TWM514112U

TWM514112U - 光伏電池

Info

Publication number: TWM514112U
Application number: TW104206111U
Authority: TW
Inventors: Corey E Lerner
Original assignee: Columbus Photovoltaics LLC
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2015-12-11

Description

光伏電池

本新型和光伏電池有關。

相關申請案交叉參考

本申請案主張2013年11月4日提申的美國臨時專利申請案第61/899,400號之提申日期的權利，該案標題為「沒有半導體接面的高能隙太陽能電池(HIGH BAND GAP SOLAR CELLS WITHOUT SEMICONDUCTOR JUNCTION)」，本文以引用的方式將其揭示內容併入。

迄今為止，本技術中已經非常努力開發光伏電池，也就是，能夠將光轉換成電能的半導體裝置。一般來說，此些電池會併入多層半導體材料，其包含n型半導體(其中，主要以及多數電荷載子為電子)與p型半導體(其中，多數電荷載子為電洞)。此些層會一起定義一p-n接面。多個電極被提供接觸該接面相反兩側上的半導體材料。當彼此隔離時，p型材料與n型材料因不同摻雜的關係而有不同的費米能階(Fermi level)。費米能階係一讓該能階充滿電子的機率為50%的能量位準。當該些p型材料與n型材料於該電池的p-n接面處彼此結合時，該些費米能階會達到彼此平衡並且形成一空間電荷區(space charge region)。該空間電荷區於該接面附近提供一電場。當光照射該半導體材料時，外來的光子會讓電子從該半導體材料的價電帶(valence band)提升至導電帶(conduction band)，因而提高電荷載子的數量。「能隙(band gap)」一詞係指一半導體材料的價電帶與該材料的導電帶之間的能量差異。

該空間電荷區的電場會加速跨越該p-n接面的電荷載子。電洞與電子會在相反方向中移動。電子會通往接觸n型材料的一第一電極，反之，電洞則通往接觸p型材料的一第二電極。這會在該些電極之間創造一電位差，並且因而在該些電極處創造實用、可利用的電能。一被連接至該些電極的外部電路便能夠運用此電能。

可從此些p-n接面電池處取得的電壓或電位差有限。此電池的最大電壓輸出會受限於n型材料的導電帶的能階與p型材料的價電帶的能階之間的差異。此差異通常小於該半導體的能隙。本技術領域希望利用有寬能隙(舉例來說，約1.7電子伏特或更大)的材料來形成光伏電池。寬能隙材料會有效吸收約小於800奈米的之波長處的光。此光落在頻譜的可見光與紫外光部分中並且構成照射在地球上的太陽能的大部分。又，由寬能隙材料所形成的電池亦能夠配合由窄能隙材料所形成的電池來使用。於此排列中，寬能隙電池係被設置在窄能隙電池前面。長波長的光不會被寬能隙電池吸收並且通過抵達該窄能隙電池而於該窄能隙電池被吸收。

由矽所形成的p-n接面電池能夠藉由相對廉價的製程來製作，例如，摻雜物植入於矽晶圓之中。然而，矽的能隙為1.12eV。於特定寬能隙半導體材料中製造p-n接面電池需要藉由一序列式磊晶沉積製程來形成多層。於一磊晶沉積製程中，該材料會藉由沉積材料(最典型的係蒸氣或氣體狀態)於一既有的固體晶體上而被成長於一基板上，俾使得該已成長的晶體會形成於晶體晶格分隔距離取決於該基板之晶格分隔距離的結構中。然而，利用特定寬能隙半導體材料來成長相反導體類型的高品質半導體材料卻很困難。因此，迄今為止，本技術中雖然已經非常努力開發光伏電池；但是，仍希望有進一步的改良。

根據本新型之一實施例的光伏電池希望包含一半導體元件，其具有一前面、一後面、以及一介於該些面之間的厚度方向。該半導體元件希望完全由n型半導體所構成或者完全由p型半導體所構成。一偏壓劑(biasing agent)希望疊置在該半導體元件的該些面的第一面上方。該偏壓劑希望具有不同於該半導體元件之正常費米能階或功函數的費米能階或功函數。該偏壓劑會於該半導體元件中產生能帶彎折，因此，一空間電荷區會存在於該半導體元件裡面並且在整個空間電荷區中會於該厚度方向中有一單向電位梯度。該電池還希望包含在厚度方向中彼此隔開的前電極與後電極，該些電極中的每一者在沒有照射時接觸該空間電荷區裡面的半導體元件。

本新型的進一步觀點提供產生電力的方法。根據本新型此項觀點的方法希望包含在完全由p型半導體所構成或者完全由n型半導體所構成的半導體元件的整個空間電荷區中的一梯度方向中維持一單向電位梯度。該方法還希望包含在維持該電位梯度時將光導入至該空間電荷區之中，俾使得該光的至少一部分被該半導體吸收並且該被吸收光會將電子從價電帶提升至導電帶。該方法還希望進一步包含在一對電極處收集電流，該對電極在該梯度方向中彼此隔開並且接觸該空間電荷區裡面或鄰近的半導體。最佳的係，在該收集步驟期間，該些電極接觸該空間電荷區裡面的半導體。

根據本新型進一步觀點的光伏電池希望包含一半導體元件，其具有一第一面、一第二面、以及一介於該些面之間的厚度方向。一偏壓劑希望僅疊置在該第一面的一第一部分上方並且在該半導體元件中產生能帶彎折。一第一電極較佳的係疊置在該第一面的一第二部分上方並且接觸該第二部分，該第二部分與該第一部分分離。於本新型的此項觀點中，該第一電極希望沒有與該偏壓劑直接導體性接觸。根據本新型此項觀點的電池包含一第二電極，其在一與該第一面隔開的位置處接觸該半導體元件。

10‧‧‧半導體元件

12‧‧‧前面

14‧‧‧後面

16‧‧‧半導體層或基板層

17‧‧‧半導體層或基板層

18‧‧‧半導體層或基板層

20‧‧‧能階曲線

21‧‧‧電極

22‧‧‧能階曲線

23‧‧‧電極

26‧‧‧偏壓材料

28‧‧‧空間電荷區的邊界

28'‧‧‧空間電荷區的邊界

29‧‧‧外部電路

30‧‧‧電極

31‧‧‧切換器

32‧‧‧電子從價電帶提升至導電帶

33‧‧‧負載

36‧‧‧理論性邊界

110‧‧‧半導體元件

111‧‧‧高度摻雜半導體材料薄層

126‧‧‧偏壓材料

130‧‧‧第二電極

131‧‧‧金屬層

210‧‧‧半導體主體

226‧‧‧偏壓材料

230‧‧‧第二電極

301‧‧‧電極元件

303‧‧‧繞線線路

305‧‧‧第一金屬層

307‧‧‧第二金屬層

309‧‧‧電氣絕緣體

310‧‧‧半導體元件

312‧‧‧第一表面

320‧‧‧沒有外部偏壓電壓時的半導體的導電帶

321‧‧‧有外部偏壓電壓時的半導體的導電帶

326‧‧‧偏壓劑

327‧‧‧p+型半導體

329‧‧‧躍遷層

330‧‧‧第二電極

331‧‧‧外部負載

401‧‧‧電極元件

409‧‧‧絕緣體

410‧‧‧半導體元件

412‧‧‧第一表面

426‧‧‧偏壓劑

428‧‧‧空間電荷區的邊界

430‧‧‧第二電極

圖1所示的係根據本新型之一實施例的光伏電池的剖視圖，該光伏電池被連接至一外部電路。

圖2與3所示的係根據本新型進一步實施例的電池的剖視圖。

圖4所示的係根據本新型又一實施例的電池的平面視圖。

圖5所示的係沿著圖4中的直線5-5所獲得的剖視圖。

圖6所示的係根據本新型又一實施例的電池的剖視圖，類似於圖5。

根據本新型之一實施例的光伏電池包含一半導體元件10，其具有一前面12、一後面14、以及一延伸在此些面之間的厚度方向。如本文中的用法，並且如本技術中的正常理解，延伸在一實心物體的兩面之間的厚度方向為介於該兩面之間的最短直線的方向。該兩面彼此平行，如圖1中，該厚度方向為垂直於該兩面的方向。於圖中所示的實施例中，該厚度方向圖1中箭頭T所示的水平方向。半導體元件10視情況可以與一或更多個額外的半導體層或基板層16、17、以及18統合。於此實施例中，該些額外層遠離該半導體主體10中扮演產生電能角色的區域，且據此，該些額外層能夠有實質上任何組成物以及任何導體類型。舉例來說，該些額外層可以包含一電絕緣層17以及由能隙小於元件10中之半導體的半導體所形成的層16與18。層16與18可以為相反導體類型，且因此可以定義一習知的p-n接面電池，其具有21與23處概略圖示的電極。

於此實施例中，半導體元件10完全由具有單一導體類型的半導體材料所構成。於圖中所示的範例中，該導體類型為n型。該半導體基本上能夠為任何半導體，舉例來說，III-V半導體，例如，包含由選擇自由鎵、銦、以及鋁所構成之群中的一或更多個III族元素以及選擇自由氮、磷、砷、以及銻所構成之群中的一或更多個V族元素的III-V半導體。或者，該半導體材料亦能夠為II-VI半導體，其包含由選擇自由鎘、鋅、以及汞所構成之群中的一或更多個II族金屬以及選擇自由氧、硫、硒、以及碲所構成之群中的一或更多個VI族元素。該半導體亦可以為一IV族半導體，例如，矽或碳化矽。該半導體可以不被摻雜；可以藉由加入一或更多摻雜物至該名義半導體而被刻意摻雜；或者，舉例來說，可以因晶格空位而被非刻意摻雜。舉例來說，氮化鎵可以在常見的磊晶成長製程中被形成在一非刻意摻雜的n型半導體之中。該些摻雜物以及該半導體本身的其它顆粒可以為習知。

在圖1中假設該些額外層16、17、以及18不會影響該半導體的電子狀態。沒有受到外界影響干擾的材料的特性於本文中稱為該材料的「正常」特性。該材料具有一導電帶與一價電帶。導電帶的正常能階表示為Ec並且價電帶的正常能階表示為Ev。於如圖示的n型半導體中，正常的費米能階E_FS 在正常的導電帶能階Ec之下。

一層偏壓材料26疊置在該半導體元件10的前表面12上方。於此範例中，該偏壓材料26被塗敷為一薄層，因此，該偏壓材料對落在被該半導體吸收之波長中的光為透明。如本揭示內容中的用法，「透明」一詞表示一元件會讓落在感興趣波長中的光的大部分透射穿過該元件。完全透明(也就是，100%的透射)並不需要。如此處，當半導體元件10為n型時，偏壓材料26的正常費米能階E_FM 會在該半導體的正常費米能階E_FS 之下。換言之，該偏壓材料的功函數Φm大於該半導體在其正常狀態中的功函數。一材料的功函數為將一電子從該材料的費米能階處移至真空所需要的能量。一金屬的功函數亦稱為該金屬的「電子親和性」。於圖中所繪的特殊範例中，偏壓材料26為一導電金屬。舉例來說，當半導體元件10為II-VI半導體時，例如，n摻雜至10¹⁷ ，有約4.2電子伏特(eV)之功函數的硫化鎘，偏壓材料26可以為一金屬，例如，有約4.78eV之功函數的金。於此實施例中，偏壓層26為一夠薄而足以為透明的金屬層。該金屬為導體，俾使得該偏壓劑充當一第一電極。

在圖1中，該半導體元件及相關聯的結構顯示在一開路、黑暗情形中。於此情形中，沒有任何光落在該半導體上並且沒有電流流經該半導體。該金屬與半導體的功函數平衡在共同費米能階F_E 所示的位準處。於一金屬與半導體之圖中所示的情況中，該平衡費米能階F_E 實質上等於該金屬的正常費米能階F_M 。換言之，該半導體的費米能階下降至該平衡費米能階F_E 。為發生此情況，電子會從該半導體相鄰前表面12處被轉移至該偏壓劑。這會在該半導體中於本文中被稱為「空間電荷區」的整個區域中的半導體產生電子空乏，亦稱為相鄰於該前表面12的「空乏區」，並且因而帶正電，並且讓該偏壓劑帶負電。於該偏壓劑中的電荷會集中在一極薄的區域中，通常為數個埃的厚度，其被稱為鄰接該半導體之前表面12的「得爾它電荷區(delta charge region)」(圖中並未顯示)。在相鄰於該前表面的半導體的導電帶中的電子會被該偏壓劑上的負電荷排斥。在與該前表面相隔越來越大的距離處，排斥力會因介於該偏壓劑與電子之間的帶正半導體的數量越來越多而而降低。換言之，在該半導體的該空間電荷區裡面會有一電場。於該空間電荷區裡面的半導體的導電帶中的任何電子會有由該電場所給予的額外電位能並且因而處在高於該空間電荷區外面的該導電帶中的電子的能階處。曲線20的向上彎折即表示此結果。因為半導體的能隙為一固定數，所以，價電帶的能階同樣會在該空間電荷區中增加，如曲線22的向上彎折所示。「能帶彎折」一詞常被用來描述該空間電荷區裡面的能階的扭曲。此些曲線中的向上彎折的大小等於半導體10的正常費米能階與該偏壓劑26的正常費米能階之間的差異。此差異稱為該金屬-半導體接面的「內建電壓(Built In Voltage，V_BI )」。電場的強度由曲線20的斜率來表示並且逐漸傾斜至該空間電荷區之邊界處的零值，如圖1中的直線28所示。在黑暗、開路情形下的空間電荷區的厚度t_sc 相依於該半導體的載子濃度以及該內建電壓V_BI 與介電常數。於此些情形下的厚度t_sc 可由熟習本技術的人士輕易算出。舉例來說，在各種內建電壓處被摻雜至各種載子濃度的硫化鎘的t_sc 的約略數值如下面表I中所示。表I中亦顯示最大電場E_MAX 。

根據此實施例的光伏電池還包含一第二電極30。該第二電極30在厚度方向中與前表面12以及第一電極26隔開。換言之，電極26與30沒有彼此接觸並且在厚度方向中於此些電極之間有非零距離d₂ 。一部分的半導體元件10 被設置在此些電極之間。在厚度方向中介於前表面12與第二電極30之間的距離d₂ 小於在黑暗、開路情形下的空間電荷區的厚度t_sc 。換言之，該第二電極會接觸在黑暗、開路情形下的空間電荷區裡面的半導體。因此，電極26與30會接觸該半導體元件10的空間電荷區。於此實施例中，電極30對低能量光子為透明，該些光子會穿過抵達由層16與18所形成的額外電池。實務上，電極30可以包含一金屬的薄層或是彼此隔開的複數個不透明導體，俾使得光能夠透射穿過介於該些導體之間的空間。於圖1的實施例中，第二電極30被假設為與該半導體產生歐姆接觸。因此，為達解釋的目的，本新型假設第二電極30沒有導致明顯的能帶彎折或是顯著地影響該空間電荷區裡面的導電帶的配置。審視圖1將會明白，於該厚度方向中，從介於該偏壓材料26與該半導體之間的接面12處至該第二電極會有一電位梯度。換言之，於此實施例中，該梯度的方向與該厚度方向相同。一電路29(如圖1中概略所示，其包含一切換器31與負載33)可以被連接在電極26與30之間。

在操作中，光會通過透明的偏壓材料26並且進入該半導體之中。光會在該前表面12與一理論性邊界36之間的該半導體的一區域裡面被吸收。在與前表面12相隔深度X處的光強度I_X 係由下面的方程式來給定：I_X =I₀ e^-αX 其中：I₀ 為在前表面12處的光強度；而α為該半導體對照射在該半導體上的光的吸收係數。除非本揭示內容中另外明確表明，否則，α的數值應該被視為能量大於該半導體之能隙的太陽能輻射部分的平均數值。

如本揭示內容中的用法，該吸收區的厚度t_A 被視為等於α^-1 的深度x。於此深度處，I_X /I₀ 等於e^-1 或是約0.37。換言之，t_A 為外來光子中約63%已被吸收的深度x。此厚度t_A 可能大於或小於該空間電荷區的厚度t_SC ；但是，較佳的係，t_A 小於t_SC 。再次地，舉例來說，硫化鎘提供一約4000埃厚的吸收區。

吸收該光的光子會將一電子從價電帶提升至導電帶。這在圖1中由箭頭32來符號表示。因此，吸收光會增加該半導體的載子濃度。因光能量所形成的額外載子會受到該空間電荷區裡面的電位梯度加速。因此，電子會移動遠離該前表面並且朝該第二電極移動，反之，電洞則朝前表面12與偏壓材料以及電極26移動。該些電子會通往該第二電極30，俾使得該第二電極會相對於該偏壓劑以及第一電極26變成帶負電。相對於出現在黑暗情形下的小量少數載子，少數載子(圖中所示之n型半導體中的電洞)的數量增加特別明顯。少數載子的累積傾向於縮減該空間電荷區的厚度。圖1中的邊界28'概略表示此結果。希望的係，該第二電極30被設置在空間電荷區的縮減厚度裡面，如圖1中所示。舉例來說，在預期用於陸地中的光伏電池中，當該電池受到太陽照射時，該第二電極希望維持在該空間電荷區的厚度裡面。如本揭示內容中的用法，「太陽」一詞係指每平方公尺有1,000瓦之強度的光並且頻譜對應於照射在地球上的太陽能的頻譜。此頻譜稱為AM 1.5頻譜。介於開路情形下(沒有任何電流在外部電路29之中流動)的電極之間的電位差的大小會小於該半導體的能隙。當切換器31封閉時，該等電子會從第二電極30處經由該外部電路流至該第一電極，於此情況中為偏壓材料26，並且與電洞結合。在該半導體裡面的內部電流流動稱為光電流，並且在圖1中以箭頭I_PHOTO 來符號表示。

出現在該空間電荷區裡面的電場會導致載子(尤其是電子)加速至相對高的速度。又，該些電極之相對緊密的分隔距離會最小化該些載子要移動的距離。這在該半導體構成元件10為一直接半導體(direct semiconductor)並且該光子吸收過程為直接吸收過程的地方特別重要。如本揭示內容中的用法，「直接躍遷(direct transition)」係指光子因一電子從價電帶量子躍遷(quantum transition)至導電帶而被吸收的過程，其不需要和另一顆粒或波互動或是產生另一顆粒或波。此直接躍遷過程應該對照於間接躍遷(indirect transition)過程，其通常涉及與一「光子」的互動，也就是，該半導體材料裡面的震動波。「直接半導體」一詞係指能夠在直接躍遷過程中吸收光子的半導體。因為直接躍遷過程僅涉及兩個顆粒或波的互動，也就是，一光子與一電子，所以，倘若一照射光子的能量至少等於該能隙的話，該吸收過程便可能發生。所以，直接半導體的功能如同非常有效的吸收體。然而，在直接半導體中亦可能有逆向躍遷(reverse transition)，也就是，電子從導電帶落入價電帶之中，其被稱為「載子再結合」。換言之，載子再結合在直接半導體之中發生的速度遠快過在間接半導體之中。因為該些載子在圖1中所示之電池的電極之間的區域裡面的兩個相反方向中快速地移動並且因為介於該等電極之間的距離很小的關係，所以，大量的載子會留存足夠的時間而抵達該些電極，俾使得該電池能夠產生大量的電流。

相反地，在被稱為「蕭特基二極體(Schottky diode)」的習知結構中，該第二電極會在該空間電荷區外面的遠方位置處接觸該半導體。因光子吸收所產生的載子會擴散通過該半導體中的一龐大區域，其不會受到和該空間電荷區相關聯的電場影響。因此，該些載子在抵達該些電極之前必須忍受延長的駐存時間。若嘗試使用由直接半導體所形成的此蕭特基二極體結構作為光伏電池會遭受大規模的載子再結合並且產生低輸出電流。

併入圖1中所示之半導體元件10的電池能夠利用直接半導體來製造。又，該電池沒有併入一p-n接面。因此，此電池能夠由各式各樣的半導體製成。舉例來說，能夠使用難以在p型中達成的半導體。特定的半導體即使沒有刻意加入摻雜物仍會呈現n型摻雜。當使用此些半導體時，沒有任何刻意摻雜仍然能夠製作併入半導體元件10的電池。

能量小於元件10中之半導體的能隙的光子會通過該半導體而不會被吸收並且會通過透明電極30與21，因此它們會抵達由層16與18所構成的額外光伏電池。此電池會吸收此些光子並且在電極21與23之間產生一電位。此些電極能夠被連接至任何配置的進一步外部電路(圖中並未顯示)。於此電路的其中一範例中，和額外層16與18相關聯的電極會與和半導體元件10相關聯的電極26與30串聯連接。因此，該裝置整體充當一合成電池，短波長光會被吸收並且在包含元件10的前方電池中被轉換為電力而長波長光會在併入層16與18的後方電池中被轉換為電力。於一進一步的實施例中，由層16與18所構成的額外電池可以被省略，並且該第二電極30可以為反射性。於此排列中，該第二電極會將任何未被吸收的光重新導向回到介於該些第一電極與第二電極之間的空間之中。該被反射的光會包含能量大於半導體元件10之能隙的某些光子。此些光子在反向朝該第一電極26前進時至少部分會被吸收。於一進一步的變化例中，由層16與18所形成的該額外電池會如圖1中所示般被提供，而第二電極30則被形成為一選擇性反射結構。該結構會將高能量光子朝該第一電極26反向反射，但是卻對低能量光子為透明。於此排列的一變化例中，該後方電池可以併入多個透明電極，並且由低能隙半導體所形成的一或更多個額外電池可以被放置在該後方電池後面，俾使得該些額外電池會吸收更低波長的光。於一進一步的變化例中，該半導體主體可以包含在元件10前方的一或更多個額外電池，該些額外電池係由能隙大於元件10之材料的半導體所形成。

根據本新型一進一步實施例的光伏電池(圖2)類似於上面參考圖1所述的電池。然而，於此情況中，整個半導體元件僅由被設置在該第一電極與偏壓材料126以及該第二電極130之間的一層半導體材料所構成。於此實施例中，該半導體元件全部的厚度小於該空間電荷區的正常厚度。同樣地，此圖中，兩個電極會接觸該空間電荷區。於此實施例中，該第二電極130包含一金屬層131以及一接觸半導體元件110的高度摻雜半導體材料薄層111。於圖中所示的特殊範例中，該半導體110同樣為n型並且層111為一般所指的n+層。層111和半導體主體110的其餘部分雖然為相同的導體類型，也就是，n型；但是，具有高載子濃度，其在某些方面如同金屬。此層能夠促成該半導體主體110與第二電極130的金屬層之間的傳導。抵達該第二電極130的大量電子有助於在該第二電極處維持高濃度的電子。倘若在該第二電極處的電子的濃度夠高的話，便可以不需要藉由摻雜所形成的n⁺ 層。

根據本新型又一實施例的光伏電池(圖3)類似於圖1與2的電池；不同的係，半導體主體210全部由p型半導體所形成。於此實例中，偏壓層226係由費米能階高於半導體210之費米能階並且功函數低於該半導體之功函數的材料所形成。於此實施例中，該偏壓材料亦會在該半導體中產生能帶彎折。同樣地，此圖中，在該偏壓材料226與該第二電極230之間的厚度方向中的分隔距離或距離小於該空間電荷區的厚度，俾使得該第二電極230被設置在該空間電荷區裡面。此電池的操作基本上和上面的討論相同，不同的係，電流流動的方向相反。

根據本新型進一步實施例的電池描繪在圖4與5中。該電池包含一第一電極，其併入疊置在該半導體元件的第一表面312上方的複數個電極元件301，其中一個此元件顯示在圖5中。該些獨特的電極元件藉由圖4中概略所示的繞線線路303彼此導體性連接。該些繞線線路希望盡可能的薄，俾使得該些繞線線路僅覆蓋該第一表面312的最小必要區域。

一偏壓劑326同樣疊置在該半導體元件的第一表面312上方。偏壓劑326希望覆蓋該第一表面的大部分，在本文中被稱為「此表面的第一部分」。相反地，該些電極元件301希望覆蓋該第一表面312的一第二、較小的部分。換言之，該些電極元件301被提供在該第一表面312中沒有偏壓劑的區域上。每一個電極元件皆希望包含一或更多個導電層，例如，金屬層。於圖中所示的特殊實施例中，每一個電極元件301皆包含一第一金屬層305以及一接觸該第一表面的第二金屬層307。於其它變化例中，可以僅使用單一金屬層，或者，可以使用兩個以上的金屬層。一電氣絕緣體309會包圍每一個電極元件301，俾使得該些電極元件不會直接接觸該偏壓劑326，且因此，該第一電極整個不會直接接觸該偏壓劑326。該些繞線線路303(圖4)同樣與該偏壓元件絕緣。該偏壓劑326希望為透明；但是，可以為導體或是高度摻雜的半導體。舉例來說，倘若半導體310為n型的話，該偏壓劑326可以包含一p+型半導體327的薄層並且可以視情況包含一介於該p+型半導體327與該半導體元件定義表面312之間的躍遷層，以便改良此些元件的晶格匹配。該偏壓劑不會形成貫穿該電池的導體路徑的一部分，並且並非半導體元件310的一部分。因此，同樣地，被設置在該些電極之間的半導體元件310全部由n型半導體所構成。藉由p+偏壓劑所形成的一寬能隙n型半導體的偏壓可以產生大量的能帶彎折以及大額的內建電壓。這可以減輕因該躍遷層所造成的內建電壓的任何下降。

圖中所示的電池被連接至一外部負載331，例如，電阻性負載。在操作中，光經由該偏壓劑通往該半導體主體之中，如圖5中的箭頭h_Y 所示。然而，對齊該些電極元件301的該主體中的區域仍維持實質上沒有被照射。據此，此些區域不會有任何光生成的載子並且導電係數會遠低於對齊該偏壓劑的區域。

在該半導體中遠離該些電極元件的區域中，該電池和上面討論的實施例非常相同。因此，由箭頭I_PHOTO 所符號表示的光電流會在第二電極330與第一表面312之間於厚度方向中流動。在該第一表面312處的載子濃度夠高的前提下，在該電池中遠離電極元件301的區域中的光電流同樣會在橫切於該厚度方向的方向中沿著表面312朝該些電極元件流動，因此，該光電流會通過該些電極元件以及通過外部負載331並且反向回到該第二電極330。

跨越負載331的電壓差如同該第一電極的電極元件301與該第二電極之間的外部偏壓電壓。此外部偏壓傾向於抵消能帶彎折的效果。換言之，由該負載所加諸的外部偏壓會抵消由該偏壓劑加諸在該空間電荷區裡面的電場。舉例來說，舉例來說，曲線320概略代表沒有該外部偏壓電壓時該半導體的導電帶；反之，曲線321概略代表有該外部偏壓電壓時的導電帶。該效果會降低驅動該些載子通過該半導體的電場並且因而傾向於降低該光電流。除此之外，該外部偏壓電壓還傾向於產生與該光電流反向的電流，如圖5中的箭頭I_DARK 的符號表示。這會降低在該電池中流動的淨電流。

然而，因為該外部偏壓電壓被施加在該些電極元件301與該第二電極330之間；所以，此些效應主要出現在對齊該些電極元件的該半導體主體的區域中。此些區域構成該電池的一相對小的部分。因為該半導體的此些區域實質上沒有被照射並且有超低的載子濃度；所以，相較於在有一第一電極覆蓋整個前表面之可對照的電池中，I_DARK 會比較小。另外，該半導體中遠離該些電極元件的區域在該半導體內會經歷較小的偏壓相關的電場下降。咸信，此些因素都會提高諸如圖4與5中所示之電池的效能。

根據本新型進一步實施例的電池(圖6)包含一由間接半導體(舉例來說，矽)所形成的半導體元件410。該電池有一第一電極，其併入複數個電極元件401，圖6中僅顯示其中一個電極元件。該些電極元件401於該半導體元件的第一表面412上彼此隔開。該電池還包含一偏壓劑426與一絕緣體409，類似於上面參考圖4與5所討論的偏壓劑與絕緣體。於此電池中，該偏壓劑與半導體之間的相互作用會在黑暗開路情形下形成一具有厚度t_sc 的空間電荷區。一第二電極430會在該空間電荷區外面的一位置處接觸該半導體。於此電池中，介於該前方表面412與第二電極430之間的距離 d₂ 大於t_sc 。圖中所示的特殊範例併入n型半導體。於該空間電荷區的邊界428與該第二電極430之間的區域中沒有任何黑暗情形下的電場。圖6中概略描繪的導電帶E_C 的平坦部分即表示此結果。在操作中，產生於該空間電荷區之中的電子會在該空間電荷區中的電場的影響下通往邊界428並且接著從邊界428處朝該第二電極430擴散。因為該半導體為一間接半導體，所以，該些載子有足夠的壽命抵達該些電極。於此電池中，使用多個隔開的電極元件401配合與該些電極元件絕緣的偏壓劑426可以提供類似於上面參考圖4及5所討論的好處。

上面討論的元件的眾多變化與組合皆能夠被運用。舉例來說，於上面參考圖4至6所討論的實施例中，該些電極元件未必為如圖中所示的隔絕圓形元件的形式。於其中一變化例中，該些電極元件具有狹長帶體的形式，該些狹長帶體彼此平行延伸並且在橫切於該些帶體之狹長方向的方向中彼此隔開。於一包含狹長帶體電極元件的排列中，該些繞線線路303(圖4)可被省略。該些獨特電極元件的金屬層可以延伸在該帶體的狹長的方向中，並且因而可以用來攜載電流至一共同導體。亦可以使用用於電氣連接該些獨特電極元件的其它結構。

於其它實施例中，圖中被描繪成實心層的各種電極會被形成為多個合成電極，每一者皆包含一組彼此隔開的元件。此些元件可以為不透明；但是，整個合成電極則實質上為透明。於另一變化例中，光可以經由該半導體元件的後方表面被引導至諸如圖2或圖3中所示的電池之中。

於一進一步的變化例中，該半導體元件被形成為一較大型半導體主體的一部分，其包含額外的半導體層疊置在該偏壓劑與該半導體的第一表面上方。於此排列中，該偏壓劑被設置在該較大型的半導體主體裡面。同樣地，於此排列中，該偏壓劑疊置在該半導體元件的某一面上方。

於上面討論的實施例中，該偏壓劑雖然直接接觸該半導體元件；然而，該偏壓劑亦可以藉由一如習知的MIS接面中所運用的絕緣體薄層而與該半導體元件分開。舉例來說，此絕緣層能夠被用來取代圖5中所示的躍遷層329。此排列為次佳方式，因為其會降低內建電壓V_BI 。

本文中雖然已經參考特殊實施例說明過本新型；不過，應該瞭解的係，此些實施例僅解釋本新型的原理與應用。所以，應該瞭解的係，可以對該些解釋性實施例進行許多修正並且可以設計出其它排列而沒有脫離隨附申請專利範圍所定義之本新型的精神與範疇。