TWI401809B - 具有增強之轉換效率之光伏打裝置及波長轉換器及其方法 - Google Patents

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具有增強之轉換效率之光伏打裝置及波長轉換器及其方法
本發明之實施例大體上針對將太陽能直接轉換成電能之光伏打(PV)技術領域。更特定言之，本發明實施例針對可用於增強太陽電池效率之波長轉換磷光體。
如今太陽電池及/或光伏打裝置遭受固有低效性：其通常僅能夠將太陽頻譜之一部分轉換為電力。此頻譜部分係頻譜之較長波長、較低能量部分，此意謂較短波長、較高能量部分被浪費。為了改良半導體太陽電池之轉換效率，藉此增加太陽電池之功率輸出，過去數十年中已提議了許多方案。該等方案已試圖"更好地利用"太陽頻譜，且通常已被稱為"第三代"光伏打裝置(隨後將論述第一及第二代裝置)。
光子能之向上及向下波長轉換係最頻繁引用的方案之一。在一種類型之向下轉換方案中，較高能量光子經"轉換"為兩個較低能量光子，以試圖減少多餘能量損失，並較好地利用太陽頻譜之短波長範圍。相比之下，以往的向上轉換方案已將兩個較低能量光子"轉換"為一個較高能量光子，以便利用頻譜之未吸收部分。該等轉換係涉及三個光子之二階量子過程，然而，且因此在正常太陽照射條件下其轉變可能性相當有限。
20世紀70年代，建議可將發光集中器附接至太陽電池以實現頻譜向下轉換。在該等集中器中的一些集中器中，使用有機染料來吸收入射光，並以紅色偏移波長重發能量。內部反射確保大體上全部重發光由裝置中之下伏太陽電池收集。建議許多不同有機染料分子為適當的，因為不同太陽電池設計可使重發光匹配以實現最佳轉換。此概念上類似於使用多個太陽電池之堆疊，該堆疊中每一太陽電池對太陽頻譜之不同部分敏感。
儘管理論上預測效率增強，但實務上實際並不獲得所要結果，因為有機染料分子不能滿足某些嚴格要求。該等要求包含充分量子效率及穩定性。分散有染料分子之基質材料之透明度存在另一問題(甚至缺乏透明度)。
此項技術中已知，可藉由光學上將波長轉換器耦合至太陽或光伏打電池來增強太陽電池或光伏打裝置之效率，波長轉換器能夠將較高能量的光偏移為較低能量形式，後者更適於由典型太陽電池轉換為電力。Dakubu之美國專利第4,891,075號中將該等波長轉換器描述為"波長偏移裝置"。如該專利中所教示，波長偏移裝置允許利用來自太陽頻譜之富含能量部分的能量，該富含能量部分係先前光伏打電池"不可利用"之區域。
美國專利第4,891,075號之波長偏移裝置係螯合至聚合體中鑭系離子之二氫吡啶縮合產物。當此波長偏移裝置耦合至光伏打電池時，縮合產物吸收"較大水平能量"並將能量轉移至鑭系離子。鑭系離子接著以較長波長(較低能量)發光或發出螢光。通常，光伏打裝置僅能夠利用該等較長波長之能量(亦即，能夠將光轉換為電力)，且因此藉由將其螯合之縮合產物耦合至太陽電池，亦可利用來自太陽頻譜之較短波長部分的能量。
事實上，以往大多數波長偏移裝置在性質上係有機的，有機染料可能為所遇到的最常見材料。因此，此項技術中仍需要可較佳利用太陽頻譜之方法及技術；通常，此意謂著利用原本已"被浪費"之頻譜區域。更特定言之，此項技術中需要以下方法及技術：其用於將太陽頻譜區域頻譜上偏移為較佳匹配用於產生電力之太陽電池之頻譜響應的波長，同時為波長轉換系統中之材料同時提供增強之穩定性及透明度。藉由以便宜代價俘獲原本通常不會由太陽或光伏打電池利用之處於短波長區域中之太陽頻譜部分，可實質上增強現有基於矽之太陽/光伏打電池之轉換效率。不必說，有效增加太陽裝置效率降低了所產生之每瓦太陽電力的成本。
本發明實施例針對將日光轉換成電能之光伏打裝置。更特定言之，本發明實施例包含一種用於將較高能量的光偏移為一較低能量形式之含有磷光體之波長轉換材料，較低能量形式更適於由典型太陽電池轉換為電力。該磷光體之吸收可在約280至460 nm範圍內。有利地，該波長轉換器之該磷光體成分可採取內嵌於一透明基質中之奈米粒子形式以便減少散射損失。
在本發明一個實施例中，揭示一種具有增強之轉換效率之光伏打裝置，該裝置包括：太陽電池，其用於將較長波長太陽輻射轉換為電能；及波長轉換磷光體，其用於將較短波長太陽輻射轉換為較長波長輻射，經轉換之較長波長輻射大體上匹配太陽電池之頻譜響應。光伏打裝置之轉換效率由於經轉換之較長波長輻射而增強。
在本發明另一實施例中，揭示一種波長轉換器，其用於將來自太陽頻譜之較高能量的光偏移為供太陽電池使用之較低能量形式，該波長轉換器包括具有組份(Ba1－x－y Srx Mgy )z SiO2＋z ：Eux 2＋ 之磷光體，其中0.001x0.2；0.001y0.2；及z係1.5與2.5之間(包含1.5及2.5)的任何值。
本發明之實施例大體上針對將太陽能直接轉換成電能之光伏打(PV)技術領域。更特定言之，本發明之領域針對一種基於磷光體之波長偏移器(亦稱為波長轉換器)，其可與光伏打電池合併或置放於光伏打電池上或鄰近於光伏打電池，以便使入射至太陽電池之光子通量之頻譜分佈再成形。入射光子通量與光伏打電池之頻譜響應之間的增強之匹配增加太陽裝置之輸出功率。本發明實施例特定提供包括磷光體之奈米粒子之波長轉換器，其中奈米粒子可內嵌於透明基質中。
如今大多數太陽電池板由矽單接面太陽電池製成。該等裝置稱為第一代高度穩定太陽電池。不幸的是，製造第一代太陽電池固有地較昂貴，因為矽係間接帶隙半導體，且因此需要厚層來吸收衝擊於其上之大體上全部太陽輻射。厚層消耗大量原材料。另外，製作該等裝置所必要之材料處理成本(亦即，熱預算)非常高，從而使第一代太陽電池較昂貴。
此類型太陽電池中太陽能至電力之轉換效率相當小，在標準溫度條件下大致為百分之15。大部分太陽轉換作為熱量而損失。處置大矽晶圓之較新近且仍不常見之替代方式涉及構造薄膜太陽電池，從而可能以大大減少之成本產生太陽能。該等基於薄膜之太陽電池稱為第二代，且將其目標定為比第一代裝置便宜，轉換效率方面存在極少或不存在虧損。然而，基於矽之薄膜電池難以吸收太陽輻射，且因此亦遭受低效率。對於日光至電力之轉換之所謂卡諾(Carnot)限制約為百分之95，與對於標準單接面太陽電池約百分之33之上限形成對比。此暗示若使用新穎概念來開發較先進之太陽技術，則可在轉換效率方面大大改良太陽電池效能，藉此產生高效率且低成本的太陽及光伏打裝置。
在本揭示案之此階段簡略提及單接面太陽或光伏打電池遭受之頻譜損失理論可能係有益的。由諸如矽之半導體材料製成之單接面太陽電池中之基本頻譜損失由入射太陽輻射與半導體之吸收特性之間的頻譜失配引起。舉例而言，參見M.A.Green的Solar Cells：Operating Principles,Technology and Systems Application(Prentice Hall,Englewood Cliffs,N.J.,1982)。由於半導體具有離散帶結構之事實，所以對於使用給定材料之太陽電池而言基本上存在三種頻譜損失：1)次帶隙損失，2)熱化損失，及3)頻譜響應損失。將依次處理該等類型損失。
第一類型頻譜損失可稱為次帶隙損失。缺乏捕捉狀態的情況下，通常僅具有等於或大於材料帶隙之能量的光子將被吸收，且因此有助於光伏打(PV)裝置之電輸出。未被吸收之具有小於材料帶隙Eg 之能量Eph 的光子可透射穿過太陽電池，且該等光子當然無助於裝置之電輸出。此種次帶隙損失係限制習知單接面太陽電池效率之主要損失機制之一。
第二類型頻譜損失可稱為熱化損失。具有大於帶隙之能量Eph 的光子可被吸收，但多餘能量Eph －Eg 由於電子熱化而未被有效使用。此係發射聲子(熱量)而非光子之過程。
第三類型損失可稱為頻譜響應損失。太陽電池對於不同波長範圍之太陽輻射之敏感性依據太陽電池技術(包含所使用之特定材料)而不同。換言之，每一波長處每入射光子收集之載流子數目隨波長而變，即通常描述為"量子效率"之參數。如圖1所示，習知矽p－n光伏打電池之頻譜響應並不尤其良好地匹配日光之頻譜分佈。
大體而言，入射光波長越短，則所產生之光電流越低。此係因為，短波長入射光產生之電子在吸收材料表面附近具有較高濃度，因此在該等電子可擴散至p－n結區域之前產生較高的損失可能性。該較高的損失可能性係由於在較短波長(較高能量)光子情況下可能發生之各種再組合機制(諸如，表面再組合)，較長波長光子不太可能有此遭遇。
圖2展示矽太陽電池之經轉換太陽能之間的比較，該計算基於肖克力－奎瑟(Shockley－Queisser)模型，並慮及考慮及不考慮頻譜響應之兩種情況。AM1.5G之頻譜輻照度(圖2中展示為灰色區域)用作計算參考。模型展示在理想條件下約百分之31之轉換效率；亦即，該過程並非波長相依，且太陽電池展示出百分之100之內部量子效率。模型因而預測，當考慮實際波長相依頻譜響應時，轉換效率減少至約百分之21。當考慮額外因素時，頻譜響應損失可與約百分之50一樣大，該等額外因素諸如構成裝置之材料類型及裝置之結構組態。
關於太陽頻譜量化"高"及"低"能量光
根據本發明實施例，波長轉換材料對於波長大於約460 nm之太陽輻射大體上為透明的，因此使競爭性吸收最小化。約460 nm以下之輻射由波長轉換材料吸收，且此被吸收之較短波長光(較高能量光)轉換為具有較長波長(意即，波長大於約500 nm)之較低能量光致發光的光。
可在查看圖3及4之資料之後瞭解較高與較低能量光(分別為較短與較長波長)之間的示範性描繪，該數據係藉由使用磷光體(或磷光體摻合物，或磷光體組合物)作為波長轉換材料而產生的。圖3係示範性磷光體組合物之激發曲線。熟習此項技術者將瞭解，"激發頻譜"實際上為發射頻譜，其中所發射光之強度量測隨激發輻射之波長而變。在此情況下，激發輻射來自太陽。選擇量測自磷光體發射的光所處之特定波長(通常為對於該特定磷光體而言發生峰值發射所處之波長)，且其為引入至被掃描之磷光體/波長轉換器之輻射的波長。
圖3之資料說明磷光體之吸收可在300至480 nm範圍內，但當激發波長增加至大於約460 nm的值時效率開始快速下降。儘管未圖示，但本發明者已發現，藉由改變材料製備過程，可將波長轉換器之吸收頻帶調諧至太陽頻譜之不同部分；該等部分可實際上介於紫外(UV)至可見範圍內。預期下至280 nm之波長亦可有效地轉換，使得被認為"高能量"且適於轉換為供光伏打裝置使用之較低能量光的光的波長可被考慮為約280至約460 nm(包含280及460 nm兩者)。
"較低能量光"(此術語與太陽頻譜有關)可由特定光伏打裝置(其中該裝置傾向於吸收)之吸收特性以及由波長轉換器所發射之光致發光光的波長界定；亦即，已經調節以供光伏打電池使用的光。理想情況為，當單接面太陽電池由波長λopt ＝1240/Eg 之單色光照射時實現該單接面太陽電池之最佳效能，其中Eg 係已製成太陽電池之材料之基本帶隙能量。
入射光之此波長最佳，因為太陽電池材料內導電之光激發載流子中大體上不存在能量損失。理論上而言，當太陽電池材料為結晶矽時，最佳波長λopt ＝1100 nm(其中Eg ＝1.1 eV)，且對於氫化非晶矽(由術語a－Si：H表示)而言λopt ＝700 nm(其中Eg ＝1.77 eV)。實際上，單接面太陽電池在暴露於波長λopt ＝1240/Eopt 之單色光時效能最佳，其中Eopt 係處於太陽電池之最大頻譜響應與其帶隙能量Eg 之間某處的能量。
最佳能量處於該兩個值之間部分係由於太陽電池材料之頻譜吸收性質。其亦依賴於多餘能量損失(熟習此項技術者理想地將希望使其最小化)與內部量子效率(將希望使其最大化)之間的平衡作用。舉例而言，由於非晶矽太陽電池僅含有薄吸收體層，實際最佳頻譜響應約為550 nm。
已證明，該等類型太陽電池之在550 nm之入射單色光處所量測之轉換效率可高達百分之20，與百分之10之觀察到的空氣質量1.5整體面積(AM1.5G)效率形成對比。因此，全太陽頻譜至光子能量Eph 等於Eopt 或稍許更大(以匹配頻譜響應最大值)之準單色光之轉換將大大增加觀察到的效率。
圖4展示典型多晶矽太陽電池之量子效率(QE)曲線。對資料之立即查看揭示，太陽電池在約550 nm至約850 nm之間的波長範圍處最為敏感。約500 nm以下時，量子效率顯著下降。操作中，充當波長轉換器之含有磷光體之材料置放成鄰近於太陽或光伏打電池，該含有磷光體之材料能夠吸收波長500 nm及以下之太陽輻射。概略而言，此包括(波長)下至紫外之藍光。磷光體接著作為光致發光而發射約550至約850 nm的光，多晶矽電池在該區域中最為敏感。
藉由使用本發明實施例，將太陽能轉換為電能之總體效率大大增強，因為由含有磷光體之材料產生之向下轉換的光(甚至可稱為"經調節的光")較有效地被基於矽之光伏打裝置吸收。該原理對於單晶及多晶矽光伏打電池兩者類似地起作用。光伏打電池產生比其在不含磷光體之波長轉換器時將產生之電力多的電力，此明顯係有利情形。
作為波長轉換器之磷光體
圖5展示在綠色至紅色顏色範圍內發射之多種示範性基於矽酸鹽之磷光體材料的發射頻譜。作為無機材料，磷光體具有優良熱穩定性，且未顯示出由其有機對等物所展示出之對於UV降級之感受性。此使得作為波長轉換器之含有磷光體之材料適於陸地及空間環境(其中周圍溫度可劇烈波動)兩者中之太陽應用。
圖5所示之磷光體之組份為：G2563：Sr0.925 Ba1.025 Mg0.05 Eu0.06 Si1.03 O4 Cl0.12 Y4156：Sr1.40 Ba0.55 Mg0.05 Eu0.06 Si1.03 O4 Cl0.12 Y4453：Sr1.6 Ba0.35 Mg0.05 Eu0.06 Si1.03 O4 Cl0.12 Y4651：Sr1.725 Ba0.225 Mg0.05 Eu0.06 Si1.03 O4 Cl0.12 Y4750：Sr1.725 Ba0.15 Mg0.05 Eu0.06 Si1.03 O4 Cl0.12 O5446：Sr3 Eu0.06 Si1.02 O5 F0.18 O5544：Sr2.94 Ba0.06 Eu0.06 Si1.02 O5 F0.18 O5742：(Sr0.9 Ba0.1 )2.76 Eu0.06 Si1.02 O5 F0.18
根據本發明實施例，實施本發明實施例之相對較直接方式係簡單地用磷光體、磷光體摻合物、含有磷光體之組合物來塗佈太陽電池。磷光體可含於透明層中，且可將磷光體直接塗覆於太陽電池之吸收表面上，或以某一方式維持鄰近於該表面。在某一組態中用磷光體塗佈太陽電池將有利地增加發電裝置之能量轉換效率。
磷光體係摻雜有稀土元素之結晶材料。藉由選擇適當摻雜物質與特定主體材料結合來調諧磷光體之發射波長；該兩者由於與摻雜劑周圍及結晶基質內局部晶場關聯之電子－聲子(聲子係量化之晶格振動)相互作用而協同工作。使用磷光體與使用諸如有機染料之先前技術發光材料相比的優點為，磷光體具有較明亮之發射、較佳化學穩定性及較高量子效率。當磷光體用作頻譜偏移器時，磷光體係比有機染料穩固且可靠之材料。
藉由選擇具有適當吸收範圍之磷光體，亦即選擇一種能夠吸收波長小於(光子能量較大)其吸收邊緣之大體上所有光的磷光體，該磷光體充當優良頻譜偏移器。塗佈於太陽電池上之磷光體吸收此較高能量輻射(較短波長光)，並重發具有較長波長之光子，因此向太陽電池提供現匹配其頻譜響應最大值之"經轉換的光"。正是借助此機制增加了太陽電池轉換效率。
本發明實施例具有許多優點。可在極少修改或不修改太陽電池設計的情況下將磷光體應用於現有太陽電池技術。磷光體頻譜偏移器之最佳化可獨立於太陽電池而進行。
作為波長轉換器之含有奈米粒子之材料
在過去十年中，奈米粒子已成為受到極大關注之話題。該等材料擁有大約十億分之一公尺(10－9 m)之大小。其具有至少一個與100 nm相當或小於100 nm之尺寸。奈米粒子受到很大科技關注，因為其有效地充當塊形式之材料與組成彼等材料之分子結構之間的橋接物。
奈米大小之粒子之電子及光學性質通常實質上不同於塊形式之相同材料之電子及光學性質。舉例而言，當奈米粒子直徑減小至某值以下(小於約100 nm)時，觀察到基本吸收邊緣之藍色偏移。該能量偏移係由於小粒子中光激發載流子之量子限制引起的。實質上，已產生過多應用，因為能夠藉由改變粒子大小來精細調諧光電子性質。
奈米粒子係針對薄膜塗層應用之理想材料。其在基板表面上產生均一且透明層。因為奈米粒子尺寸小於可見光波長，所以可見頻譜範圍中之光散射效應最小化。可藉由米氏(Mie)理論來較佳描述光與奈米粒子相互作用。此理論解釋，粒子之散射及吸收隨著其直徑及形狀以及入射光波長而變。該理論陳述，當光衝擊於奈米粒子之薄膜塗層上時，入射及散射光連同由薄膜吸收的光之強度遵循朗伯－比爾(Lambert－Beer)定律：ln(Ip /I)＝τl；τ＝εc，其中Ip 係入射光強度；I係通過薄膜之光的強度；τ係混濁度；l係薄膜厚度；c係由薄膜組成之溶液中之粒子濃度；及ε＝τ/c係消光係數之特定混濁度。Mie已明確導出球體之消光係數之計算。Mie以馬克士威(Maxwell)等式開始，獲得隨著大小參數πd/λ(d＝直徑，λ＝波長)及溶劑n0 與球形粒子n1 之折射率而變的消光效率Qext 。對於消光橫截面Cext (由一個球體吸收及散射之總光能量)，可表達以下關係：Cext ＝Qext πd2 /4。因而混濁度τ經定義為：τ＝N Cext ，其中N為每單位體積之粒子數目。藉由簡單轉換，τ/c＝ε＝3 Qext /(2ρd)，其中ρ為粒子密度。文獻中已計算了隨著減小之大小參數πd/λ及n1 /n0 而變的特定混濁度τ/c的值。參看(例如)J.Serb.Chem.Soc.70(3)364(2005)。
假定奈米粒子大小為100 nm且入射光波長為420 nm，則可自上述等式導出πd/λ＝0.75。舉例而言，在太陽光伏打(PV)應用中，散射損失應在百分之5以下。此狀況之結果為： 若假定(合理假定)薄膜厚度為20 μm且c為2 g/cm3 ，則τ/c＝ln(Ip /I)/(lc)＝0.05/(20*10－4 *2)＝12.5*10－3 cm2 /g。
示範性黏合劑為聚矽氧凝膠。在n0 ＝1.45，n1 ＝1.8(對於大多數氧化物磷光體而言)時，n1 /n0 ＝1.24。上述參考教示，對應於πd/λ＝0.75(n1 /n0 ＝1.25時)之τ/c值不高於10*10－3 cm2 /g，其小於12.5*10－3 cm2 /g之接受位準。塗層之特定混濁度小於散射損失為百分之5時所給定之混濁度，且因此，塗層之實際散射損失小於百分之5。
此結果理論上展示，在太陽或光伏打應用中散射損失可最小化至百分之5以下。對於粒子大小及均一性之精確控制允許在太陽電池基板上形成透明且均一塗層。此透明層允許可見光通過，而發生非常少散射及極少吸收或不發生吸收。頻譜之紫外部分中之輻射由奈米磷光體層吸收，且向下經波長轉換為可由太陽電池有效利用之可見光。因此，此具有含有奈米磷光體之層的塗層可藉由利用太陽頻譜中之紫外輻射以及較低能量可見部分來增強太陽電池之總體效能。
奈米粒子之合成
根據本發明實施例，以奈米大小級製備材料利用諸如液相沉澱及溶膠凝膠成形之濕式化學方法。亦可使用包含噴霧熱解及火焰水解之混合化學/物理方法。另外，可使用諸如機械大小縮減及物理氣相沈積之物理方法來製作包括波長轉換器之本發明磷光體之奈米粒子。
除了屬於本發明者之基於矽酸鹽之磷光體外，亦已開發出一種使用共沉澱方法製作YAG：Ce奈米粒子的技術。在此方法中，所需量之Y(NO3 )3 、Al(NO3 )3 及Ce(NO3 )3 溶解於去離子水中；接著將溶液逐滴添加至氨，且攪拌所得混合物達約一個小時以引發共沉澱。接著濾出沉澱物並用去離子水徹底沖洗。乾燥之後，在還原氣氛中1100℃下燒結白色粉末達約六個小時。YAG：Ce粒子之粒子大小約為40 nm，且由450 nm激發之發射光輸出約為市售YAG：Ce磷光體之百分之60。
基於磷光體之波長轉換器之例證
圖6中展示本發明實施例之例證，其展示使用565 nm磷光體作為波長轉換器(與術語頻譜偏移器同義)的結果。此磷光體之吸收邊緣約為535 nm，發射最大值約565 nm，且發射半高全寬約380 meV。基於自磷光體以實驗方法獲得之激發頻譜來計算短波長中AM1.5G太陽輻照度之吸收。使用約百分之80至90之外部量子效率，觀察到磷光體藉由將光子通量部分自太陽頻譜之短波長範圍偏移至較長波長範圍來改變來自日光之光子通量的頻譜分佈；此額外光子通量疊加於不由磷光體吸收之太陽頻譜之較長波長部分上。
圖7係在AM1.5G太陽輻照度下，具有基於565 nm磷光體之波長轉換器之太陽電池之頻譜輻照度(以Wm－2 nm－1 為單位)與波長的曲線圖。此太陽電池之頻譜響應與圖2所示之頻譜響應相同。圖7中展示為沒有磷光體頻譜偏移器之太陽電池提供之頻譜輻照度以進行比較，以及展示AM1.5G陽光下的頻譜輻照度。
圖7中之結果展示基於磷光體之波長轉換器提供轉換效率之大於百分之1之增加。注意到，此情況下使用之磷光體未經最佳化以匹配圖1所示之矽太陽電池之頻譜響應最大值。當使用具有較佳匹配矽太陽電池之800 nm最大值之發射峰值的磷光體時，預期轉換效率增加更大。
圖1展示以AM1.5G輻照度進行之光子通量之頻譜分佈，及正常矽p－n結光伏打電池之內部頻譜響應；圖2展示矽太陽電池之經轉換太陽能之間的比較，該計算基於肖克力－奎瑟模型，並慮及考慮及不考慮頻譜響應之兩種情況；圖3係發明者之基於矽酸鹽之磷光體中之一者的激發曲線，該磷光體可以奈米粒子形式用作波長轉換器，該曲線圖展示在一個實施例中磷光體之吸收可在約300至480 nm範圍內，且在另一實施例中磷光體之吸收可在約280至460 nm範圍內；圖4展示典型多晶矽太陽電池之量子效率曲線；圖5展示可視情況以奈米粒子形式用作波長轉換器之示範性基於矽酸鹽之磷光體的發射頻譜；圖6係在存在565 nm磷光體的情況下到達太陽電池之光子通量之曲線圖，其假定量子效率為約0.8至0.9；及圖7展示在AM1.5G太陽輻照度下使用565 nm磷光體頻譜偏移器之所轉換太陽能的結果；所包含用於進行比較的為不存在頻譜偏移波長轉換器的情況下之頻譜輻照度。

Claims (15)

  1. 一種具有增強之轉換效率之用於從日光產生電力的光伏打裝置，其包括：一太陽電池，其用於將所接收較長波長太陽光輻射轉換為電能；及一波長轉換磷光體，該波長轉換磷光體係直接塗覆於該太陽電池之吸收表面上，且該波長轉換磷光體用於將較短波長太陽光輻射轉換為較長波長光輻射以藉此提供一第二來源光輻射，該經轉換之較長波長光輻射大體上匹配該太陽電池之頻譜響應；其中該光伏打裝置之該轉換效率由於該經轉換之較長波長輻射而增強。
  2. 如請求項1之光伏打裝置，其中該太陽電池包括具有一約1100 nm之理論最佳吸收波長之結晶矽。
  3. 如請求項1之光伏打裝置，其中該太陽電池包括具有一約700 nm之理論最佳吸收波長之氫化非晶矽。
  4. 如請求項1之光伏打裝置，其中該太陽電池包括具有一約550 nm之實際最佳吸收波長之非晶矽。
  5. 如請求項1之光伏打裝置，其中該磷光體包括一具有少於約100 nm直徑的摻雜有一稀土元素之結晶材料之奈米粒子。
  6. 如請求項5之光伏打裝置，其中調整該等磷光體奈米粒子之大小使其具有一約535 nm之基本吸收邊緣及一約550 nm至850 nm之發射最大值。
  7. 如請求項6之光伏打裝置，其中該等磷光體奈米粒子具有一約380 meV之發射峰值半高全寬。
  8. 如請求項1之光伏打裝置，其中該磷光體係選自於下列組成的群組：一M2 SiO4 ：Eu2+ 的形式之矽酸鹽基磷光體及一M3 SiOs ：Eu2+ 的形式之矽酸鹽基磷光體，其中M為一二價陽離子，及一YAG：Ce磷光體。
  9. 一種增強一太陽電池之轉換效率之方法，該方法包括：提供一太陽電池，該太陽電池用於將較長波長太陽光輻射轉換為電能；及提供一頻譜偏移磷光體奈米粒子之奈米磷光體層，該頻譜偏移磷光體用於將較短波長太陽光輻射轉換為較長波長光輻射，該經轉換之較長波長光輻射大體上匹配該太陽電池之頻譜響應。
  10. 如請求項9之方法，其中該頻譜偏移奈米磷光體奈米粒子內嵌於一薄膜透明基質塗層，其直接塗覆於該太陽電池之吸收表面上，且該等奈米粒子尺寸小於可見光波長以藉此將可見頻譜光散射效應最小化。
  11. 如請求項9之方法，其中由於奈米粒子的直徑小於100 nm導致該等奈米粒子中的光激發載流子之量子限制，因而該頻譜偏移奈米磷光體奈米粒子具有一能量偏移基本吸收邊緣。
  12. 如請求項9之方法，其進一步包含：精確控制奈米粒子大小以在太陽電池基板上提供一透明且均一塗層，其允許可見光通過而發生非常少散射及 極少吸收或不發生吸收，同時在頻譜之紫外部分中之光輻射由光奈米磷光體層吸收，且向下經波長轉換為可由該太陽電池有效利用之可見光。
  13. 一種用於將來自太陽頻譜之較高能量的光偏移為一供一太陽電池使用之較低能量形式之波長轉換器，該波長轉換器包括一具有組份(Ba1-x-y Srx Mgy )z SiO2+z ：Eux 2+ 之磷光體，其中0.001x0.2；0.001y0.2；及z係1.5與2.5之間且包含1.5及2.5的任何值。
  14. 如請求項13之波長轉換器，其中該磷光體採取奈米粒子之形式。
  15. 如請求項14之波長轉換器，其中該含有磷光體之奈米粒子內嵌於一透明基質中。
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