专利名称：太阳能电池结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池结构，其包括一个或多个掺杂有一种荧光染料或多种荧光染料的混合物的聚合物层，在所述聚合物层上或其间具有一个或多个透明太阳能电 池，所述透明太阳能电池的特征在于，光敏层的在吸收率最大值处的吸收率小于80%。
背景技术：
在二十世纪七十年代中，已经描述了将太阳光谱转换为更适于太阳能电池的光 谱灵敏度的荧光太阳集光器(collector)的使用，参见US 4，110，123和Weber et al., Applied Physics,15，1976，2299-2300。一方面，可以通过具有改善的光谱灵敏度的太阳能电池来更好地利用太阳光的能 量。在常规太阳能电池中，例如，在由硅制成的太阳能电池中，以热的形式损失掉能量的很 大一部分。晶体硅的带隙为1. lev。太阳能电池可以吸收具有高能量的所有太阳光光子，但 过多的能量被转换成热。太阳能电池的发热转而降低其效率。冷光(luminescent)分子以 低的能量传输所吸收的太阳光谱，从而可以通过适当地选择所述分子来减轻太阳能电池的 发热。太阳能电池不发热，但包埋冷光分子的基体(matrix)变热。另一方面，通过使用发光太阳集光器，有可能通过由基体中的全反射使光传导到 边界而减小太阳能电池所需要具有的所需面积，其中所述基体由玻璃或塑料制成。各个太 阳能电池被设置在边界处。在该实施例的情况下，与平铺安装的太阳能电池相比，可以显著 降低整体结构的成本。在Giitzberger& Greubel 的公开(Applied Physics, 14, (1977) 123-139)中描 述了太阳能电池和荧光集光器的多种可能设置。其指出在最佳条件下的理论上可能的转换 效率为32%，这显著高于目前可用的太阳能电池的转换效率。Reisfeld 等的 US 4，367，367 以及出版物 Nature 274 (1978)，pagesl44_145 中公 开了铀酰加成玻璃的使用以及与荧光染料的组合以用作太阳能集光器。在该情况下，染料 分别吸收太阳光的特定波长范围并在另一波长范围内射出，在所述另一波长范围内，具体 的太阳能电池具有其各自的最高灵敏度。可以通过包括多个染料层和不同太阳能电池的合 适结构来最优地使用太阳的太阳光谱。迄今描述过的所有太阳集光器(包括冷光或荧光系统)尚未被商业使用，更别提 发展到批量生产的水平，这是因为，一方面，所使用的有机染料在太阳光下遭受劣化，而另 一方面，无机磷光发射体不具有用以克服太阳集光器中的吸收损耗的足够的量子效率。然而，近年来，已经发展了新的更稳定的荧光染料，这些染料可用于太阳集光器 中。Maruyama & Kitamur 的公开，Solar Energy Materials andSolar Cells 69(1), (2001), pages 61-68中揭示了这样的方法，其中，平铺地施加到太阳集光器中的⑶S/ ⑶TE太阳能电池上的荧光染料可以将太阳能电池的电力提高最大14%。Nozik等的公开， Electrochemicals Soc. Proc. Vol.，Volume 10(2001)，pages 61-68 中公开了使用量子点 与太阳能电池的组合。所使用的量子点具有高的稳定性且不容易光致劣化。然而，另一方面，与荧光染料相比，量子点具有在基体中的低得多的量子效率。与具有大于90%的量子效 率的荧光染料相比，量子点具有约50%的量子效率。迄今为止，尚不可能制造具有所需的高 光学效率的板。同样已知透明太阳能电池，例如GrMtzel电池、有机或无机薄膜半导体电池。GrStzel电池由两个玻璃电极构成，在这两个电极之间的间隔典型地为20μ m至 40 μ m。这两个电极在内部被涂覆有透明导电层，例如FTO (氟掺杂的氧化锡SnO2)，其厚度 典型地为0. Ιμπι。根据它们的作用，还可以将这两个电极称为工作电极(产生电子)和背 电极。在工作电极上施加氧化钛TiO2的纳米多孔层，其厚度在ΙΟμπι范围内。光敏染料的 单层反过来在其表面上被吸收。在背电极上存在具有若干微米厚度的催化层，该催化层通 常由钼制成。利用氧化还原电解质，例如，碘I2和碘化钾的溶液，来填充着这两个电极之间 的区域。另一种类型的透明太阳能电池为有机p-i-n电池。其由具有大的光学带隙的有机 材料的P掺杂和η掺杂的导电层构成，所述P掺杂和η掺杂的导电层在可见光谱范围内仅 仅引起不显著的吸收。另一方面，i为未掺杂的光敏层，其保持为如此薄，以致其可以在其整 个厚度内有助于光电流的产生。利用这种电池，可以显示出差不多100%的内部量子效率。所谓的Tang电池也可以被算作透明太阳能电池。其基于激子向异质结的扩散，在 所述异质结处，激子被分离为自由载流子。该情况中的限制因素为激子扩散长度，其显著小 于光的穿透深度。除了 Tang电池的约为SOnm的总厚度之外，仅仅10-20nm，即，异质结的紧 邻部分，有助于光电流的产生。透明太阳能电池吸收太阳光的特定部分，并将光能转换为电流。高效的透明太阳 能电池必须具有在入射光的光谱范围内的高吸收率。可以通过增大光敏层的厚度而在所有 的电池类型中实现该高消光作用。另一方面，增大层厚度会降低效率，这是因为，在光吸收 之后产生的激子、电子和空穴必须传播较长距离才能到达电极，并且在通往电极的路上容 易发生再复合损失。
发明内容
本发明的一个目的是改善仅仅微弱吸收太阳光的透明太阳能电池的效率。本发明提供一种太阳能电池结构，其包括至少一个聚合物层，所述聚合物层掺杂 有一种荧光染料或多种荧光染料的混合物，在所述聚合物层上或其间具有一个或多个透明 太阳能电池。所述荧光染料被选择为吸收太阳光的尽可能大的部分且允许这部分太阳光射 出到所述透明太阳能电池光敏层的吸收带中。在优选实施例中，可以在底层的下侧施加反 射镜。可以在根据本发明所提供的太阳能电池结构的顶层的上侧施加带通滤波器。在所述至少一个掺杂的聚合物层中产生的荧光照射穿过设置在板之间的至少一 个光伏电池，并且穿过所述光伏电池若干次。即使在没有聚合物层的情况下，设置在这些层 之间的太阳能电池也会有利地吸收入射太阳光的特定部分，并且将这部分太阳光转换成电 流。通过多次照射穿过设置在掺杂的聚合物层之间、之上或之下的透明太阳能电池，可以 吸收太阳光的显著更大部分，并将其转换成电流。此外，荧光穿过太阳能电池的平照射角 (flat irradiation angle)提高了吸收概率。该层结构的尽可能小的厚度增加了穿过太阳 能电池的照射数。
根据本发明提供的太阳能电池结构包括一个或多个太阳能电池，所述太阳能电池 仅具有低的位于0-0. 5之间的吸收且仅具有非常小的处于10nm-300nm的光伏层厚度，并且 所述太阳能电池的特征在于较低的再复合损失。可以有利地不同地设计所述太阳能电池结构的侧边。为了在所述层结构中引导在 全反射角外射出的光(约20%的量级)，在光到达的上侧，即，在照射侧，可选地将选择性反 射的带通滤波器层施加到根据本发明提供的太阳能电池结构上。在以层叠方式设计的太阳 能电池下方，可以通过反射器将透射光反射回太阳能电池结构中。在优选实施例中，可以使 用具有尽可能高的量子效率的茈或其他耐光染料作为所述荧光染料。此外，量子点或磷光 无机稀土化合物是适合的。在根据本发明提供的太阳能电池结构的特别优选的实施例中，所述掺杂的聚合物 层被制造为由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸月桂酯(PLMA)制成的聚合物荧光 集光板。在此使用的荧光染料的浓度被调整为使得所述板的层厚度范围内的消光度在尽可 能宽的光谱范围内接近1。在本发明的特别优选的实施例中，用于掺杂所述聚合物层的一种 或多种有机或无机荧光染料的染料浓度为20ppm与IOOppm之间的量级。所述聚合物层的 层厚度应尽可能小，优选被选择为在0. 1至Imm的范围内，以确保频繁地照射穿过光敏层。
下面将借助于附图更详细地描述本发明，在附图中图1示出根据本发明提供的太阳能电池结构的第一实施例；以及图2示出根据本发明提供的太阳能电池结构的另一实施例的层结构的表示。
具体实施例方式可以在根据图1的表示中发现根据本发明提供的太阳能电池结构的可选实施例。图1示出太阳能电池结构10，其包括聚合物层。在聚合物板36下方具有光伏电池 42，在该光伏电池42之下又可以设置反射镜面2。标号14表示入射在照射侧12上的光，其 撞击在聚合物层36中“溶解”的荧光分子1。这些荧光分子使入射光14以具有波长移动的 随机分布射出到所有可能的空间方向。仅仅该射出光的由于在聚合物层36的第一反射面 3处的全反射而被反射到第二反射面4(即，反射镜面2的上侧)的那部分光是所关注的下 面要考虑的因素。除了聚合物层36之外，在图1中表示的被配置为层结构18的太阳能电 池结构10还包括被设计为非常薄的光伏电池42，上述反射镜面2位于该光伏电池42下方。 该太阳能电池结构在其边界处设置有反射边缘32和34。前侧边缘和后侧边缘(未示出) 也是反射的。如图1所示，这防止了荧光横向出射出层结构18，特别是出射出聚合物层36。 由于入射光14的被荧光染料分子1初始射出的那部分光在第一反射面3处的反射，在光束 偏转之后发生穿过光伏电池42的第一光穿越(transits。由于在第二反射面4( S卩，反射镜面2)处的反射，发生穿过光伏电池42的进一步的第二光穿越6以及光在第二边缘34的内侧处的反射，其中第二边缘34被设计为是反射 的。从该处，发射光再次进入光伏电池42，即，在这种情况下从上侧进入光伏电池42。入射光14的以大于全反射的极限角的角度射出的那部分光多次穿过光伏电池 42。如根据图1的表示所示，根据本发明的太阳能电池结构10包括具有聚合物层36形式的至少一个荧光层。荧光染料分子被溶解在所述荧光层中，参见图1中的标号1。作为在聚 合物层36内的荧光染料分子1的均勻分布的替代，聚合物层36还可以最终包含分散的荧 光纳米颗粒，即所谓的量子点，这些量子点实现荧光染料分子的功能。在图1所表示的其最简单实施例中，除了聚合物层36和光伏电池42之外，根据本 发明提供的太阳能电池结构10还包括用作反射器的反射镜面2。在该情况下，层结构1包 括所述部件2、36和42。如下面将进一步解释的，特别是与根据图2的表示结合时，太阳能 电池结构10还可以包括比图1所示的各层更多的层。如根据图1的表示中由标号32和34所示，通过使边缘反射化而可实现的效果在于，通过防止出射光37的光线从聚合物板36横向出射，确切地说，由于分别反射的第一和 第二边缘32和34，光穿越5、6(仅示于图1中)的次数增加。在根据图1的表示中，太阳能电池结构10的层结构18包括反射镜面2。与根据图 1的实施例中的太阳能电池结构10有关地，荧光染料分子1以极微细颗粒的形式溶解在聚 合物层36中。荧光染料或量子点也可被引入到光伏电池42的功能层(η导体、ρ导体、电 解质等)中。在该情况下，可以省略层36。可以在根据图2的表示中发现以层叠形式设计的根据本发明提供的太阳能电池 结构的另一实施例。图2示出了根据本发明提供的太阳能电池结构10通过照射侧12而被暴露于光 14。根据图2的表示的太阳能电池结构10被设计为与层结构18基本相同。当光14在照 射侧12进入太阳能电池结构10，这没有在与照射侧12相反的一侧16发生。在根据本发 明提供的太阳能电池结构10的照射侧12上可以可选地设置带通滤波器20，如图2中示意 性所示。该带通滤波器20用于将在全反射角之外射出的光引导到太阳能电池结构10中。 虽然带通滤波器20可以被设置在根据图2的表示的太阳能电池结构10的照射侧12上，在 相反侧16上可以设置反射器26。反射器26的目的是将透射光反射回太阳能电池结构中。 带通滤波器20包括由标号22表示的第一侧和面对第一聚合物层36的第一侧38的另外的 第二侧24。第一聚合物层36是层结构18的一部分。在第一聚合物层36与至少一个另外 的第二聚合物层48之间具有光伏电池42。光伏电池42为透明太阳能电池，其由任何希望 的透明太阳能电池构成。从根据图2的表示可以看出，层结构18包括第一反射边缘32和第二反射边缘34。 前侧边缘和后侧边缘(未示出)也是反射的。因此，根据图2的表示的层结构18包括第一 聚合物层36和至少一个光伏电池42，其中，可以可选地在第一聚合物层36的第一侧38上 施加具有第二侧24的带通滤波器20，所述至少一个光伏电池42位于第一聚合物板36的第 二侧40与第二聚合物板48的第一侧54之间。可以可选地将用于使透射光再次反射回太 阳能电池结构18的反射器26分配到第二聚合物板48的第二侧52。根据本发明提供的太阳能电池结构10的特征在于，第一或第二聚合物板36和48 掺杂有一种或多种无机或有机荧光染料或其他荧光材料。在这种情况下，掺杂第一聚合物 板36或第二聚合物板48表示将荧光分子或纳米颗粒(量子点)引入形成第一聚合物板36 或第二聚合物板38的聚合物材料中。优选使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚甲基丙烯酸 月桂酯(PLMA)作为用于制造第一聚合物板36或第二聚合物板38的材料。为了掺杂第一 聚合物板36或第二聚合物板38，所使用的荧光染料的浓度或包含荧光染料的多种荧光材料的混合物的浓度被调整为在使板的层厚度范围内的透射在尽可能宽的太阳光谱范围内 接近10%。所使用的无机或有机荧光染料或荧光材料的混合物的染料浓度被有利地调整在 20ppm 与 IOOppm 之间。可以使用具有尽可能高的量子效率的茈或其他耐光染料作为用于掺杂第一聚合物层36或第二聚合物层38的荧光染料。此外，量子点或磷光无机稀土化合物也可以用于 掺杂第一聚合物层36或第二聚合物层38。根据本发明提供的太阳能电池结构10吸收太阳光的一部分，并将光子能量转换 成电能。与透明太阳能电池相比，太阳能电池结构10具有在入射光的光谱范围内的高吸 收。这可通过吸收光并利用全反射在太阳能电池结构10中引导该光的荧光层36和48而 实现。在这种情况下，被引导的光在穿过透明太阳能电池42的光敏层的每次穿越时被部分 吸收和转换成电能。增大层厚度以及由此增大透明太阳能电池的光敏层的吸收会导致透 明太阳能电池中的激子、电子和空穴的更长路径。然而，由于增大了在光吸收之后产生的电 子_空穴对的复合概率，较长的路径降低了可获得的效率。标号列表1荧光染料分子2 反射镜面，Al、Ag、Au3第一反射面4第二反射面5第一光穿越6第二光穿越78910太阳能电池结构12照射侧14入射光16相反侧18层结构20带通滤波器22带通滤波器的第一侧24带通滤波器的第二侧26漫反射器28漫反射器的第一侧30漫反射器的第二侧32第一反射边缘34第二反射边缘36第一聚合物板38第一聚合物板的第一侧40第一聚合物板的第二侧
42光伏电池
44 第一侧46 第二侧48第二聚合物板50第二聚合物板的第一侧52第二聚合物板的第二侧
权利要求
一种太阳能电池结构(10)，其具有至少一个透明光伏电池(42)，特别是染料太阳能电池或薄膜半导体电池，所述太阳能电池结构(10)包括至少一个聚合物层(36)，所述聚合物层(36)掺杂有荧光材料且至少覆盖透明光伏电池(42)。
2.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中一种荧光材料或多种荧光材料的混合 物包含有机荧光染料。
3.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中一种荧光材料或多种荧光材料的混合 物包含无机磷光发射体。
4.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中一种荧光材料包含量子点。
5.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中所述至少一个聚合物层(36，48)由 选自以下列表的材料制成聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲基丙烯酸月桂酯 (PLMA)或聚合物。
6.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中所述至少一个聚合物板(36，48)由聚 碳酸酯制成。
7.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中优选透明设计的至少一个光伏电池 (42)构成根据Gi^tzel类型的染料太阳能电池。
8.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中至少一个透明配置的光伏电池(42) 被设计为薄膜半导体电池。
9.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中至少一个透明设计的光伏电池(42) 为有机太阳能电池。
10.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中所述荧光材料以lppm至500ppm的 浓度被引入所述至少一个聚合物板(36，48)中。
11.根据权利要求10的太阳能电池结构(10)，其中所述荧光材料以优选20ppm至 200ppm的浓度被引入所述至少一个聚合物层(36，48)中。
12.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中在聚合物板(36，48)下方设置反射 镜面(2，26)。
13.根据权利要求1的太阳能电池结构(10)，其中在所述太阳能电池结构(10)的照 射侧(12)上、在具有第一荧光材料的第一聚合物层(36)的第一侧(38)上设置带通滤波器 (20)。
14.根据上述权利要求中的一项或多项的太阳能电池结构(10)，其中所述太阳能电池 结构(10)基本被设计为层结构(18)，在所述层结构(18)中，在掺杂有荧光材料的第一聚 合物板(36)与同样具有荧光材料的另外的第二聚合物板(48)之间设置至少一个光伏电池 (42)。
15.根据上述权利要求中的一项或多项的太阳能电池结构(10)，其中所述被设计为层 结构(18)的太阳能电池结构(10)具有第一反射边缘(32)和第二反射边缘(34)以及同样 的反射前边缘和反射后边缘。
16.根据上述权利要求中的一项或多项的太阳能电池结构(10)，其中使用具有高量子 效率的或其他耐光染料作为荧光材料。
17.根据上述权利要求中的一项或多项的太阳能电池结构(10)，其中使用磷光无机稀土化合物作为用于掺杂所述聚合物板(36，48)的荧光材料。
18.根据上述权利要求中的一项或多项的太阳能电池结构(10)，其中用于掺杂至少两 个聚合物板(36，48)的荧光材料的浓度被调整为在所述至少两个聚合物板(36，48)的层厚 度范围内的透射在尽可能宽的光谱范围内小于10%。
19.根据上述权利要求中的一项或多项的太阳能电池结构(10)，其中所述透明光伏电 池的一个或多个功能层，例如，n导体、p导体，被掺杂有荧光分子或纳米颗粒。
全文摘要
本发明涉及一种太阳能电池结构(10)，其具有至少一个透明光伏电池(42)，特别是具有染料太阳能电池或薄膜半导体电池。所述太阳能电池结构(10)包括至少一个聚合物层(36)，所述聚合物层(36)具有一种荧光材料或多种荧光材料的混合物且至少覆盖所述至少一个透明光伏电池(42)。
文档编号H01L31/0232GK101828264SQ200880112036
公开日2010年9月8日 申请日期2008年8月13日 优先权日2007年8月17日
发明者A·伦宁, F·艾克迈尔, M·哈默曼 申请人:巴斯夫欧洲公司