新太阳电池光敏模块及应用
【专利说明】
1.
技术领域
[0001]本发明，是一种涉及太阳电池光敏功能模块制作与应用，和地表电流导出技术相结合，实现同时获取光电、地电两种电能的新方法。
2.
【背景技术】
[0002]传统的光电转换方法，是将P型和N型光敏材料结合在一起，形成PN结，通过PN结对光生载流子的分离，获得电能U)’ (4)’⑸。用这样的方法获得电能，特别是获得多光谱能量转换的电能，其PN结的制作难度和成本都很高(2)。为了化解这一矛盾，本发明创造性地提出，将光敏材料微粉作为一粒粒微小的，独立完成光电转换的微型机构，融入透明导电基质，制作为新的，太阳电池光敏功能模块的方法。这种方法的一个突出优势，是将P型和N型光敏微粉颗粒，分别制作为P型和N型光敏功能模块，让光波粒子在P型功能模块中产生正电荷，在N型模块中产生负电荷。并在此基础上再创新，应用本发明中，P型光敏功能模块光生正电荷的功能优势，将能够采集到的光能，都转换成正电荷能量，然后通过接地，从地表获得负电荷，将传统光电转换过程中，用于产生负电荷的那一部分光能，也都集中用来产生正电荷。使传统的单一光电转换模式，上升为光电一一地电，两种电能共同参与的，全新的电能转换模式。从而，开创出一条，既利用光能，又利用地表电能的，电能获取新途径。
3.
【发明内容】
[0003]本发明所述的太阳电池光敏功能模块，与传统的太阳电池光敏功能模块的区别是:传统太阳电池光敏功能模块，是由P型和N型光敏功能材料直接接触形成的PN结⑴’(2)’
[4]’⑸。本发明的太阳电池光敏功能模块，是将P型和N型光敏材料微粉颗粒，作为一粒粒微小的，独立完成光电转换的微型机构，融入透明导电基质，制作成为的，分别实现光生正电荷空穴，和光生负电荷电子的，功能专一的太阳电池光敏功能模块。如附图1中第“6”和第“7”的部分所示。
[0004]本发明，通过对P型硅和N型硅光敏材料，吸收光能后，能分别产生正电荷和负电荷现象的深入分析发现:
[0005]在光电转换过程中，电子从捕获光波粒子中获得能量，跃迀到更高能级的运行轨道，或跃迀到导带，成为自由电子的行为，导致了光生空穴或光生电子的现象U)’(4)’⑸。
[0006]虽然，同样是电子从捕获光波粒子中获得能量，跃迀到更高能级的运行轨道的行为，但为什么，会在PN结的P型功能区中，呈现出光生空穴，在PN结的N型功能区中，呈现出光生电子的现象？本发明的理解是:获得光能的电子所在的局部结构中，具体的电荷平衡环境差别导致的⑴。
[0007]以半导体娃掺杂硼(B)，和掺杂磷(N)为例。
[0008]在掺杂硼的P型光敏功能材料中，由于硼原子的电荷特性，使硼原子与周围的硅原子共同形成了一个微小的，正电荷相对过剩，负电荷相对不足的，弱正电荷平衡的光敏功能结构区域⑴。在这个结构区域中，原子核中的正电荷，对外层携带负电荷的电子的引力，相对较强。因此，在这个结构区域中，外层电子，都被束缚在能量相对较低的价带上⑴。
[0009]当弱正电荷平衡区域中的电子，从捕获光波粒子中，获得能量后，会跃迀到相应的、更高能级的运行轨道上U)。因为，在绝大多数情况下，弱正电荷平衡区域中的电子，从捕获光波粒子中获得的能量，不足以使它，直接从能量较低的价带，跃迀到导带，成为自由电子⑴。因此，虽然是电子获得光能，跃迀到更高能级运行轨道的行为，但当这种情况，发生在弱正电荷平衡区中时，光能发挥的只是加剧该区域，负电荷相对不足的电荷不平衡状态的作用，使整个结构区域中，负电荷不足的矛盾更加凸显，使区域中的电荷平衡状态，由弱正电荷状态，上升为正电荷矛盾更加凸显的正电荷状态。因此，这时呈现出来的是，光生空穴的现象。
[0010]在掺杂磷的N型光敏功能材料中，由于磷原子的电荷特性，使磷原子与周围的硅原子共同形成了一个微小的，负电荷相对过剩，正电荷相对不足的，弱负电荷平衡的光敏功能结构区域⑴。在这个结构区域中，原子核中的正电荷，对外层携带负电荷的电子的束缚，相对较弱。因此，在这个结构区域中，外层电子，都运行在能量相对较高的价带上⑴。
[0011]当电子从捕获光波粒子中，获得能量后，外层电子便进一步挣脱原子核的束缚，跃迀到导带，成为自由电子。这时，弱负电荷平衡结构区域的电荷平衡状态，因为失去了电子和电子所携带的负电荷，而趋于平衡。这时，呈现出来的，是光生电子的现象。
[0012]另一方面，光能是由光波粒子所携带，具有不连续性的特征。同时，在硼(B)或磷(P)与硅形成的光敏功能机构中，光生空穴或光生电子的频率，都是建立在电子运动状态变化速度的基础之上。因此，光敏机构光生空穴或光生电子的速度及频率，都很快。从而，折射出，在大小光注入条件下，光敏材料能够保持相对一致的，光电转换效率的真正原因。
[0013]从光生电流循环的原理看:本发明方法制作的P型和N型光敏功能模块，本质上，是若干个独立实现光生正电荷，或光生负电荷的光敏功能模块的集成块，每一粒光敏微粉，都是一块独立的、包含有多个单一实现光生正电荷，或光生负电荷的光敏功能结构。光能在P型光敏微粉颗粒中的光敏结构内，激发产生空穴；在N型光敏微粉颗粒中的光敏结构内，激发产生携带负电荷的电子。由于正负电荷的吸引，驱使N型光敏功能模块中产生出来的、携带有负电荷的电子，流向P型光敏功能模块。
[0014]当产生空穴的P型光敏功能结构，获得携带负电荷的电子，完成正负电荷之间的复合之后，光敏结构中，负电荷相对不足正电荷相对过剩的矛盾被解除。但这时，光敏功能结构中，正电荷矛盾凸显的状态，得不到连续不断的、新的光能的支撑。那么，它又将自动恢复到，它自身固有的、没有光照条件时的、结构性弱正电平衡状态。这时，它在负电荷不足的矛盾突出时，获得的携带负电荷的电子，又成为了光敏结构中过剩的电子，这时的弱正电平衡结构区域，又将因为没有新的能量的支撑，而失去对带有负电荷的电子的、足够的束缚力，而被动地释放出，它在正电荷矛盾凸显状态时，获得的携带负电荷的电子。这时，经过空穴一一电子复合，而释放了能量的电子，又将再一次成为自由电子。
[0015]当产生负电荷的N型光敏功能结构，因获得光能而释放了携带负电荷的电子之后，使自身固有的，弱负电荷平衡的状态，转变为趋于电荷平衡的状态。同样，因获得光能而处于电荷平衡的弱负电荷平衡光敏功能结构，若不能及时得到，连续不断的、新的光能的支撑。那么，它也将自动地，恢复到它自身固有的、没有光照条件时的、结构性弱负电平衡状态。从而，显现出它希望从周围环境中，重新拾回电子的倾向，再次建立起它原有的，弱负电荷平衡的状态。
[0016]由于本发明，采用了只允许电子单向流动的二极管电路。因此，形成了一个，N型光敏机构原子中的电子，在获得能量，从价带跃迀到导带，成为自由电子后，通过接有负载的、单向电子通道电路，到达P型光敏功能模块，在P型光敏功能模块中与空穴复合。经过复合的形式，释放能量之后，又通过另一条从P型光敏功能模块，到N型光敏功能模块的，单向电子回路通道，回到N型光敏功能模块，回到因恢复弱负电荷平衡状态，需要重新拾回电子的N型光敏功能机构中。从而，完成一次能量吸收、释放与恢复的循环。如说明书附图1所示。
[0017]通俗地讲，本发明在光敏功能模块的制作上，就是将传统大体量的太阳电池PN结，分解为若干体量微小的、单一实现光生空穴的P型，和光生电子的N型光敏功能模块。然后，用只容许电子从N型光敏功能模块，单向流入P型光敏功能模块的二极管电路，把电子从N型光敏功能模块，导向P型光敏功能模块，让获得光能而生成的空穴和电子，在P型光敏功能模块中，完成释放能量的复合过程。然后，再通过，只容许电子从P型光敏功能模块，单向流入N型光敏功能模块的二极管电子回路电路，将电子又从P型光敏功能模块，导回到N型光敏功能模块，完成一次能量吸收、释放与恢复的循环。
[0018]从正负电荷能量传递的形式看:负电荷能量传递的形式，是通过携带负电荷的电子的运动来实现的。正电荷能量传递的形式，目前，传统半导体理论认为:原子结构中，价带中电子被光能激发到导带以后，在价带顶部附近，出现一些空的量子状态，价带变成了部分占满的能带，在外电场的作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用，价带电子的这种导电作用，等效于把这些空的量子状态看作带正电荷的准粒子的导电作用，并把这些空的量子状态称为空穴U)。但从电子运动状态，对正电荷能量传递影响的角度看，本发明的理解是:光敏材料中，正电荷能量传递，本质上是原子结构中负电荷相对不足，正电荷相对过剩的矛盾，以原子结构中的价带电子的运动状态变化的形式，在原子间接力传递的显现。而来自原子核中的正电荷，在数量和空间位置上，并不象电子携带负电荷那样，真正移动。真正移动的，是在正电荷能量传递路径上，