[发明专利]自然光能电池及透明转光层

说明书

【发明所属技术领域】

本发明系关于一种自然光能电池及其透明转光层，尤指一种可吸收太阳光中波长λ＜400nm的紫外光并辐射出波长λ＝500-780nm波段的红光，除可降低紫外光对太阳能组件不良的影响之外，所产生的红光又可被太阳能电池组件有效地吸收，进而产生额外的电流，提高太阳能电池组件本身的转换效率的自然光能电池及其透明转光层。

【先前技术】

借助于单晶硅将太阳辐射的能量进行转化的太阳能装置组件的最简单结构如下。该太阳能电池组件是在单晶硅的基础上构建起来的，所述单晶硅通常是p型导电类型的半导体单晶硅片。这种导电类型是通过在单晶硅中加入硼的混合物实现的。通常气相锑的混合物在p型硅中扩散会在硅片表面形成p-n类型间的转化，导电类型由电洞导电变为电子导电，即n型导电。硅片表面n型覆膜的厚度为0.5-3微米。该覆膜通常与金属电极(金或其合金)相接触。在硅片背面完全覆盖上金属电极或是以银覆膜形式存在的电极。

以下是太阳能电池组件工作的物理原理。当该组件被太阳光照或人工照明的辐射激活时，被硅材料吸收的光子将生成不平衡的电子电洞对。此时，位于临近p-n跃迁的p层中的电子向该跃迁的边界迁移，被其中存在的电引力场吸入到n型区域。另一方面，存在于硅片表面n层的电洞载体(p型载体)部分转移到硅片内部，即硅片p型区域。这种扩散的结果是n层获得了额外的负电荷，而p层获得了额外的正电荷。半导体硅片p层与n层间的势能接触差减小，此时外部电路中形成了电压。该半导体电源的负极是n层，而正极是p层。上述太阳能电池组件最简单结构的有效工作系数为15-16％。

硅片在光照条件下发生的光电效应可用伏安特性方程来描述：

U＝(KT/q)*ln[(I_ph-I)/I_S+I_z]

其中I_S-供给电流，I_ph-光电流

从半导体硅片表面每平方厘米面积所能获得的最大功率为I_ph*U＝X*I_K3*U_XX，其中X为伏安特性比例系数，I_K3为短路电流，U_XX为空载电压。上述自然光能电池组件最简单结构的有效工作系数为15-16％。

请参照图1，其绘示了已知的自然光能电池的基本结构图。如图所示，其中1是p型单晶硅片，2是n型导电层，3是电极系统，4是外层抗反射覆膜。通常在自然光能电池硅片外面包上由乙酸乙烯酯或聚碳酸酯类化合物构成的防尘外壳。

根据在中纬度(例如北纬48°)太阳与地平线成45°角时测得的太阳辐射能量光谱图可以很明显地观察出，到达地球表面的太阳辐射能量最高的分波段在290-1060nm间。(需要指出的是，当自然光能电池在近太空环境中工作时，在其完整的光谱图中还会出现UV与VUV分波段的短波辐射与波长大于1065nm的红外中波辐射；而在地球表面工作时，短波辐射会被大气中的氧气吸收，UV中波辐射会被水蒸汽强烈吸收)。

另外值得注意的是，太阳辐射光谱图中能量的不均衡分布。太阳辐射能量的最大值出现在蓝色波段λ＝470nm处。在可见光的主要波段500～600nm段的太阳辐射较最大值减少了20％，λ＝720nm对应的辐射值减少了一半。λ＝1000nm＝1微米对应的辐射值仅是最大值的1/5。

请参照图2，其绘示了在与太阳辐射相对应的各分波段测得的自然光能电池样品敏感度标准光谱曲线。如图所示，将太阳辐射能量光谱图中的数据与图2中的数据进行比较，可发现太阳能电池组件在波长λ＝950～980nm波段时反应最强，敏感性最高，其原因由单晶硅的能带结构决定，其禁带的宽度Eg＝1.21ev，对应波长λ＝950nm。相对而言，太阳能电池组件对于波长λ＜400nm的紫外线几乎没有反应，也就是说无法吸收。

单晶硅太阳能电池的研究者和生产者长期致力于研究克服上述种种缺陷与局限性的方案。Chopr在其专题论文「薄膜太阳能电池」(请参照世界出版社，1985年，378～379页)中提出了一种解决方案，被本发明作为原型。