专利名称：具有改善的光谱响应的光伏器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有改善的光谱响应的光伏器件，其包括含发光分子的层和其至少一 个表面具有重复的几何光学结构阵列的层。
背景技术：
太阳能电池(光伏电池)被广泛用于将光能转化为电能。该效应称为光伏效应。 太阳能电池包含活性层，其由曝光时生成电荷载流子的光吸收材料组成。光伏器件中常用 的活性层是硅。然而，还有多种材料，例如砷化钾(GaAs)、碲化镉(CdTe)、或者铜铟镓二硒 (CIGS)。活性层中生成的电荷被分离到传送电流的导电接头。由于活性层薄且易碎的特性， 其经常被透明盖板(例如，玻璃)保护以免遭受外部影响。盖板被置于光源和活性层的光 接收侧之间。多数情况下，单个太阳能电池不能产生预期目的足够电流，所以电池被连接在一 起以形成一个更大型的光伏器件。电池组件被用于制作太阳能模块，而后者可被连接成光 伏阵列。单独的电池可被用于为诸如计算器或电子表的小型装置供电。模块或光伏阵列例 如被用于房屋的屋顶上，或是诸如船、交通信号灯、或航天器的离网应用，。光伏器件将光转换成电流的效率依赖于入射光的波长。该效应称作“量子效率”。 通常，光伏器件对于诸如紫外(UV)光或蓝光的高能光的量子效率低下。这种效率降低的部 分原因是处于活性层和光源之间的层(例如，盖板、窗口层)吸收了这些波长。结果，光没 有到达光伏器件并且不能为电流的产生作出贡献。这种层的一个实例是盖板。常规的玻璃 盖板对于波长在360nm以下的绝大多数光是不透明的。塑料盖板经常用吸收UV的化合物 加以稳定以避免塑料的光降解以及由此引起的变色。因此塑料盖板对于大多数低于400nm 的波长是不透明的。另一个降低光伏器件对于高能光线的效率的效应是活性层对这些波长的强吸收。 结果大多数高能光线在靠近活性层的光接收侧的表面处被吸收。活性层中靠近表面区域处 的缺陷浓度相对较大。在该区域中生成的电荷载流子因此可容易地再结合，而在活性层中 再结合的电荷载流子并不对电流的产生有所贡献。大多数太阳能电池对于诸如远红外光的具有相对较低能量的光也效率低下。当光 被活性层所吸收时，光子的能量被给予电子。由于这一能量转换，电子从其束缚态(价带) 中被解放出来，并被置于运动态(导带)。所述两个能态或能带之间的差被称为“带隙”。为 了在活性层中生成一个(运动)电子，必须有一个其所带能量至少等于和带隙相应的能量 的光子。如果光子具有较少能量，例如远红外光，其不被活性层吸收且不对电流的产生有所贝献。从文献来看，已知有用于改善光伏器件对于特定波长的低量子效率的若干方法。 一种选择是在光伏器件的活性层上施加一个附加层，该附加层包含下转换 (down-converting)发光分子(US3912931A1)。该附加层通常由聚合物基体材料组成。下 转换发光分子分布在基体材料中，并通过将高能光(短波长)转换为在活性层中被更高效地使用的低能光(长波长)，从而改善光伏器件的光谱响应。该分子通过吸收/再发射过 程来转换光的波长，在吸收/再发射过程中，一个高能光子被吸收而一个较低能的光子被 再发射。包含发光分子的层优选地位于处在活性层和光源之间的任何光吸收层之上。在这 种情况下，分子可将原本会被吸收(并因此损失)的光转化为被传输透过吸收层的低能波 长。例如，包含发光分子的聚合物层可被施加到光伏器件的玻璃盖之上，从而使得原本通常 会被玻璃盖所吸收的UV光被转换为不被玻璃盖所吸收的较低能光。另外，这些低能波长在 整个活性层中被更均勻地吸收，且遭受较少的表面再结合效应。包含发光分子的层因此可 改善光伏器件的量子效率。
然而，发光分子所发射的部分光没有被活性层所吸收，因为其从活性层发射出去， 并且/或者由于总体内部反射和/或被活性层所反射而被分子所分布的层捕获。结果，发 光分子所再发射的30-40%的光没有被活性层所吸收。另外，被发光染料转化为另一波长的光量和该染料所吸收的光量相关，而根据 Lamber-Beer定律，吸收的光量又和层厚度以及染料浓度有关吸收量=e*[c]*l(1)ε是以[L mo Γ1 cnT1]为单位的摩尔消光系数[C]是以[mol Γ1]为单位的浓度1是以[cm]为单位的层厚度。为了保证大多数入射光被吸收，ε [C]、或1的取值要大。由于ε是染料的固有属 性因此不能变动，发光染料在诸如聚合物的基体材料中的溶解度是有限的，故而[C]也是 受限的，因此必须要有厚层(1)。由于所需的厚层，以及发光染料本身的高成本，这种系统相
对昂贵。为了改善光伏器件对于诸如远红外光的低能光的频谱响应，已知向活性层侧面中 任一项施加额外层，该层包含所谓的上转换(up-converting)发光分子。所述层内的该发 光分子吸收至少两个低能光子并再发射更高能的单个光子。结果，包含这些分子的层可增 强光伏器件对于低能光的量子效率。这种系统面临的问题和使用下转换发光分子的系统类 似，即改善对于诸如UV光的高能光的光伏器件量子效率。另外，上转换过程是一个低效的 过程，因此所获得的量子效率的改进是有限的(A. Shalav, B. S. Richards,以及M. A. Green, Luminescent layers for enhanced silicon solar cell performance :Up_conversion, Solar EnerRy Materials and Solar Cells 2007，91 (9)，829-842)。从上可得出结论，光伏器件对于特定波长是低效的。通过将包含发光分子的层施 加到光伏器件，这些波长可被转换成被光伏器件更高效使用的波长。这些分子可以下转换 以改进光伏器件对于诸如UV光的高能光的量子效率，或者，这些分子可以上转换以改进光 伏器件对于诸如远IR光的低能光的效率。然而，发光分子所再发射的光的很大部分没有被 活性层所吸收，因此不能为电流的产生作出贡献。另外，由于发光染料的用量大，且需要厚 层，因此这些器件相对昂贵。
发明内容
因此，本发明的一项目标是克服现有技术领域已知的光伏器件的上述不足。该目标由一种光伏器件来实现，其包括至少一个活性层、透明盖板、包含发光分子的层、和在其至少一侧上包含限定和重复的几何光学结构的阵列的层，其特征在于该阵列 的单独几何光学结构包括m边形底部和顶部区域，所述m边形底部和所述顶部区域以m个 表面相连接，其中m等于或大于3。透明盖板、包含发光分子的层以及含重复几何光学结构的层可为单独的分离的层，或组合成一个或两个层。例如，包含发光分子的层也可以是包含重复几何光学结构的 层。另一个实例是包含发光分子以及重复几何光学结构的盖板。单独结构的阵列形成浮雕结构。阵列的单独结构包括m边形底部和顶部区域，其 以m个表面相连接。优选，单独的几何光学结构的特征还在于连接顶部到底部的m个表面 中的至多2个呈η边形，η大于等于4。顶部区域被定义为单独几何光学结构的上部，所述 连接到底部的表面相在此交汇。顶部区域可以是点(例如，在锥体或圆锥体中的情况)、或 线(例如，在凹槽中的情况)。几何光学结构的阵列的单个结构的实例有具有三角底部的 锥体、具有矩形底部的锥体、ν形凹槽、倾斜V形凹槽、或锯齿剖面。在本发明的一个优选实施例中，m相当大且被视为等于无穷大。在该特定情况下， 阵列的单独几何光学结构呈现出至少部分圆形的横切面。这种几何光学结构可为圆锥体形 状。顶部区域也可为和单独的几何光学结构的m边形底部平行的表面。几何光学结构 阵列的这种单个结构的实例是具有圆形横切面的圆柱体或圆顶形结构。不构成本发明的范围的一种光伏器件，其具有限定和重复的几何光学结构的阵 列，其中单独几何光学结构包括一个底部和单个顶部，其被至少3个n边形表面所连接，其 中η等于大于4。尽管光伏器件可包含仅一个单独几何光学结构，优选地其包含限定和重复的几何 结构的阵列，即，浮雕结构。阵列应被理解为单元(在此情况下是单独几何光学结构)的集 合或组，单元彼此相邻地以随机或经排列的结构布置。优选地，阵列包括至少4个几何浮雕 结构。根据本发明的光伏器件展现出经改善的光谱响应。限定和重复的几何光学结构的 阵列捕获被发光分子所再发射的光，从而增强了光伏器件对所述光的吸收。几何结构的阵 列也可以重定向入射到层上的光，从而增加所述光到包含发光分子的层的光程长度。结果 是可以使用更低浓度的发光分子和更薄的层，这降低了成本。已知把几何光学结构用于光伏器件。通过减少入射光的反射损失，几何光学结构 改善了光伏器件的效率。最有效率的是把几何光学结构直接施加到活性层的前面和/或 背面。然而，这需要昂贵的加工和有毒化学剂的使用。可选地，几何光学结构被施加到玻 璃前盖(U. Blieske, T. Doege, P. Gayou, M. Neander, D. Neumann，A. Pra, Light-trapping in solar modules using extra-white textured glass，3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion May 2003)或者是施加到前盖上方的聚合物层 (Jianhua Zhao，Aihua Wang, Patrick Campbell，Martin A. Green,22.7 % Efficient Silicon Photovoltaic Modules with Textured Front Surface， IEEE transactions of electron devices 1999，46 (7)，1495-1497)。然而，当把几何光学结构施加到前盖或分离 的聚合物层时，减少反射损失的效率要比将这些结构施加到活性层的情况低。同样已知表 面浮雕结构可被用于会聚光线从而使得太阳能电池面积减小。
在现有技术领域还已知ν形结构(G. A. Landis, 21st IEEE photovoltaic specialist conference, 1304-1307 (1990))或 WO 03/046617 中公开的锥体状结构被施加 到玻璃盖以降低所述盖的反射损失并因此增加其透射比。所述结构可通过例如浇注或按压 而被施加到玻璃盖。不依赖于设置，几何光学结构在光伏器件中的当前使用与降低入射到光伏器件上 的光的反射损失有关，或者和会聚光线以最小化太阳能电池的表面面积有关。在本发明中， 浮雕结构 增强了分布在作为光伏器件一部分的层中的发光分子的效用。通过捕获发光分子 所发射的光并增加入射到光伏器件上的光的光程长度，发光分子的效用被增强，从而要求 较低浓度的发光分子和更薄的层。本发明因此还涉及将发光分子和限定和重复的几何光学 结构相结合使用以改进光伏器件的频谱响应。几何光学结构可由任何透明材料制成，优选为聚合物，不过也可使用陶瓷材料。聚 合物材料的实例是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯酰胺、或 其任意组合。陶瓷材料的实例是玻璃。透明材料可被理解为在400-1200nm范围内的线性 吸收小于0. 2mm 1的材料。发光分子优选为光子发光分子，其例如可为荧光性的或磷光性的。光子发光分子 是由于入射光激发分子导致发射光的发光分子。其它类型的发光分子是，例如，由于加热 (白炽热)作用、由于电流/电场(电致发光)作用、化学剂(化学致发光)作用、或声音 (声致发光)作用而发射光线的分子。光子发光分子可以既为下转换发光又为上转化发光。 优选的分子是荧光性的且例如可为如下任何物质茈(perelyne)、香豆素、若丹明、萘二甲 酰亚胺(naphthalimide)、苯并咕吨、吖啶、金胺、苯并蒽(benzanthrone)、花青、二苯乙烯、 红荧烯、冷光素(Ieciferin)或其衍生物。荧光分子的特征在于吸收和发射光子之间的时 间相对较短。典型地，吸收和发射之间的时间小于1秒。可选地，也可能使用磷光性分子， 其在光子的吸收和发射之间具有达数小时的相对较长时间。包含发光分子的发光染料因此优选为有机染料。不过，发光染料也可以是无机染 料。在本发明的一个优选实施例中，发光分子被均勻地混合到基体材料中。然而也可 能发光分子被不均勻地混合到基体材料中。可选地，分子有可能位于基体材料中的仅一部 分中。例如，发光分子可被置于球体状微粒中，后者被混合进基体材料中。发光分子可包括若干发光分子的混合物。发光分子的浓度优选地在0. 001到50 克之间每m2盖板表面和每mm层厚的其中分布有分子的基体。当其中分布有分子的层在其 一个或多个表面包含浮雕结构时，应取其平均层厚度，且其m2表面面积应被取值为没有表 面浮雕的类似盖板的表面面积。在本发明的一个优选实施例中，发光分子分布在位于光伏器件的活性层以及入射 光之间的一个或多个层中。在本发明的另一个优选实施例中，该层可为位于活性层或盖板 上方的分离层。可选地，发光分子分布在几何光学结构的阵列中，或是在位于该阵列上方的 分离层中。包含发光分子的层因此可在其至少一侧上包含限定和重复的几何发光结构的阵 列。也可能透明盖板是包含发光分子的层。在一个最优选的实施例中，透明盖板是包含发 光分子的层，且该透明盖板是在其至少一侧上包含限定和重复的几何发光结构的层。尽管包含发光分子的层可能由诸如玻璃的无机材料制成，该层优选地是有机的且更优选的是聚合的。几何光学结构阵列可涂有附加层，例如防污涂层或防擦涂层。也可能几何光学结 构阵列涂有第二层，其具有和包含几何光学结构的层所不同的折射率。在一个优选实施例 中，所述阵列可被涂敷为使得涂层顶部是平的。在此情况下，该结构可为视为由附加涂层 “填充”。
通过以下附图更为详细地阐明本发明。图1示出根据本发明的光伏器件；图2示出经改善的频谱响应；图3为单独的限定的几何光学结构的实例；图4为限定和重复的几何光学结构的阵列的实例；以及图5示出含发光染料的层的位置。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的光伏器件的实例的示意性表示。图1中所示的具有改善 的光谱响应的光伏器件包括活性层、在活性层之上的盖层、包含发光分子的层，以及在器件 的至少一个表面上的限定和重复的几何光学结构的阵列。图2示出了几何光学结构的阵列是如何将入射到层上的光重定向从而使得进入 包含发光分子的层的光的光程长度增加(a)。几何特征的阵列捕获了发光分子所再发射的 光，从而其增强了光伏器件对所述光的吸收(b)。图3示出了可构成阵列的单独几何结构的实例。图3a、b、c示出了由被η个表面 所连接的η边形底部和点状或线状顶部区域构成的单独结构。顶部区域被定义为浮雕结构 的上部，所述连接到底部的表面在顶部区域处接合。顶部可以是点(例如，在锥体或圆锥体 中的情况)、或线(例如，在凹槽中的情况)。图3d示出了具有圆形横切面的单独几何结构， 其也被包括在本发明的范围之内。图4示出了几何光学结构的阵列的实例。阵列应被理解为单元(在此情况下是单 独几何光学结构)的集合或组，单元彼此相邻地以随机或经排列的结构布置。图5示出了在光伏器件中的发光分子的不同位置的实例。发光分子例如可分布在 几何光学结构的阵列下方的单独层中(a)、或可分布在盖板中(b)、或可分布在光学结构自 身中(C)。
权利要求
1.一种光伏器件，包括至少一个活性层、透明盖板、包含发光分子的层、和在其至少一 侧上包含限定和重复的几何光学结构的阵列的层，其特征在于所述阵列的单独几何光学结 构包括m边形底部和顶部区域，所述m边形底部和所述顶部区域以m个表面相连接，m大于 等于3。
2.如权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，所述顶部区域是点或线。
3.如权利要求2所述的光伏器件，其特征在于，所述阵列从包括以下项目的组中选出 ν形凹槽、锯齿状凹槽、具有三角底部的锥体、具有矩形底部的锥体、或圆锥体。
4.如权利要求1所述的光伏器件，其特征在于，所述顶部区域是平行于所述m边形底部 的表面。
5.如权利要求4所述的光伏器件，其特征在于，所述阵列包括具有圆形横切面的圆顶 形状或柱体形状的结构。
6.如权利要求1到5中任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述透明盖板是包含发光 分子的层。
7.如权利要求1到6中任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述包含发光分子的层在 其至少一侧上还包含限定和重复的几何光学结构的阵列。
8.如权利要求1到6中任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述透明盖板是所述包含 发光分子的层，并且所述透明盖板是所述在其至少一侧上包含限定和重复的几何光学结构 的阵列的层。
9.如权利要求1到8中任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述限定和重复的几何光 学结构的阵列的表面包含附加的涂层或层。
10.如权利要求1到9中任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述发光分子包括若干 不同发光分子的混合物。
11.如权利要求1到10中任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述发光分子的浓度在 0. 001到50克/m2/mm层厚度之间。
12.如权利要求1到11中任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述包括限定和重复的 几何光学结构的阵列的层由聚合物或超过一种聚合物的混合物组成。
13.如权利要求1到12中任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述发光分子是有机的。
14.如权利要求1到12中任一项所述的光伏器件，其特征在于，所述发光分子是无机的。
15.一种发光分子的用途，所述发光分子与限定和重复的几何光学结构结合使用，以改 善光伏器件的频谱响应。
全文摘要
一种光伏器件，包括至少一个活性层、透明盖板、包含发光分子的层、和在其至少一侧上包含限定和重复的几何光学结构的阵列的层，其特征在于所述阵列的单独几何光学结构包括m边形底部和顶部区域，所述m边形底部和所述顶部区域以m个表面相连接，m大于等于3。
文档编号H01L31/055GK102077366SQ200980123955
公开日2011年5月25日 申请日期2009年6月17日 优先权日2008年6月23日
发明者B·斯莱格尔 申请人:光子有限公司