超薄膜太陽(yáng)能電池的制作方法
【專利摘要】提出了一種包括至少一個(gè)輻射轉(zhuǎn)換電池的輻射轉(zhuǎn)換裝置。輻射轉(zhuǎn)換電池包括：光吸收體單元，其具有用于吸收一定波長(zhǎng)范圍的輻射從而將所吸收的輻射轉(zhuǎn)換為電荷載流子的預(yù)定吸收光譜；以及至少部分反射性層結(jié)構(gòu)，其配置為對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍基本上為反射性的。光吸收體單元和至少部分反射性結(jié)構(gòu)配置為在輻射轉(zhuǎn)換電池內(nèi)關(guān)于所述一定波長(zhǎng)范圍提供期望的折射率分布并且在光吸收體單元內(nèi)關(guān)于所述一定波長(zhǎng)范圍限定光學(xué)腔，從而對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍提供期望的干涉條件，從而使在從所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)被反射的同時(shí)被所述光吸收體單元吸收并且通過(guò)所述光吸收體單元傳播的所述輻射被有效地捕獲在所述光吸收體單元內(nèi)。
【專利說(shuō)明】超薄膜太陽(yáng)能電池【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電磁能量轉(zhuǎn)換例如太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域，并且涉及輻射轉(zhuǎn)換電池以及利用這樣的電池的裝置。本發(fā)明尤其可用于利用超薄膜吸收體的光電化學(xué)和光伏電池。
【背景技術(shù)】
[0002]借助于水光電解進(jìn)行的太陽(yáng)能到氫的高效轉(zhuǎn)換對(duì)于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)而言是長(zhǎng)期存在的具有遠(yuǎn)大前景的挑戰(zhàn)。自Fujishima&Honda的關(guān)于利用TiO2光陽(yáng)極進(jìn)行光致水分解的創(chuàng)造性報(bào)告以后的過(guò)去的四十年中，已經(jīng)在用于水分解的半導(dǎo)體光電極的研究和開發(fā)(R&D)上取得了重要進(jìn)展。盡管有這些進(jìn)展，但是用于太陽(yáng)能氫生成的光電化學(xué)系統(tǒng)尚未滿足效率(> 10%，太陽(yáng)能到氫的轉(zhuǎn)換效率)、耐久性(> 5000h)以及成本3美元每公斤H2)方面的技術(shù)要求。試驗(yàn)了許多半導(dǎo)體光電極，但是它們中的大多數(shù)由于差的穩(wěn)定性或低的效率而被排除。適合用作光陽(yáng)極的最有希望的材料中的一種材料為摻雜有四價(jià)陽(yáng)離子(例如S1、Ti和Zr)或五價(jià)陽(yáng)離子(例如Nb和Ta)的a -Fe2O3 (赤鐵礦)。這是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)C1-Fe2O3顯示出不同尋常的可見光吸收、水溶液中穩(wěn)定、無(wú)毒、豐富以及低成本的組
口 ο
[0003]具有約2.1eV的能帶間隙，a -Fe2O3光陽(yáng)極理論上可以在標(biāo)準(zhǔn)AM1.5G太陽(yáng)光照射條件下達(dá)到高達(dá)12.6mA cm—2的水光氧化電流密度，其對(duì)應(yīng)于在串聯(lián)電池構(gòu)造中的15.5%的最大的太陽(yáng)能到氫的轉(zhuǎn)換效率。然而，因?yàn)榈偷牧孔有?，至今所?bào)道的，一流的a -Fe2O3光陽(yáng)極也僅實(shí)現(xiàn)了該轉(zhuǎn)換效率極限的四分之一。 [0004]a -Fe2O3光陽(yáng)極的低量子效率歸因于慢的水氧化動(dòng)力學(xué)和短的光生少數(shù)載流子(空穴)的擴(kuò)散長(zhǎng)度。由于分別在表面處或在本體內(nèi)的電子空穴復(fù)合，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致顯著的損失。大量研究目的在于利用催化劑來(lái)增強(qiáng)Q-Fe2O3光陽(yáng)極的水氧化動(dòng)力學(xué)并且通過(guò)形成a -Fe2O3的納米結(jié)構(gòu)來(lái)降低體復(fù)合損失，以便克服光吸收和電荷收集效率之間的內(nèi)在權(quán)衡。盡管有這些努力，但是在足夠高的陽(yáng)極電勢(shì)下已經(jīng)到達(dá)表面進(jìn)入電解液的光生空穴的注入率超過(guò)90%時(shí)，a -Fe2O3光陽(yáng)極的現(xiàn)有技術(shù)納米結(jié)構(gòu)顯示出約20%的電荷分離率，表明體復(fù)合為限制這些光陽(yáng)極的性能的主要損失機(jī)制。一項(xiàng)最近的關(guān)于在C1-Fe2O3光陽(yáng)極處的氧析出的研究證實(shí)了該觀測(cè)結(jié)果。因而，降低體復(fù)合是提高Q-Fe2O3光陽(yáng)極的性能的關(guān)鍵一對(duì)于用于借助太陽(yáng)能誘導(dǎo)水分解進(jìn)行的將太陽(yáng)能朝氫轉(zhuǎn)換的有效、穩(wěn)定以及潛在便宜的光電化學(xué)電池的一個(gè)重要步驟。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本領(lǐng)域中需要用于輻射轉(zhuǎn)換系統(tǒng)例如但不限于光電化學(xué)電池的新型方法，以提高電池性能并且使這樣電池能夠具有各種應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)使用用于將光捕獲在半導(dǎo)體光吸收體的超薄膜中的新型方法。
[0006]用于克服光吸收電極例如a-Fe2O3光陽(yáng)極的光吸收和電荷收集效率之間的內(nèi)在權(quán)衡的常規(guī)方法通常使用納米結(jié)構(gòu)的相對(duì)厚的層(層厚度> 400nm)，該層在提供距光吸收層的表面的較短距離(幾十納米以下)時(shí)吸收大部分光(短于590nm的波長(zhǎng))，從而減輕體復(fù)合損失。除了在制造具有最佳的納米結(jié)構(gòu)形貌的厚層(通常在0.5μπι與Ιμπι之間)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)外，這樣的常規(guī)方法還呈現(xiàn)出了與這些電極的高表面積有關(guān)的內(nèi)在限制，該高表面積增強(qiáng)了表面復(fù)合損失并且降低了每單位表面積的光強(qiáng)。這導(dǎo)致降低了對(duì)于水的光-氧化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。納米結(jié)構(gòu)方法的另一個(gè)缺點(diǎn)與已知的通過(guò)增強(qiáng)復(fù)合而減弱a -Fe2O3光陽(yáng)極的性能的高密度晶界有關(guān)。可替代的方法為基于增強(qiáng)其光學(xué)密度的在織構(gòu)化(圖案化)的襯底上的超薄((50nm)膜的使用，或基于通過(guò)使用層疊的多層來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的效果。然而，與納米結(jié)構(gòu)方法相類似，這些方法也增加了表面積，導(dǎo)致類似的有害作用。
[0007]應(yīng)當(dāng)注意，在廣范圍內(nèi)，許多半導(dǎo)體材料，并且特別是非常規(guī)的半導(dǎo)體材料(例如a -Fe2O3以及其它金屬氧化物，硫?qū)倩锖陀袡C(jī)半導(dǎo)體，例如黃鐵礦(Fe2S)和聚(3_己基噻吩)(Ρ3ΗΤ))顯示出快速的光生少數(shù)電荷載流子的復(fù)合，其引起這些載流子的短的擴(kuò)散長(zhǎng)度(< lOOnm)。因此，光生少數(shù)電荷載流子的收集長(zhǎng)度較小，通常遠(yuǎn)小于光吸收長(zhǎng)度(α—1，其中α為吸收系數(shù))。這種短的電荷收集長(zhǎng)度和長(zhǎng)的光吸收長(zhǎng)度之間的失配可以導(dǎo)致電磁輻射(光)向其它有用的產(chǎn)物例如電能(如在光伏電池、PV電池中)或化學(xué)電勢(shì)(如在光電解電池和其它種類的光電化學(xué)電池中)的低轉(zhuǎn)換效率。該權(quán)衡在光活性吸收體材料的致密的(非多孔的)膜或?qū)又杏葹殛P(guān)鍵。
[0008]本發(fā)明提供了一種用于構(gòu)建電磁(太陽(yáng))輻射轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的新型方法。更具體地，本發(fā)明的技術(shù)可用于用于為各種過(guò)程(例如，在例如光電化學(xué)電池中進(jìn)行的化學(xué)過(guò)程)提供能量的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換。因此下面將對(duì)于該具體應(yīng)用描述本發(fā)明。然而，應(yīng)當(dāng)理解，以下所述的本發(fā)明的原理可以有利地用在其它種類的輻射轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，例如有機(jī)光伏(PV)電池、中間帶PV電池以及熱載流子PV電池。本發(fā)明的技術(shù)將太陽(yáng)能電池(光電化學(xué)和光伏電池)中的光捕獲的限制從薄(> IOOnm)膜光吸收體下推至超薄(< IOOnm)光吸收體。原則上，在超薄膜中的光捕獲可以在其中吸收層有弱傳輸特性特別是該弱傳輸特性是由于電荷載流子的快速?gòu)?fù)合和/或短擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)的任何種類的太陽(yáng)能電池中極其有用。如下所述，本發(fā)明通過(guò)提供在極薄層中的幾乎所有的光能量的吸收來(lái)解決該問(wèn)題。
[0009]考慮光電化學(xué)電池，其可以用于各種太陽(yáng)動(dòng)力的電化學(xué)過(guò)程，包括但不限于光電解過(guò)程例如用于氫的生成的水分解、通過(guò)有機(jī)殘余物的光氧化進(jìn)行的污水處理以及在光電化學(xué)太陽(yáng)能電池中的電能的生成。本發(fā)明通過(guò)將入射光捕獲在使用平坦超薄膜的光電極(或光吸收體)中來(lái)提供提升光電極(例如C1-Fe2O3光陽(yáng)極)以及一般光活性半導(dǎo)體膜(光吸收體)的效率。
[0010]本發(fā)明的輻射轉(zhuǎn)換裝置利用將光捕獲在光吸收結(jié)構(gòu)中的原理。這通過(guò)提供新型光吸收體單元和電荷載流子的收集結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該光吸收體單元由在反射性(或至少部分反射性)結(jié)構(gòu)(具有一個(gè)或更多個(gè)反射界面)之上的基本上抗反射的光吸收結(jié)構(gòu)形成。應(yīng)當(dāng)注意，光吸收體單元的光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以直接與至少部分反射性結(jié)構(gòu)接合，或者光吸收體單元可以包括介于光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和至少部分反射性結(jié)構(gòu)之間的一層或更多層間隔層。如以下將描述的，這樣的間隔層可以包括電荷載流子的收集結(jié)構(gòu)，通常，裝置包括一個(gè)或更多個(gè)設(shè)置在襯底上的這樣的光吸收體單元，其可以是或不是光學(xué)透明的。
[0011]在這方面，應(yīng)理解以下內(nèi)容。可以通過(guò)理解所需的界面條件來(lái)概括通過(guò)光捕獲機(jī)制來(lái)增強(qiáng)活性層中所吸收的光的量。對(duì)于上述輻射轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)造，并且特別地對(duì)于光吸收單元(活性結(jié)構(gòu))的折射率11@_與其周圍環(huán)境的折射率的裝置，所需的干涉條件提供所有被反射的光線的相消干涉，同時(shí)在活性結(jié)構(gòu)中鄰近與周圍介質(zhì)例如水溶液(水)的界面、收集光生少數(shù)電荷載流子處提供向前和向后的傳播光的相長(zhǎng)干涉。該相長(zhǎng)干涉為靠近界面處的高吸收幾率的原因，所以出現(xiàn)的電荷載流子(例如，在用于水溶液中的水光氧化的光陽(yáng)極的情況中為空穴)可以容易地到達(dá)電荷載流子的收集結(jié)構(gòu)(例如，水)。由該原理完全地確定最佳干涉條件，這是因?yàn)橐呀?jīng)考慮了諸如在多個(gè)波長(zhǎng)上的積分、到達(dá)表面的電荷載流子(空穴)有限的幾率等的作用。使用該方法，而不是僅查看光捕獲，有利于更好地理解系統(tǒng)以及當(dāng)Iiiw時(shí)它的臨界條件。
[0012]在使用光電化學(xué)電池時(shí)，以上輻射轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)造允許其用于混合能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(所謂的串聯(lián)電池)，并且還能夠使這樣的系統(tǒng)整合在整體式結(jié)構(gòu)中。這樣的混合系統(tǒng)包括作為光吸收體單元的光電極單元，并且使用設(shè)置在典型的光伏(PV)電池的光收集表面之上的部分反射或波長(zhǎng)選擇性反射結(jié)構(gòu)。光電化學(xué)電池基裝置的部分反射結(jié)構(gòu)能夠使收集的入射光中的一些透射到光伏電池上。在波長(zhǎng)選擇性反射結(jié)構(gòu)的情況中，第一預(yù)定波長(zhǎng)范圍的光被捕獲在光電化學(xué)電池的層中，而第二預(yù)定波長(zhǎng)范圍的光朝向光伏電池透射。應(yīng)當(dāng)注意，波長(zhǎng)選擇性反射結(jié)構(gòu)可以形成為波長(zhǎng)選擇性反射器(濾光器)例如介質(zhì)鏡或分布式布拉格反射器(DBR)?？商娲兀馐蛛x器(例如棱鏡或分色鏡)可以用于將入射光分為不同光譜范圍的兩束，將一束引導(dǎo)至光電化學(xué)電池并且將另一束引導(dǎo)至光伏電池。
[0013]在一個(gè)較簡(jiǎn)單的構(gòu)造中，可以將光電化學(xué)電池和光伏電池以一個(gè)在另一個(gè)上方或一個(gè)緊挨著另一個(gè)的方式設(shè)置，使得兩者都面對(duì)入射光，從而減少了將收集的光重定向或偏移的需要。
[0014]應(yīng)當(dāng)注意，在這樣的混合光伏/光電化學(xué)裝置中，光伏電池可以向光電化學(xué)電池提供電能。為此，可以將光伏電池中生成的電能分為兩部分，其中一部分用于給其關(guān)聯(lián)的光電化學(xué)電池供能，并且另一部分用于為任何其它目的提供電能。
[0015]因而，本發(fā)明的輻射轉(zhuǎn)換裝置包括包含有光活性半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的光電極單元(光吸收體單元)、至少部分反射性層結(jié)構(gòu)以及電荷載流子的收集結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，光活性半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)與至少部分反射性層結(jié)構(gòu)接合，在這樣的情況中，電荷載流子的收集結(jié)構(gòu)(例如水溶液)在光活性半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)的另一側(cè)。在一些其它實(shí)施方案中，電荷載流子的收集結(jié)構(gòu)(例如諸如FTO、ITO或AZO透明電極，代替光電化學(xué)電池中的水溶液)位于光活性半導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)和反射層結(jié)構(gòu)之間。
[0016]在一些實(shí)施方案中，輻射轉(zhuǎn)換器件還包括光伏單元，其位于入射光線的光學(xué)路徑中，例如光電極單元上方的上游或下游或與其鄰近處。
[0017]選擇光吸收體單元和至少部分反射性結(jié)構(gòu)的材料組成、光學(xué)特性以及幾何參數(shù)以在裝置上相對(duì)于應(yīng)該經(jīng)受能量轉(zhuǎn)換的一定的波長(zhǎng)范圍提供期望的折射率分布，同時(shí)對(duì)于盡可能薄的光吸收單元盡可能提供減少的光生電荷載流子的復(fù)合。對(duì)于給定的光吸收體單元，選擇至少部分反射性結(jié)構(gòu)的材料組成和幾何參數(shù)以提供整個(gè)裝置在被制造和被操作時(shí)(例如溫度調(diào)節(jié)、腐蝕等)的高穩(wěn)定性。至少部分反射性結(jié)構(gòu)被選擇為對(duì)于待由光吸收體單元轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)范圍基本上不進(jìn)行吸收。關(guān)于在光吸收單元和電荷載流子的收集結(jié)構(gòu)之間的界面，其提供電子或空穴的選擇性收集，但不是它們兩者。
[0018]在一些實(shí)施方案中，構(gòu)造為以上參數(shù)/條件的合適的選擇，光學(xué)腔(諧振腔)在光吸收體單元內(nèi)生成，提供上述干涉條件，即在光吸收體單元外部的全部相消干涉以及在光吸收體單元內(nèi)的相長(zhǎng)干涉。在一些其它實(shí)施方案中，這樣的條件通過(guò)構(gòu)造光在裝置內(nèi)傳播時(shí)具有光的多次反射的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而增加光吸收。
[0019]本發(fā)明方法提供具有厚度基本上不超過(guò)吸收的加權(quán)平均波長(zhǎng)的四分之一的光吸收體單元(具有或不具有“間隔”)的輻射轉(zhuǎn)換裝置。
[0020]因而，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)大的方面，提供了包括至少一個(gè)輻射轉(zhuǎn)換電池的輻射轉(zhuǎn)換裝置。該輻射轉(zhuǎn)換電池包括:光吸收體單元，其具有預(yù)定吸收光譜，用于吸收一定波長(zhǎng)范圍的輻射從而將所吸收的輻射轉(zhuǎn)換為電荷載流子；以及至少部分反射性層結(jié)構(gòu)，其配置為對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍基本上為反射性的。光吸收單元和至少部分反射性結(jié)構(gòu)配置為在輻射轉(zhuǎn)換電池內(nèi)關(guān)于所述一定波長(zhǎng)范圍提供期望的折射率分布并且在光吸收體單元內(nèi)關(guān)于所述一定波長(zhǎng)范圍來(lái)限定光學(xué)腔，從而提供對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍的期望的干涉條件，從而使在從所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)反射的同時(shí)被所述光吸收體單元吸收并且通過(guò)所述光吸收體單元傳播的所述福射被有效地捕獲在所述光吸收體單元內(nèi)。
[0021]光吸收體單元包括具有被選擇成運(yùn)行作為對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍的抗反射結(jié)構(gòu)的預(yù)定材料組成和厚度的光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述一定波長(zhǎng)范圍對(duì)應(yīng)于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)入射電磁輻射的最大吸收。
[0022]應(yīng)當(dāng)注意，半導(dǎo)體光吸收體通常作為電極或電極的一部分；在本文中與所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有關(guān)的術(shù)語(yǔ)“光吸收體”和“電極”或“光電極”可以互換地使用并且應(yīng)該在廣義上理解為與上述光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)/單元有關(guān)。
[0023]至少部分反射性結(jié)構(gòu)為單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，至少部分反射性結(jié)構(gòu)配置為波長(zhǎng)選擇性反射器。
[0024]光吸收體單元可以包括光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和對(duì)所述一定波長(zhǎng)范圍基本上是透明的電極結(jié)構(gòu)。透明電極在所述透明電極的一側(cè)上與至少部分反射性結(jié)構(gòu)接合并且在所述透明電極的相反一側(cè)上與光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)接合。
[0025]優(yōu)選地，光吸收體單元的厚度基本上不超過(guò)1/4?，其中I為所述一定波長(zhǎng)范圍的加權(quán)平均波長(zhǎng)，并且η為所述光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的有效折射率。
[0026]光吸收單元的厚度可以小于在所述光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的光生電荷載流子的復(fù)合長(zhǎng)度。
[0027]至少部分反射性層可以為介質(zhì)鏡結(jié)構(gòu)或分色鏡結(jié)構(gòu)的形式。
[0028]至少部分反射性結(jié)構(gòu)包括襯底，所述襯底具有包含以下材料組成之一的至少部分反射性涂層:銀-金合金和銀-鉬合金。
[0029]在一些實(shí)施方案中，光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括a-Fe203層。至少部分反射性結(jié)構(gòu)可以包括襯底，所述襯底具有包含以下材料組合物之一的至少部分反射性涂層:具有5%至15%的金的銀-金組合物、以及具有10%至22%的鉬的銀-鉬合金。
[0030]裝置可以配置為光電化學(xué)裝置，例如用于水的光電解。
[0031]裝置可以包括至少兩個(gè)輻射轉(zhuǎn)換電池，兩個(gè)電池配置為使他們的輻射吸收層以一定角度彼此面對(duì)，以使得從所述電池之一反射的入射電磁輻射能夠朝另一個(gè)電池傳播并被所述另一個(gè)電池吸收。至少兩個(gè)輻射轉(zhuǎn)換電池可以以V形構(gòu)造布置，所述一定角度范圍為30。至 90。。[0032]在一些實(shí)施方案中，裝置可以包括位于至少部分反射性結(jié)構(gòu)下方的光伏電池。在這種情況中，所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)配置為反射所述一定波長(zhǎng)范圍的光分量，同時(shí)透過(guò)具有對(duì)應(yīng)于所述光伏電池的吸收光譜的不同波長(zhǎng)范圍的光分量。
[0033]在一些實(shí)施方案中，裝置可以包括位于光吸收體單元之上的部分透明的光伏電池。在這種情況中，部分透明的光伏電池配置為透過(guò)所述一定波長(zhǎng)范圍的光分量，同時(shí)吸收不同波長(zhǎng)范圍的光分量。 [0034]半導(dǎo)體光吸收體結(jié)構(gòu)具有預(yù)定的材料組成、層結(jié)構(gòu)以及厚度，該厚度被選擇以生成在光吸收體結(jié)構(gòu)內(nèi)向前和向后傳播波之間的干涉。因而，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)本質(zhì)上用作對(duì)于預(yù)定波長(zhǎng)范圍的抗反射層，從而實(shí)現(xiàn)所述半導(dǎo)體光吸收體對(duì)入射光的最大吸收。在設(shè)置在光伏電池之上的光電極單元用在以上所提及混合裝置的情況中，裝置提供在半導(dǎo)體光吸收體(光電極)中的入射光的波長(zhǎng)的一個(gè)范圍和光伏電池中的所述入射光的波長(zhǎng)的另一個(gè)范圍的最大吸收。
[0035]應(yīng)當(dāng)理解，光捕獲發(fā)生的原因是合適地選擇結(jié)構(gòu)的參數(shù)(例如厚度、折射率)來(lái)使在半導(dǎo)體光吸收體內(nèi)產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉并且在其外部產(chǎn)生相消干涉。相消干涉發(fā)生在介于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的反射層和光收集界面(收集來(lái)自周圍環(huán)境的光，例如PV電池、水溶液等)之間來(lái)回反射的一次反射光線和更高次反射光線之間。這增加了半導(dǎo)體光吸收體層中的光吸收性從而提高了裝置性能。
[0036]例如，當(dāng)配置用于垂直入射照射的光捕獲時(shí)，半導(dǎo)體光吸收體層/結(jié)構(gòu)配置為具有約1/4?的厚度，其中η為半導(dǎo)體光吸收層(光吸收體)在加權(quán)平均波長(zhǎng).1處的折射率，并且.1為在入射電磁輻射中的最短波長(zhǎng)(Amin)和半導(dǎo)體光吸收體材料的吸收邊(λ_)之間、通過(guò)對(duì)入射電磁輻射的光子流分布Ι°Λ(λ)和半導(dǎo)體光吸收體材料的吸收系數(shù)α (λ)的乘積進(jìn)行加權(quán)而得到的加權(quán)平均波長(zhǎng):
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種輻射轉(zhuǎn)換裝置，其包括至少一個(gè)輻射轉(zhuǎn)換電池，所述輻射轉(zhuǎn)換電池包括: 光吸收體單元，其具有預(yù)定吸收光譜，用于吸收一定波長(zhǎng)范圍的輻射從而將所吸收的輻射轉(zhuǎn)換為電荷載流子，以及 至少部分反射性層結(jié)構(gòu)，其配置為對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍基本上為反射性的， 所述光吸收體單元和所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)配置為在所述輻射轉(zhuǎn)換電池內(nèi)關(guān)于所述一定波長(zhǎng)范圍提供期望的折射率分布并且在所述光吸收體單元內(nèi)關(guān)于所述一定波長(zhǎng)范圍限定光學(xué)腔，從而對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍提供期望的干涉條件，從而使得在從所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)反射的同時(shí)被所述光吸收體單元吸收 并且通過(guò)所述光吸收體單元傳播的所述福射被有效地捕獲在所述光吸收體單元內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光吸收體單元包括具有被選擇為運(yùn)行作為對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍的抗反射結(jié)構(gòu)的預(yù)定材料組成和厚度的光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述一定波長(zhǎng)范圍對(duì)應(yīng)于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)入射電磁輻射的最大吸收。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)為單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)配置為波長(zhǎng)選擇性反射器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述光吸收體單元包括所述光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍基本上透明的電極結(jié)構(gòu)，所述透明電極在其一側(cè)上與所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)接合并且在其相反側(cè)上與所述光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)接合。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述光吸收體單元的厚度基本上不超過(guò)i/4?，其中λ為所述一定波長(zhǎng)范圍的加權(quán)平均波長(zhǎng)，η為所述光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的有效折射率。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述光吸收體單元的厚度小于在所述光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的光生電荷載流子的復(fù)合長(zhǎng)度。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述至少部分反射性層為介質(zhì)鏡結(jié)構(gòu)或分色鏡結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)包括襯底，所述襯底具有包含以下材料組合物之一的所述至少部分反射性涂層:銀-金合金和銀-鉬I=1-Wl O
10.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述光活性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括ct -Fe2O3 層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)包括襯底，所述襯底具有包含以下材料組合物之一的所述至少部分反射性涂層:具有5%至15%的金的銀-金組合物；和具有10%至22%的鉬的銀-鉬合金。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置配置為光電化學(xué)裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，所述裝置被配置用于水的光電解。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置包括至少兩個(gè)輻射轉(zhuǎn)換電池，所述兩個(gè)輻射轉(zhuǎn)換電池配置為使它們的輻射吸收層以使得從所述電池之一反射的入射電磁輻射能夠朝另一個(gè)電池傳播并且被所述另一個(gè)電池吸收的一定角度彼此面對(duì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述至少兩個(gè)輻射轉(zhuǎn)換電池以V形構(gòu)造布置，所述一定角度的范圍為30°至90°。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置包括位于所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)下方的光伏電池，所述至少部分反射性結(jié)構(gòu)配置為反射所述一定波長(zhǎng)范圍的光分量，同時(shí)透過(guò)具有相應(yīng)于所述光伏電池的所述吸收光譜的不同波長(zhǎng)范圍的光分量。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的裝置，所述裝置包括位于所述光吸收體單元頂上的部分透明的光伏電池，所述部分透明的光伏電池配置為透過(guò)所述一定波長(zhǎng)范圍的光分量，同時(shí)吸收不同的波長(zhǎng)范圍。
18.一種用于形成輻射轉(zhuǎn)換裝置的方法，所述方法包括:將至少部分反射性涂層結(jié)構(gòu)施加至襯底；以及在所述至少部分反射性涂層之上施加包括具有預(yù)定厚度和預(yù)定吸收光譜的光活性半導(dǎo)體的光吸收體結(jié)構(gòu)，所述預(yù)定厚度根據(jù)沿著所述裝置的折射率分布來(lái)選擇，從而提供光學(xué)腔，所述光學(xué)腔在所述光吸收體結(jié)構(gòu)內(nèi)對(duì)于所述一定波長(zhǎng)范圍提供期望的干涉條件，從而使照射到所述光吸收體結(jié)構(gòu)上的在所述預(yù)定吸收光譜內(nèi)的波長(zhǎng)范圍的光被捕獲在所述光活性半導(dǎo)體內(nèi)。
【文檔編號(hào)】H01L27/30GK103650083SQ201280014670
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月10日
【發(fā)明者】阿夫納·羅特希爾德, 亨·多坦, 奧弗·克菲爾, 埃拉德·沙爾林 申請(qǐng)人:技術(shù)研究及發(fā)展基金有限公司