专利名称：高效混合太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适合用于运动的和静止的应用中的高效混合太阳能电池。
背景技术：
太阳能电池的研发已进行了超过五十年的时间。单结硅太阳能电池在此期间已受 到重视，并且被用于陆上光伏应用中。然而，单结硅太阳能电池俘获不到一半的太阳能转换 理论势能，其中目前最好的实验室太阳能电池提供仅仅约24. 7%的效率。这限制了这些电 池的应用。由于经济和技术两方面的原因，需要高性能的光伏系统。通过使太阳能电池的效 率翻一番，可以使电成本减半。许多应用不具有使用当前太阳能电池提供所需功率所要求 的面积。对于更高效的太阳能电池，已提出了两种类型的太阳能电池结构。一种是横向结 构。光学色散元件被用于将太阳光谱分成其波长成分。分离的太阳能电池被置于每个波段 之下，并且如此选择电池，以使它们为那个波段的光提供良好的效率。另一种结构是垂直 结构，其中具有不同能隙的单独的太阳能电池被设置在叠层中。这些电池通常被称为级联 (cascade)、串联或多结电池。太阳光穿过该叠层。需要研发一种高效太阳能电池以及使得这样的电池能够实现的结构。
发明内容
本发明提供一种高效混合太阳能电池，其包括(a)分色镜，在Eg处工作且被设置在这样的位置，以便太阳光照射到该分色镜上， 其中该分色镜将太阳光分离成两种光谱成分，一种光成分的光子能量> Eg，而一种光成分 的光子能量< Eg，其中这些成分中的一种被该分色镜反射，而一种被该分色镜透射；(b)第一电池叠层，其包括两个电池，第一个电池为GalnP电池，第二个电池为 GaAs电池，这两个电池以其能隙的降序垂直设置，其中第一个电池具有该第一电池叠层中 的电池的较大能隙，该第一电池叠层被设置在这样的位置，以便光子能量> Eg的光成分照 射到该第一电池叠层中的第一个电池的表面上，其中该第一电池叠层中的每个电池都吸收 光子能量大于或等于其能隙的光，而对于光子能量低于其能隙的光透明且透射这部分光， 其中Eg约等于所述GaAs电池的能隙；以及(c)第二电池叠层，其包括三个电池，第一个电池为硅电池，第二个电池为GalnAsP电池，第三个电池为GalnAs电池，这三个电池以其能隙的降序垂直设置，其中第一 个电池具有该第二电池叠层中的电池的最大能隙，该第二电池叠层被设置在这样的位置， 以便光子能量< Eg的光成分照射到该第二电池叠层中的第一个电池的表面上，其中该第二 电池叠层中的每个电池的能隙都<Eg，并且该第二电池叠层中的每个电池都吸收光子能量 大于或等于其能隙的光，而对于光子能量低于其能隙的光透明且透射这部分光。优选地，所述分色镜为“冷”分色镜。
图1示出电池叠层的示意性绘图；图2A和2B示出所示范的混合太阳能电池的设计；图3示例出具有分色镜的混合太阳能电池的实施例，该分色镜反射光子能量> Eg 的光且透射光子能量< Eg的光，并且该混合太阳能电池的两个电池叠层的平面正交；以及图4示例出具有分色镜的混合太阳能电池的另一实施例，该分色镜反射光子能量 ^ Eg的光且透射光子能量< Eg的光，并且该混合太阳能电池的两个电池叠层为共面结构。
具体实施例方式本发明提供一种高效混合太阳能电池，其效率超过30%，并且优选高达和超过 40%。该混合太阳能电池包括分色镜、第一电池叠层和第二电池叠层，其中第一电池叠层包 括GalnP电池和GaAs电池，第二电池叠层包括硅电池、GalnAsP电池和GalnAs电池。在Eg处工作的分色镜被设置在这样的位置，以便太阳光照射到该分色镜上。所谓 的“冷”分色镜反射光子能量> Eg的光且透射光子能量< Eg的光。所谓的“热”分色镜透 射光子能量> Eg的光且反射光子能量< Eg的光。在这两种类型的分色镜的发展的现阶段， 优选“冷”分色镜。该分色镜可以为平面的或曲面的。在此使用“电池”来描述包含在各种叠层中的且通常被称为太阳能电池的各个电 池。在此使用术语“太阳能电池”来描述整个器件。如上所述，在此使用的“以其能隙的降序垂直设置，其中第一个电池具有该叠层中 的电池的最大能隙”意味着该叠层中的电池被顺序设置，其中第一个电池具有最大能隙，紧 接在第一个电池之下的第二个电池具有次大能隙，紧接在第二个电池之下的第三个电池具 有第三大能隙，依此类推。在图1中示意性示出了电池叠层的这种设置。电池叠层10具有 三个电池1、2和3，其中电池1是第一个电池。这三个电池的能隙为Eg1 > Eg2 > Eg3，其中 E/是电池1的能隙，Eg2是电池2的能隙，以及Eg3是电池3的能隙。电池1将吸收光子能 量彡#的光，且透射光子能量< #的光。电池2将吸收光子能量彡Eg2的光，且透射光子 能量<Eg2的光。电池3依此类推。可以将这些电池视为光学串联的。这些电池将所吸收 的光子的能量转换成电。在此使用的“所吸收的”意味着被电池吸收的光子导致电子-空穴对的产生。在此使用的“在Eg处工作的分色镜”意味着该分色镜将太阳光分离成两种光谱成 分，一种光成分的光子能量> Eg，而一种光成分的光子能量< Eg。这些成分中的一种被分色 镜反射，而一种被分色镜透射。“冷”分色镜反射光子能量> Eg的光且透射光子能量< Eg的 光，而“热”分色镜透射光子能量> Eg的光且反射光子能量< Eg的光。典型地，分色镜被设置在这样的位置，以使其不垂直于太阳光。这样，被反射的光的方向不是朝向入射的太阳光 直接返回，而是相对于照射在分色镜上的太阳光的方向成一角度，并且所反射的光可以更 容易地被设置为照射到合适的电池叠层上。从透射到反射的转变(transition)发生在能 量以及对应的波长的范围内。工作能量&被取为该转变区的中点。例如，对于“冷”分色 镜，除非该转变非常急剧，否则认为能量> Eg的一些光子将被透射，而能量< Eg的一些光子 将被反射。在该转变范围中，其能量大于Eg的大多数光子被反射；其能量小于Eg的大多数 光子被透射。应根据该转变区的本质的这种认可来理解和解释“在Eg处工作的分色镜”的 上述定义。对于给定的分色镜，随着分色镜旋转离开与照射至其上的光束的入射方向垂直 的方向，工作能量向较低能量(较大波长)偏移，并且“在1处工作的分色镜”应被理解和 解释为应用于这样的位置，其中分色镜相对于照射光的方向设置。分色镜是多层结构，典型 地包含两种透明氧化物的20个以上的交替层。更急剧的转变需要更多的层和更高的成本。在此使用“混合”来描述本太阳能电池，以表明其不具有横向结构，也不具有垂直 结构，而是这两种结构的结合。在优选实施例中，高效太阳能电池还包括光学元件。照到表面上的太阳辐照的强 度或会聚度(concentration)为IX标准会聚度。与使用较高会聚度的太阳光相比，要利用 IX太阳光获得高太阳能电池效率会更难且更昂贵。光学元件的目的是收集和会聚照射到其 上的光，并且将该光导向到分色镜的表面上。该光学元件包括全内反射聚光器，其是一种静 态聚光器。该静态聚光器提高了可被太阳能电池利用的太阳光的功率密度。广接收角聚光 器可接收来自天空的大部分的光。与跟踪聚光器不同，静态聚光器能够俘获漫射光的大部 分，其中许多漫射光处于光谱的蓝至紫外部分中。该漫射光构成太阳光谱中的入射功率的 约10%。实际上，通过剔除来自天空的其中整年太阳辐照的功率密度都很低的那些部分的 光，可实现高的会聚度水平。这样，太阳光的会聚度提高到10X或更高。如果可以在一年中 的一些时间调整聚光器的位置，则获得更高的会聚度。光透射穿过聚光器的一个表面，并且 该表面邻近分色镜的表面。在此使用的“太阳光”是指照射到分色镜的表面上的整个太阳 光谱，而不管其会聚度如何。优选地，会聚度为10X或更高。被分色镜反射和/或透射的光可以直接照射到合适叠层中的第一个电池的表面 上。可选地，可以将反射镜设置在这样的位置，以便被分色镜反射和/或透射的光被该反射 镜反射且被导向而照射到合适叠层中的第一个电池的表面上，也就是，光子能量> Eg的光 被导向而照射到第一电池叠层中的第一个电池的表面上，而光子能量< Eg的光被导向而照 射到第二电池叠层中的第一个电池的表面上。分色镜和反射镜可被并入单个光学部件中。各个电池的能隙将取决于电池的具体组分和制备方法。优选地，GalnP电池的能 隙为约1. 84eV, GaAs电池的能隙为约1. 43eV, Si电池的能隙为约1. 12eV, GalnAsP电池的 能隙为约0. 92到约0. 95eV的范围，以及GalnAs电池的能隙为约0. 69eV到约0. 74eV的范 围。电池叠层可以为单片结构。可选地，一些或全部电池可以制备在各个衬底上。例 如，在第二电池叠层的情况中，Si电池可以制备在对于被Si电池透射的光透明的衬底上， 而GalnAsP电池和GalnAs电池可以被制备为单片串联结构。在一个实施例中，可以串联电连接一个或两个叠层中的电池，以提供叠层的单个 输出。在更优选的实施例中，在两个叠层中的所有单独的电池都与单独的电连接接触。这导致太阳能电池的显著简化，并且提供将每个电池两端的电压控制在一数值的机会，从而 提供对电池的最优操作。这些电池可以连接到电力组合器，该电力组合器提供处于希望电 压下的太阳能电池的单个电输出。具有1. 84eV能隙的GalnP电池和具有1. 43eV能隙的GaAs电池是用于第一电池 叠层的优选的电池。如 K. A. Bertness et al. ,Appl. Phys. Letter65,989 (1994)所述,可以 使用三甲基镓、三甲基铟、膦、胂以及其他前体，制备由GalnP/GaAs串联电池构成的二电池 叠层。由于透射能量小于其能隙的光子，这些电池不同于常规的GalnP/GaAs电池。所制成 和示范的串联电池中的电池不具有用于单独的电池的单独的电连接，并且被电串联。具有 最好性能的电池(由Emcore Corporation，Albuquerque，NM制造)具有0. 1245cm2的有效 面积，且在25. 1°C和20X下工作。开路电压1为2.631乂，且短路电流13。为41.5911^。最 大功率Pmax为95. 46mW，其中Vmax = 2. 334V且Imax = 40. 90mA。该串联电池呈现87. 24%的 填充系数(P-/ISCV。C)和31. 7%的效率。第二电池叠层中的第一个电池为具有1. 12eV能隙的硅电池。最近的革新提供 了以低成本提供高性能硅电池的机会。这些革新包括使用较薄的硅结、通过除了绝缘体 之夕卜的手段纯化娃表面(M. Taguchi et al. , Progress inPhotovoltaics :Research and Applications, Vol 8，p 503-513 (2000))、使用光学透明衬底和n型硅中的所示范的高的 少数载流子寿命(A. Cuevas et al.，Appl. Phys. Lett. 81，4952 (2002))。使用宽能隙半导 体非晶硅的沉积来制造硅电池，以钝化表面且实现较高电压和效率。所使用的结构在结晶 硅和非晶硅之间具有异质结。通过结晶硅衬底的特性来控制器件性能。图2A和2B中示出 了硅电池设计20。图2A为底视图。如图所示，该电池为4mm宽和9mm长。在该电池的三个 边缘周围具有1mm宽的金属化带21。有效电池面积22为8mmX2mm。图2B中示出了穿过 “A-A”的截面视图。该视图示出了在硅电池23的底部周围的金属化带21。在硅电池23的 顶部上示出了透明导电氧化物铟锡氧化物。在铟锡氧化物层的顶部上的金属化带25具有 与金属化带21相同的尺寸和形状。金属化带21和25为电连接提供接触。在电池的有效 区域外部保持所有的金属化可确保对其下方的电池的最大透射率。电池尺寸足够小，以允 许沿着铟锡氧化物且穿过电池体以最小的阻抗损耗进行充分传导。利用通过GaAs滤光的 太阳光对硅电池进行测试。这模拟了被导向而照射到本发明的太阳能电池中的第二电池叠 层中的第一个电池的表面上的光子能量<Eg的光。具有最好性能的硅电池具有0. 158cm2 的有效面积，且在25. 0°C加或减1. 0°C和通过GaAs滤光的20X而工作。V。。为0. 6900V，且 Isc 为 37. 10mA。最大功率 Pmax 为 15. 76mW，其中 Vmax = 0. 5084V 且 Imax = 31. 00mA。该硅电 池呈现61. 56%的填充系数和4. 99%的效率。第二电池叠层中的第二个和第三个电池，即，GalnAsP电池和GalnAs电池可以如 R. J. ffehrer et al., Conference Record, IEEE PhotovoltaicSpecialists Conference, 2002,p 884-887所述地制备。所示范的电池被制备为单片串联结构，其中两个电池独立地 电连接。由于电池没有串联电连接，在电池之间不包括隧道结。这简化了生长工序。试图 降低两个电池的能隙，以实现稍高的转换效率。GalnAsP电池的能隙为0. 92eV,并且GalnAs 电池的能隙为0.69eV。3端电连接允许独立地测量每个电池的性能。在理想的硅滤光器 (llOOnrn截频)下测量电池的性能。GalnAsP电池在21. 4X光之下。V。。为0. 400V，且短路电 流密度Js。为281mA/cm2。其呈现72%的填充系数和2. 79%的效率。GalnAs电池在28. 9X光之下。V。。为0. 609V，且Is。为167mA/cm2。其呈现73%的填充系数和3. 46%的效率。两 个电池的组合效率为6.2%。两个示范性电池叠层组件的总效率为42. 9%。根据具体实施例的配置，电池叠层可安装在一个或多个安装板上。可将用作清除 电池(scavenger cell)以吸收否则不被吸收的光并将其转换成电的硅电池设置为邻近或 邻接一个或两个叠层中的最后一个电池。该硅清除电池具有比电池叠层中的电池大的截 面，典型地为电池叠层中的电池的截面的至少10倍。被清除电池拦截的部分光是未入射在 该电池叠层上的光、反射光、未被叠层中的电池(例如第一电池叠层中的电池)吸收的光、 以及未照射在电池叠层上的漫射光。硅清除电池可以被串联或并联电连接或者独立地连 接。从电池表面反射的光是降低太阳能电池效率的潜在原因。可以对光照射至其上的 任何电池的表面施加抗反射涂层，以最小化该损耗。在一个实施例中，在照射在各自的电池叠层上之前，被分色镜反射和透射的光在 空气中传播。在另一个实施例中，可以为这些光提供一种或多种透明固体以使其传播穿过 该透明固体。在图3和图4中，相同的标号用于表示相同的实体。为了简化，由一条光线表示各 个光束。图3示例出混合太阳能电池的实施例。太阳能电池30A包括“冷，，分色镜31、第 一电池叠层32和第二电池叠层33。第一电池叠层32包含两个电池，即GalnP电池34和 GaAs电池35。第二电池叠层33包含三个电池，即硅电池36、GaInAsP电池37和GalnAs电 池38。分色镜31在￡8处工作，并且反射光子能量的光且透射光子能量<Eg的光。太 阳光41照射到分色镜31上，该分色镜31被设置相对于太阳光41的方向成约45°角的位 置。光子能量> Eg的光42被分色镜反射，并且照射到第一电池叠层32的第一个电池34的 表面上。电池34和35都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而对于光子能量低于其能 隙的光透明且透射这部分光。光子能量< Eg的光43被分色镜透射，并且照射到第二电池 叠层33的第一个电池36的表面上。电池36、37和38都吸收光子能量大于或等于其能隙 的光，而对于光子能量低于其能隙的光透明且透射这部分光。图3示出这样的实施例，其中 混合太阳能电池还包括Si清除电池39和40。Si清除电池39被示出为邻接电池35，并且 Si清除电池40被示出为邻接电池38。未照射在第一电池叠层33和第二电池叠层34上的 各个区域中的光照射在Si清除电池39和40上。图4示例出混合太阳能电池的另一实施例。太阳能电池30B包括“冷”分色镜31、 第一电池叠层32、第二电池叠层33和反射镜44。第一电池叠层32包含两个电池，即GalnP 电池34和GaAs电池35。第二电池叠层33包含三个电池，即Si电池36、GalnAsP电池37 和GalnAs电池38。分色镜31在Eg处工作，并且反射光子能量彡Eg的光且透射光子能量 < Eg的光。太阳光41照射到分色镜31上，该分色镜31被设置在这样的位置处，以便光被 如图4中所示反射。光子能量> Eg的光42被分色镜反射，并且照射到第一电池叠层32的 第一个电池34的表面上。电池34和35都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而对于光 子能量低于其能隙的光透明且透射这部分光。光子能量< Eg的光43被分色镜透射，并且 被反射镜44反射。反射光43照射到第二电池叠层33的第一个电池36的表面上。电池
836,37和38都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而对于光子能量低于其能隙的光透明 且透射这部分光。图4示出这样的实施例，其中混合太阳能电池还包括Si清除电池39和 40。Si清除电池39被示出为邻接电池35，并且Si清除电池40被示出为邻接电池38。未 照射在第一电池叠层33和第二电池叠层34上的各个区域中的光照射在Si清除电池39和 40上。在该配置中，电池叠层和Si清除电池可以容易地支撑在同一安装板上。
权利要求
一种高效混合太阳能电池，包括(a)分色镜，其在Eg处工作且被设置在这样的位置，以便太阳光照射到所述分色镜上，其中所述分色镜将太阳光分离成两种光谱成分，一种光成分的光子能量≥Eg，而一种光成分的光子能量＜Eg，其中这些成分中的一种被所述分色镜反射，而一种被所述分色镜透射；(b)第一电池叠层，其包括两个电池，第一个电池为GaInP电池，第二个电池为GaAs电池，这两个电池以其能隙的降序垂直设置，其中第一个电池具有所述第一电池叠层中的电池的较大能隙，所述第一电池叠层被设置在这样的位置，以便光子能量≥Eg的光成分照射到所述第一电池叠层中的第一个电池的表面上，其中所述第一电池叠层中的每个电池都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而对于光子能量低于其能隙的光透明且透射这部分光，其中Eg约等于所述GaAs电池的能隙；以及(c)第二电池叠层，其包括三个电池，第一个电池为Si电池，第二个电池为GaInAsP电池，第三个电池为GaInAs电池，这三个电池以其能隙的降序垂直设置，其中第一个电池具有所述第二电池叠层中的电池的最大能隙，所述第二电池叠层被设置在这样的位置，以便光子能量＜Eg的光成分照射到所述第二电池叠层中的第一个电池的表面上，其中所述第二电池叠层中的每个电池的能隙都＜Eg，并且所述第二电池叠层中的每个电池都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而对于光子能量低于其能隙的光透明且透射这部分光。
2.根据权利要求1的高效混合太阳能电池，其中所述分色镜反射光子能量>Eg的光且 透射光子能量< Eg的光。
3.根据权利要求1的高效混合太阳能电池，其中所述GaInP电池的能隙为约1.84eV， 所述GaAs电池的能隙为约1.43eV，所述Si电池的能隙为约1. 12eV，所述GaInAsP电池的 能隙为约0. 92到约0. 95eV的范围，以及所述GaInAs电池的能隙为约0. 69eV到约0. 74eV 的范围。
4.根据权利要求3的高效混合太阳能电池，其中Eg为约1.43eV。
5.根据权利要求4的高效太阳能电池，其中所述分色镜反射光子能量>Eg的光且透射 光子能量< Eg的光。
6.一种将太阳光转换成电力的方法，该方法包括(a)将分色镜设置在这样的位置，以便太阳光照射到所述分色镜的表面上，并且所述分 色镜将所述光分离成两种光谱成分，一种光成分的光子能量> Eg,而一种光成分的光子能量 <Eg ；(b)设置第一电池叠层的位置，所述第一电池叠层包括两个电池，第一个电池为GaInP 电池，第二个电池为GaAs电池，这两个电池以其能隙的降序垂直设置，其中第一个电池具 有所述第一电池叠层中的电池的较大能隙，所述第一电池叠层被设置在这样的位置，以便 光子能量> Eg的光成分照射到所述第一电池叠层中的第一个电池的表面上，其中所述第一 电池叠层中的每个电池都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而对于光子能量低于其能 隙的光透明且透射这部分光，其中Eg约等于所述GaAs电池的能隙；以及(c)设置第二电池叠层的位置，所述第二电池叠层包括三个电池，第一个电池为Si电 池，第二个电池为GaInAsP电池，第三个电池为GaInAs电池，这三个电池以其能隙的降序垂 直设置，其中第一个电池具有所述第二电池叠层中的电池的最大能隙，所述第二电池叠层 被设置在这样的位置，以便光子能量< Eg的光成分照射到所述第二电池叠层中的第一个电池的表面上，其中所述第二电池叠层中的每个电池的能隙都<Eg，并且所述第二电池叠层 中的每个电池都吸收光子能量大于或等于其能隙的光，而对于光子能量低于其能隙的光透 明且透射这部分光。
7.根据权利要求6的方法，其中所述分色镜反射光子能量>Eg的光且透射光子能量 < Eg的光。
8.根据权利要求7的方法，其中所述GalnP电池的能隙为约1.84eV，所述GaAs电池的 能隙为约1. 43eV，所述Si电池的能隙为约1. 12eV，所述GalnAsP电池的能隙为约0. 92到 约0. 95eV的范围，以及所述GalnAs电池的能隙为约0. 69eV到约0. 74eV的范围，并且Eg为 约 1. 43eV0
全文摘要
本发明涉及一种高效混合太阳能电池，其包括分色镜、第一电池叠层和第二电池叠层，其中第一电池叠层包括两个电池，第一个电池为GaInP电池，第二个电池为GaAs电池，并且其中第二电池叠层包括三个电池，第一个电池为Si电池，第二个电池为GaInAsP电池，以及第三个电池为GaInAs电池。分色镜将太阳光分离成两种光谱成分，一种光成分的光子能量大于或等于Eg且照射到第一电池叠层上，而一种光成分的光子能量＜Eg且照射到第二电池叠层上。
文档编号H01L31/0232GK101919065SQ200880105013
公开日2010年12月15日 申请日期2008年8月14日 优先权日2007年8月29日
发明者A·M·巴尔耐特, C·B·洪斯贝格, S·G·鲍登 申请人:特拉华大学