層210及一第二光伏打裝置215。第一光伏打裝置205包含一第一層205a(「層I-I」)及一第二層205b(「層I-II」)。在一實施例中，第一層205a為一輸送層且第二層205b為一吸收層，該輸送層用於將光引導至該吸收層，該吸收層用於在與光子互動時產生電荷(例如，電子、電洞)。在另一實施例中，光子撞擊第一層205a且經傳輸通過第一層205a至第二層205b，其中吸收高能光子以產生電子及電洞或正電荷。

在一些情況下，第一光伏打裝置205可包含一或多個電荷耦合層。例如，第一光伏打裝置205可包含至少1、或2、或3、或4、或5、或6、或7、或8、或9、或10、或50、或100個電荷耦合層。

電荷耦合層210可由一或多層形成。例如，電荷耦合層210可由至少1、或2、或3、或4、或5、或6、或7、或8、或9、或10、或50、或100層形成。一單個層可為一電荷耦合層。

在一實施例中，吸收層205b可由有效帶隙大於約0 eV、或者大於或等於約0.1 eV、或0.2 eV、或0.5 eV、或1 eV、或2 eV、或3 eV之半導體材料及/或半絕緣體材料形成。在一些情況下，吸收層205b可由有效帶隙大於約1.1 eV之半導體形成。在其他情況下，吸收層205b可由有效帶隙在約1.1 eV與5 eV之間、或在1.2 eV與3 eV之間之半導體形成。

吸收層205b可包含選自非晶矽、矽奈米晶、矽奈米層、量子點或量子井(例如，矽量子井)之材料。在一些情況下，吸收層205b可包含摻雜半導體材料，諸如n型或p型半導體材料。吸收層205b可為一單層、多層或由混雜材料形成。

電荷耦合層210可包含氧化矽(SiOx，其中「x」為大於0之一數目(例如，SiO₂或富含矽之二氧化矽))、氮氧化矽、氮化矽。在另一實施例中，電荷耦合層210為一離子及/或雜質阻擋層，其阻擋或阻止離子及/或雜質在第一PV裝置 205與第二PV裝置215之間流動。

在一實施例中，電子行進至與第一光伏打裝置205之一表面接觸之一電極。在一實施例中，在第二層205b中所產生之電子輸送至經由第一層205a而與電池200電連通之一負載。傳輸通過量子耦合層並至第二光伏打裝置215之任何未吸收之光子可被第二光伏打裝置215吸收以產生其他電子及電洞。電荷耦合層210可將來自第二光伏打裝置215之電子耦合至第二層205b中之電洞或固定電荷。來自裝置215之電子可經由至裝置205之串聯或並聯連接而傳輸至該負載。

在一實施例中，電荷耦合可經由直接穿隧。在另一實施例中，電荷耦合可經由福勒諾德漢(即，場發射)耦合。在另一實施例中，電荷耦合可經由電感耦合。

在一實施例中，第一層205a及第二層205b可為分開的層。在另一實施例中，第一層205a及第二層205b可為混雜層。

在一實施例中，第一光伏打裝置205可包含除第一層205a及第二層205b外之一或多層。在另一實施例中，第一光伏打裝置205可包含1個或1個以上、或者2個或2個以上、或者3個或3個以上、或者4個或4個以上、或者5個或5個以上、或者6個或6個以上、或者7個或7個以上、或者8個或8個以上、或者9個或9個以上、或者10個或10個以上額外層。

繼續參考圖2，第一層205a、第二層205b及QCL 210之一 或多者可為抗反射層。在一些情況下，PV電池200可包含第一PV裝置205上方之一抗反射層。該抗反射層可經組態以防止光自PV電池200反射出或最小化自PV電池200反射出之光。該抗反射塗層可由介電抗反射塗層(DARC)材料形成。在另一實施例中，該抗反射塗層可由氮化物(舉例而言，諸如富含矽之氮氧化矽)形成。在另一實施例中，PV模組可包含第二PV裝置215下方之一層反射材料。該層反射材料經組態以將傳遞通過第二PV裝置215之光反射回至第二PV裝置215、QCL 210及第一PV裝置205中。

在啟動期間，第一PV裝置205之第一層205a及第二層205b之材料可混雜或擴散至彼此中以產生一額外的混合層。該混合層之有效帶隙可在第一層205a之帶隙與第二層205b之帶隙之間。在另一實施例中，第一層205a之材料可擴散至第二層205b中。在另一實施例中，第二層205b之材料可擴散至第一層205a中。

第一層205a之厚度可大於一單分子層。例如，第一層205a之厚度可在約100奈米(「nm」)與10微米(「μm」)之間。在一些情況下，第一層205a之厚度可大於或等於約1 nm、或2 nm、或5 nm、或10 nm、或20 nm、或50 nm、或100 nm、或200 nm、或500 nm、或1000 nm、或2000 nm、或5000 nm、或10,000 nm。在其他情況下，第一層205a之厚度可在約1 nm與1000 nm之間、或在約5 nm與500 nm之間、或在約10 nm與200 nm之間。

第二層205b之厚度可大於一單分子層。例如，第二層 205b之厚度可在約100 nm與500 nm之間。在一些情況下，第二層205b之厚度可大於或等於約1 nm、或2 nm、或5 nm、或10 nm、或20 nm、或50 nm、或100 nm、或200 nm、或500 nm、或1000 nm、或2000 nm、或5000 nm、或10,000 nm。在另一實施例中，第二層205b之厚度在約1 nm與1000 nm之間、或在約5 nm與500 nm之間、或在約10 nm與200 nm之間。

電荷耦合層210之厚度可大於一單分子層。例如，電荷耦合層210之厚度可大於或等於約1 nm、或2 nm、或5 nm、或10 nm、或20 nm、或50 nm。電荷耦合層210之厚度可在約1 nm與100 nm之間、或在約1.5 nm與50 nm之間、或在約2 nm與10 nm之間。例如，電荷耦合層210之厚度可大於1 nm、或2 nm、或3 nm、或4 nm、或5 nm、或6 nm、或7 nm、或8 nm、或9 nm、或10 nm、或20 nm、或30 nm、或40 nm、或50 nm、或100 nm。

第二光伏打裝置215之厚度可大於1單分子層。第二PV裝置215之厚度可大於或等於約1 nm、或2 nm、或5 nm、或10 nm、或20 nm、或50 nm、或100 nm、或200 nm、或500 nm、或1000 nm、或2000 nm、或5000 nm、或10,000 nm、或20 μm、或100 μm、或200 μm、或500 μm。

在一些情況下，第二PV裝置215之厚度可在約10 nm與100 nm之間。在其他情況下，PV裝置215之厚度可大於約Y乘以德拜長度(D)之數目乘以跨第二光伏打裝置215之一電路徑之n-p或p-n接面之數目(N)，即，Y x D x N(「x」指 定乘法算子)，其中「Y」為大於或等於0之一數目。在一實施例中，第二光伏打裝置215之厚度大於或等於約0.5 x D x N、或者大於或等於約1 x D x N、或者大於或等於約2 x D x N、或者大於或等於約3 x D x N、或者大於或等於約4 x D x N、或者大於或等於約5 x D x N、或者大於或等於約6 x D x N、或者大於或等於約7 x D x N、或者大於或等於約8 x D x N、或者大於或等於約9 x D x N、或者大於或等於約10 x D x N、或者大於或等於約100 x D x N、或者大於或等於約1000 x D x N。

繼續參考圖2，QCL 210允許光自第一PV裝置205傳遞至第二PV裝置215。QCL將第二PV裝置215中之電荷(例如，電子)耦合至第一PV裝置205中之電荷(例如，電洞、正電荷)。在一實施例中，電荷耦合可允許第二PV裝置215中之電子量子力學穿隧至第一PV裝置205。

圖3係根據本發明之一實施例之一光伏打電池之一示意能帶圖300，該光伏打電池具有與一電荷耦合層相鄰之一第一光伏打裝置(裝置I)及與該電荷耦合層相鄰之一第二光伏打裝置(裝置II)。該第一PV裝置包含一第一層(層I-I)及與該第一層相鄰之一第二層(層I-II)及該電荷耦合層。能帶圖300可針對在圖2之背景下所討論之電池200。在圖3中未繪示靜態或動態的束帶。

繼續參考圖3，第一光伏打裝置(裝置I)之第一層(層I-I)由具有一第一帶隙305a(E_I-I)之半導體材料形成，且第一光伏打裝置(裝置I)之第二層(層I-II)由具有一第二帶隙 305b(E_I-II)(其可為一有效帶隙(或激發電位))之半導體材料形成。該第一帶隙305a大於該第二帶隙305b。電荷耦合層可由具有一帶隙310之絕緣、半絕緣及/或介電材料形成。第二光伏打裝置(裝置II)由具有一第三帶隙315(E_II-I)之材料形成。如所圖解說明之該電荷耦合層為一量子耦合層(QCL)。在該電荷耦合層與第二層之介面處，裝置具有有效帶隙E_I-I E_I-II E_II-I。在一些情況下，能帶隙組態可為E_I-I>E_I-II>E_II-I。量子耦合絕緣體之帶隙大於E_I-I。裝置I之第一層及第二層可為兩個分開的層及/或混雜的層。第二光伏打裝置(裝置II)可為一單接面或多接面光伏打裝置。電荷耦合層310之帶隙大於第一帶隙305a、第二帶隙305b及第三帶隙315。

繼續參考圖3，光可沿著在圖中所指示之箭頭之方向傳播通過電池。入射在第一光伏打裝置上之光之至少一部分經傳輸通過第一層並至第二層。傳遞通過該第二層之光之至少一部分被該第二層吸收以在該第二層中產生電子。未被該第二層吸收之光可傳遞通過電荷耦合層並至可吸收光以產生電子之第二光伏打裝置。

第一帶隙305a可大於或等於第二帶隙305b，且第二帶隙305b可大於或等於第三帶隙315。第一帶隙305a可大於約0 eV、或者大於或等於約0.1 eV、或0.2 eV、或0.5 eV、或1 eV、或2 eV、或3 eV或4 eV。在一些情況下，第一帶隙305a可在約2 eV與4 eV之間。在一些情況下，第一帶隙305a可在約2 eV與4 eV之間、或在約2.5 eV與3.5 eV之 間。第二帶隙(或激發電位)305b可大於約0 eV、或者大於或等於約0.1 eV、或0.2 eV、或0.5 eV、或1 eV、或2 eV、或3 eV。在一些情況下，第二帶隙305b可大於1.1 eV、或在約1.2 eV與3 eV之間。在其他情況下，第二帶隙305b可在約1 eV與約3 eV之間、或在約1.2 eV與2 eV之間。第三帶隙315可大於約0 eV、或者大於或等於約0.1 eV、或0.2 eV、或0.5 eV、或1 eV、或2 eV、或3 eV。在一些情況下，第三帶隙315可在約1.1 eV與2 eV之間。帶隙310可大於約0 eV、或者大於或等於約0.1 eV、或0.2 eV、或0.5 eV、或1 eV、或2 eV、或5 eV、或10 eV。在一些情況下，帶隙310可在約4 eV與10 eV之間。

圖4係根據本發明之一實施例之一光伏打裝置之一示意能帶圖，該光伏打電池具有一第一光伏打(「PV」)裝置(裝置I)、與裝置I相鄰之一電荷耦合層、及與該電荷耦合層相鄰之一第二光伏打裝置(裝置II)。圖4圖解說明第一PV裝置(裝置I)之層I-I及層I-II、電荷耦合層及第二PV裝置(裝置II)之障壁高度及電子親和力(χ或「X」)，χ_C-II-I χ_I-II-C χ_I-I-II。在一些情況下，電子親和力之組態可為χ_C-II-I χ_I-II-C χ_I-I-II，其中χ_C-II-為量子耦合層(QCL)與裝置II之介面處之電子親和力。層I-I及層I-II可為兩個分開的層及/或混雜的層，親和力χ_C-II-I χ_I-II-C χ_I-I-II。未在圖4之所圖解說明之實施例中繪示靜態或動態的束帶。在一實施例中，χ_I-I-II可大於約0 eV、或0.1 eV、或0.2 eV、或0.3 eV、或0.4 eV、或0.5eV、或1 eV、或2 eV、或5 eV、或10 eV。在另 一實施例中，χ_I-II-C可大於裝置I之層I-II中之電子之最大電子能量(e_max)。在另一實施例中，χ_C-II-I可大於裝置II中之e_max。QCL之帶隙可大於E_I-I、E_I-II及E_II-I。

圖5係圖解說明根據本發明之一實施例之層I-I、層I-II、耦合層及裝置II之障壁高度及電子親和力之一示意能帶圖。未繪示靜態或動態的束帶。由e_max指定裝置I或層I-II中之電子之最大能量。在所圖解說明之能帶圖中，χ_I-I-II e_maxI-II χ_I-II-C χ_C-II-I，且e_maxI-II等於吸收之光子之最大能量減去層I-II之帶隙(或激發電位)。在一些情況下，χ_I-I-II<e_maxI-II<χ_I-II-C<χ_C-II-I。運用層I-I、層I-II、量子耦合層及裝置II之此等障壁高度及電子親和力說明，高能電子被阻擋使之無法到達裝置II且該等高能電子在層I-I之導電帶中輸送，從而減少高能電子產生及至裝置II之轉移且因此減少裝置II中之熱化損耗。

圖6係圖解說明根據本發明之一實施例之電荷自裝置II至裝置I之層I-II之耦合之一示意能帶圖。未繪示靜態或動態的束帶。裝置II中之電子及/或電洞量子力學耦合至層I-II，且淬滅層I-II中之光生電荷。此量子力學耦合(或電荷耦合)處於直接穿隧模式及/或福勒諾德漢穿隧模式。被電荷耦合層處或附近之介面及裝置II介面吸收之電子及/或電洞亦量子力學耦合至層I-II，且因此對功率產生作出貢獻，並減少裝置II中介面及介面附近之複合損耗。在一實例中，藉由淬滅層I-II中之正電荷，可最小化與裝置I及裝置II中之電子相關聯之複合損耗。

在其他實施例中，光伏打電池可包含與一量子耦合層相鄰之一第一光伏打(「PV」)裝置及與該量子耦合層相鄰之一第二PV裝置，該第一光伏打裝置具有一吸收層。在一實施例中，該第一PV裝置可包含一輸送層，該輸送層由能帶隙大於或等於該吸收層之能帶隙之材料形成。該吸收層可安置在該量子耦合層與該輸送層之間。

在一實施例中，吸收層可包含單層或多層半導體(或含有半導體之)或半絕緣體薄膜。在另一實施例中，該吸收層可包含單層或多層半導體(或含有半導體之)量子井。在另一實施例中，該吸收層可包含單層或多層半導體(或含有半導體之)量子點。該等量子點可安置在薄膜半導體層或量子井層上。在另一實施例中，該吸收層可包含單層或多層奈米結構或奈米線。在另一實施例中，該吸收層可包含單層或多層含有半導體之奈米結構或奈米線。

參考圖7A，提供根據本發明之一實施例之一光伏打電池700，光伏打電池700具有與一量子耦合層(QCL)710相鄰之一第一光伏打裝置(裝置I)705及與QCL 710相鄰之一第二光伏打裝置(裝置II)715。在實施例中，第一光伏打裝置705可包含由用於將光引導至吸收層705b之材料形成之一光傳輸層705a，該吸收層由用於在暴露於光時產生電荷(例如，電子及電洞)之材料形成。

圖7B至圖7D繪示根據本發明之各種實施例之吸收層705B之各種組態。參考圖7B，吸收層705b可包含單層或多個層(本文亦稱作「多層」)半導體材料720。在此一情況 下，電池700可具有有效帶隙E_I-I E_I-II E_II-I，其中E_I-I為光傳輸層705a之有效帶隙，E_I-II為吸收層705b之有效帶隙，且E_II-I為量子耦合層710與第二光伏打裝置715(未繪示)之介面附近之半導體之有效帶隙。在一些情況下，能量帶隙組態可為E_I-I>E_I-II>E_II-I。參考圖7C，吸收層705b可包含單層或多層半導體量子井725，半導體量子井725之帶隙(E_I-II)大於或等於量子耦合層710與第二光伏打裝置715(未繪示)之介面附近之半導體材料之帶隙(E_II-I)。在一些情況下，E_I-II可大於E_II-I。在一實施例中，量子井可由夾置在輸送層之材料及/或量子(或電荷)耦合層之材料之間的一半導體層形成。參考圖7D，吸收層705b可包含單層或多層半導體量子點730。在一實施例中，量子點730可安置在單層或多層量子井及/或半導體層上。該吸收層之帶隙(E_I-II)可大於或等於量子耦合層710與第二光伏打裝置715(未繪示)之介面附近之半導體材料之帶隙(E_II-I)。在一些情況下，E_I-II可大於E_II-I。在另一實施例中，量子點730可由嵌入輸送層705a之材料及/或量子耦合層710之材料中之半導體顆粒形成。

在一實施例中，第一PV裝置705包含一層量子點材料。該等量子點可安置在吸收層705b中。在另一實施例中，第一PV裝置705包含一層量子井材料。該等量子井可安置在吸收層705b中。量子點及量子井材料可包含IV、IV-IV、III-V、II-VI、III-VI族半導體。

在一實施例中，提供一種電池，該電池具有與一量子耦 合層(QCL)相鄰之一第一光伏打(PV)裝置及與QCL相鄰之一第二PV裝置，該第一PV裝置包括染料(或含有染料之)材料(「染料」)。該染料之激發電位可大於約0 eV、或者大於或等於約0.1 eV、或0.2 eV、或0.5 eV、或0.6 eV、或1 eV、或2 eV。在一些情況下，該染料之激發電位可大於約1.1 eV、或在約1.2 eV與3 eV之間。該染料發射可見光譜之綠色或紅色部分中之光。

參考圖8A，提供根據本發明之一實施例之一光伏打電池800，光伏打電池800具有與一量子耦合層(QCL)810相鄰之一第一光伏打裝置(裝置I)805及與QCL 810相鄰之一第二光伏打裝置(裝置II)815。第一光伏打裝置805可包含由用於將光引導至一吸收層805b之材料形成之一光傳輸層805a，該吸收層由用於在暴露於光時產生電荷(例如，電子及電洞)之材料形成。在一實施例中，該吸收層可包含染料(或含有染料之)材料。該染料(或含有染料之)材料可包含光子吸收材料。參考圖8B，吸收層805b可包含單層或多層染料。在一實施例中，該等染料可直接形成在耦合層810上。在另一實施例中，染料820可形成在耦合層810上之一半導體層825上或被吸收在半導體層825中。參考圖8C，吸收層805b可包含具有染料(或含有染料之)材料之單層或多層量子點830。在一實施例中，量子點830可直接形成在耦合層810上。在另一實施例中，量子點830可形成在該耦合層上之一半導體層835上。在一實施例中，該等量子點為含有染料之量子點。此等量子點可由一或多種染料 形成，該一或多種染料嵌入輸送層805a、半導體層825及/或耦合層810或輸送層805a及耦合層810中。

參考圖8A至圖8C，吸收層805b之有效帶隙(E_I-II)或電離電位可大於或等於第二PV裝置815之有效帶隙(或電離電位)及QCL 810與第二PV裝置815之一介面處之有效帶隙(E_II-I)或電離電位。在一些情況下，E_I-II可大於E_II-I。此可允許入射在模組800上之光之一部分被吸收層805吸收，藉此產生電荷(例如，電子及電洞)，且入射在電池800上之光之一剩餘部分經傳輸通過QCL 810至第二PV裝置815以產生額外電荷(例如，電子及電洞)。

在實施例中，一光伏打(「PV」)電池可包含被一量子耦合層(QCL)分開之複數個PV裝置。該等光伏打裝置及QCL可包含一或多個三維結構以增大PV電池之有效表面積，其可增大用於吸收光及產生電荷(例如，電子及電洞)之有效面積。該模組之一或多個光伏打裝置及QCL可包含V形溝槽(本文亦稱作V-溝槽)。包含該等PV裝置及該QCL之電池之一或多個結構可包含該等結構之塊體、表面或介面中之奈米結構。

參考圖9A，繪示根據本發明之一實施例之一光伏打電池900，光伏打電池900包括一第一PV裝置905、QCL 910及第二PV裝置915。第一PV裝置905、QCL 910及第二PV裝置915包含三維結構。該等三維結構可增大用於吸收光及產生電荷(例如，電子及電洞)之有效表面積。PV模組900經組態以在第一PV裝置905中接受光(hv)。

繼續參考圖9A，第一PV裝置905包含一第一層(層I-I)905a及第二層(層I-II)905b。第一層905a包含用於將光傳輸至第二層905b之材料。在一實施例中，第一層905a由透明或半透明材料形成。第一層905a可由半透明半導體(或含有半導體之)或半絕緣體材料形成、或透明半導體(或含有半導體之)或半絕緣體材料形成。第二層905b包含用於吸收光子以產生電荷(例如，電子、電洞)之材料。第二層905b可由半導體或含有半導體之材料形成。在一些實施例中，第一層905a之性質(例如，厚度、組分)可與圖2之第一層205a之性質相似或相同，且第二層905b之性質可與第二層205b之性質相似或相同。

繼續參考圖9A，第二PV裝置915可包含一第一接面920、一第二接面925或兩者。第一接面920及第二接面925之各者可為一n-p或p-n接面。接面920及接面925可形成為平面形或三維接面、或一鈍化射極及背面電池(PERC)、鈍化射極背面局部擴散電池(PERL)或串接面電池。

第二光伏打裝置915可包含一第一層926、第二層927及第三層928。在一些情況下，第一層926可由n型(即，摻雜n型)半導體材料形成，且第二層927由p型(即，摻雜p型)半導體材料形成，且第三層928由n型半導體材料形成。在此一情況下，第一接面920為(如自上而下定義之)一n-p接面且第二接面925為一p-n接面。或者，第一層926可由p型半導體材料形成，第二層927由n型半導體材料形成，且第三層928由p型半導體材料形成。在此一情況下，第一接面 920為一p-n接面且第二接面925為一n-p接面。

繼續參考圖9A，在一實施例中，PV電池900可包含第一PV裝置905上方之一抗反射層。該抗反射層經組態以防止光自PV電池900反射出或最小化自PV電池900反射出之光。該抗反射塗層可由介電抗反射塗層(DARC)材料形成。在另一實施例中，該抗反射塗層可由氮化物(舉例而言，諸如富含矽之氮氧化矽)形成。在另一實施例中，該PV電池可包含第二PV裝置915下方之一層反射材料。該層反射材料可經組態以將傳遞通過第二PV裝置915之光反射回至第二PV裝置915、QCL 910及第一PV裝置905。該層反射材料可由氧化矽(即，SiO_x，其中「x」係大於零之一數目)、氮氧化矽、氮化矽或氧化鈦(即，TiO_x，其中「x」係大於零之一數目)形成。

第一層905a之厚度可大於一單分子層。第一層905a之厚度可在約100奈米(「nm」)與10微米(「μm」)之間。在一些情況下，第一層905a之厚度可大於或等於約1 nm、或2 nm、或5 nm、或10 nm、或20 nm、或50 nm、或100 nm、或200 nm、或500 nm、或1000 nm、或2000 nm、或5000 nm、或10,000 nm。在其他情況下，第一層905a之厚度可在約1 nm與1000 nm之間、或在約5 nm與500 nm之間、或在約10 nm與200 nm之間。

第二層905b之厚度可大於一單分子層。第二層905b之厚度可在約100 nm與500 nm之間。在一些情況下，第二層905b之厚度可大於或等於約1 nm、或2 nm、或5 nm、或10 nm、或20 nm、或50 nm、或100 nm、或200 nm、或500 nm、或1000 nm、或2000 nm、或5000 nm、或10,000 nm。在一些情況下，第二層905b之厚度可在約1 nm與1000 nm之間、或在約5 nm與500 nm之間、或在約10 nm與200 nm之間。

QCL 910之厚度可大於一單分子層。在一些情況下，QCL 910之厚度可大於或等於約1 nm、或2 nm、或3 nm、或4 nm、或5 nm、或6 nm、或7 nm、或8 nm、或9 nm、或10 nm、或20 nm、或30 nm、或40 nm、或50 nm、或100 nm。可根據需要選擇QCL 910之厚度以提供一帶隙。在一些情況下，QCL 910之厚度可在約1 nm與100 nm之間、或在約1.5 nm與50 nm之間、或在約2 nm與10 nm之間。

第二光伏打裝置915之厚度可大於1單分子層。第二PV裝置915之厚度可大於或等於約1 nm、或2 nm、或5 nm、或10 nm、或20 nm、或50 nm、或100 nm、或200 nm、或500 nm、或1000 nm、或2000 nm、或5000 nm、或10,000 nm、或20 μm、或100 μm、或200 μm、或500 μm。

在一些情況下，第二PV裝置915之厚度可在約10 nm與100 μm之間。在其他情況下，第二PV裝置915之厚度可大於約Y乘以德拜長度(D)之數目乘以跨第二光伏打裝置915之電路徑之n-p或p-n接面之數目(N)，即，Y x D x N(「x」指定乘法算子)，其中「Y」為大於或等於0之一數目。在一實施例中，第二光伏打裝置915之厚度大於或等於約0.5 x D x N、或者大於或等於約1 x D x N、或者大於或等於 約2 x D x N、或者大於或等於約3 x D x N、或者大於或等於約4 x D x N、或者大於或等於約5 x D x N、或者大於或等於約6 x D x N、或者大於或等於約7 x D x N、或者大於或等於約8 x D x N、或者大於或等於約9 x D x N、或者大於或等於約10 x D x N、或者大於或等於約100 x D x N、或者大於或等於約1000 x D x N。

圖9A之PV模組900可為轉化成三維(「3D」)結構之圖2之平面概念之一圖解說明。該3D結構可增大用於第一PV裝置905及第二PV裝置915之光吸收及電子產生之有效面積。即，該3D結構可增大用於光吸收之有效面積，其可提供改良型太陽能電池效率。

參考圖9B，繪示根據本發明之一實施例之包括一V-溝槽之3D結構之一橫截面側視圖。各溝槽929可具有一寬度(「W」)及深度(「d」)。可調整寬度深度比(W/d)以最佳化光子吸收同時保持QCL 910上之電場小於QCL 910之崩潰強度。在一些情況下，W可在約0.1 μm與100 μm之間。在其他情況下，W可大於或等於約1 nm、或10 nm、或100 nm、或1000 nm、或2 μm、或5 μm、或10 μm、或100 μm、或500 μm，且d可在約0.1 μm與100 μm之間。在其他情況下，W及d可大於或等於約1 nm、或10 nm、或100 nm、或1000 nm、或2 μm、或5 μm、或10 μm、或100 μm、或500 μm。在一些情況下，W可大於或等於約1單分子層(ML)。在其他情況下，W及d可大於或等於約1 ML。

參考圖9C，繪示根據本發明之一實施例之具有線930之 3D結構之一橫截面側視圖。可由根據本發明之一實施例之具有一寬度(「W」)及高度或深度(「d」)之突部931界定該等線。各線之寬度可短於該線之一長度(沿著正交於頁面之平面之一軸)。可調整寬度深度比(W/d)以最佳化光子吸收同時保持QCL 910上之電場小於QCL 910之崩潰強度。在一些情況下，W可在約0.1 μm與100 μm之間。在其他情況下，W可大於或等於約1 nm、或10 nm、或100 nm、或1000 nm、或2 μm、或5 μm、或10 μm、或100 μm、或500 μm，且d可在約0.1 μm與100 μm之間。在其他情況下，W及d可大於或等於約1 nm、或10 nm、或100 nm、或1000 nm、或2 μm、或5 μm、或10 μm、或100 μm、或500 μm。在一些情況下，W可大於或等於約1單分子層(ML)。在其他情況下，W及d可大於或等於約1 ML。該W/d比可最佳化用於最大光子吸收。可最佳化該深度以保持QCL 910上之電場小於QCL 910之崩潰強度(或電壓)。在一些實施例中，該3D結構可包含導孔。在其他實施例中，該3D結構可包含線及導孔。

參考圖9D，繪示根據本發明之一實施例之包括複數個圓柱形或橢圓形結構932之3D結構之一橫截面側視圖。該結構可包含具有直徑(「d」)及高度(「H」)之單個結構，且單個結構932被間距(「W」)隔開。在一實施例中，結構932之長度(沿著正交於頁面之平面之一軸)可與結構932之直徑相同或實質上相似。在一實施例中，結構932為桿或桿形結構。在另一實施例中，結構932為圓柱形桿。在另 一實施例中，結構932為具有大體呈橢圓形之橫截面之橢圓形桿。在另一實施例中，結構932為盒狀或為矩形形狀(或橫截面)。直徑、高度及間隔可最佳化用於最大光子吸收。可最佳化高度以保持耦合層上之電場小於耦合絕緣體之崩潰強度(或電壓)。直徑可在約0.1 μm與100 μm之間；寬度可在約0.1 μm與100 μm之間；且高度可在約0.1 μm與100 μm之間。或者，直徑可大於或等於1 nm、或10 nm、或100 nm、或1000 nm、或2 μm、或5 μm、或10 μm、或100 μm、或500 μm；寬度可大於或等於約1 nm、或10 nm、或100 nm、或1000 nm、或2 μm、或5 μm、或10 μm、或100 μm、或500 μm；且高度可大於或等於約1 nm、或10 nm、或100 nm、或1000 nm、或2 μm、或5 μm、或10 μm、或100 μm、或500 μm。作為另一替代，直徑可大於或等於1 ML，寬度可大於或等於1 ML；且高度可大於或等於1 ML。可藉由各種方法(諸如在Sant等人(「MULTIPLE SPACER STEPS FOR PITCH MULTIPLICATION」)之美國專利第7,560,390號中所述之方法，其全文以引用的方式併入本文中)而形成圖9D之結構。吸收層(205b、705b、805b、905b、1025b、1105b)可具有厚度及規格與層110、210、310、410、510、610、710、810、910、1020、1110相似之一或多個電荷耦合層。

參考圖9E，繪示根據本發明之一實施例之包括一隨機粗糙表面之一3D結構。該隨機粗糙表面可包含一波紋表面。 該波紋表面可包含多個特徵，諸如由自組裝結構或多孔材料形成之凹坑及凹槽。在一實施例中，此等特徵可提供增強型光子吸收且保持QCL 910上之電場小於QCL 910之崩潰強度(或電壓)。

在一實施例中，可經由蝕刻而在模組900之一或多層中或上形成3D結構。例如，可藉由借助於一遮罩蝕刻(例如，各向異性蝕刻)而形成圖9D之結構。在另一實施例中，可藉由沈積(諸如化學汽相沈積(CVD)、原子層沈積(ALD)、實體層沈積、分子束磊晶法(MBE)、數位CVD、電漿增強型CVD、電漿增強型ALD)或選擇性生長(舉例而言，諸如磊晶、熱氧化或陽極氧化)而在模組900之一或多層中或上形成3D結構。

本文所提供之光伏打裝置可與前或後照明模組或者光伏打電池自光伏打模組之相對側或所有側接收光之模組一起使用。例如，一前後側PV模組可自該PV模組之一前側及後側接收光。作為另一實例，一PV模組可經組態以自該PV模組(及其中之PV電池)之相對側接收光。

圖10A繪示根據本發明之一實施例之用於自太陽能電池模組之一前側及後側接收光之一太陽能電池。參考圖10A，一PV電池1000可包含一第一光伏打裝置(「裝置I」)1005、與裝置I 1005相鄰之一第一量子耦合層(QCL)(或電荷耦合層)1010、與第一QCL 1010相鄰之一第二光伏打裝置(「裝置II」)1015、與裝置II 1015相鄰之一第二QCL(或電荷耦合層)1020及與第二QCL 1020相鄰之一 第三光伏打裝置1025。量子耦合層1010及1020用於將裝置I 1005與裝置III 1025之間的電荷耦合至裝置II 1015。在一些情況下，裝置I 1005及裝置III 1025可為相同的光伏打裝置(即，裝置I及裝置III可具有相同的材料性質，包含能帶隙)。或者，裝置I 1005及裝置III 1025可為不同的光伏打裝置。在此一情況下，裝置I及裝置III可具有不同的材料性質。

在一些情況下，第一QCL 1010及第二QCL 1020可為相同的QCL且具有相似或相同的材料性質。在其他情況下，第一QCL 1010及第二QCL 1020可為不同的QCL且因此具有不同的材料性質。

在圖10A之所圖解說明之實施例中，PV電池1000可經組態以自電池1000之相對側接受光子。在此一情況下，光子通過裝置I 1005及裝置III 1025之一者或兩者進入電池1000，並在裝置I 1005及裝置III 1025中產生電荷。裝置I-第一QCL-裝置II及裝置III-第二QCL-裝置II之各者可如上述般起作用(見例如圖1)。

參考圖10B，在一替代實施例中，PV電池1000之第一光伏打裝置1005及第三光伏打裝置1025之各者可包含一輸送層(層I-I)及一吸收層(層I-II)。即，第一光伏打裝置1005及第三光伏打裝置1025可具有相同的輸送層及吸收層。或者，第一光伏打裝置1005及第三光伏打裝置1025可具有不同的輸送層及吸收層。即，第三光伏打裝置1025可包含不同於層I-I之一輸送層(層III-I)及不同於層I-II之一吸收層 (層III-II)。

裝置I 1005可包含一輸送層1005a及一吸收層1005b，且裝置III 1025可包含一輸送層1025a及一吸收層1025b。即使該等輸送層及吸收層與本文所述之其他輸送層及吸收層不完全相同，也應該是相似的。

輸送層1005a及1025a及吸收層1005b及1025b可為分開的層或混雜層(例如，輸送層1005a可混雜有吸收層1005b)。裝置I及裝置III可具有與圖1之裝置105相似或相同的電性質。或者，層1005a及1025a可與圖2之層205a、圖7A之層705a或圖8A之層805a相似或相同；且層1005b及1025b可與圖2之層205b、圖7A之層705b或圖8A之層805b相似或相同。QCL 1010及1020可與圖1之QCL 110、圖2之QCL 210、圖7A之QCL 710、圖8A之QCL 810相似或相同。電池1000可具有一或多個量子耦合層。在一些情況下，電池1000可具有多個量子耦合層。

電池1000之一或多側可具有3D結構。例如，電池1000之所有側、三側或兩側可具有3D結構。在一些情況下，電池1000之單個裝置及層可與下文在圖9之背景下所述之裝置及層相似或相同。例如，層1005a及1025a可與圖9之層905a相似或相同；層1005b及1025b可與層905b相似或相同；QCL 1010及QCL 1020可與QCL 910相似或相同；且裝置II 1015可與第二PV裝置915相似或相同。電池1000可具有一或多個量子耦合層。在一些情況下，電池1000可具有多個量子耦合層。

參考圖10A及圖10B，光自裝置之相對側(諸如前側及後側或左側及右側)進入該電池1000。光可產生電子且保持在第一光伏打裝置1005中。在第一光伏打裝置1005中所產生之電洞可為量子，該量子被來自與量子耦合層1015相鄰之第二光伏打裝置1010之電子力學淬滅。在一些情況下，未被第一光伏打裝置1005吸收之任何光可傳遞通過量子耦合層1015且被第二光伏打裝置1010吸收，在該情況下可在第二光伏打裝置1010中產生電子及電洞。

層1005a、1005b、1010、1020、1025a及1025b之一或多者亦可充當抗反射層，其可改良電池1000之效率。一或多個額外的抗反射(例如，DARC)塗層可提供在電池1000之一側或兩側上(舉例而言，諸如在層1005a上方及在1025a下方)，使得光在進入電池1000前首先傳遞通過額外的抗反射塗層。

在一些情況下，可藉由首先在裝置II 1015周圍形成QCL 1010及1020，隨後，在QCL 1010及1020上同時形成裝置I 1005及裝置III 1025，或者形成裝置11005後再形成裝置III 1025，或形成裝置III 1025後再形成裝置III 1005，而形成電池1000。

電池1000可包含電池1000之前表面及後表面處之電極。前電極及背電極可分別與電池1000之前表面及後表面電連通。在一些情況下，電池1000可包含在第二光伏打裝置1015中且與第一光伏打裝置1005電連通之一導電、金屬或含有金屬、或重摻雜半導體電極。

電荷耦合之電池中之光伏打裝置及電荷耦合層(圖10A及圖10B)可電浮動或彼此串聯或並聯地連接。在一些情況下，光伏打電池(諸如圖10A及圖10B之電池)可彼此電耦合成一並聯或串聯組態以形成光伏打模組。此可提供該等模組之所要(或預定)電壓輸出及/或容量。

在一替代實施例中，一光伏打電池可包含與一量子耦合層(「QCL」)相鄰之一光伏打裝置及與QCL相鄰之一導電層。在一些情況下，該導電層可包含一或多個金屬層。參考圖11a，一光伏打電池1100可包括根據本發明之一實施例之一光伏打(「PV」)裝置1105、一QCL 1110及一導電層1115。導電層1115可包含一或多種金屬。在一實施例中，導電層1115包含金屬合金。在另一實施例中，導電層1115可包含一或多種金屬，諸如鋁、鈦、鉭、釕、鋯、釩、鉻、鎢之一或多者。在另一實施例中，導電層1115可包含金屬氧化物(諸如氧化鋁)、導電陶瓷或導電金屬氧化物(例如，氧化銦錫、氧化鋅)或導電聚合物。在另一實施例中，裝置II可由重摻雜半導體(例如，n+、p+矽)、導電金屬氧化物及/或導電聚合物製成。

繼續參考圖11A，PV電池1000之第一PV裝置1105包含一輸送層(層I-I)1105a及一吸收層(層I-II)1105b。輸送層1105a經組態以將光子傳輸至吸收層1105b。在一實施例中，輸送層1105a將不會在暴露於光時產生電荷(例如，電子及電洞)。該吸收層經組態以在暴露於光時產生電荷。在一實施例中，輸送層1105a可能產生比吸收層1105b更少 的電荷。

繼續參考圖11A，輸送層1105a可由半導體(n型、p型或本徵)或半絕緣體材料形成。在一實施例中，輸送層1105a由鈦之氧化物、鈦合金之氧化物(諸如TiO_x，其中「x」為在1與2之間或在1.5與2之間的一數目)形成。在另一實施例中，輸送層1105a可由透明或半透明氧化物(諸如透明或半透明金屬氧化物)形成。吸收層1105b為一光子吸收層。吸收層1105b可由一或多種染料、量子點或量子井、含有量子點之染料、半導體材料形成。該半導體材料可包含一n-p或p-n接面。在另一實施例中，吸收層1105b可由一或多個量子井形成。該吸收層可形成在QCL 1110上或在QCL 1110上所形成之一半導體層(未繪示)上。或者，吸收層1105b可包含形成在半導體、半絕緣或絕緣材料中之一或多種染料。

吸收層1105b可包含多層染料以吸收能量大於0 eV或大於約0.6 eV之光子。任何未吸收之光子可被導電(例如，金屬)層1115反射。反射之光子可接著被吸收層1105b吸收以對PV電池1000之作用電流/功率作出貢獻。導電層1115亦可形成為3D組態(見圖9)以增大光子吸收且增大PV模組1000之作用功率。

在使用期間，光子可經傳輸且被光伏打裝置I吸收，並接著經傳輸通過量子耦合絕緣體至裝置II。裝置I可由兩層(層I-I及層I-II)形成。層I-I可為具有帶隙E_I-I之半導體。層I-II可為一層有效帶隙(或激發電位)E_I-II。一量子耦合層可 將裝置I與裝置II分開。在該耦合層與裝置II之間的一介面處，裝置II可具有有效帶隙E_I-I E_I-II E_II-I。該量子耦合絕緣體之帶隙可大於E_I-I。在一些情況下，該量子耦合絕緣體之帶隙可大於或等於E_I-I。

吸收層1105b可具有規格與層110、210、310、410、510、610、710、810、910、1010、1020及/或1110相似的一或多個電荷耦合層。在一些情況下，裝置II可為一導電(例如，金屬)層，且裝置I、裝置II、裝置III及該等電荷耦合層可係三維的。1維或3維電池中之吸收層可具有規格與層110、210、310、410、510、610、710、810、910、1010、1020及/或1110相似的一或多個電荷耦合層。

光子可撞擊層I-I且傳輸(或傳遞)通過層I-I至層I-II，其中吸收高能光子以產生電子及電洞(或正電荷)。未吸收之光子可經傳輸通過耦合層至裝置II，其中吸收該等未吸收之光子以產生電子及電洞。量子耦合層(經由穿隧通過絕緣體)將來自裝置II之電子耦合至層I-II中之電洞(或固定電荷)。

本文所提供之光伏打太陽能電池(諸如一維(例如，圖2)電池或三維(圖9A)電池之任何者)可包含抗反射塗層。例如，自上而下具有一第一PV裝置、QCL及第二PV裝置之一PV電池可在該第一PV裝置上、在該第一PV裝置與QCL之間、在QCL與該第二PV裝置之間包含一抗反射塗層或此等組態之一組合。作為另一實例，自上而下具有一PV裝置、QCL及金屬層之一PV電池可在該PV裝置與QCL之 間、在QCL與該金屬層之間包含一抗反射塗層或兩者。在一些情況下，一抗反射塗層可包含介電抗反射塗層材料。在一些情況下，一前後照明電池之裝置II可包含導電材料。

裝置I、裝置II、裝置III及一QCL可彼此電連接成串聯或並聯模式。複數個PV電池(諸如本文所提供之任何PV電池)可彼此電耦合以形成PV模組。例如，複數個PV電池可串聯或並聯連接以形成PV模組。串聯或並聯連接性可提供所要功率輸出或容量。例如，並聯連接性可提供所要能量密度。作為另一實例，串聯連接性可提供所要電位輸出。

用於形成光伏打太陽能電池模組及裝置之方法

在本發明之另一態樣中，提供用於形成一光伏打(「PV」)太陽能電池之方法，該太陽能電池包含一第一光伏打裝置、與該第一光伏打裝置相鄰之一電荷耦合層及與該電荷耦合層相鄰之一第二光伏打裝置。可使用該等方法以形成本文所述之PV電池之任何者，諸如圖1至圖11之PV電池之任何者。

用於形成一光伏打電池之方法可包含形成一第一光伏打裝置，在該第一光伏打裝置上形成一電荷耦合層(形成一電荷耦合層使之與該第一光伏打裝置相鄰)，及在該電荷耦合層上形成一第二光伏打裝置。該第一光伏打裝置可為一單接面光伏打裝置。

第一光伏打裝置及第二光伏打裝置包含一或多個半導體或半絕緣體(例如，可載送一電流之電絕緣體)。該第一光 伏打裝置及該第二光伏打裝置可包含IV族材料(其具有碳、矽及鍺之一或多者)，或III-V族半導體(其具有選自鋁、鎵、銦、氮、磷、砷之材料(舉例而言，諸如磷化鋁、砷化鋁、砷化鎵、氮化鎵))。

第二PV裝置包含一輸送層及一吸收層。該輸送層經組態以將光子引導至該吸收層。該吸收層經組態以在與光子互動時產生電荷(例如，電子、電洞)。

第一PV裝置之厚度可大于1或2或3德拜長度(德拜半徑)乘以跨該光伏打裝置之電路徑之n-p及/或p-n接面之數目(見上文)。在一些情況下，該第一PV裝置之厚度可大於或等於約1單分子層(ML)、或2 ML、或3 ML、或4 ML、或5 ML、或6 ML、或7 ML、或8 ML、或9 ML、或10 ML、或20 ML、或30 ML、或40 ML、或50 ML、或100 ML、或200 ML、或300 ML、或400 ML、或500 ML、或1000 ML。可藉由提供一基板且在該基板上形成一層含有半導體之材料而形成該第一PV裝置。該基板可為一含有金屬之層(諸如一金屬電極)或一含有半導體之層(諸如石英或矽石基板)。在一些情況下，在形成該第一PV裝置前在該基板上形成一層反射材料。可經由沈積(舉例而言，諸如CVD、ALD、電漿增強型CVD、電漿增強型ALD)或選擇性生長(舉例而言，諸如磊晶(例如，MBE)、熱氧化或陽極氧化)而在一基板或電極上形成該第一PV裝置。沈積可借助於具有所要物種之汽相化學物(舉例而言，諸如用於一具有矽之PV裝置之SiH₄)而進行。在另一實施例中，該第一 PV裝置由一矽基板形成。該矽基板可係本徵的或摻雜p型或n型。該PV裝置可具有小於該PV裝置之簡並性之p型或n型摻雜物之濃度。若使用一本徵矽基板，則該矽基板可隨後經由例如擴散或離子植入而用n型或p型化學摻雜物(「摻雜物」)摻雜。擴散或離子植入可與熱退火組合以提供一所要摻雜物濃度分佈。對於一單接面光伏打裝置，該矽基板之厚度可大於約3德拜長度。該光伏打裝置之厚度可大於約1單分子層。在一些情況下，該PV裝置之厚度可在約1 nm與200 μm之間。

若需一n-p接面，則一摻雜n型半導體基板可摻雜有p型摻雜物。在另一實施例中，若需一p-n接面，則一摻雜p型半導體基板可摻雜有n型摻雜物。N型摻雜可借助於氮(N)、磷(P)或砷(As)而達成。在另一實施例中，p型摻雜可借助於硼(B)或鋁(Al)而達成。對於III-V族半導體，n型摻雜可借助於硒、碲、矽或鍺而達成，且p型摻雜可借助於鈹、鋅、鎘、矽或鍺而達成。在一些情況下，n型摻雜可借助於可將n型摻雜物沈積在半導體上之化學物或材料而達成，且p型摻雜可借助於可將p型摻雜物沈積在半導體上之化學物或材料而達成。

接著，矽基板可經蝕刻以形成一所要平面或3D結構。在一實施例中，該矽基板可經蝕刻以形成一V-溝槽。在另一實施例中，一單晶矽基板(諸如<100>矽(或Si(100)))經蝕刻以形成一V-溝槽。蝕刻可借助於一遮罩而完成以形成伴隨一等向性或各向異性蝕刻之一所要溝槽圖案。在一實施例 中，蝕刻可與熱退火(諸如以一預定斜率至一預定溫度之一溫度斜坡)組合。

或者，若在形成一n-p或p-n接面前蝕刻半導體基板，則在蝕刻之後，可藉由擴散或離子植入而形成一n-p或p-n接面。擴散或離子植入可能伴隨熱退火。

接著，提供電荷耦合(或「量子耦合」)層。在一實施例中，藉由在第一光伏打裝置上形成一層氧化物而在該第一光伏打裝置上提供電荷耦合層。在另一實施例中，可藉由在該第一光伏打裝置上沈積或生長熱氧化物或氮氧化物而形成具有半絕緣、絕緣或介電材料之一電荷耦合層。可藉由借助於氧化化學物或氧化材料(包含有機或無機氧化材料)而使該第一光伏打裝置之一頂部表面氧化而形成該層氧化物。在一實施例中，氧化化學物可選自O₂、O₃、NO₂、H₂O及/或H₂O₂之中性及電漿激發之物種。

可藉由一或多次加熱及冷卻循環(本文亦稱作「熱循環」)而形成絕緣層與電荷耦合層。用於絕緣體生長之此熱循環可足以激活摻雜物以形成電主動接面。在另一實施例中，在形成該絕緣層前，可經由一次加熱及冷卻循環而激活摻雜物，其可提供第一光伏打裝置中之一所要摻雜物深度-濃度分佈。

可基於穿隧模式而選擇絕緣體之厚度。或者，該絕緣體之厚度可取決於電荷耦合是否借助於量子力學穿隧(本文亦稱作「直接穿隧」)或場發射(本文亦稱作「福勒諾德漢穿隧」)而達成。在一些情況下，該電荷耦合層(或量子耦 合層)之厚度可大於約一單分子層。在其他情況下，該電荷耦合層之厚度可大於約1奈米(「nm」)、或2 nm、或3 nm、或4 nm、或5 nm、或6 nm、或7 nm、或8 nm、或9 nm、或10 nm、或20 nm、或30 nm、或40 nm、或50 nm、或100 nm。在一些實施方案中，該電荷耦合層之厚度可在約1 nm與100 nm之間、或在1.5 nm與50 nm之間、或在2 nm與10 nm之間。

接著，在第一光伏打裝置上形成電荷耦合層後，在該電荷耦合層上形成第二光伏打裝置。在一實施例中，可藉由在此項技術中已知之任何沈積技術(舉例而言，諸如CVD、ALD、電漿增強型CVD、或電漿增強型ALD)而形成該第二光伏打裝置。沈積可借助於具有所要物種之汽相化學物(舉例而言，諸如用於一具有矽之PV裝置之SiH₄)而進行。

第二PV裝置可包含一輸送層及一吸收層。在形成電荷耦合層後，提供該吸收層。在一實施例中，可藉由一沈積技術(舉例而言，諸如CVD、ALD、電漿增強型CVD、或電漿增強型ALD)而提供該吸收層。接著，在形成該吸收層後，形成該輸送層。接著，藉由退火而激活該輸送層及該吸收層。在一實施例中，藉由熱退火、微波能量(「微波」)退火及借助於氫及/或氧之電漿激發之物種之退火(「電漿退火」)而激活該輸送層及該吸收層。

接著，可在第一PV裝置及第二PV裝置上提供一抗反射層(或「塗層」)。可藉由在此項技術中已知之任何沈積技 術而提供該抗反射塗層層。在一實施例中，輸送層可作為一抗反射層。

接著，可提供前電極及背電極。在一實施例中，可經由在此項技術中已知之任何沈積或金屬化技術而提供前觸點及後觸點。

參考圖12，繪示根據本發明之一實施例之用於形成一光伏打(「PV」)電池之一方法1200。可使用方法1200以形成本文所述之PV電池之任何者(諸如圖1至圖11之PV電池之任何者)。在一第一步驟1205中，提供一基板。該基板可包含金屬、含有金屬之材料、聚合材料或含有半導體之材料，諸如矽石或石英。在一實施例中，該基板可包含單晶或多晶材料、磊晶晶圓或帶形基板、奈米線、奈米晶或薄膜。該基板可由含有半導體之材料(諸如矽)形成。

在一些實施方案中，可在基板上形成一層反射材料(經組態以將光反射至第一PV裝置及第二PV裝置)。接著，在一第二步驟1210中，在該基板上或在該層反射材料上形成一第一PV裝置(例如，圖1之PV裝置115)。可藉由在此項技術中已知之任何沈積技術(舉例而言，諸如ALD、CVD、電漿增強型ALD、電漿增強型CVD、PVD或MBE)而形成該第一PV裝置。該第一PV裝置可包含一p-n或n-p接面或複數個p-n及/或n-p接面。可藉由例如離子植入或MBE或另一沈積技術而將n型或p型摻雜物引進至該第一PV裝置中而形成該等p-n及/或n-p接面。在一些情況下，n-p及/或p-n接面之形成可伴隨退火以達成一預定摻雜物深度-濃度分佈。 在其他情況下，該第一PV裝置可經處理以形成三維結構(見例如圖9A至圖9E及隨附描述)。

接著，在步驟1215中，在第一PV裝置上形成一電荷耦合(或量子耦合)層。該電荷耦合層可包含該第一PV裝置之半導體材料。在一實施例中，藉由借助於氧化化學物而使該第一PV裝置之部分頂部氧化而形成該電荷耦合層(見上文)。在另一實施例中，借助於一沈積技術(舉例而言，諸如ALD或CVD)而形成該量子耦合層。在另一實施例中，可藉由一氧化及/或沈積過程接著退火(諸如熱退火)而形成該量子耦合層。

接著，在步驟1220中，在電荷耦合層上形成一第二PV裝置。在一實施例中，可藉由在此項技術中已知之任何沈積技術(舉例而言，諸如ALD或CVD)而形成該第二PV裝置。在另一實施例中，藉由首先在該電荷耦合層上形成一層含有半導體之材料且隨後在該層含有半導體之材料中形成一或多個p-n及/或n-p接面而形成該第二PV裝置。

第二PV裝置可包含一光傳輸層、一吸收層及一電子輸送層之一或多者。接著，在步驟1225中，在形成電荷耦合層後，可藉由首先提供一吸收層而形成該第二PV裝置。該吸收層可由含有半導體之材料形成。在一些情況下，該吸收層可經處理以包含一或多個p-n及/或n-p接面，諸如一n-p或p-n接面。接著，在步驟1230中，在該吸收層上形成一傳輸層。該傳輸層可由透明或半透明材料形成。在一些情況下，該傳輸層可由不與光明顯互動以產生電荷(例如， 電子、電洞)之材料形成。該傳輸層可由本徵(或未摻雜)或摻雜(n型或p型)半導體材料形成。在一些情況下，該傳輸層可為將一預定能量或能量範圍之光子引導至該吸收層之一輸送層，該吸收層吸收一預定能量或能量範圍之光子以產生電子-電洞對(或電)。

接著，可在第一PV裝置及第二PV裝置之一者或兩者上形成一層抗反射材料。在一實施例中，該層抗反射材料可由DARC材料形成。

本揭示內容中之方法及結構可在其他電子裝置、光電裝置，或磁電應用中使用。舉例而言，本文所述之裝置層可在發光裝置中使用。

本發明之電子耦合層及裝置可整合至電光裝置、單元、陣列及系統，諸如例如發光裝置及液晶顯示器中(或與其整合在一起)。此等電子耦合層及裝置可與其他輻射感測及/或成像裝置、單元、陣列及系統整合在一起。

本文所提供之包含電池及模組之裝置及方法可與其他裝置及方法組合或藉由該等其他裝置及方法而修改。例如，本文所提供之裝置及/或方法可與在以下美國專利中所揭示之裝置及/或方法組合或藉由該等裝置及/或方法而修改：Holscher(「USE OF DARC AND BARC IN FLASH MEMORY PROCESSING」)之美國專利第6,423,474號、Sant等人(「MULTIPLE SPACER STEPS FOR PITCH MULTIPLICATION」)之美國專利第7,560,390號及Wells(「METHODS FOR FORMING ARRAYS OF SMALL, CLOSELY SPACED FEATURES」)之美國專利第7,572,572號，其等之全文以引用的方式併入本文中。作為另一實例，本文所提供之裝置及/或方法可與以下文獻之教示組合或藉由該等教示而修改：Green等人「Solar Cell Efficiency Tables」,Progress in Photovoltaics Research and Applications,V17,p 85(2009)；M.A.Green「The path to 25% Silicon Solar Cell Efficiency」,Progress in Photovoltaics Research and Applications,V17,p 183(2009)；Yoon等人「Ultra-thin silicon solar micro cells」,Nature Materials,V7,p 909(2008)；Kelzenberg等人「Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications」,Nature Materials,V9,p239(2010)；King等人「40% Efficient Metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multi-junction solar cells」,Applied Physics Letters,V90,p 183516(2007)；B.O'Regan及M.A.Gratzel「A high efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal TiO₂ films」,Nature 353,p 737(1991)；Bai等人「High performance dye-sensitized solar cells based on solvent-free electrolytes produced from eutectic melts」,Nature Materials,V7,p 626(2008)；Cao 等人「Engineering light absorption in semiconductor nanowire devices」,Nature Materials,online publication,July 5th,2009；Fan等人「Three Dimensional nano pillar array photovoltaics on low cost and flexible substrates」, Nature Materials,p1(2009)；M.A.Green「Study of silicon quantum dot p-n and p-i-n junction devices on c-Si substrates」,Proc.of the Conference on Optoelectronics and Microelectronics Materials,p 316(2008)；Tisdale等人「Hot electron transfer from semiconductor nano crystals」,Science,V328,p 1543(2010)；以及E.Yablonovitch及G.D.Cody「Intensity enhancement in textured optical sheets for solar cells」,IEEE Trans.on Electron Devices,V29,p 300,(1982)，其等之全文以引用的方式併入本文中。

自前文應瞭解，雖然已闡釋及描述特定實施方案，但是可對其作出各種修改且本文考量該各種修改。亦不希望本發明限於在本說明書中所提供之特定實例。雖然已參考先前提及之說明書描述本發明，但是並不意指在一限制意義上解釋本文較佳實施例之描述及闡釋。此外，應瞭解本發明之所有態樣不限於本文所陳述之取決於多種條件及變數之特定描繪、組態或相對比例。熟習此項技術者將明白在本發明之實施例之形式及細節上之各種修改。因此，預想本發明亦應涵蓋任何此等修改、變動及等效物。

100‧‧‧光伏打電池

105‧‧‧第一光伏打(PV)裝置/裝置I

110‧‧‧量子耦合層(QCL)/電荷耦合層

115‧‧‧第二光伏打裝置/裝置II

120‧‧‧量子耦合層(QCL)耦合

200‧‧‧光伏打電池

205‧‧‧第一光伏打裝置

205a‧‧‧第一層/輸送層

205b‧‧‧第二層/吸收層

210‧‧‧電荷耦合層/量子耦合層(QCL)

215‧‧‧第二光伏打裝置

305a‧‧‧第一帶隙

305b‧‧‧第二帶隙

310‧‧‧電荷耦合層/帶隙

315‧‧‧第三帶隙

700‧‧‧光伏打電池

705‧‧‧第一光伏打裝置/裝置I

705a‧‧‧光傳輸層/輸送層

705b‧‧‧吸收層

710‧‧‧量子耦合層(QCL)

715‧‧‧第二光伏打裝置/裝置II

720‧‧‧半導體材料

725‧‧‧半導體量子井

730‧‧‧半導體量子點

800‧‧‧光伏打電池

805‧‧‧第一光伏打裝置/裝置I

805a‧‧‧光傳輸層/輸送層

805b‧‧‧吸收層

810‧‧‧量子耦合層(QCL)

815‧‧‧第二光伏打裝置/裝置II

820‧‧‧染料

825‧‧‧半導體層

830‧‧‧量子點

835‧‧‧半導體層

900‧‧‧光伏打電池

905‧‧‧第一光伏打(PV)裝置

905a‧‧‧第一層/層I-I

905b‧‧‧第二層/層I-II

910‧‧‧量子耦合層(QCL)

915‧‧‧第二光伏打(PV)裝置

920‧‧‧第一接面

925‧‧‧第二接面

926‧‧‧第一層

927‧‧‧第二層

928‧‧‧第三層

929‧‧‧溝槽

930‧‧‧線

931‧‧‧突部

932‧‧‧圓柱形或橢圓形結構

1000‧‧‧光伏打(PV)電池

1005‧‧‧第一光伏打裝置/裝置I

1005a‧‧‧輸送層

1005b‧‧‧吸收層

1010‧‧‧第一量子耦合層(QCL)/電荷耦合層

1015‧‧‧第二光伏打裝置/裝置II

1020‧‧‧第二量子耦合層(QCL)/電荷耦合層

1025‧‧‧第三光伏打裝置/裝置III

1025a‧‧‧輸送層

1025b‧‧‧吸收層

1105‧‧‧光伏打(PV)裝置

1105a‧‧‧輸送層/層I-I

1105b‧‧‧吸收層/層I-II

1110‧‧‧量子耦合層(QCL)

1115‧‧‧導電層

圖1係根據本發明之一實施例之一光伏打(「PV」)電池之一示意橫截面側視圖，該PV電池具有被一量子耦合層(「QCL」)分開之一第一PV裝置及一第二PV裝置；圖2係根據本發明之一實施例之一PV電池之一示意橫截 面側視圖，該PV電池具有被一QCL分開之一第一PV裝置及一第二PV裝置，該第一PV裝置包含與一第二層相鄰之一第一層；圖3示意地圖解說明根據本發明之一實施例之一光伏打電池之一能帶圖，該光伏打電池具有被一QCL分開之一第一PV裝置及一第二PV裝置；圖4示意地圖解說明根據本發明之一實施例之一光伏打電池之一能帶圖，該光伏打電池具有被一QCL分開之一第一PV裝置及一第二PV裝置；圖5示意地圖解說明根據本發明之一實施例之一第一PV裝置(裝置I)之一第一層(層I-I)及第二層(層I-II)、一耦合層、及一第二PV裝置(裝置II)之障壁高度及電子親和力之一能帶圖。在該所圖解說明之實施例中，χ_I-I-II e_maxI-II χ_I-II-C χ_C-II-I，且e_maxI-II係吸收之光子之最大能量與層I-II之能帶或激發電位的差；圖6示意地圖解說明根據本發明之一實施例之電荷自一第二PV裝置(裝置II)至一第一PV裝置(裝置I)之一第二層(層I-II)之耦合之一能帶圖；圖7A至圖7D係根據本發明之各種實施例之一PV電池之示意橫截面側視圖，該PV電池具有由各種材料形成之一吸收層(層I-II)；圖8A至圖8C係根據本發明之各種實施例之一PV電池之示意橫截面側視圖，該PV電池具有由各種材料形成之一吸收層(層I-II)； 圖9A至圖9E係根據本發明之一實施例之具有三維結構之一PV電池之示意橫截面側視圖；圖10A及圖10B係根據本發明之各種實施例之前後照明模組之電池之示意橫截面側視圖；圖11A係根據本發明之一實施例之一PV電池之示意橫截面側視圖，該PV電池具有與一QCL相鄰之一PV裝置及與QCL相鄰之一金屬層，圖11B係根據本發明之一實施例之圖11A之PV電池之一能帶圖；及圖12繪示根據本發明之一實施例之用於形成一PV模組之一方法，該PV模組具有一第一PV裝置、電荷耦合層及第二PV裝置。該PV電池經組態以最初自該第二PV裝置之方向上接收光。

100‧‧‧光伏打電池

105‧‧‧第一光伏打(PV)裝置/裝置I

110‧‧‧量子耦合層(QCL)/電荷耦合層

115‧‧‧第二光伏打裝置/裝置II

120‧‧‧量子耦合層(QCL)耦合

Claims (58)

1. 一種光伏打電池，其包括：一第一光伏打裝置，其具有一第一能帶隙；至少一電荷耦合層，其與該第一光伏打裝置相鄰；及一第二光伏打裝置，其與該至少一電荷耦合層相鄰，該第二光伏打裝置具有一第二能帶隙。
2. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一能帶隙不同於該第二能帶隙。
3. 如請求項1之光伏打電池，其中該至少一電荷耦合層包含電絕緣、半絕緣及/或半導電材料。
4. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置及該第二光伏打裝置借助於該至少一電荷耦合層而量子力學耦合。
5. 如請求項1之光伏打電池，其中該至少一電荷耦合層之各側上之有效的電子障壁高度或電子親和力高於該第一光伏打裝置及該第二光伏打裝置中之光生電子及/或電洞之最大能量。
6. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置包含一第一層，該第一層與一第二層相鄰，該第一層具有光子傳輸及電子及/或電洞輸送材料，該第二層具有用於吸收光子並產生電之材料。
7. 如請求項1之光伏打電池，其中該至少一電荷耦合層將來自該第二光伏打裝置之電荷耦合至該第一光伏打裝置以淬滅該第一光伏打裝置中之光生固定電荷或電洞及/或 電子。
8. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置經組態以產生並輸送光載子，且該至少一電荷耦合層經組態以輸送光載子並將來自該第二光伏打裝置之電子及/或電洞量子力學耦合至該第一光伏打裝置。
9. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置包含一光傳輸層，該光傳輸層與一光吸收層相鄰，該光傳輸層由絕緣及/或半絕緣材料形成。
10. 如請求項9之光伏打電池，其中該光傳輸層經組態以將一預定能量範圍之光子傳輸至該吸收層。
11. 如請求項1之光伏打電池，其中該至少一電荷耦合層為一離子及/或雜質阻擋層。
12. 如請求項1之光伏打電池，其進一步包括一層抗反射材料，該層抗反射材料與該第一光伏打裝置相鄰。
13. 如請求項1之光伏打電池，其進一步包括一層反射材料，該層反射材料與該第二光伏打裝置相鄰。
14. 如請求項1之光伏打電池，其中該第二光伏打裝置包括一n-p接面或p-n接面之一者。
15. 如請求項14之光伏打電池，其中該第二光伏打裝置由一或多種材料形成。
16. 如請求項15之光伏打電池，其中該第二光伏打裝置包含複數種材料，該複數種材料具有相同的帶隙或不同的帶隙。
17. 如請求項14之光伏打電池，其中該第二光伏打裝置進一 步包括該n-p接面或該p-n接面之另一者。
18. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一能帶隙大於或等於該第二能帶隙。
19. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置包括半導體、半絕緣體及絕緣體之一或多者。
20. 如請求項1之光伏打電池，其中該第二光伏打裝置包括半導體及半絕緣體之一或多者。
21. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置包括量子點及量子井之一或多者。
22. 如請求項21之光伏打電池，其中該量子點及量子井嵌入半導電、半絕緣及/或絕緣材料中。
23. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置、該至少一電荷耦合層及該第二光伏打裝置之一或多者包含三維結構。
24. 如請求項23之光伏打電池，其中該等三維結構選自V形溝槽、線、導孔、桿、凹坑、凹槽、自組裝奈米結構及多孔材料。
25. 如請求項23之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置及該第二光伏打裝置用於在暴露於光時產生電荷。
26. 如請求項23之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置包含三維結構，且其中該第一光伏打裝置包含一或多個電荷耦合層。
27. 如請求項23之光伏打電池，其中該第二光伏打裝置包含三維結構，且其中該第二光伏打裝置包括一或多個半導 體及/或半絕緣體。
28. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置及該第二光伏打裝置用於在暴露於光時產生電荷。
29. 如請求項28之光伏打電池，其中該電荷包含電子及電洞。
30. 如請求項1之光伏打電池，其中該至少一電荷耦合層用於將該第二光伏打裝置中之電子耦合至該第一光伏打裝置中之電洞或正電荷。
31. 如請求項1之光伏打電池，其中該至少一電荷耦合層包含將該第二光伏打裝置中之電子耦合至該第一光伏打裝置中之電洞或正電荷之材料。
32. 如請求項1之光伏打電池，其中該至少一電荷耦合層包括將該第二光伏打裝置中之電荷耦合至該第一光伏打裝置中之電荷之材料。
33. 如請求項1之光伏打電池，其中該至少一電荷耦合層包括耦合該第一光伏打裝置中之電荷之材料。
34. 如請求項1之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置包含一或多種染料。
35. 如請求項34之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置包含一或多個電荷耦合層。
36. 如請求項34之光伏打電池，其中該一或多種染料嵌入一半導體、半絕緣或絕緣材料中。
37. 如請求項34之光伏打電池，其中該一或多種染料提供在與一層半導電材料相鄰之一層染料中，該層半導電材料 在該層染料與該至少一電荷耦合層之間。
38. 如請求項1之光伏打電池，其進一步包括：一其他電荷耦合層，其與該第二光伏打裝置相鄰；及一第三光伏打裝置，其與該其他電荷耦合層相鄰。
39. 如請求項38之光伏打電池，其中該等第一光伏打裝置及/或該第三光伏打裝置包含一或多個電荷耦合層。
40. 一種光伏打模組，其包括複數個光伏打太陽能電池、該複數個電池之單個光伏打太陽能電池如請求項1所述，其中該模組之單個光伏打太陽能電池電浮動或彼此串聯或並聯地電耦合。
41. 一種光伏打電池，其包括：一第一光伏打裝置，其具有與一光子吸收層相鄰之一光傳輸層，該光子吸收層經組態以在暴露於光子時產生電荷；及至少一量子耦合層，其與該第一光伏打裝置相鄰，該至少一量子耦合層經組態以將與該至少一量子耦合層相鄰之一導電層或第二光伏打裝置中之電荷耦合至該吸收層中之電荷。
42. 如請求項41之光伏打電池，其進一步包括一第二光伏打裝置，該第二光伏打裝置與該量子耦合層相鄰。
43. 如請求項41之光伏打電池，其進一步包括一導電層，該導電層與該至少一量子耦合層相鄰。
44. 如請求項41之光伏打電池，其中該導電層包括一或多種材料，該一或多種材料選自由金屬、導電金屬氧化物、 聚合物或高摻雜半導體組成之群組。
45. 如請求項41之光伏打電池，其進一步包括：一第三光伏打裝置，其與該第二光伏打裝置相鄰；及至少一其他量子耦合層，其在該第一光伏打裝置與該第三光伏打裝置之間。
46. 如請求項41之光伏打電池，其中該光子吸收層包含一或多種染料。
47. 如請求項45之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置、該第二光伏打裝置、該第三光伏打裝置及該至少一量子耦合層之一或多者包含三維結構。
48. 一種光伏打電池陣列，其包括：複數個光伏打電池，該複數個光伏打電池之每一個光伏打電池包括：一第一光伏打電池，其具有一第一能帶隙；至少一電荷耦合層，其與該第一光伏打裝置相鄰；及一第二及/或第三光伏打裝置，其與該至少一電荷耦合層相鄰，該第二及/或第三光伏打裝置具有一第二及/或第三能帶隙，其中該複數個光伏打電池為電浮動電池或者串聯或並聯地互聯。
49. 一種用於形成一光伏打電池之方法，其包括：形成一第一光伏打裝置使之與一電荷耦合層相鄰，該電荷耦合層形成為與一第二光伏打裝置相鄰，其中該電荷耦合層用於將該第二光伏打裝置中之電荷耦合至該第一光伏打裝置中之電荷。
50. 一種光伏打電池，其根據如請求項49之方法而形成。
51. 一種光伏打電池，其包括一電荷耦合之光伏打裝置。
52. 一種光伏打電池，其包括電荷耦合至一第二光伏打裝置之一第一光伏打裝置。
53. 一種光伏打電池，其包括電荷耦合至一導電層之一光伏打裝置。
54. 如請求項18之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置及該第二光伏打裝置之各者包含具有相同帶隙或不同帶隙的複數種材料。
55. 如請求項38之光伏打電池，其中該第一光伏打裝置、該第二光伏打裝置、該第三光伏打裝置以及該至少一電子耦合層之一或多者包含三維結構。
56. 如請求項55之光伏打電池，其中該等三維結構選自V形溝槽、線、導孔、桿、凹坑、凹槽、自組裝奈米結構及多孔材料。
57. 如請求項1或38之光伏打電池，其中該等光伏打裝置之一或多者係電浮動的或與一電光裝置、單元、陣列或系統串聯或並聯地互連。
58. 如請求項1或38之光伏打電池，其中該等光伏打裝置之一或多者係電浮動的或與一輻射電裝置、單元、陣列或系統串聯或並聯地互連。