[发明专利]具有光子收集装置的太阳能电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求发明名称为“SOLAR CELL”的、于2010年6月30日提交的美国临时专利No.61/360253的优先权，将其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及太阳能电池。更具体地，本发明涉及具有一个或多个形成光电二极管的p-n垂直结和/或由光学元件阵列形成的光敏区域的太阳能电池，该光学元件的阵列能够改变入射辐射的方向并进一步将其到向该结。

背景技术

太阳能电池将至少一部分可获得的光转换为电能。太阳能或光伏电池是具有将太阳光的辐射能转换为电能的p-n结和/或耗尽区的半导体器件。参照图1，典型的电池包括含有两种不纯或掺杂的硅材料的层状结构。这些材料可以以任意顺序堆叠。p型硅通常设置在n型硅上方。这也可以是在不同区域掺杂的单晶硅材料。P型硅和n型硅界面形成结，术语“结”指的是半导体的两个区域相接触处的边界界面。结及其耗尽或空间电荷区形成器件的芯，并通常是发生光子到光电子转换的区域。如所示，可以通过向晶体掺杂（诸如通过离子注入、掺杂剂扩散、或通过外延）p和n型材料来在半导体的单晶硅中产生p-n结。还可以预期到材料可以单独形成或被组合。

耗尽区跨越p-n结而瞬时形成，耗尽区（也称作耗尽层）、耗尽区域、结区或空间电荷区是导电且掺杂的半导体材料内的绝缘区，在该半导体材料中移动电荷载流子已经扩散离开而没有留下一个以承载电流，或者该移动电荷载流子已经被电场强制带走。通常，在耗尽区中留下的元件仅仅是离子化的施主或受主杂质。

典型的太阳能电池具有横向p-n结和/或耗尽区，其平行于或面平行于（planar to）半导体材料的表面或顶表面（即，面向太阳的表面）。太阳能电池的层状结构还包括电接触层，其允许电流流出和流入电池。通常，薄金属电接触部或金属网格形成太阳能电池表面上的电接触部。除薄金属接触部之外，p型材料的顶表面上还设置诸如玻璃等绝缘体。光伏模块（电连接且封装好的太阳能电池）通常在正面或面向太阳侧上具有玻璃片或类似材料，在保护半导体晶片免受由于诸如雨、冰雹、风吹动的碎片等环境因素的磨损和影响的同时允许光通过。背面或底层是通常覆盖电池结构整个背面或底表面的电接触部。例如，在图1中所示的n型材料的底表面上或下方的厚金属电接触部也设置在典型太阳能电池中。还可以提供用于电连接至太阳能电池的正极和负极端子。

可以由半导体材料吸收击中太阳能电池的太阳光中的光子。随着太阳光被吸收到半导体材料中，电子被光子从它们各自的原子中撞出，并且允许其流过半导体材料。具体而言，在太阳能电池中生成电子-空穴对和/或正电荷与负电荷，并且其在p-n结或耗尽区内和/或其附近被分离，从而建立起还在太阳能电池产生电压和电流的电荷。随后，该电荷由电接触部收集并通过连接到半导体材料的端子而被传输。

通常为了降低太阳能的成本，期望高效率的太阳能电池。太阳能电池的整体效率是反射效率、转换或量子效率、电荷载流子分离效率和导电效率的乘积。存在许多导致电池低效率的因素，例如包括：（1）设置在顶表面或面向太阳表面上的顶部金属接触部或材料不是光学透明的，并可以反射或吸收入射光子；（2）结的耗尽区或空间电荷区是有限的，并且远离电池的正面和背面，并且正因为如此，其仅将一部分入射光子转换为电子；（3）能量小于硅的禁带电压的光子将被吸收；以及（4）当电子通过材料传输到接触部时的电子-空穴复合。现有的光伏（PV）电池由于所采用的结构而具有受限的效率。图1中示出了典型的PV电池的层。因为半导体材料具有从顶表面到结的有限厚度，所以仅特定能级的光子将在结或耗尽区附近生成电子-空穴对，以产生可用电流。例如，如果结进入到p型半导体的深度是2微米并且该结具有0.8微米（±0.4μ）的耗尽层深度，则结中捕获的一部分紫外光子将为大约0.16或16%，对于红外光子，这一部分将为大约0.14或14%。单个横向p-n结硅电池的最大效率由肖克利-奎伊瑟极限（Shockley-Queisser limit）设定为33.7%[1]。

光子的吸收由爱因斯坦首次描述的量子效应来设定[2]。当光子的能量（以电子伏特为单位）小于材料的光电功函数时发生吸收[2]。这意味着光子必须具有至少等于材料的功函数的能量，以便生成（即，释放）电子-空穴对。一些示例性材料的功函数记载在下表中。

表1