TW201424017A - 具有高轉換效率之光伏打元件 - Google Patents

具有高轉換效率之光伏打元件 Download PDF

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Jean-Francois Guillemoles
Florian Proise
Myriam Paire
Daniel Lincot
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Abstract

根據一態樣，本發明係關於包含各包含於第一共振光譜頻帶展示電磁共振之光學奈米天線之至少一光伏打奈米電池之第一陣列，至少一光學奈米天線之橫向維度為亞波長尺寸；以及包含允許至少一部分太陽光譜被轉換為所述之第一共振光譜頻帶之光譜轉換層。

Description

具有高轉換效率之光伏打元件 【0001】
本發明係關於具有改良轉換效率之光伏打元件與其製造方法。
 【0002】
已證實太陽能電池之轉換效率隨入射光通量之強度而增加，提供因電池之電阻區中之電壓降導致之焦耳損失(Joule losses)保持少量(例如參見密瑞恩 · 派爾等人(M. Paire et al.) 於應用物理通訊2011年98卷264102頁(Appl. Phys. Letts. 98, 264102 (2011))之「於銅(銦，鎵)硒多晶薄膜上之 用於高聚光之微觀太陽能電池(Microscale solar cells for high concentration on polycrystalline Cu(In, Ga)Se2 thin films)」)。其於文章中被密瑞恩 · 派爾(M. Paire)等人證實，其可能以小直徑(從10到500微米)之電池達到高聚光比例(高至475)，聚光比例定義為進入電池中之光子之通量比上遠場中所測量到之入射通量之比例，且同時限制電阻損耗。此特別使定義為產生之電功率入射光功率之比例之轉換效率，被提升5點。入射光通量之聚光也使其為可能減少具有高生產成本之原料之消耗，生產電池所需之半導體之面積減少與聚光指數相同之指數。其對薄膜系電池特別地重要，特別是黃銅礦系電池，因為銦與碲受限的長期可用性。
【0003】
然而，太陽光可能無法毫無困難地被聚集於光伏打電池上。太陽光以直射光與散射光兩種形式到達地球於海平面，直射光(源自太陽之光線)可透過成像光學系統被聚集。為了保持效率，一天中後者必須精確地跟隨太陽的視運動。針對其部分來說，散射光(透過大氣層被散射)散失於此類成像系統中。允許散射光聚光之非成像系統存在 (例如參見蕨迫光紀等人(T. Warabisaco et al.) 於太陽能源材料與太陽能電池2001年67卷415到423頁(Solar Energy Materials and Solar Cells, 67, 415–423 (2001) ) 之 「具稜鏡陣列之固定聚光器模組( Static concentrator module with prism array )」或是羅蘭 · 魏斯頓等人( R. Winston et al.) 在2005年於 愛思唯爾學術出版社( Elsevier Academic Press )出版之「非成像光學( Nonimaging optics )」)，但是其聚光指數仍保持不太高(也就是說低於4)。
【0004】
已知種類之非成像光聚光系統的其中之一為螢光聚光器(雷那塔 · 瑞斯福德等人(R. Reisfeld et al.) 於太陽能源材料1982年49卷1頁(Solar Energy Materials, 49, 1(1982))之「用於能量轉換之螢光太陽聚光器 (Luminescent Solar Concentrators for Energy Conversion )」)。其作用為聚集大面積上之太陽光之空腔以引導太陽光往其中一(或多於一)個光伏打電池被安置之小區域。此系統有收集於所有入射角來自太陽之光之優點，以及因此從太陽光之直接與散射之部分兩者得益。因此，精確地跟隨太陽光之系統是不需要的。相對地，此系統擁有多種損耗，特別是因為波導管中之多重反射造成的損耗。因此，所獲得之聚光指數仍保持於相當低。
【0005】
金屬/絕緣體/金屬(metal/insulator/metal, MIM)型之光學奈米天線於以極小的量收集光線之方面之傑出能力已被證實。具體地，其可展現幾乎完美之吸收於共振時，與入射之角度無關，覆蓋相當寬廣的角度範圍(典型地在-70度到+70度間)且空腔體積如λ3/1000一樣小(安卓亞 · 卡托尼等人(A. Cattoni et al.) 於奈米通信2011年11卷9期3557頁(Nano Lett. 11(9)3557(2011))之「藉由軟式紫外線奈米壓印微影製造之用於生物感測之λ3/1000電漿子奈米腔(「λ3/1000 plasmonic nanocavities for biosensing fabricated by Soft UV Nanoimprint Lithography )」)。此類天線之共振特性，由於在金屬/電介質介面結合電漿模態傳播之光學空腔中之限制，意味著其光譜頻寬相對於太陽光譜之頻寬相當小(典型地其擁有少於共振波長十分之一之半高寬全寬)。專用於光伏打電池之產品之不對稱金屬/絕緣體/金屬(MIM)結構已被公告於法國專利申請第FR2959352號。其係以允許大部分太陽光譜被覆蓋之複數個共振同時存在為基礎。雖然相當有效率，但此類結構之尺寸由於需符合以給予之半導體於太陽光譜中獲得多重共振之條件而被嚴重地限制。
【0006】
本發明之一目的係為以使用例如金屬/絕緣體/金屬型之光學奈米天線聚光，製造相對於現存之光伏打元件，改良之轉換效率與消耗較少光伏打功能所需之材料之光伏打元件。
 【0007】
根據第一態樣，本發明係相關於包含至少一第一光伏打奈米電池陣列之光伏打元件，各光伏打奈米電池包含於第一共振光譜頻帶中展現電磁共振之光學奈米天線，光學奈米天線之至少一側向尺寸於尺寸上為亞波長，也就是說尺寸上小於第一共振光譜頻帶之中心波長；以及允許至少部分太陽光譜被轉換為第一共振光譜頻帶之光譜轉換層。
【0008】
根據本描述之光伏打元件以藉由光伏打元件實現入射光子之吸收之最佳化量之方式創造空間聚光器(光學奈米天線)與光譜聚光器(光譜轉換層)間之協同效應。光譜轉換層特別地允許光學奈米天線被使用於單共振電磁共振器操作模態，藉此允許於共振光譜頻帶中獲得幾乎全吸收，以及因此光伏打元件之卓越轉換效率。
【0009】
作為變體，光伏打元件包含連續第一金屬層以及各光伏打奈米電池包含第一電介質層與第二金屬層之結構多層以與連續第一金屬層形成金屬/絕緣體/金屬(MIM)型之光學奈米天線。光伏打元件之此特定組合允許金屬/絕緣體/金屬奈米天線以具有卓越能力之排列設計以集中入射光通量。
【0010】
所謂金屬/絕緣體/金屬(MIM)型結構包含第一金屬層以及第一電介質層與第二金屬層之結構多層。
【0011】
在電磁學中，電介質為用於波傳播之介質，以及特別是光傳播。傳播介質以給定之波長，藉由電介質常數被定義為折射係數之平方。在傳播介質顯示損耗(吸收)之情況中，電介質常數與折射係數變為複數。電介質材料擁有不同於其中虛部占主要部分之金屬之有主要實部之折射係數。除了於能隙上之能量光子，半導體為低損耗電介質媒介。於光學頻率，當自由電荷藉由摻雜或照光產生，半導體之電介值常數不會明顯地變化(少於千分之一)。於光學頻率，半導電性材料為電介質材料。
【0012】
於是，作為變體，金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器之電介質部分可包含適合光伏打裝置之商品之多層，例如有機、無機或混合半導體層之多層。舉例來說，半導體層之多層包含於第一共振光譜頻帶中為吸收性之半導體製成之層，以及，於用吸收性半導體製成之該層之任一側上，用摻雜半導體製成之一層或多層分別地接觸第一與第二金屬層。接觸結構第二金屬層之摻雜半導體之一層或多層有助於形成與光伏打奈米電池之電性接觸。
【0013】
作為變體，形成金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器之電介質部分之所有層被組成。或者是，僅以確保與第二金屬層電性接觸之摻雜半導體製成之一層或多層被組成。
【0014】
光伏打奈米電池可包含無機半導體，例如以砷化鎵與相關合金、磷化銦與相關合金、銦鎵砷與相關合金或銻化鎵與相關合金製成之層。光伏打奈米電池也可包含有機或混合半導體。
【0015】
作為變體，各光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線之側向尺寸小於λ0/5，此處λ0為第一共振光譜頻帶之中心波長，也就是說共振光譜頻帶中其吸收呈現最大之波長。藉由使至少一側向尺寸小於λ0/5，共振器之垂直模態被維持，同時減少正比於接合面之面積暗電流。
【0016】
作為變體，光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線採取長條形式並且以主要方向安置。至少部份光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線之第二金屬層接著可被連接以形成用於第一光伏打電池陣列之上部電性接觸。作為變體，光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線可實質地相同並且周期性地或準周期性地分布。或者是，複數長條之寬度可展現變化於短於波長之準周期中，例如使用階梯或斜面之形式，以擴大光譜響應而因此最佳地匹配共振器之吸收範圍於光譜轉換器之發射範圍。或者是，光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線可有焊墊形式(例如方形)並安置於兩主要方向中。元件可接著進一步包含於焊墊間之電性絕緣與透明封裝層，以及接觸至少部分光學奈米天線之第二金屬層之透明導電層以形成用於第一光伏打奈米電池陣列之上部接觸。
【0017】
作為變體，光譜轉換層包含承載於固體或液體基質中之一或多個光譜轉換材料。舉例來說，光譜轉換材料包含螢光或磷光分子或者是量子點。基質之性質可根據其厚度被選擇，例如有機聚合物可被使用於毫米尺寸厚度而光阻可被使用於微米尺寸厚度。
【0018】
作為變體，光譜轉換層包含至少兩個光譜轉換材料，包含第一材料之有效發射光譜之第二吸收材料之吸收光譜，以及至少部分地重疊第一共振光譜頻帶之第二材料之有效發射光譜。光譜轉換材料之此類排列使光伏打元件之「串級(cascade)」操作能夠實現，使於太陽光譜之較廣範圍中所發射之光子能以單一種類之光學奈米天線吸收。
【0019】
作為變體，光伏打元件包含各包含擁有第一共振光譜頻帶之光學奈米天線之第一光伏打奈米電池之至少一第一陣列，以及各擁有第二共振光譜頻帶之光學奈米天線之光伏打奈米電池之第二陣列。
【0020】
在此情況中，光譜轉換層可包含允許至少部分太陽光譜被轉換到第一與第二共振光譜頻帶之光譜轉換材料。換句話說，使用兩種種類之光奈米天線吸收藉由光譜轉換材料所發射之光子，其使能夠有光譜轉換材料之發射之整體光譜頻帶之更佳吸收。
【0021】
或者是，光譜轉換層包含至少兩種光譜轉換材料，各光譜轉換材料允許至少部分太陽能光譜被轉換為各第一與第二共振光譜頻帶。接著提到光伏打元件之「平行(parallel)」模式，此模式也允許對於光伏打裝置為可使用之太陽光譜之範圍更加擴大。
【0022】
作為變體，光伏打元件進一步包含各包含其之共振光譜頻帶適合於部分太陽光譜之直接吸收之共振光譜帶之光學奈米天線之光伏打奈米電池之陣列。
【0023】
根據第二態樣，本發明係關於用製造根據第一態樣之光伏打元件之方法，其包含：
【0024】
沉積其之層於第一共振光譜頻帶中為吸收性之半導體層之多層於金屬化基板上；
【0025】
沉積結構金屬層；
【0026】
自我對齊蝕刻至少部分半導體層；
【0027】
沉積以透明導電材料製成之封裝層與上部接觸層。
【0028】
作為變體，沉積步驟包含藉由磊晶於適合之基板上長成半導體層之多層，以及轉印半導體層到金屬化基板。
1、2、3、4．．．編號
100．．．光伏打元件
101、601．．．光伏打奈米電池
102．．．金屬層
103．．．電介質層
104、304．．．第一金屬層
107．．．光譜轉換層
201、202、801、802．．．細線區
301．．．共振器
302、M．．．金屬部分
303、I．．．電介質部分
313、315．．．參雜半導體
314．．．吸收層
200、401、402、403、701、702、703、711、712、713．．．曲線
500．．．光伏打裝置
501．．．焊墊
502．．．結構金屬層
503、504．．．多層
505、1005．．．封裝層
506．．．接觸層
507、607．．．光譜轉換層
508．．．載子基板
509、510、511．．．金屬層
513、514、515．．．層
518．．．基板
519．．．停止層
608．．．光譜轉換材料
610、620．．．前側
621．．．光伏打電池
625．．．銀反射器
627．．．有機聚合物層
628．．．螢光分子
800．．．光譜
901、902、905、906、907．．．吸收光譜
903、904．．．發射光譜
1001、1002．．．有效吸收剖面
1006、1007．．．電路
E1、E2．．．發射頻帶
I．．．絕緣體
M．．．金屬
W．．．寬度
h．．．高度
△λT．．．共振光譜頻帶
【0029】
本發明之其他優點與特徵於閱讀藉由下列圖式說明之描述時會變得顯而易見：
【0030】
第1圖係為描繪根據本發明之光伏打元件之實施例之原理之示意圖；
【0031】
第2圖係為顯示太陽光譜、光譜吸收之實施例以及光譜轉換材料之發射頻帶之曲線與適合於此曲線上所指示之光譜轉換材料之發射光譜的電磁共振器之吸收光譜；
【0032】
第3圖係為描繪包含光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線之光伏打奈米電池之示意圖；
【0033】
第4圖係為顯示用於光譜轉換層之例示性光譜轉換材料之吸收與發射光譜之曲線；
【0034】
第5A圖到第5G圖係為描繪於一實施例中用於製造光伏打元件之流程之示意圖；
【0035】
第6A圖與第6B圖係為分別於先前技術系統中與於根據本描述之系統中可使用光能量之損耗之示意圖；
【0036】
第7A圖到第7C圖係為顯示於根據先前技術與根據本發明之系統中，由光伏打電池所吸收之光子量分別作為幾何增益、染料之冷光量子吸收量(photoluminescence quantum yield)以及金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線之品質因子之之曲線；
【0037】
第8圖係為顯示太陽光譜之曲線，於曲線上指示之「串級(cascade)」模式中兩個光譜轉換材料之光譜吸收與發射頻帶之實施例；
【0038】
第9A圖到第9C圖係為描述兩個光譜轉換材料之吸收與發射分別於「串級(cascade)」模式中、於「平行(parallel)」模式中以及於 「混合(hybrid)」模式中，作為波長、以及電磁共振器之吸收之函數之示意圖。
【0039】
第10圖係為描繪與於平行或混合模式中之光譜轉換層操作之用於光伏打奈米電池之電性連接之實施例之示意圖。
 【0040】
第1圖與第2圖透過分別顯示重疊於太陽光譜之光譜吸收/發射頻帶之簡化示意圖與圖表，說明本發明之原理。
【0041】
示意性地顯示於第1圖中之光伏打元件100包含，用於轉換所有或部分太陽光譜之光譜轉換層107於有意暴露於太陽下之一側上。光譜轉換層107包含允許入射太陽光線被吸收並以移動至較長波長之光譜頻帶等向地再發射，且其之寬度遠薄於太陽輻射之寬度(典型地數十到約一百奈米寬)之光譜轉換材料，例如螢光染料。光譜轉換層於是作用為光譜轉換器。此光譜聚光顯示於第2圖，其之曲線200代表太陽光譜(AM1.5太陽光譜以光子數量/m2/nm為單位)。細線區201顯示相對應於容納於光譜轉換層107中之光譜轉換材料，如染料，之吸收頻帶之光譜轉換層107之吸收頻帶，以及細線區202說明於入射光通量下此材料之有效發射頻帶。因光譜發射頻帶窄於光譜吸收頻帶，光通量之光譜聚光被看到。此外，其移動到更長之波長。
【0042】
光伏打元件100進一步包含被光譜轉換層107覆蓋之光伏打奈米電池101之陣列。各光伏打奈米電池包含擁有特別地被奈米天線之幾何定義之共振光譜頻帶ΔλT之光學奈米天線，以及光伏打裝置。當奈米天線之設計被最佳化，其於共振波長展現幾乎完美的吸收並且表現如同於共振光譜頻帶外之鏡子。奈米天線之大致描述在於物理學進展報告2012年75卷024402頁(Report on Progress in Physics, 75 024402(2012))之評論文章「用於可見與紅外線輻射之奈米天線(Nanoantennas for visible and infrared radiation)」中。有利地，如同第1圖所說明，光學奈米天線為包含第一金屬層104、形成電介質層103之半導體多層、以及金屬層102之光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)電磁共振器。在此實施例中，第一金屬層104為連續的，為所有金屬/絕緣體/金屬(MIM)結構共有，以及可對光伏打奈米電池陣列形成共同第一電性接觸。金屬層102被組成以與電介質層103與金屬層104形成尺度根據所希望中心共振波長定義之光學奈米天線。結構金屬層有助於對各光伏打奈米電池形成第二電性接觸。選擇形成電介質層103之有機或無機半導體之多層，使與電性接觸102、104一起，形成允許入射光功率轉換為電功率之光伏打裝置。
【0043】
光學奈米天線以有利的尺度形成以獲得於重疊於光譜轉換材料之光譜發射頻帶(202，第2圖)上之光譜頻帶ΔλT中之最大吸收，以致使所有藉由光譜轉換材料發射之光子可被光伏打裝置使用。因為奈米天線之有效面積遠小於(指數大於10)其有效吸收剖面，各奈米天線表現為空間聚光器。結合允許入射太陽光通量之空間聚光被實現之光學奈米天線於確保光譜聚光於奈米天線之共振頻帶之光譜轉換層允許光伏打元件之效率相較於先前技術中所述元件顯著地提升。
【0044】
第3圖以更詳盡的細節顯示根據本發明之實施例之應用於光伏打元件之光伏打奈米電池之例示性金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器301。
【0045】
如上述，如金屬/絕緣體/金屬(MIM)型之電磁共振器扮演光之空間聚光器之角色。藉由共振器創造之入射波與衰減波間之磁光介面於共振時，透過漏斗效應(菲布瑞斯 · 帕度等人( F. Pardo et al.)於物理評論通訊2011年107卷093902頁( Phys. Rev. Lett. 107 093902 (2011) )之「 藉由磁電介面所解釋之光漏斗機制(Light funneling mechanism explained by magnetoelectric interference)」)，允許於靠近波長距離之所有入射光子被收集並聚集於共振器上。共振器可因此有如λ3/1000一樣小之體積(見 安卓亞 · 卡托尼等人( A. Cattoni et al.) 出處同上)，因此說明此類奈米天線聚集入射光通量之能力。
【0046】
在第3圖中之實施例中，共振器301自包含電介質部分303(I)與金屬部分302(M)之結構多層沉積於其上之第一連續金屬層304形成。組成可以一(一維)或二(二維)方向實施，以製造採取一維長條或者是二維長方形或方形焊墊之形式之共振器。
【0047】
採取長條形式之共振器較焊墊易於電性連接之優點。此外，其可另外被安排以共振於TE與TM極化元件兩者下。更進一步，長條之寬度將可能含有小於波長之準週期變化(階梯，斜角)以擴大其光譜響應並因此最佳地匹配共振器之吸收範圍於光譜轉換器之發射範圍。
【0048】
如所知的，因此形成之空腔展示 法布立－培若(Febry-Perot)型之共振。兩個不同種類之共振以：被稱為水平模態(於藉由空腔之端點形成之兩個垂直「鏡」間)與被稱為垂直模態(於藉由金屬層形成之兩個水平「鏡」間)間作區別。水平模態之共振波長藉由共振器之寬度W(法布立－培若鏡間之距離)被設定以及垂直模態之共振波長藉由電介質層103之厚度(金屬層102、104間之距離)h給定。大體上，此類模態結合以形成混合模態，稱為點模態。如用於法布立－培若型之任何共振器，有至少一共振器之處理，特別地藉由結構之高度與橫向尺度與藉由層之厚度定義，其藉由平衡入射光通量與共振器內部吸收允許於共振時達到入射光通量之幾乎全吸收。結合光譜轉換器於光學奈米天線於是使其可能使用光學奈米天線於單共振電磁共振器操作模態中。因此於不是用於其中於全太陽光譜之吸收之最佳化可能得以為關於特定共振吸收之損害之多重共振電磁共振器之情況之共振光譜頻帶可獲得幾乎全吸收。
【0049】
金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器301之電介質部分(I)303包含適用於光伏打裝置之產品之多層。金屬層(M)302、304除了其電磁角色外，扮演用於光伏打裝置之電極。多層303包含以於金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器之共振光譜頻帶中為吸收性之半導體製成之至少一層314，例如於p-i-n接合面中之非蓄意地摻雜層。根據其為所希望製造之光伏打裝置之性質，可提供一或多個額外層，例如其隨著吸收層314將有助於光伏打功能之半導體層或介面層。在第3圖中之實施例中，舉例來說，層313、315為分別接觸金屬層302、304並確保低電存取阻抗之高摻雜半導體之層或複數層。此類層之高摻雜層級一方面降低其電組率另一方面降低接觸之特定電阻。此類層將可能被選擇以透明半導體製成以最佳化光-載子之收集。奈米天線設計以聚集於金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器之電介質部分303中之電場，以便最小化金屬部分中之電場，以及因此最小化吸收損耗。
【0050】
在第3圖中之實施例中，所有形成電介質部分I之半導體層以與金屬層302相似之方法組成。或者是，其為可能僅組成以與金屬層302形成電性接觸之摻雜半導體313製成之層或多層。
【0051】
作為變體，於金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器之各種可能光學模態中，那些最佳地允許接合面之面積被縮小可為優先以最大化入射光通量之聚光指數。具體地，因為方形奈米天線之有效剖面(入射光子之收集面積)約為λ2，邊長W之方形奈米天線之聚光比例等於(λ/W)2。舉例來說，垂直模態金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器將可能被使用，電介質多層303之高度h設定於h=λ0/2neff，此處λ0為所搜索到之中心共振波長以及neff為於共振器模態中之有效係數；其相似於電介質多層之折射率。於結構金屬部分302測量之金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器之寬度W，可接著設定為其最小可能值以保存垂直模態且降低正比於接合面面積之暗電流。典型地，W將可能被選擇為小於或等於λ0/5，以及例如為約λ0/5。在例如以砷化鎵(gallium arsenide, GaAs)製成之p-n接合面光伏打裝置之具體情況中，有0.9um之操作波長與3.5之折射率，電介質多層303之全高h約為140nm以最佳化操作。當於吸收峰之波長被觀測到時，操作波長考量關於奈米天線之幾何之共振光譜頻帶，與光伏打奈米電池之吸收性半導體之吸收光譜兩者而被定義於此。此寬度代表相較於以知悉於文獻中，例如描述於吉爾伯特 · 柏修斯等人( G.J Bauhuis et al.)於太陽能源與太陽能電池2009年93卷1488頁( Solar Energy & Solar Cells 93 1488 (2009) )之「利用磊晶剝離之 26.1%薄膜砷化鎵太陽能電池(26.1% thin-film GaAs solar cell using epitaxial lift-off)」中 之最佳砷化鎵系光伏打電池，為約10之指數之縮減。
【0052】
縮減電介質多層之厚度相較於例如定義於先前引用參考文獻之習用光伏打電池有兩種優點。首先，電池之操作及因此其表現被提升。具體地，縮減半導體層之厚度導致平均光-載子傳輸時間之縮減。此導致光-載子之復合機率下降與以及因此提升電池之轉換效率。結合半導體層之小厚度於存在之直接接觸主動區之金屬電極也徹底地降低電存取阻抗，從而允許藉由運作電池於高聚光下，提升電池之轉換效率。此外，降低與側向組成相關之半導體層之厚度，導致所使用之半導體體積相較於標準電池(含於100到1000間之指數)徹底下降。此下降導致電池成本之雙重減縮：供應較少的材料與較短的製造時間。此優點對於從稀土元素製造半導體，例如硒化銅銦鎵(CIGS)系統中之銦與碲化鎘(cadmium telluride, CdTe)中之碲而言可證實為關鍵的。
【0053】
光譜轉換層(107，第1圖)之角色在一方面為吸收理想地如太陽光譜同樣廣之廣光譜頻帶中之太陽光，而另一方面為以窄光譜再發射此光，以使例如上述之光學奈米天線之吸收光譜能盡其最大可能地重疊於發射光譜。
【0054】
各種種類之材料適合用於製造光譜轉換層。藉由舉例之方法，上述可用螢光分子(巴斯夫歐洲公司( BASFR)所售之 路瑪近紅305之 羅丹明6G(rhodamine 6G, Lumogen RED 305R))製成，或磷光分子(摻雜釤離子(Sm2+)之氧化鍶硼(SrB4O7)，以及大致地摻雜RE2+，此處RE表示稀土族)或甚至量子點，也就是說核之電子態被殼之位能障礙限制之核/殼結構，例如作為範例描述於巴薛爾 · 道波奇等人(B.O. Dabbousi et al.)於物理化學期刊B 1997年101卷46期9463頁(J. Phys. Chem B. 101(46)9463(1997))之「硫化鋅(鎘硒)核-殼量子點：高發光奈米微晶之尺寸序列之合成與特性分析((CdSe)ZnS core-shell quantum dots: synthesis and characterization of a size series of highly luminescent nanocrystallites)」，或是李良等人(Liang Li et al.)於化學材料2009年21卷12期2422頁(Chem. Matter. 21(12) 2422 (2009))之「高發光硫化銅铟/硫化鋅之核/殼奈米晶體：用於活體成像之無鎘量子點( Highly luminescent CuInS2/ZnS core/shell nanocrystals: cadmium-free quantum dots for in vivo imaging ) 」。
【0055】
第4圖顯示使用巴斯夫歐洲公司(BASFR)所售之 路瑪近紅305(Lumogen RED 305R)染料之光譜轉換之吸收與發射光譜之實例。此圖顯示染料之吸收曲線401、螢光發射曲線402與因其考慮到由染料所發射光子之自吸收而進一步為染料之真實發射範圍之有效發射曲線403。
【0056】
具體地，用於光譜轉換層之最佳材料為有最廣可能吸收範圍(典型地從400nm到最低發射波長)且與光學奈米天線之共振吻合之窄發射光譜之材料。藉由限制於光譜轉換層中之非輻射性復合損耗，近乎100％之冷光量子吸收量(所發射光子之數量對所吸收光子之數量之比例)對於轉換材料而言，被有利地達成。最後，最佳光譜轉換材料為有窄光譜重疊區域(其中轉換器能做發射與吸收兩者之波長區域，藉由第4圖中之細線區顯示)以限制透過非輻射性鬆弛提高損耗之自吸收之材料。
【0057】
為了形成光譜轉換層107(第1圖)，舉例來說，確保光譜轉換之材料(該「光譜轉換器」)被(液體或固體)基質(matrix)承載。基質於對應於來自光譜轉換器之吸收與發射之全波長範圍為透明。此外，所選之基質為得使材料均勻分散以避免其聚集之基質，此聚集劣化聚集中之元件之表現，且不修改轉換器之光學性質之基質。具體地，所選之基質限制將導致短非輻射性生命週期之鬆弛路徑之引入。許多不同的材料可被用於基質，除了前述之狀況外，該選擇係根據光譜轉換器之性質與光譜轉換層所需之厚度與折射率。
【0058】
光譜轉換層之最佳厚度直接地根據染料濃度。於光譜轉換層中光子之平均自由路徑根據此兩個參數，也就是厚度與濃度。當幾乎所有光子藉由染料被吸收時，此層有利地被最佳化，同時因染料之濃度導致之損耗(非輻射性鬆弛、聚集之形成與增強自吸收)與來自聚光器之底平面之反射(於其共振波長外之波長奈米天線為反射性的)被保持在低層級。舉例來說，對於厚度之層級為微米，基質所用材料可為，例如伊邦SU-8(EPONTMSU-8) 光阻(海克西昂特別化學公司(HEXIONTM))或奈米結構氧化鋅(ZnO)。對於毫米尺寸厚度，可使用藉由模制沉積之有機聚合物(例如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)、聚二甲基矽氧烷 (polydimethylsiloxane, PDMS)、聚氨酯 (polyurethane)、乙烯醋酸乙烯酯(ethyl vinyl acetate, EVA))與無機基質(氧化鋅(zinc oxide, ZnO)、氧化錫(tin oxide, SnO2)與氧化鋁(aluminium oxide, Al2O3)等)。
【0059】
第5A圖到第5G圖說明製造根據本描述之光伏打元件之一種方法，舉例來說，適合用於單晶半導體層。
【0060】
在第一步驟(第5A圖)中，以半導體(例如磷化銦(InP))製成之層513、514及515之多層503藉由磊晶長成於適合之基板518(例如以磷化銦(InP)製作之基板)上。停止層519(例如以銦鎵砷(InGaAs)製作)也磊晶長成於基板與多層503間。層513、514、515適用於所需之光伏打裝置之產品。舉例來說，其分別地為n型摻雜(n-doped)、本質與p型摻雜(p-doped)磷化銦(InP)之層，以形成p-i-n接合面。在第二步驟(第5B圖)中，多層503接著被轉印到載子基板508(例如以派瑞克斯玻璃(PyrexR)製成之載子基板)。此操作以兩階段執行。首先派瑞克斯玻璃(PyrexR)基板陽極接合於沉積於層515上之金屬層(金屬層509、510、511之多層504，例如分別為鋁、鈦或金)，之後基板518藉由後者之選擇性化學蝕刻而被移除，此化學蝕刻為選擇性的於停止層519上。停止層519之後選擇性地被蝕刻，此蝕刻於主動層513上為選擇性的。在第三步驟(第5C圖)中，例如以金製成之結構金屬層502係藉由微影後剝離或藉由奈米壓印製造。在第四步驟(第5D圖)中，半導體層503之多層之自對準蝕刻接著被執行以允許焊墊501形成。作為變體，此蝕刻可不完全且其可留下全體或部分層514與515完好。在第五步驟(第5E圖)中，在被蝕刻之側壁已被選擇地鈍化後，接著沉積絕緣與透明封裝層505(例如以氧化鋅(ZnO)製成)，之後沉積以透明導電材料例如鋁摻雜之氧化鋅(ZnO)製成之上部接觸層506(第5F圖)，此接觸層506電性接觸金屬焊墊502。最後，光譜轉換層507沉積於結構上(第5G圖)，此光譜轉換層507形成光伏打裝置500之前側，該側的目的為接收入射光通量。
【0061】
舉例來說，如描述於之前製程中之單晶半導體磊晶長成後被轉印之層包含砷化鎵(gallium arsenide, GaAs)與相關合金(例如砷化鋁鎵(aluminium gallium arsenide, AlGaAs))之層、磷化銦(indium phosphide, InP)與相關合金(例如銦鎵砷(indium gallium arsenide, InGaAs))之層、銻化鎵(gallium antimonide, GaSb)與相關合金(例如鋁銻化鎵(aluminium gallium antimonide, AlGaSb))之層以及矽(silicon, Si)之層。
【0062】
作為變體，對於半導體層而言，其可能藉由電漿沉積、蒸鍍或電沉積局部地沉積。舉例來說，可局部地沉積之半導體層包含硒化銅銦鎵(copper indium gallium selenium, CIGS)或銅鋅錫硫(copper zinc tin sulphur, CZTS)合金層(藉由共蒸鍍或電沉積)，以及可透過電漿沉積而沉積之矽層(非晶、微晶或多晶矽)。在此情況中，根據本發明之用於製造光伏打組件之製程可包含沉積(電漿沉積、蒸鍍、電沉積等等)適用於形成所需之光伏打裝置於金屬化基板上之導電材料製成之層之多層、製造結構金屬層(微影之後剝離)、半導體層之自對準蝕刻、沉積透明絕緣封裝層、以及沉積例如氧化鋅(ZnO)之透明導電材料製成之上部接觸層。
【0063】
在以有機半導體(例如聚(3-己基噻吩)(poly(3-hexylthiophene, P3HT))與甲基[6,6]-苯基-C61-丁酸酯(methyl[6,6]-phenyl-C61-butyrate, PCBM))或混合半導體(例如硒化鎘(CdSe)與聚(3-己基噻吩)(P3HT))製成之層之情況中，可使用與所述參考聚晶半導體之層相似之製程，但沉積將可能藉由旋塗或藉由刮刀(doctor bladeR)之方法執行。
【0064】
在所有所述製造製程之實施例中，有高製造成本之材料可於半導體層之蝕刻時回收。
【0065】
為了清楚起見，上面所述之實施例限於與相似奈米電池之單陣列相關之單光譜轉換器之情況。製程可被推廣至如於以下將被更詳細描述之與一或多種類之奈米電池相關之一或多種染料之情況，。
【0066】
為了說明於本描述中所呈現之類型之光伏打元件所提供之益處，執行三個系統之性能之蒙地卡羅(Monte Carlo)模擬。前兩個系統為先前技術中所述之系統且其被示意性地顯示於第6A圖中，第三系統為根據本描述之光伏打元件之實施例，以及其被示意性地顯示於第6B圖中。
【0067】
於第6A圖中所示之第一系統為標準發光太陽聚光器(luminescent solar concentrator, LSC)。其包含含有螢光分子628之有機聚合物層627。前側620為目的是接收入射太陽光通量之側。銀反射器625係安排於背側(相對於接收入射太陽光通量之側)上。光伏打電池621插入於該反射器其被覆蓋之小部分，因此定義系統之幾何集中率：藉由入射光通量發光之面積對電池之面積之比例。
【0068】
被考慮之第二系統對第一系統為可比較性的但包含安排於前側上之(光帶阻(photonic band-stop, PBS))濾波器(未顯示於第6A圖中)。此處光帶阻濾波器透過對於波長長於620nm全反射(R=1)及其下方之完美透射(T=1)模擬。620nm之截止波長為對於被光伏打電池吸收光子(也就是說波長短於620nm的)之數量為最大之值。
【0069】
第三系統(第6B圖)為根據本描述之光伏打元件之實施例。其包含排列於包含允許至少部分太陽光譜被轉換為存在於各奈米電池中之光學奈米天線之共振光譜頻帶之光譜轉換材料608之光譜轉換層607之背側上之光伏打奈米電池601之陣列。目的為接收太陽光通量之前側標記為610。
【0070】
於可能的情況下，為了使比較更容易，從一系統到另一個，參數可能被保持為相同。因此，對於模擬，考慮下列狀況。三個系統包含擁有1.75之折射率之5mm-厚之有機聚合物層(607、627)。聚合物層包含其之吸收與發射光譜被顯示於第4圖中之路瑪近紅305( Lumogen RED 305R)染料之螢光分子。濃度設為270ppm(百萬分率)；其與文獻中所報告者為可比較的，以及對應於在吸收光譜範圍中擁有最低吸收可能性(也就是說470nm，見第4圖)之光子，對於穿過該層之往返之幾乎全吸收(99％)。冷光量子吸收量(photoluminescence quantum yield, PLQY)設為0.95。其相對應於被製造者保證之最小值。光伏打電池用具有帶隙能量Eg=1.77eV，也就是說700nm之截止波長之半導體材料製成。
【0071】
前兩個系統進一步於其背側上擁有反射率R=0.98之鏡子與覆蓋系統輸入面積2％之電池，也就是說50之幾何集中率。
【0072】
對應於根據本描述之光伏打元件之第三系統於其背側擁有光伏打奈米電池陣列以致使於共振時，背側表現如完美吸收表面。奈米電池之吸收光譜係藉由以半高寬全寬FWHM=133nm圍繞665nm之勞倫茲函數模擬，也就是說品質指數Q=5。金屬之吸收損耗設於全吸收之5％。此類奈米電池之面積總和相等於系統之輸入面積之2％，也就是說50之幾何集中率，相等於前兩個系統 之幾何集中率。
【0073】
下列表1顯示對於所研究三個系統所計算之損耗之分布與被電池所吸收之光子量。示意性地顯示於第6A圖與第6B圖之損耗之各種原因於圖中被以數字1到4標示。「輸入損耗(input losses)」(編號1)為關於來自系統之空氣/ 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)輸入屈光度之入射光子之反射之菲涅耳損耗。「前側損耗(front side losses)」(編號2)為關於從光譜轉換層穿過前側之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/空氣屈光度之光子之透射之損耗。「非輻射性損耗(non-radiative losses)」(編號3)為關於受激染料分子之非輻射性鬆弛(也就是說染料之真正冷光量子吸收量與其理想冷光量子吸收量間之差異)之損耗。「背側損耗(back side losses)」(編號4)為因於：兩第一系統中之非理想鏡子(R=0.98)之損耗與第三系統之情況中之金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米共振器之損耗(全吸收之5％)之金屬中吸收所導致於背側之光子之損耗。「光子(photon)(λ>700nm) 」損耗為由於染料以對其來說太低以致不能被光伏打電池之吸收半導體吸收之能量發射之光子導致之損耗。
【0074】
表1也顯示於前兩個系統之情況中被光伏打電池621，以及於根據本描述之光伏打元件之情況之奈米電池601之陣列「所吸收之光子量(amount of photons absorbed)」。
表1：對於所研究之三個系統所計算之損耗之分布與被光伏打裝置吸收之光子量
【0075】
為聚合物所選擇之折射率(n=1.75)對應於提供最佳折衷方案以困住光子於主要以該聚合物製成之光譜轉換層中之空氣/聚合物-區光率設計。特定地，「輸入損耗(input losses)」正比於折射率上升，反之「背側損耗(back side losses)」反比於折射率上升。然而，其將會被注意的是此最佳化並不是特別明顯且使用如 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(n=1.49)之傳統聚合物引入少於1％之額外損耗。
【0076】
無光帶阻(PBS)濾波器之發光太陽聚光器(LSC)系統(系統1)之主要限制(48.4 ％ )是由於光譜轉換層中之光子被此屈光率不完全地反射所導致之「前側損耗(front side losses)」。當入射角大於限角(此處為36度)但低於該角度非常少(平均少於10％)時，特定地該反射為完全的(全內反射 (total internal reflection))。因為光子在其被染料發射後具有等向分布，所以大損耗(L=15％)發生於被染料發射後之第一次反射。之後的反射，直到下一次染料吸收/發射事件前，將因為所有光子有大於臨界角之角度(透過第一次反射所達到之選擇)而為全反射。更進一步，由於電池僅覆蓋前側之2％(幾何集中率等於50)，光子在被半導體吸收或損失於表1中之過程之一前必須做出於光譜轉換層之前側與背側間多次往返。對於被半導體所吸收之各光子，此模擬計算出平均從兩側之各一側之18.5次反射與藉由染料之3.8次吸收。於各第一次反射中之損耗L=15％給出1-(1-L) 3.8=46％之透過前側損耗之可能性良好吻合於模擬結果。
【0077】
為了降低此限制之效果，前側光帶阻(PBS)濾波器(系統2)可被使用以允許短波長光子(主要為入射光子)通過，同時反射有長波長之光子(由染料所發射之主要光子)。其希望以此方法改變於吸收與發射間之光譜偏移以提升於轉換層中之光子之滯留。模擬之結果顯示被半導體所吸收光子量之確定提升(19％取代先前系統中之13.5％)但在提供有效率系統的成度上過小。光帶阻(PBS)濾波器之受限效果主要地由於係因為兩效果：一方面為擁有過長波長之光子之排斥(36.9％之損耗於輸入側)，另一方面為提升本質損耗之空腔中過量之往返次數(20.9％於背側鏡子，14％於染料中)。特定地，此模擬計算出平均從兩側之各一側之21.6次(取代18.5次於系統1)反射與藉由染料之4.5次吸收(取代3.8次於系統1)。
【0078】
因此，第一系統(無光帶阻(PBS)之發光太陽聚光器(LSC))因為於轉換層中之光子之滯留不夠有效，其在被半導體吸收前逃脫(前側損耗)而擁有低效率。於第二系統中(有光帶阻(PBS)之發光太陽聚光器(LSC))滯留被提升，但其性能被系統之元件之本質損耗(濾光器、鏡子、吸收)且提升滯留也提升此類損耗所限制。
【0079】
根據本發明之系統之性能相對於先前技術系統被大幅地提升，因為奈米電池創造可與藉由染料所發射光子之幾乎-完美吸收兼容之高幾何集中率(此處50)。此導致被半導體所吸收光子量中之大量提升(66.9％)。此也導致光子於系統之兩側間所為之返回次數之大量下降。特定地，此模擬計算出平均從前側之0.6次反射，從背側之0.3次反射，以及藉由染料之1.8次吸收，解釋了較低的前側損耗(1-0.850.6=9.3％，類似於表1中所示之11.7％)、背側損耗(全吸收之5％，也就是說3.1％類似於表1中所示之3.3％)與於吸收/發射時之損耗(1-PLQY1.8=8.8％，類似於表1中所示之8.4％)。
【0080】
根據本描述之光伏打元件因此允許達到相當高幾何集中率。特定地，對於奈米電池，幾何集中率為其有效捕捉剖面(典型地λ2)對奈米-二極體之物理剖面之比例，其於是可能去預想約100之幾何集中率。有益地，奈米電池可以其有效捕捉剖面完全地舖於背側之方法安置於聚光器之背側上。於共振時，背側因此展顯幾乎完美吸收(也就是說接近100％)。結果，如同可於第7A圖中所見之結果，被奈米電池所吸收之光子之效率與幾何集中率無關(曲線703)。此並不是於先前技術系統 (曲線701與702)之所有情況，其中提高幾何集中率也會提高光子於轉換層中之往返次數，如以上所展現，其提高損耗並降低被半導體所吸收之光子量。
【0081】
更進一步，降低染料之吸收數導致系統之性能(即半導體吸收之光子量)相較於先前技術與染料之冷光量子吸收量較不相關。為了說明此效果，被光伏打裝置吸收之光子量作為染料之冷光量子吸收量(PLQY)之函數顯示於第7B圖中。其將被注意的是使用吸收量PLQY=0.95之染料導致吸收之光子量，相較於無光帶阻(PBS)之發光太陽聚光器(LSC)之21.6％(曲線711)，有光帶阻(PBS)之發光太陽聚光器(LSC)之22.7％(曲線712)，以及本發明之情況中僅9.1％(曲線713)之理想情況(PLQY=1)相對地減少。此較低之相關性引入較大彈性於本發明之系統之設計中，因此其對於其冷光量子吸收量之損害，舉例來說，可能會較佳的基於其光譜反應之適合性來選擇染料。
【0082】
於一方面來說，奈米電池之吸收之共振特性意味著染料之共振與吸收間必須有良好匹配，以及另一方面，共振必須足夠廣以有效率地吸收由染料所發射之光子。第一點藉由找到在半導體所吸收之光子之最大數之共振波長而被簡單地處理。其為該方法被使用於上述實施例中以安置共振於λ=665nm。為了評估第二點(共振之寬度)之效果，於半導體中吸收之光子量被描繪(第7圖)為奈米共振器之品質指數Q之函數。其將觀察到的是吸收之光子量反比於品質指數提升，也就是說正比於共振峰值之寬度。吸收之高量因此將以低品質指數共振器獲得，於上述之實施例中Q=5。其也為可能的是，於奈米天線鋪設的相同週期中，波長稍微地偏移之一些電池被並列以獲得符合所選染料之發射之光譜寬度。
【0083】
因此，上述例子描述與光伏打轉換材料之各種種類以及/或光學奈米天線之各種種類相關之各種根據本發明之光伏打元件之實施例。
【0084】
更精準地，光譜轉換層可包含一些種類之吸收/發射材料(染料、量子點等等)以更佳地覆蓋所有太陽光譜。各種方法皆為可能的，此類方法於剩下之描述中被稱為「串接模式(cascade mode)」(其執行N個染料與一種奈米電池)、「平行模式(parallel mode)」(其執行N個染料與N種奈米電池) 與「混合模式(hybride mode)」。
【0085】
第8圖與第9A圖說明被稱為「串接(cascade)」模式之第一操作模式。較短波長之光子被第一光譜轉換層或染料(第9A圖中吸收光譜以長條901表示)吸收，其吸收範圍於第8圖中以細線區801標記，接著(發射光譜903)以較長波長(在第8圖中以箭號E1表示之發射頻帶)再發射。於第9A圖、第9B圖與第9C圖中，虛線箭號表示關於染料內部之內光譜轉換之能量通量以及實線箭號表示染料分子間或往奈米電池之輻射通量。此類光子接著被所選之第二光譜轉換器(第9A圖中之吸收光譜902)吸收使其吸收頻帶(第8圖中之細線區802)覆蓋第一光譜轉換器之發射頻帶E1，接著以再一次地較長之波長(發射頻帶被箭號E2表示)再發射(發射光譜904)。因此，其可能用一組不同光轉換器覆蓋太陽光譜。階層i(i為了較長之覆蓋範圍增加)之光譜轉換之吸收範圍必須至少部分地覆蓋階層i-1之光譜轉換器之發射範圍。其包含之光學奈米天線與光伏打裝置接著符合於最後光譜轉換器之發射光譜，後者以包含最長波長之波長範圍發射。光子因此從其第一光譜轉換層之初始吸收經歷吸收/鬆弛/發射之串接直到被奈米電池之其中之一吸收(第9A圖中之吸收光譜906)。此方法允許全太陽光譜僅以單一種類之奈米電池覆蓋。如上述，後者於是將可能被最佳化以吸收於共振長度之光子。然而，由各染料產生之波長轉換於光子之吸收與發射間，包括能量之損耗，其能量以熱之形式(用於之前提到之鬆弛機制)耗散。此可導致損耗被引入電轉換過程中(舉例來說，在被轉換為電能於約1V之電壓穿過砷化鎵(GaAs)接合面之端點之前，330nm光子被轉換為1000nm光子將損失其能量之2/3)以及染料之加熱可導致後者之過早老化。其將會被注意的是，於轉換過程中能量之損耗相等於傳統太陽能電池中觀察到的並導致對於單接合面電池來說32％之最大轉換效率。
【0086】
第9B圖說明平行模式。在此模式中，奈米天線種類之數量相關於光譜轉換器之種類之相對應數量。特定地，其可能提供若干不同之奈米天線，例如金屬/絕緣體/金屬(MIM)型，以及對於相關於各種奈米天線之各共振維持幾乎全吸收。在本發明之情況中，設計此組合之光譜反應允許於光譜範圍之陣列上製造完美地吸收之平面。在最佳化配置中，各光譜轉換器/奈米電池群因此允許於相對應於光譜轉換器之吸收與發射光譜範圍之組合之光譜範圍中幾乎全吸收。在被相關奈米電池吸收前(吸收光譜905、906)，於各光譜轉換器之吸收範圍中之入射光子被後者吸收(吸收光譜901、902)然後以發射範圍再發射(發射光譜903、904)。更進一步，於奈米電池之吸收範圍中之入射光子被後者直接地吸收。奈米天線藉由其能量帶隙符合天線之共振波長之半導體層之多層裝載。因此，獲得提供完美匹配於各光譜轉換器之發射之電轉換器。由光譜轉換器發射之光子被符合此波長之奈米天線吸收。其之後以相較於之前情況明顯地較小之能量損耗轉換(舉例來說，對於穿過氧化鋅(ZnO)接合面端點高於3V之電壓，330nm之光子將可能以高於90％之效率被轉換為電能)。太陽光譜將最佳地藉由組合光譜轉換器/奈米天線群為所需基底被轉換。其將特別地可能確保包含明亮的太陽輻射之光譜區域之完全覆蓋(典型地於450到750nm間)以及留下於太陽輻射於海平面特別地黯淡之光譜區中之群組間零吸收之範圍，例如於鄰近波長940nm與1120nm中(參見例如第8圖中之光譜800)。
【0087】
第9C圖說明混合模式之情況。於此操作模式中奈米電池之各種種類分別關於如被描述於平行操作模式之光譜轉換器。與光譜轉換層不相關之其他種類之奈米電池被插入並能夠直接吸收(吸收光譜907)。
【0088】
在平行或混合操作模式中，其建議電性連接所有給定種類之奈米電池。實施例布局為兩種奈米電池，種類「1」與「2」說明於第10圖中。下部金屬平面(未顯示於圖中)被使用為共同電極，以及電線1006、1007之網路連接相同種類之奈米天線之上部。此類電線將有利地藉由構成沉積於例如以氧化鋅(ZnO)製成之封裝層1005(第5E圖中之層505)上之摻雜鋁之氧化鋅(ZnO)層(於第5G圖中標記為506)製造，見之前所描述之製造製程。方塊1001、1002代表分別安置於其中心之奈米天線「1」與「2」之有效吸收剖面。使用該類有效吸收剖面之本發明之光伏打元件之全下部平面之鋪設，於共振時藉由對應於此共振之奈米電池，確保入射光子幾乎全吸收。此鋪設將可能為週期性的。此多接合面系統之最大理論轉換效率不再受限於如前面情況之32％。其與使用之奈米電池種類之數量高度相關。對於無限數量之後者來說其為直接發光下之86.8％。對有約λ/10之側向尺寸且安置於週期λ/2之週期性排列中之奈米天線來說，使用三種，甚至四種，不同種類之奈米電池為可行的。對於四種電池來說，於直接發光下之最佳效率為68.8％，也就是說大於單接合面效率之兩倍。
【0089】
大致上，其可能根據所考慮光譜範圍去設想結合「串接(cascade)」模式與「平行(parallel)」模式之系統。特別地其將可能去插入一或多種類之與染料不相關之奈米電池。
【0090】
雖然藉由數種詳細實施例之方法描述，光伏打元件與製造該元件之方法包含將對此領域中具有通常知識者來說顯而易見之各種變體、修改與改良。
【0091】
特別地，光學奈米電池可用除了形成p-n接合面之多層裝載。事實上，任何光伏打結構為可接受的，只要其可獲得厚度允許、透過奈米天線、符合於染料發射波長之共振。此外，雖然本敘述係以關於金屬/絕緣體/金屬(MIM)共振器給予，其可被預見用於其他也會提供用於太陽光通量之空間聚光之光學奈米天線功能之電磁共振器。
100．．．光伏打元件
101．．．光伏打奈米電池
102．．．金屬層
103．．．電介質層
104．．．第一金屬層
107．．．光譜轉換層

Claims (16)

  1. 【第1項】
    一種光伏打元件(100)，其包含：
    至少一光伏打奈米電池(101)之第一陣列，各光伏打奈米電池包含於一第一共振光譜頻帶中展現一電磁共振之一光學奈米天線，該光學奈米天線之至少一側向尺寸小於該第一共振光譜頻帶之中心波長；以及
    一光譜轉換層(107)，其允許至少部分之太陽光譜被轉換到該第一共振光譜頻帶。
  2. 【第2項】
    如申請專利範圍第1項所述之光伏打元件，包含：一連續第一金屬層(104、134)，以及其中各該光伏打奈米電池(101、301)包含一第一電介質層(103、303)與一第二金屬層(102、302)之一結構多層，以與該連續第一金屬層，於小於該第一共振光譜頻帶之中心波長之至少一側向尺寸，形成一金屬/絕緣體/金屬(MIM)型之該光學奈米天線。
  3. 【第3項】
    如申請專利範圍第2項所述之光伏打元件，其中該電介質層(303)包含半導體層(315、314、313)之一多層，其至少一層(314)係以於該第一共振光譜頻帶中為吸收性之一半導體製成，以及該電介質層之一層或該多層係以保證與該第二金屬層電性接觸之一摻雜半導體製成。
  4. 【第4項】
    如申請專利範圍第3項所述之光伏打元件，其中僅以保證與該第二金屬層電性接觸之該摻雜半導體製成之該層或多層被形成。
  5. 【第5項】
    如申請專利範圍第2項至第4項之任一項所述之光伏打元件，其中各該光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線之一側向尺寸小於λ0/5，其中λ0為該第一共振光譜頻帶之中心波長。
  6. 【第6項】
    如申請專利範圍第2項至第5項之任一項所述之光伏打元件，其中該光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線採用一長條形式並安置於一主要方向，以及其中至少部分該光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線之該第二金屬層被連接以形成用於該第一光伏打奈米電池陣列之一上部電性接觸。
  7. 【第7項】
    如申請專利範圍第6項所述之光伏打元件，其中該光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線採取其寬度於次波長尺度變化之一長條形式。
  8. 【第8項】
    如申請專利範圍第2項至第5項之任一項所述之光伏打元件，其中該光學金屬/絕緣體/金屬(MIM)奈米天線擁有一焊墊形狀式並安置於兩主要方向，該元件進一步包含一電絕緣體與透明封裝層於該焊墊間，以及接觸至少部分該光學奈米天線之該第二金屬層之 一透明導電層以形成用於該第一光伏打奈米電池之陣列之一上部電接觸 。
  9. 【第9項】
    如前述申請專利範圍之任一項所述之光伏打元件，其中該光譜轉換層包含插入於固體或液體之一基質中之一或多個光譜轉換材料。
  10. 【第10項】
    如前述申請專利範圍之任一項所述之光伏打元件，其中該光譜轉換層包含至少兩光譜轉換材料，覆蓋該第一材料之有效發射光譜之該第二材料之吸收光譜，以及至少部分地重疊於該第一共振光譜頻帶之該第二材料之有效發射光譜。
  11. 【第11項】
    如前述申請專利範圍之任一項所述之光伏打元件，其包含至少一第一光伏打奈米電池之陣列，各光伏打奈米電池包含擁有一第一共振光譜頻帶之一光學奈米天線，以及一第二光伏打奈米電池陣列，各光伏打奈米電池包含擁有一第二共振光譜頻帶之一光學奈米天線。
  12. 【第12項】
    如申請專利範圍第11項所述之光伏打元件，其中該光譜轉換層包含允許至少部分該太陽光譜被轉換為該第一共振光譜頻帶與該第二共振光譜頻帶之至少一光譜轉換材料。
  13. 【第13項】
    如申請專利範圍第11項所述之光伏打元件，其中該光譜轉換層包含至少兩光譜轉換材料，各該光譜轉換材料允許至少部分之該太陽光譜被轉換為各該第一共振光譜頻帶與該第二共振光譜頻帶。
  14. 【第14項】
    如前述申請專利範圍之任一項所述之光伏打元件，其進一步包含一光伏打奈米電池之陣列，各光伏打電池包含其共振光譜頻帶適用於部分太陽光譜之直接吸收之一光學奈米天線。
  15. 【第15項】
    一種用於製造如前述申請專利範圍任一項之光伏打元件之方法，其包含：
    沉積其之一層於一第一共振光譜頻帶中為吸收性之一半導體層之一多層於一金屬化基板上；
    沉積一結構金屬層；
    自我對齊蝕刻至少部分該半導體層；以及
    沉積以一透明導電材料製成之一封裝層與一上部接觸層。
  16. 【第16項】
    如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該沉積步驟包含藉由磊晶於適合之一基板上長成該半導體層之該多層，以及轉印該半導體層到該金屬化基板。
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