具有高转换效率的光伏组件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及具有提高的转换效率的光伏组件并且设及其制造工艺。
【背景技术】
[000引已经证明，假如源自电池的电阻区域的电压降的焦耳损耗保持很小，则太阳能电 池的转换效率随入射光通量的强度增加（例如，参见M.化ire等，"Microscalesolar cellsforhighconcentrationonpolycrystallineCu(In,Ga)Seathinfilms",Appl. Phys.Letts. 98, 264102(2011))oM.Paire等的文章证明，在限制电阻损耗的同时，能够通过 较小直径（10~50微米）的电池实现较高的集中比集中率（达475)，该集中比集中率被定 义为进入电池中的光子通量与在远场中测量的入射通量的比。该特别允许将定义为产生的 电气功率与入射的光学功率的比的转换效率增加5%。入射光通量的集中还使得能够减少 具有较高的制造成本的原材料的消耗，从而使得制造电池所需要的半导体的面积减小等于 集中因子的系数。由于铜和蹄的有限的长期可用性，因此，对于薄膜基的电池，特别是黄铜 矿基的电池，该是特别重要的。
[0003] 但是，太阳光不能轻易地集中于光伏电池上。太阳光W直接光和散射光的两种形 式在海平面上到达地球。直接光（源自太阳的光）可通过成像光学系统被集中。成像光学 系统，为了保持有效，必须整天精确地跟随太阳的视移。散射光（通过大气散射）的一部分 在该些成像系统中丢失。存在允许集中散射光的非成像系统（例如，参见T.War油izacoet al. ,"Staticconcentratormodulewithprismarray"，SolarEnergyMaterialsand SolarCells, 67, 415-423 (2001)orR.Winstonetal. ,"Nonimagingoptics",Elsevier AcademicPress(2005))，但它们的集中因子仍然不大（即，小于4)。
[0004] 一种已知的类型的非成像光集中系统是巧光集中器化Reisfeldet al. ,"LuminescentSolarConcentratorsforEnergyConversion"，SolarEnergy Materials, 49, 1(1982))。它起到了空腔的作用，此空腔在较大的面积上收集太阳光朗尋其 引向定位（一个或更多个）光伏电池的较小区域。该系统具有对于所有的入射角从太阳收 集光并因此受益于太阳光的直接和散射成分的优点。因此，不需要用于精确跟踪太阳的系 统。相比之下，该系统引入大量的损耗，特别是由于波导中的多次反射导致的损耗。因此， 获得的集中因子仍然非常低。
[0005] (金属/绝缘体/金属）MIM型的光学纳米天线关于在非常小的体积中收集光 展现卓越的能力。具体而言，它们在非常宽的角度范围（一般为-70~+70度）和小 至A^1000 的空腔体积上与入射角度无关地在共振上表现几乎完美的吸收（A.Cattoni etal., "3/lOOOplasmonicnanocavitiesforbiosensingfabricatedbySoftUV NanoimprintLithography",NanoLett. 11 (9)3557(2011))。由于在金属 / 电介质界面上 传播的禪合电浆模式的光学空腔中的限制导致的该些天线的共振特性意味着，它们的谱宽 相对于太阳光谱非常小（一般地，它们的半最大值全宽度小于共振波长的十分之一）。在公 开的法国专利申请FR2959352中报道了专用于制造光伏电池的不对称MIM结构。它们基 于允许太阳光谱的较大部分被覆盖的多个共振的同时存在。虽然非常有效，但是，由于必须 满足通过给定的半导体在太阳光谱中获得多共振的条件，因此该些结构的尺寸极其受限。
[0006] 本发明的一个目的是，通过使用例如MIM型的光学纳米天线制造具有集中的光伏 组件，该光伏组件相对于现有光伏组件具有提高的转换效率并且消耗更少的光伏功能所需 要的材料。
【发明内容】
[0007] 根据第一方面，本发明设及一种光伏组件，该光伏组件包括；光伏纳米电池的至少 一个第一阵列，该些光伏纳米电池分别包含在第一共振光谱带中表现电磁共振的光学纳米 天线，光学纳米天线的至少一个横向尺寸在尺寸上为亚波长，即，小于所述第一共振光谱带 的中屯、波长；和允许太阳光谱的至少一部分被转换成所述第一共振光谱带的光谱转换层。 [000引根据本说明书的光伏组件W使得能够优化光伏组件对入射光子的吸收量的方式 在空间集中器（光学纳米天线）和光谱集中器（光谱转换层）之间创建协同。光谱转换层 特别地允许在单一共振电磁共振器操作模式中使用光学纳米天线，由此允许在共振光谱带 中获得几乎全部的吸收，并由此获得光伏组件的优异的转换效率。
[0009] 作为变化例，光伏组件包含连续的第一金属层且各光伏纳米电池包含构造的第一 电介质层和第二金属层的多层，W和连续的第一金属层形成MIM(金属/绝缘体/金属）类 型的光学纳米天线。光伏组件的该特定构成允许通过具有优异的集中入射光通量的能力的 配置设计MIM纳米天线。
[0010] 所谓的"MIM"型结构包含第一金属层和构造的第一电介质层和第二金属层的多 层。
[0011] 在电磁学中，电介质是用于波传播特别是光传播的介质。传播介质在给定的波长 上由作为折射率的平方的介电常数限定。在传播介质存在损耗（吸收）的情况下，介电常 数和折射率变为复数。与虚部主导的金属不同，电介质材料具有实部主导的折射率。除了 在带隙之上的能量光子W外，半导体为低损耗电介质。在光学频率上，当通过渗杂或照射产 生自由电荷时，半导体的介电常数不明显改变（小于千分之一）。在光学频率上，半导电材 料是电介质材料。
[0012] 由此，作为变化例，MIM共振器的电介质部分可包含适于制造光伏器件的多层，该 多层例如为有机、无机或混合半导体层的多层。半导体层的多层例如包含由能在所述第一 共振光谱带中吸收的半导体制成的层，并且，在由可吸收半导体制成的层的任一侧，包含由 分别与第一和第二金属层接触的渗杂半导体制成的层或多层。与构造的第二金属层接触的 渗杂半导体的层或多层有助于形成与光伏纳米电池的电气接触。
[0013] 作为变化例，形成MIM共振器的电介质部分的所有层被构造。可替代的，只有由确 保与第二金属层电气接触的渗杂半导体制成的层或多层被构造。
[0014] 光伏纳米电池可包含无机半导体，例如，由神化嫁和相应的合金、磯化铜和相应的 合金、神化嫁铜和相应的合金或铺化嫁和相应的合金制成的层。光伏纳米电池也可包含有 机或混合半导体。
[0015] 作为变化例，各光学MIM纳米天线的横向尺寸小于^。/5,该里，A。是所述第一共 振光谱带的中屯、波长，即，吸收表现最大值的共振光谱中的波长。通过使得至少一个横向尺 寸的尺寸小于^。/5,共振器的垂直模式被保留，同时减少与结面积成比例的暗电流。
[0016] 作为变化例，光学MIM纳米天线采取条带形式，并且W主取向被放置。光学MIM纳 米天线的至少一些的第二金属层可然后被连接W形成光伏纳米电池的第一阵列的上电气 接触。作为变化例，光学MIM纳米天线可基本上相同并且周期性或者准周期性地分布。可替 代的，为了加宽光谱响应并由此最佳地匹配共振器的吸收范围与光谱转换器的发射范围， 条带的宽度可在比波长短的准周期上表现变化，例如采取台阶或斜面的形式。
[0017] 可替代地，光学MIM纳米天线可具有平板形式（例如，正方形）并且沿两个主方向 被定位。组件然后还可包含平板之间的电气绝缘和透明封装层和为了形成光伏纳米电池的 第一阵列的上电气接触与光学纳米天线的至少一些的第二金属层接触的透明导电层。
[0018] 作为变化例，光谱转换层包含W固体或液体基体为主的一个或更多个光谱转换材 料。光谱转换材料例如包含巧光或磯光分子或量子点。基体的性质可根据其厚度被选择， 例如，可对于毫米尺寸的厚度选择有机聚合物，并且，可对于微米尺寸的厚度使用抗蚀剂。
[0019] 作为变化例，光谱转换层包含至少两种光谱转换材料，第二材料的吸收光谱覆盖 第一材料的有效发射光谱，并且，第二材料的有效发射光谱至少部分地与所述第一共振光 谱带重叠。光谱转换材料的该种配置使得能够实现光伏组件的"级联"操作，从而使得通过 单一类型的光学纳米天线能够吸收在更宽的太阳光谱范围中发射的光子。
[0020] 作为变化例，光伏组件包括分别包含具有第一共振光谱带的光学纳米天线的、光 伏纳米电池的至少一个第一阵列和分别包含具有第二共振光谱带的光学纳米天线的、光伏 纳米电池的第二阵列。
[0021] 在该种情况下，光谱转换层可包含允许太阳光谱的至少一部分被转换成第一和第 二共振光谱带的光谱转换材料。换句话说，使用两种类型的光伏纳米天线W吸收由光谱转 换材料发射的光子，从而使得能够更好地吸收光谱转换材料的发射的整个光谱带。
[0022] 可替代地，光谱转换层包含至少