專利名稱：導波光伏裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光伏裝置，尤其是指波導式光伏電池。
背景技術：
現(xiàn)有的薄膜型光伏電池，例如半導體硅太陽能電池、染料敏化太陽能電池和有機太陽能電池，其光吸收能力或交互酌長度有限而導致其光電轉化效率較低，因為裝置在有限的交互酌長度內未能對入射太陽輻射的大部分進行吸收。特別對于硅薄膜電池而言，由于硅的間接帶隙而導致其光吸收能力較差，故而，人們期待找到一種增強硅薄膜電池的光吸收的方法。人們已為薄膜式光伏電池開發(fā)出各種類型的陷光裝置。但，傳統(tǒng)電池結構的陷光效能有其應用局限性。例如，在有機電池中，較強的激子鍵合能、光生電子和空穴的快速復合及載流子的緩慢擴散等，要求光敏區(qū)必須足夠薄，以使電荷能夠在復合之前被分離出來。 在典型的結構中，有機電池的光敏區(qū)的厚度大約為幾十納米，這樣的尺寸導致了其對入射太陽輻射的低吸收率。類似地，在染料敏化電池中，光敏染料以單層形態(tài)出現(xiàn)而用于促使激子分離。因此，光敏區(qū)的總厚度受制于供電荷傳輸?shù)挠糜诔休d染料的多孔物質。可以理解地，增加有機電池和染料敏化電池的光交互酌長度有利于提高轉化效率。薄膜式光伏電池通常包括有如下幾個薄層透明襯底(或頂襯)、防發(fā)射涂層、P摻雜和N摻雜區(qū)、光敏區(qū)和電極。對染料敏化太陽能電池而言，P摻雜和N摻雜區(qū)可以不是薄膜，但仍適用于下面的一般性討論。除了不完全光子吸收外，轉化過程中還存在其他的損耗機制。例如，電極的吸收及P摻雜和N摻雜區(qū)中的自由載流子吸收均可降低裝置的效能。此外，本行業(yè)所熟知地，沿光線入射方向的光學模式分布是光伏裝置的一個關注點。理想地，光學模式分布應該在電子-空穴對產生的工作區(qū)處達到峰值，特別是在有機電池的極薄工作區(qū)中。因為模式分布是層厚和材料光學指數(shù)共同作用的結果，故而，為了獲得整體電池效能和可接受的生產效益，必須保證厚度的均勻性。在具有反射型陷光的電池中， 例如波紋結構，部分所收集的光子在薄膜內會經過多次散射和反射。這種多次散射也可增加電極的吸收損耗和P摻雜和N摻雜區(qū)中的自由載流子吸收。太陽輻射具有較寬的能譜。能量低于半導體帶隙水平(或者染料和聚合物的HOMO 和LUMO分離所需的能量)的入射光子不能在光伏裝置中產生電子-空穴對而被浪費掉。另一方面，能量超過半導體帶隙的光子所產生的電子在其到達裝置的電極之前會因加熱材料晶格而損耗其過剩的能量。為了重新獲得一些損失的能量，已開發(fā)出運用具有不同帶隙的薄膜來捕捉不同能量或波長的光子的技術，例如，通過堆疊不同的III-V族材料而形成所謂的多結電池。
很多薄膜沉積技術已被開發(fā)出來以用于生產這種多結電池。然而，制造高質量的堆疊多層薄膜仍存在著電學和光學方面的挑戰(zhàn)。生長溫度、摻雜劑、材料間晶格失配、層界面質量和透明電極，等等，均為限制選擇高吸收材料、襯底和電極材料的能力和自由的潛在因素。在實現(xiàn)低成本太陽能電池的大規(guī)模工業(yè)化生產之前，需解決這些影響薄膜生長的復雜因素。此外，電流匹配在垂直堆疊層中很重要，因為電子和空穴在被提取出之前順次橫穿所有的層。在現(xiàn)有的工藝水平下，盡管半導體硅的光吸收系數(shù)因其固有的間接帶隙而較低， 但，由于其可用性和可靠性，半導體硅仍為太陽能光伏產業(yè)的首選?？梢灶A見，為滿足未來清潔能源的發(fā)展需求，最終需要低成本、節(jié)材的高效能光伏裝置。將太陽輻射聚集于光伏電池中已成為本行業(yè)所熟知的一種技術，其可減少光伏電池所需面積以節(jié)省成本。故此，人們研制出諸如折射、衍射(菲涅耳透鏡)和反射等各種類型的太陽能聚光器。聚焦和非聚焦光學均得到應用。在將太陽輻射轉向并聚集到光伏裝置的技術中，由于跟蹤要求和維護跟蹤裝置的額外成本，使得電池高效能成為關鍵?；?III-V族半導體的多結電池可適用于那些電池效能考慮優(yōu)于成本考慮的應用。許多聚光型光伏系統(tǒng)依賴于具有高聚光率的大型聚光器。其中，一種技術是，在薄膜光伏電池(尤其是聚合物電池)中采用組合有反射型陷光結構的微米級聚光器。除了使用更小的光伏裝置外，聚集太陽輻射的技術也可導致電池效能的提高。在薄膜式光伏電池和本質光伏電池中，光子進入光伏電池的界面并橫穿堆層厚度 (cell thickness)而進行傳播。如上所述，光敏材料的弱吸收性導致了薄膜式光伏電池的低效能。盡管現(xiàn)有行業(yè)所知的陷光技術可以提高吸收性能，但是，這些技術易于受到限制， 因為經過陷光結構的折射和衍射不可避免地將光子發(fā)散出載流子產生區(qū)之外。本行業(yè)所知的其他技術包括有采用多重反射以增長光線在載流子產生區(qū)的穿行距離。例如，授予!Arrest等人的美國第6333458號專利即揭露了一種光子循環(huán)光敏光電裝置，其利用諸如銀或鋁的金屬薄膜以形成反射層，用于將光線限制于載流子產生區(qū)之內。 然而，金屬薄膜的使用限制了載流子產生區(qū)中可被利用的環(huán)境散射光輻射的數(shù)量，且該光電裝置需配置透明電極以進行運作。由此可見，現(xiàn)有技術披露了若干不同的方法以解決在光伏裝置中提高效能和生產量的問題，其中，多數(shù)解決方案均采用允許光子穿過光敏區(qū)及其周圍材料的平面界面而進入載流子產生區(qū)的設計形式，這相同于傳統(tǒng)的太陽能電池。所需要的是一可用于薄型光敏層的具備高效光吸收性能的光伏裝置，用以提高能量轉化效率，并同時節(jié)約材料和成本。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的一個方面，一種光伏裝置包括有一第一覆層材料；一光敏材料，其折射率大于所述第一覆層材料的折射率，所述光敏材料設置于鄰近所述第一覆層材料處；及一第二覆層材料，其折射率小于所述光敏材料的折射率，所述光敏材料設置于所述第一覆層材料和所述第二覆層材料之間以形成限定傳播光子的波導；及電氣連接于所述光敏材料的第一和第二電極。在本發(fā)明的另一方面，一種光伏裝置包括有一第一光敏材料，設置用于一光子束；及一第二光敏材料，其帶隙小于所述第一光敏材料的帶隙，所述第二光敏材料設置以接收來自于所述第一光敏材料的所述光子束的第一部分；一第三光敏材料，其帶隙小于所述第二光敏材料的帶隙，所述第三光敏材料設置以接收來自于所述第二光敏材料的所述光子束的第二部分。在本發(fā)明的再一方面，一種制造用于將光子束轉化為電能的光伏裝置的方法，包括有在一襯底上設置一層第一覆層材料；在所述第一覆層材料上設置一層光敏材料，所述光敏材料的折射率大于所述第一覆層材料的折射率；及在所述光敏材料層上設置一層第二覆層材料，所述第二覆層材料的折射率小于所述光敏材料的折射率。所述發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢見下文的說明書，結合權利要求和附圖，業(yè)內行家可清楚了解這些內容，或在按本申請文件實施本發(fā)明后予以了解。本文件公布了導波光伏設備的多個實例，這些實例旨在將入射光子束導入預設的光程。光程位于光敏材料內，這些光敏材料與周圍波導材料共同形成了界面。光生電荷載流子從光敏材料中提取，而光敏材料的方向與光子光程基本垂直。本發(fā)明總體上為光伏設備，例如太陽能光伏設備，提高了薄光敏層的吸光性，從而提高能量轉化效率，節(jié)約有關材料，并降低成本。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的具有光子束聚光器的導波光伏裝置的橫截面示意圖；圖2為圖1的導波光伏裝置的端部的詳細示意圖；圖3為圖1的導波光伏裝置的另一實施例的橫截面圖，在圖1中，入射光子束通過全內反射導入導波光伏裝置；圖4為用于將入射光子束轉向到兩個導波光伏裝置內的光學元件的示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的帶球形光子束聚光器的導波光伏陣列的一優(yōu)選實施例的等軸視圖；圖6為通道型(channel-type)導波光伏裝置的等軸視圖，其可用于圖5的導波光伏陣列上；圖7為一對帶一共用電極的通道型導波光伏裝置的等軸視圖，其可用在圖5的導波光伏陣列上；圖8為根據(jù)本發(fā)明的帶圓柱形(cylindrical type)光子束聚光器的導波光伏陣列的一優(yōu)選實施例的等軸視圖；圖9為平板型(planar-type)導波光伏裝置的等軸視圖，其可用在圖8的導波光伏陣列上；圖10為一對帶共用電極的平板型導波光伏裝置的等軸視圖，其可用在圖8的導波光伏陣列上；圖11為根據(jù)本發(fā)明的導波光伏裝置的另一優(yōu)選實施例的側視圖，其具有“ Λ ”形波導；圖12為根據(jù)本發(fā)明的具有波導芯的導波光伏裝置另一優(yōu)選實施例的側視圖，波導芯由不同吸收率的材料芯元件構成，這些元件沿著光子束傳播方向排列；圖13為根據(jù)本發(fā)明的導波光伏裝置的另一實施例的側視圖，導波光伏裝置由不同吸收率的材料芯元件構成，這些元件排列后形成一個空腔，如此一來，傳播中的光子束始終被約束在一定空間范圍內，裝置可最大程度地捕捉光子。圖14為staking電池波導管另一優(yōu)選實施例的側視圖，這種staking電池波導管具有多種材料元件和并聯(lián)電池，在并聯(lián)電池里，入射光子束被光學元件進行分光；圖15為用于將入射光子束導入一個導波光伏裝置的光學透射聚光器的圖解說明；圖16為用于將入射光子束轉移到導波光伏裝置的光學反射聚光器的圖解說明；圖17示出根據(jù)本發(fā)明的位于導波光伏裝置外圍的第二個光子束聚光器；圖18示出根據(jù)本發(fā)明的位于一對導波光伏裝置旁邊的第二個光子束聚光器；圖19為導波光伏裝置的圖解說明，該導波光伏裝置由有機物質或染料敏化物質制成的“ Λ ”形波導芯和透鏡型光子束成像聚光器構成；圖20為導波光伏裝置的圖解說明，該導波光伏裝置由有機物質或染料敏化物質制成的“ Λ ”形波導芯和透鏡型光子束非成像聚光器構成；圖21為導波光伏裝置的圖解說明，該導波光伏裝置由有機物質或染料敏化物質制成的“ Λ ”形波導芯構成，波導芯以集光器(collector)作為基片；圖22是“ Λ ”形波導導波光伏裝置上的反射型Winston型光子集合器的橫截面圖；圖23是“ Λ ”形波導導波光伏裝置上的反射型Winston型光子集合器的橫截面圖；圖M為根據(jù)本發(fā)明的復合式光伏結構的圖解說明，其包括有機導波光伏裝置和無機導波光伏電池。
具體實施例方式下面的詳細說明為目前實施本發(fā)明的最佳方式。該說明僅用于闡述本發(fā)明的一般原則的目的，而非用于限制之目的，因為所附的權利要求書最佳地界定本發(fā)明的保護范圍。所揭露的光伏裝置及其制造方法可應用于各種不同類型的光輻射轉化裝置。因此，盡管本發(fā)明以太陽能電池的應用為例以說明該新型裝置和方法，但是，相關行業(yè)的技術人員可以理解，該新型裝置和方法將可應用于其他類型的光伏裝置。根據(jù)本發(fā)明，所述光伏裝置通過將一束入射光子束聚集成預定尺寸并將其導入一個預定義的光路，例如波導芯或覆層含有至少一種光敏材料的渠道型或平面型薄型波導管，而取得了比傳統(tǒng)的薄膜式太陽能電池更勝一籌的效能和運作經濟性。光生電子和空穴從其產生之處被提取出，并在大體垂直方向將其引導到光波導傳播方向上來。所述光伏裝置結合了聚光器和波導管的優(yōu)點以提高總體轉換效能。因為太陽能產業(yè)對優(yōu)質光伏材料的大量需求，材料資源和成本越來越成為關注的焦點。如下所述，所公開的光伏裝置的一個優(yōu)點——其制造只需用到相對較少數(shù)量的昂貴的光伏材料——可通過聚集入射光輻射并將該聚集的光輻射波導穿過光敏材料的技術而獲得。光敏波導芯所需的厚度可限定在微米范圍內，如作為覆層則只需幾十納米，并且，可以采用廉價的聚合物、玻璃和金屬聚光器以聚集光子。這些特性有助于大幅度地降低材料費用，并使裝置的設計更具靈活性。此外，還可更為方便的設計光子集中量，而使所設計出的光伏模塊的重量較輕且具有薄膜式產品的特性。這種靈活的裝置結構是所揭露的光伏裝置的眾多優(yōu)點之一。在現(xiàn)有的工藝水平下，典型的薄膜式太陽能電池的轉換效能大致相當于本質硅電池的一半，主要原因在于受限于厚度的硅的間接帶隙的光吸收率。盡管存在著厚度限制，人們已研發(fā)出許多陷光方法以增強光子的交互酌長度。然而，此類陷光方法并未能夠有效地收集光子以克服所述厚度限制。在典型的陷光方法中，光從側面進入光敏區(qū)，允許散射和電極內的吸收損耗，這起到降低太陽能電池裝置的效率的作用。相比之下，所公開的GWPV裝置對于克服這些陷光缺陷特別有用?？傮w而言，所披露的光伏裝置的結構相比于現(xiàn)有技術具有諸多優(yōu)點。例如，因為光子大體平行于波導而傳播，故而光子吸收長度由波導長度而非薄膜厚度決定。采用波導結構，幾乎所有有用的光子均可被吸收。由于光子平行于波導而傳播，裝置的電極不會阻擋入射光子，而無需配置透明電極。部件的設計者具有較大的余地以設置電極，例如將電極放置于電子-空穴產生區(qū)，或者采用大型電極以減少串聯(lián)電阻。金屬電極層可直接用作光子循環(huán)的空腔(即用于減少發(fā)射損耗)。此外，所述波導也可與一低損耗光學諧振腔——例如布拉格反射器或者光子結構——集成，以遏制自發(fā)輻射而實現(xiàn)高轉換率，通常超過正常本質硅電池的硅基光敏區(qū)的效率。在此所披露的波導中，光波的空間分布(spatial profile)可被控制以提高光敏區(qū)的光吸收。這一特性可減少高摻雜區(qū)的光損耗，并可降低潛在的電極吸收損耗?？煽氐墓獠臻g分布還可為光伏電池的設計大量地減少內部電阻。根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置的結構， 還可使薄型P-I-N結能夠設計更陡峭的內部電場以用于載流子的提取。該引導模式意味著 P-I-N區(qū)中存在更強的電磁場。這樣的結構可以減少雜質和缺陷所引起的散射損耗。這些優(yōu)點，加上電子-空穴產生區(qū)與電極之間的更短距離，意味著可以使用低級別晶體質量的光敏材料而不會犧牲轉化效率，實現(xiàn)制造和每瓦特成本上的優(yōu)勢。所披露的光伏裝置可包括(i)具有單一光敏材料元件的單芯或多芯波導；(ii) 具有超過一個以串聯(lián)形式設置的光敏材料元件的單芯波導；或者(iii)包括有由不同光敏材料制成的芯電池(core cell)的波導，每一材料元件具有不同的能量吸收帶或帶隙。光敏材料可包含在波導芯和覆層中。光敏材料的光學指標與周圍的介質相似，當波導芯由非吸收材料組成時，其可用作波導覆層的一部分。同時，還可在金屬界面與光敏材料之間使用界面波(interface wave)以提高光子吸收。此類型的波導結構可用于低光學指標的光敏材料，例如聚合物，或者可用于復合型波導，例如設于半導體基片上的聚合物。所述光敏材料也可被設定而使得來自于波導芯的光輻射通過隧道機制(tunneling mechanism)而耦合到光敏材料中。所披露的光伏裝置在減少光損耗、材料成本、材料生長、裝置結構和應用靈活性方面還有諸多其他優(yōu)點。所披露的結構對于近帶隙的低光吸收效能的薄膜型光伏材料特別有用，例如硅，因為相對“長”的波導的吸收長度不受限制。所披露的結構也可應用于有機/染料光敏電池(Gratzel cell)。圖1和圖2示出了導波光伏(以下簡稱GWPV)裝置10的一個優(yōu)選實施例。該GWPV 裝置10包括有一波導型光伏結構，其將一入射光束21限制并維持于GWPV裝置10中的一優(yōu)選的光子傳播方向上，通常為箭頭四所示的笛卡爾坐標系統(tǒng)的X方向。所述GWPV裝置 10包括有一含有光敏材料的波導芯11，下文詳細進行描述。該波導芯11可設于一第一內覆層12與一第二內覆層13之間，如圖2所示。該第一內覆層12可設于波導芯11與一第一外覆層14之間，而該第二內覆層13可設于波導芯11與一第二外覆層15之間。在另一優(yōu)選實施例中，所述第一外覆層14和第二外覆層15其中的一個或兩個可包括空氣。如圖1所示，所述入射光束21通過一設置于近所述波導芯11處的聚光器20而調整成集中光子束23。所述聚光器20可包括一個聚焦或非聚焦透鏡，例如折射透鏡或衍射(如Fresnel)透鏡，或者可包括一個基于全內反射的非成像集熱器(non-imaging collector)，例如一個反射面。所述集中光子束23與所述波導芯11中的光敏材料交互而產生電荷。電荷可通過一第一電極31和一第二電極33而傳導出所述GWPV裝置10之外， 所述電極31和電極33均電氣連接于所述波導芯11。如下文詳述，可再設置一個或多個與該波導芯11連接的附加電極35。另外，所述聚光器20可包括一由透射和反射元件組成的組合體，如下文詳述。形成所述波導芯11的材料的光束折射率最好高于形成所述內覆層12和13的材料的光束折射率。所述內覆層12和13的折射率高于形成所述外覆層14和15的材料的折射率，所述第一外覆層14和15其中的一個或兩個可包括空氣。所述波導芯11的厚度取決于所述入射光子束21的光子波長和所述GWPV裝置10中集中光子束23的尺寸。所述波導芯11的y維空間可被設定以支持如下兩者之一 (i)沿優(yōu)選光子傳播方向傳導的光子束單空間模態(tài)；和(ii)在于所述內覆層12和13內的多空間模態(tài)?；谥С謨煞N空間模態(tài)，所述GWPV裝置10通過在波導芯-覆層界面M和25上建立全內反射條件而可限制所述集中光子束23沿所述波導芯11傳導?；蛘撸霾▽?1的y維空間可被設定成更大以支持多模運轉。所述波導芯11的ζ維空間可與y維空間相似，使得所述波導芯11基本上為一維結構，即通道型波導。或者，所述波導芯11的ζ維空間尺寸可以是y維空間的數(shù)倍，使得所述波導芯11基本上為二維結構而適應于薄膜制造工藝?；蛘?，在另一優(yōu)選實施例中，所述波導芯可以是一個單維結構和一個二維結構組成的組合體。本領域技術人員可以理解地，上述波導芯11和內覆層12和13的折射率的不同， 可在所述GWPV裝置10中形成一個適合于遏制近光敏材料的能量帶邊緣的自發(fā)輻射的空腔。這種遏制可提升所述GWPV裝置10的能量轉換。或者，所述GWPV裝置10可包括一布拉格反射器，以增強自發(fā)輻射遏制的效果。例如，內覆層12和13其中的一個或兩個可包含高折射率且穿透度遠低于所述波導芯11的光敏材料的金屬材料。可使用一中間光學元件或構造以將所述集中光子速23引導至所述優(yōu)選的光子傳播方向。如圖3所示，所述中間光學元件包括一定向的表面反射器41，以用于通過全內反射方式而將所述集中光子束23引導入所述波導芯11?；蛘?，所述中間光學元件或構造可包括一發(fā)射界面，例如涂蓋于波導邊界面的金屬層(圖中未示出)，該邊界面可以是折射類型 (即非成像)，也可以是反射類型，其集成于或集成入所述中間光學元件或所述波導芯11。 此外，所述中間光學元件可包含所述波導芯11的一部分，且可進一步包含光敏材料。如圖4 所示，在另一優(yōu)選實施例中，所述中間光學元件或構造可包括一發(fā)射光學元件，例如斜面反射器對43，其設置以在所述聚光器20與兩個波導芯11之間形成光徑。兩個GWPV裝置10 和所述斜面反射器對43組合而成一個雙聯(lián)GWPV裝置40。如圖1、圖3和圖4所示，可以通過電極31、33和35而從所述波導芯11的光敏材料中提取光生載流子。本領域的技術人員可以理解，因為在GWPV裝置10的典型結構中，光子進入所述波導芯11的光子速末端，所述波導芯11表面處的電極31、33和35的尺寸和位置可根據(jù)實際應用而自由設定和優(yōu)化。例如，在圖1所示的結構中，如果所使用的內覆層12 和/或13相對較薄，可將電極31和33設置于所述GWPV裝置10的末端或邊緣處，以避免潛在的金屬吸收損耗。 此外，在裝置的某些應用中，未被電極31和33阻擋的表面區(qū)域可用于收集環(huán)境中散布的光輻射?；蛘撸绻捎猛该麟姌O或金屬電極，則所述電極31和33可覆蓋所述GWPV 裝置10的全部或部分側面。這種設置可以縮短電子和空穴的傳導距離，即從電子-空穴產生處到電極31和33的距離，通常位于y軸方向上。如圖1所示，電極35可以沿所述波導芯 11而設置，使得可依照光子的密度和分布來提取光生電荷載流子。對于聚光式光伏電池，載流子密度越高，相應地，光伏輸出就越高。所述波導芯11最大化光吸收所需的最小長度由光敏材料對于所述集中光子束23 的吸收系數(shù)而決定。硅的最低能量帶隙附近的吸收系數(shù)約為lOOcm-1。一段沿所述波導芯 11的300微米的傳播距離，相應對能量高于硅的帶隙水平的所收集的光子有著大約95%的吸收。據(jù)此，所述GWPV裝置10可設計成能夠基本上實現(xiàn)對所有(即>99%)收集的光子的全部吸收。這種設計結構對采用間接帶隙材料(例如硅)的光伏電池特別有用，且對光吸收區(qū)極薄的裝置特別有用，例如有機/染料敏化電池。如圖1所示，在特定的光伏裝置應用中，可在所述波導芯11的近所述電極31和33的邊緣處設置一反射面27，如此，最大化吸收所需的最小波長可減少一半。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的GWPV陣列50的一個優(yōu)選實施例。所述GWPV陣列50包括多個設于一基片30上的通道型GWPV裝置10C。盡管附圖示出了通道型GWPV裝置IOC的矩形陣列，但可以理解地，也可采用其他幾何結構，例如六角形陣列。如圖6所示，可以通過設有與ζ維空間相似的y維空間，而將GWPV裝置10設置為通道型GWPV裝置10C。于是，如附圖所示，所述通道型裝置單元10可通過設置于所述波導芯11邊緣處的球形聚光器51而接收所述集中光子束23。在包含有所述球形聚光器51和所述通道型GWPV裝置IOC的結構中，其可提供很高的聚光率，即聚光器直徑與波導長度的相應比率。如圖7所示，根據(jù)實際應用、材料生長和工藝水平，兩個球形聚光器51可耦合到一對共享一個電極55的通道型GWPV裝置IOC上。 因為通道型GWPV裝置IOC的長度主要由所述波導芯11中的光敏材料的吸收長度所決定， 故而，所述聚光器51的直徑可以小至所述GWPV陣列50中相關波導芯11的長度的兩倍，如圖5所示。在硅基GWPV裝置中，每一光束聚光器的直徑通常以毫米計。然而，此限制將不復存在，因為相關波導的任何額外的長度將不會造成GWPV型裝置在材料成本上的大幅度增力口。當在光伏裝置的制造過程中采用各種潛在的技術時，具有可擴展的波導長度，可使得 GffPV裝置的結構更具靈活性。根據(jù)本發(fā)明，上述優(yōu)點也可應用于GWPV陣列60的一個優(yōu)選實施例中，如圖8所示。所述GWPV陣列60包括有多個柱形聚光器，例如柱形透鏡61和65，和多個平面型波導GWPV裝置IOP和/或寬平面型波導GWPV裝置10W。所述平面型波導GWPV裝置IOP的側面Y軸尺寸，如圖9所示，大于圖6所示的所述通道型波導GWPV裝置IOC的側面y軸尺寸。所述寬平面型波導GWPV裝置IOW的側面y軸尺寸，如圖8所示，明顯大于所述平面型波導GWPV裝置IOP的側面y軸尺寸。據(jù)此，柱形聚光器61可用于照亮所述平面型波導GWPV 裝置IOP的邊緣或外圍，而柱形聚光器65可用于照亮所述寬平面型波導GWPV裝置IOW的邊緣或外圍。在另一個實施例中，如圖10所示，一對柱形聚光器61可用于照亮共享一電極 69的一對平面型波導GWPV裝置IOP。可以理解地，上述被設置為水平幾何形態(tài)的GWPV裝置10、10C，10P和10W，也可以根據(jù)應用要求、材料生長、工藝和所使用的芯片/模塊封裝技術而設置成垂直幾何形態(tài)。垂直幾何形態(tài)具有可直接將光線導入相應的GWPV裝置中而無需使用例如球形透鏡51和柱形透鏡65等導引器件的優(yōu)勢。如圖5和圖8所示，水平設置的波導陣列，具備更低的外形(即更薄)和融合薄膜技術的優(yōu)勢。在水平和垂直波導結構中，可利用許多現(xiàn)有技術，例如直接堆積成形、薄層芯片轉換、芯片切割、薄帶切割及相關領域中總多公知的技術，而將單個波導組裝在適當?shù)奈恢?。此外，盡管圖5和圖8所示的特定結構中包括了不同類型的光子聚光器和相應的波導以作為模塊化設計的示例，然而，根據(jù)本發(fā)明的GWPV裝置，可包括其他類型的聚光器和波導的組合體。本領域技術人員可以理解，所披露的GWPV裝置在光伏材料成本和轉換效率方面存在著優(yōu)勢。但是，還可以做出更多改進以解決操作中的問題，包括有光的跟蹤、跟蹤系統(tǒng)的復雜性、光子高度聚集時裝置的發(fā)熱，散射光和環(huán)境光的收集。但是，所述的GWPV裝置結構既保持了光聚集效率方面的優(yōu)勢，又同時避免現(xiàn)有技術所教導的光聚集系統(tǒng)所存在的缺陷。此外，所述GWPV裝置可以設計得如現(xiàn)有技術條件下的平板太陽能電池一樣緊湊簡潔， 見下文說明。硅基GWPV裝置可采用現(xiàn)有工藝水平所知的薄膜沉積技術進行制造。圖11是一包括有多個拉姆達形(Λ形)波導71和多個形成于近所述Λ形波導71處的聚光器73的薄膜型GWPV裝置70的側視示意圖。雖然該圖只示出了兩個聚光器73和兩個Λ形波導71， 但可以理解地，硅基GWPV裝置不局限于上述數(shù)量，而可通過所使用的制造方法而設定任何數(shù)量。根據(jù)實際應用，每一 Λ形波導71可包括一對通道型GWPV裝置10C、一對平面型GWPV 裝置IOP或一對平面型GWPV裝置10W，如附圖所示設置于襯底膜79之上。在一個優(yōu)選實施例中，相鄰的波導71形成一個鈍角，即大于90度的角。優(yōu)選地，所述聚光器73的形狀與相應的Λ形波導71的幾何形狀相一致。所述入射光束21通過聚光器73在Λ形波導71的外表面75處形成集中光子束23。所述Λ形波導71的外表面75用于將所述集中光子束23導引入所述Λ形波導71的一個或兩個GWPV 裝置10 (或IOC或IOP或10W)中。Λ形結構的一個優(yōu)點在于提高波導的光耦合效率，同時保持諸如大面積薄膜沉積和層鍍覆等生長和處理技術的優(yōu)勢。對于能量近乎硅帶隙的光子而言，硅的折射率約為3. 5。相對于玻璃界面，波導內的全反射角約為20度，而相對于空氣界面則約為15度。這種折射指數(shù)上的相對較大的差異為波導進行諸如楔入和彎曲的設計提供了足夠的余地?？梢詫Ζ翁卣鞯某叽绾托螤罴右栽O計，以使其有效地捕捉進入所述GWPV裝置10、10C、10P和IOW的波導芯和覆層的所述入射光束21的全部或大部，并可設計成具有較大的集光角。有利于光伏模塊的特征是 較薄的結構、較小的重量和較大的吸收角度。根據(jù)實際應用和材料加工技術，可以在較大的范圍內設定Λ形特征的角度。另一優(yōu)選實施例中，如圖3所示，全內反射結構由表面反射器41組成，其可用作Λ角約為90度的A形波導71的半個“側翼”("side wing”)。此外，根據(jù)不同加工技術，所述Λ形波導71的半個邊翼也可彎曲而代替平面。除了本發(fā)明附圖所披露之外，還可通過結合成像和非成像光學技術，而將許多其他類型的聚光器和集光器應用于所述薄膜型GWPV 裝置70。關于傳統(tǒng)聚光式光伏電池的散熱問題，所述薄膜式GWPV裝置70的結構在傳熱和散熱方面同樣具備優(yōu)勢。在不需要透明電極的應用中，可采用具有高熱傳導性的基片以進一步增加具有高聚光率的GWPV裝置的散熱能力。關于傳統(tǒng)聚光式光伏電池的采集漫射太陽光的問題，波導薄膜式電池的結構，以所述薄膜式GWPV裝置70為例，可以通過所述襯底膜79以采集漫射的光線。源極和漏極77 和78可連接于所述Λ形波導71的一端以提取光生載流子。所述Λ形波導71的外表面 75的開口區(qū)提供了用于吸收漫射光線的途徑，此外，還保留了傳統(tǒng)薄膜電池的優(yōu)點。還可作出改進，即將源極和漏極77和78設置于所述襯底膜79的背面?zhèn)然虻酌鎮(zhèn)?。本領域技術人員可以理解地，在此所披露的光伏裝置所采用的硅材料可以用非晶硅(a-Si)代替以使層厚度更薄。盡管非晶硅相比于晶體硅具有更高的光吸收系數(shù)，當時， 較薄層厚度的特征在“光浸潤”(light soaking)方面具有更好的穩(wěn)定性。除了硅以外，其他類型的薄膜材料，例如基于III-V族的半導體(例如GaAs、CdTe 和CIGS)，已被開發(fā)出以用于光能轉化的工藝。這些太陽能電池具有高于硅薄膜電池的轉化效能，但存在著材料和加工成本更高的缺點。這些昂貴的材料因其稀缺性而易于導致價格不斷上升，這不利于太陽能電池行業(yè)的大規(guī)模生產。故而，從材料供應的角度看，硅的優(yōu)勢非常突出。盡管硅是地球上發(fā)現(xiàn)的最為豐富的資源之一，但，除了在以硅為基礎的電子行業(yè)用量極大外，太陽能行業(yè)對其需求量也越來越大。隨著近來人們日益追求清潔能源的目標， 以及世界范圍內對太陽能技術的投資加速，獲取高純度硅原料的工藝可能將成為瓶頸，不僅對太陽能行業(yè)如此，對以硅為基礎的大規(guī)模電子行業(yè)也是如此。為應對所有這些挑戰(zhàn)，需要以更少的材料消耗造出更高效的硅光伏電池，并最終達成降低單位能源成本的目標。采用單一半導體材料元件的太陽能光伏電池，通常其效率較低。例如，在硅電池中，約25%的太陽光(即光輻射)低于硅的能隙，而不能被吸收以產生光伏電荷。另一方面， 被吸收的能量高于硅帶隙的光子可以產生高能的電子和空穴，其在到達電極之前而降低至能帶邊緣(band edge)時，會損耗其超過帶隙的額外能量在晶格振蕩上。這些額外的能量對光生電流并無貢獻，而轉化為熱能最終浪費掉。然而，在多結層疊電池(Multi-junction tandem cell)中，具有若干材料元件，每一元件具有不同的吸收帶隙，涵蓋太陽光譜的更寬范圍。較寬帶隙材料的元件，可吸收更高能量的光子，相應地，具有更高的電壓輸出。如此，可減少在材料晶格上的熱能損失。本領域的技術人員可以理解，具有不同材料元件的太陽能或光伏電池的光-電能量轉化要高于只有一種材料元件的同類設備。在目前的技術條件下，商業(yè)上可得到的基于鍺襯底的多結層疊電池，可獲得超過30%的轉化效能。然而，這種結構因其昂貴的材料元件和相關聯(lián)的高生產成本而導致其應用有限?；诠璨牧系南鄬Ω咝У碾姵馗鼮榭扇　７蔷Ч璧哪芟陡哂诰w硅，這使得非晶硅成為高能元件的首選。人們已研制出效率可與薄膜晶體硅電池相匹的薄膜非晶硅電池，雖然，其工作穩(wěn)定性仍然是一個重要關注點。另一個硅基備選可能是納米級晶體硅(nc-Si)。納米級晶體硅的能隙非常倚賴于納米級晶體的尺寸。隨著納米技術的快速發(fā)展，尺寸和非正式控制正朝著實際產品應用的方向變得更為可行。預計硅基材料家族在AM1.5的條件下可涵蓋75%的太陽資源，而在陸地 AM1.0的條件下其比例更高。由于異常嚴格的材料和生長條件，造成材料資源昂貴和生產成本高，高能效多結層疊電池也相對較為昂貴。每種材料元件須有合適的能量帶隙，且每一材料元件的晶格常數(shù)應緊密匹配，以使生長過程中具有光滑的界面?？傮w性能也倚賴各層的電流貢獻。通常， 這些材料層的設計須配合產生的電流，因為電子和空穴在抵達電極之前，須穿過所有的層。圖12示出一種多芯材GWPV裝置80，其波導芯81由不同光敏材料的波導芯元件電池(Core component cell)構成。在所提供的例子中，個體波導芯元件電池83、85和87由不同能量帶隙的材料的構成。優(yōu)選地，所述波導芯元件電池83、85和87沿優(yōu)選的光子傳播方向作橫向排列，并由一第一內覆層89和一第二內覆層99界定而形成所述波導芯81。每一波導芯元件電池83、85和87各有相應的電極93、95和97，并共享一共有電極91。所述集中光子束23傳導至所述波導芯元件電池83，在其中產生電荷載流子并通過所述電極93 輸出。所述集中光子束23的剩余部分84進入所述波導芯元件電池85，在其中又產生一些電荷載流子并通過所述電極95輸出。所述集中光子束23的更小部分86進入所述波導芯元件電池87，在其中仍然產生一些電荷載流子并通過所述電極97輸出。傳統(tǒng)的多結層疊光伏電池具有“疊層”結構，光生載流子在抵達電極之前須穿過多個結層，通常會有很大損失。另外，當入射光子穿過堆疊的、高度攙雜的元件層之時，由于攙雜區(qū)的雜質，導致光子發(fā)生強吸收損耗。然而，在所披露的多芯材結構中，以所述GWPV裝置 80為例，光生載流子可在與優(yōu)選光子傳播方向大體垂直的方向上(即y軸方向)被提取出。 每一波導芯元件電池83、85和87可在相對短的距離(即等同于薄膜厚度)內獨立提取電子和空穴。此外，由于一般無需考慮電流匹配，所披露的多芯材結構在其設計上更具靈活性。所述GWPV裝置80中的不同材料元件電池之間的界面基本上只要求亞波長級別的光學性能。相比于傳統(tǒng)的多結層疊光伏電池的晶格匹配要求，亞波長要求允許光伏裝置的制造可降低精度。這使得在材料加工上允許更大的自由范圍，甚至可放松材料選擇的要求， 因為無需考慮晶格匹配生長。根據(jù)本發(fā)明，當導波平行于所述層傳播時，攙雜區(qū)的損失預計會非常小，特別是當波導芯為內在的時候，如上文所述。因此，多芯材GWPV電池結構的轉化效率可非常接近理論上的轉化極限。通過增加一個低帶隙的元件，例如鍺或可能的聚合物， 以支配能量低于硅帶隙能量的光子，而使硅基多芯材GWPV裝置可獲得非常高的轉化效率。多芯材GWPV裝置中的關于垂直電子-光子傳送的理念和機制，可以擴展到其他材料系統(tǒng)，例如CdTe和CdS。許多薄膜加工工藝，例如晶片鍵合(wafer bonding)、轉移 (transferring)和晶片切割(wafer cutting)，可用于制造多材料元件波導。所述波導的幾何形態(tài)，例如上述的Λ形，也可依據(jù)實際應用而予以采用。另外，上述所披露的聚光器和導引元件或構造也可用于所述多芯材GWPV裝置80。在另一多芯材結構的優(yōu)選實施例中，波導芯元件電池可形成一個非平面結構，而約束并導引所述集中光子束23至多種光敏材料。圖13示出一個光子約束光伏裝置100， 其包括有一由較寬帶隙光敏材料形成的第一光伏電池101。所述第一光伏電池101包括有一波長選擇涂層103和一金屬電極105。所述波長選擇涂層103設定為可將輸入光子束能量帶寬與第一光伏電池101內的光敏材料的帶隙吸收基本相匹配。所述輸入光子束能量的一部分102，對應于與所述第一光伏電池101材料相匹配的帶隙范圍，大體上穿過所述波長選擇涂層103而進入所述第一光伏電池101。所述輸入光子束能量的一部分104，對應于小于所述第一光伏電池101材料的帶隙范圍，其大體上被所述波長選擇涂層103和金屬電極 105所反射。如附圖所示，設置一第二光伏電池107，以接收來自于所述第一光伏101的光子束能量的反射部分104。所述第二光伏電池107包括由一波長選擇涂層109和一個金屬電極111。所述波長選擇涂層109設定為可將輸入光子束能量帶寬與第二光伏電池107內的光敏材料的帶隙吸收基本相匹配。所述第二光伏電池107內的光敏材料的帶隙小于所述第一光伏電池101 內的光敏材料的帶隙。所述輸入光子束能量的一部分108，對應于與所述第二光伏電池107 材料相匹配的帶隙范圍，大體上穿過所述波長選擇涂層109而進入所述第二光伏電池107。 相應地，所述輸入光子束能量的一部分110，對應于小于所述第二光伏電池101材料的帶隙范圍，其大體上被所述波長選擇涂層109反射至一第三光伏電池113。所述第三光伏電池113內的光敏材料的帶隙小于所述第二光伏電池107內的光敏材料的帶隙。第三光伏電池113有一個波長選擇涂層115，其對入射光子束能量帶寬基本透明，同時也能配合第三光伏電池113的光敏材料的帶隙吸收。所述輸入光子束能量的一部分114，對應于與所述第三光伏電池113材料相匹配的帶隙范圍，大體上穿過所述波長選擇涂層1015而進入所述第三光伏電池113。所述波長選擇涂層115和金屬電極117用于反射所述集中光子束23的一部分116至所述第一光伏電池101，而重復上文所述的吸收和反射過程。所述光子約束光伏裝置100可包含更多的光伏電池(圖中未示出)，以達到甚至更高的轉換效率。設定所述元件光伏電池的位置，以使光子束絕基本上被約束于所述腔狀 (cavity-like)光子約束光伏裝置100之內，以實現(xiàn)光子捕捉的最大化。腔狀結構具有可捕捉所述集中光子束中多數(shù)光子的優(yōu)點，特別可用于捕捉影響轉化效率的自發(fā)輻射。每一個體光伏電池的尺寸取決于所述聚光構造、聚光度和光配、以及電池數(shù)量。每一個體光伏電池可以是單結或多結電池。非吸收媒介可以是空氣，或者透明聚合物和玻璃，或者甚至當使用高效聚光器時用作冷卻劑的液體。以上討論所涉及的聚光和光伏陣列同樣適用于所述光子約束光伏裝置100。所披露的GWPV結構也可應用于具有垂直堆疊波導的裝置。圖14示出一堆疊波導 120，其包括有一設置于一第一亞波導芯123和一第二亞波導芯125之間的覆層121。所述亞波導芯123和125可設置于一第一襯底層127和一第二襯底層1 之間，如附圖所示。所述亞波導芯123所含材料的帶隙寬于所述亞波導芯125的材料。所述入射光速32通過一色散光學元件，例如三棱鏡139或反射型光柵，而被分導至所述亞波導芯123和125。在一優(yōu)選實施例中，所述色散元件通過一光柵或一光學結構而與所述堆疊波導120集成，而用于光子分光。此外，所述色散元件可包括一與所述堆疊波導120集成的光敏材料。特定的復合式裝置的結構可以不包括所述色散元件。例如，鍺電池可堆疊于一硅電池之上。所述鍺電池可吸收能量低于硅帶隙能量的光子，盡管其也可吸收高能電子。在另一優(yōu)選實施例中，每一堆疊光敏材料均具有一個窄能量帶寬(narrow-energy bandwidth) 0 在這種結構中，每一電池層用于提取符合該電池層的窄能量帶寬的光生電荷，在此，電池層
13可由具有窄吸收帶(narrow absorption band)的聚合物或納米晶體固形物組成。根據(jù)本發(fā)明，每一亞波導芯與至少一相應的接觸電極電氣連接。這種結構有利于材料生長和生產。例如，兩個或以上的亞波導可以獨立制造，然后再集成或成長(grow)到一起?？梢岳斫獾兀牧显畲笙薅任崭吣芄庾铀璧膩啿▽чL度，通常遠短于為材料元件最大限度吸收低能光子所需的亞波導長度。在另一優(yōu)選實施例中，兩個亞波導123和 125具有不同的波導長度。GWPV裝置的結構也可適用于高光子聚集系統(tǒng)。在一優(yōu)選實施例中，一透射型高光子聚集系統(tǒng)(transmission-type high-photon concentration system) 130 包括有一用于將所述入射光束21聚集至一聚光器135、并最終導入所述GWPV裝置10的Fresnel透鏡 131，如圖15所示。在另一優(yōu)選實施例中，一反射型高光子聚集系統(tǒng)140包括有一用于匯聚所述入射光束21至一聚光鏡143、并最終導入GWPV裝置10的表面反射鏡141，，如圖16所示。根據(jù)所述聚集系統(tǒng)的聚光率或相應聚光器的尺寸，可采用如圖17所示的一第二光子束聚光器145。所述第二光子束聚光器145可設于所述GWPV裝置10的一端或邊緣，在該處，所述GWPV裝置10被一對可作散熱器的之用的電極147和149所限制。對于甚高聚集系統(tǒng)，可采用GWPV裝置結構，以適當減少所需光伏材料的用量。然而，諸多GWPV裝置的特性，例如較短的載波通路、不受限制的吸收長度和靈活的結構，仍然有利于提高整體系統(tǒng)性能。最為重要地，所述相對較薄的GWPV裝置可通過電極147和149而有利于散熱，這一優(yōu)點直接關乎于所述高聚集系統(tǒng)的設備性能和成本節(jié)約。由于光子從波導末端處聚集進入所述GWPV裝置，所述波導的側面的大部分可與一高導熱材料層相接觸，例如電極147和149，以利于熱量散發(fā)和通過傳導散熱。也就是說， 可以為薄層生長選擇高導熱性能的襯底。可以理解地，沒有了為所述GWPV裝置提供透明襯底或電極的限制，例如，GffPV的結構在為適合于波導覆層和散熱的選材方面有了更多的選擇。根據(jù)聚光度、物理尺寸要求和所用聚光器類型，可將兩個或以上的GWPV裝置10聯(lián)結成一體，如圖18所示。所述第二聚光器145可與另一具有用于吸收較高能量光子的材料元件的光伏電池集成，例如多元件電池，或者甚至由該類型的光伏電池制成。上文所討論的關于電極分布和多元件材料的概念，也可應用于如圖17和18所示的配置。光子可以從波導的一端或兩端收集?？梢岳斫獾?，所述GWPV裝置的結構為允許開發(fā)許多新的裝置結構增加了更大的靈活性。有機太陽能電池因其輕重量和靈活性，更為重要地，其潛在的低生產成本，而廣受關注。雖然與傳統(tǒng)的硅基太陽能電池相比，目前階段在效率和可靠性方面尚不具備競爭力， 但在許多潛在的應用方面，例如便攜式設備和對設備壽命要求不高的應用，有機太陽能電池仍非常具有吸引力。由于極具吸引力的材料合成能力，有機太陽能電池有潛力涵蓋太陽光譜的大部分，如果將更高轉化效率的光伏電池變?yōu)楝F(xiàn)實，這會是一個重要的財富。一個關鍵性的問題是需要設計一個具有極薄有效光敏區(qū)的光伏電池。由于強大的激子結合能量，無法有效地從工作光敏區(qū)提取光生電荷并送至電極。在典型的應用中，光敏區(qū)的厚度約為50納米。如果要吸收超過95%的光輻射，則能量帶的吸收系數(shù)平均需要提高至傳統(tǒng)聚合物材料的吸收系數(shù)的大約10倍。人們已作出努力，通過加強激子分離和利用金屬反射器提升光陷結構，力求改進裝置的效能。在GWPV裝置的結構中，沿其波導的可變吸收長度有助于提高超薄光敏層的光子吸收。如果光導或光陷過程相對有效，甚至可能減少光子工作層的厚度，以更有效地提取電子-空穴對。另外，較薄的光子工作層可以改進相關聚合物電池的電阻，這對整體性能和可靠性也是一個非常重要的因素。傳統(tǒng)有機電池所需的厚度由激子鍵合能量和光吸收長度決定。放寬光吸收的厚度條件，對于開發(fā)更多適用于高性能電池設計的材料有著潛在的幫助。相應地，所披露的GWPV裝置結構可應用于聚合物材料系統(tǒng)。圖19示出一種包括有多個聚焦透鏡151的GWPV型聚合物裝置150。每一聚焦透鏡151由一種聚合物材料構成。 如上文所述，所述GWPV型聚合物裝置150的總厚度可以小至幾微米。Λ形波導153的光敏層可涂于一由塑料構成的薄襯底155上，且可包括有一金屬反射層157。一空氣層159可用作所述波導153的一個覆層。光敏聚合物層也可設置作為所述波導153的波導芯的覆層，在該處，所述波導芯包含非吸收性或低吸收性材料，例如，也可包含一金屬(層)。當所述光敏層和襯底嵌入于具有相同折射系數(shù)的介質時，所述波導芯優(yōu)選包含有一折射率高于所述光敏聚合物層的材料，以形成所述波導153。如果提供所述金屬反射層157，則通?？商岣呗浠颦h(huán)境光的采集?？梢岳斫獾兀缟纤?，所述Λ形波導153起到增大光接收角度的作用。在GWPV型聚合物裝置的另一優(yōu)選實施例中，圖20示出了一包含有多個聚光器161的成像和非成像GWPV型聚合物裝置160的組合體。聚合物波導電池所具有的另一個優(yōu)點，是其折射率幾乎可以與聚光器的折射率相匹配，確保最低限度的反射損耗?？梢酝ㄟ^在兩種具有較大光學指數(shù)差異的材料的界面之間設置一防反射涂層以減少反射損耗。由于聚合物易于加工，光敏層163可直接涂于預成型玻璃或聚合物聚光鏡165之上，如圖21所示。在這種類型的波導電池中，具有較高光學指數(shù)的薄型防反射薄涂層167可涂于所述光敏層163之上，以形成用于約束傳播光子束的波導芯169?？梢岳斫獾兀瑘D18-20所示的金屬層139和147可用作電極和散熱器，并用于收集漫射光線。尤其，所述金屬層147還可作為含有所述光敏層143的波導149的一部分。如圖18-20所示，GWPV型聚合物裝置可為傳統(tǒng)的聚合物薄膜電池帶來輕重量和塑性撓度的優(yōu)
點ο上述討論也可應用于染料敏化光電化學電池或染料光敏太陽能電池(Gratzel cell)?？赏ㄟ^增加附著于二氧化鈦(host Τ 02)的大孔表面處的染料分子的數(shù)量或體積， 而提高染料光敏電池(Gratzel cell)和染料敏化電池的光子捕捉能力。然而，增加的二氧化鈦的孔隙度可妨礙電荷載流子的傳輸，進而影響整體電池性能。將GWPV裝置的結構應用于染料光敏電池(Gratzel cell)和染料敏化電池，通過采用較薄電池，有助于改善電池性能，并提高電池的效率。本領域所熟知，Winston型集光器一般具有一較寬的接收角度。如圖22所示，所述集光器可配置成帶有一包含一個聚光器177的金屬反射型Winston集光器171。所述Λ形波導175的頂端179的形狀可恰當設計，以最大限度地從Winston集光器171的開口處收集光輻射。如上所述，所述聚光器177可以是球形或圓柱形，并可用于通道型或平面型GWPV 裝置?；蛘撸鐖D22所示，一個包含有折射型透明介質183的折射型Winston集光器181，可在所述透明介質183和環(huán)境空氣之間的界面上提供全內部折射?；蛘撸刹捎糜蒞inston 集光器171和181組成的組合體。在集光角度、光損耗和設備制造方面，每易類型Winston 集光器各有優(yōu)缺點。根據(jù)本發(fā)明，所述GWPV聚合物電池結構，可以進一步擴展成帶有無機光伏結構的復合式結構，例如硅光伏電池。相比于傳統(tǒng)的聚合物電池，這兩種電池的組合體可以起到顯著地提高光-電轉化效率的作用，提高幅度約為若干個百分點。如圖M所示，混合式GWPV 裝置190包含一 GWPV波導191，所述GWPV波導191包括有一位于所述波導191所形成的鈍角頂點出的波導型無機電池195。所述GWPV復合式電池190具有與多結電池相似的優(yōu)點。 例如，太陽光譜的可見頻帶為聚合物吸收所覆蓋，近紅外輻射則由硅吸收。這種類型的復合式GWPV裝置在保留聚合物薄膜裝置的優(yōu)點的同時，還提供更高的轉化效率?？梢岳斫猓菊f明僅是本發(fā)明的較佳實施例，并力求為理解本發(fā)明的為權利要求所界定的性質和特征提供一個概述。附圖是為進一步理解所述發(fā)明的方法和設備所具有的特性和相應的實施例，其與文字描述內容一起，解釋發(fā)明的原則和操作。因此，雖然提供了具體的實施例來說明所述發(fā)明，但應理解，不應以附圖所述的具體構造和方法為限制，同時，本發(fā)明還涵蓋在權利要求范圍內所作的任何修改或等同。
權利要求
1.一種光伏裝置，包括有一第一光敏材料，設置用于接收一光子束；及一第二光敏材料，其帶隙小于所述第一光敏材料的帶隙，所述第二光敏材料設置以接收來自于所述第一光敏材料的所述光子束的第一部分；一第三光敏材料，其帶隙小于所述第二光敏材料的帶隙，所述第三光敏材料設置以接收來自于所述第二光敏材料的所述光子束的第二部分。
2.如權利要求1所述的裝置，進一步包括有一設置于所述第一光敏材料、所述第二光敏材料和所述第三光敏材料上的覆層。
3.如權利要求1所述的裝置，進一步包括有一設置于所述第一光敏材料上的波長選擇涂層，所述波長選擇涂層使所傳送光子束的能量帶寬匹配于所述第一光敏材料的帶隙吸收的部分。
4.如權利要求1所述的裝置，進一步包括有一設置于所述第一光敏材料層上的金屬電極。
全文摘要
一種光伏裝置，包括有一第一光敏材料，設置用于接收一光子束；及一第二光敏材料，其帶隙小于所述第一光敏材料的帶隙，所述第二光敏材料設置以接收來自于所述第一光敏材料的所述光子束的第一部分；一第三光敏材料，其帶隙小于所述第二光敏材料的帶隙，所述第三光敏材料設置以接收來自于所述第二光敏材料的所述光子束的第二部分。
文檔編號H01L31/0352GK102522435SQ201110429940
公開日2012年6月27日 申請日期2008年4月30日 優(yōu)先權日2007年4月30日
發(fā)明者陳剛, 陳小源 申請人:陳剛, 陳小源