用于將電磁輻射能轉換成電能的設備以及這種設備的制造方法

專利名稱：用于將電磁輻射能轉換成電能的設備以及這種設備的制造方法
技術領域：
本發明涉及用于將電磁輻射能轉換成電能的設備，該設備包括至 少一個具有輻射敏感表面的光電元件，其中包括添加有稀土的硅化合 物的材料的覆蓋層出現在光電元件的輻射敏感表面上。這種設備更好 地被稱為光電太陽電池，并且形成了具有吸引力的代用能源。本發明 還涉及制造這種設備的方法。
背景技術：
這種設備和方法已經從D. Diaw在1998年6月10日出版的《太陽 能材料和太陽電池》第53巻第3-4期第379-383頁的文章"在非晶硅 太陽電池的轉換上離子注入Eu的效果"("Effect of ion-implanted Eu on the conversion of amorphous si 1 icon solar eel 1，，， by D. Diaw， published in Solar Energy Materials and Solar Cells, volume 53， issues 3-4， 10 June 1998， pp379-383)中得知。其中描述了一種非 晶硅太陽電池，其輻射敏感表面由包括二氧化硅的材料的覆蓋層覆蓋。 銪原子添加到抗反射Si02玻璃的覆蓋層，以便實現波長接近電池的最 大光譜響應的光在其中發射。將銪以Eu+離子的形式通過離子注入引入 到該覆蓋層中。該設備的缺點在于這種太陽電池的轉換率仍然不充分。另外，已 知的設備的制造較不適于批量生產。發明內容因此，本發明的目的在于提供一種在開頭段落中提及的那種設備， 該設備不具有上述的缺點，或者至少為小得多的程度，即，其具有比 較高的轉換率，并且其易于制造。根據本發明，為了這個目的開頭段落中提及的設備，其特征在于 覆蓋層的材料包括硅和氮的化合物。本發明首先基于認識到硅和氮的 化合物非常適合在(太陽)光譜部分用作具有吸收和發射的化合物，其中該光譜最適合(硅)太陽電池。另外，本發明基于認識到這種化 合物還容易以(聚合)結晶硅的形式得到，這對于吸收和發射效果是 非常有用的，從而提高了太陽電池的轉換率。本發明還基于認識到硅和氮的化合物的折射率比硅和氧的化合物高。因此已知設備的覆蓋層的Si02的折射率約為1. 4,而例如Si具的 折射率在1. 7和2之間。這些值接近硅的最佳值(在0. 5到1微米的 波長域中折射率約為3. 4到4 )。這就意味著可以在硅上采用Si^層， 從而對于給定波長的電磁輻射基本得到相位消失(phase extinction) 以及幅值消失(amplitude extinction)。這樣如果太陽電池具有推^ 據本發明的覆蓋層的話，就進行了太陽電池轉換率的進一步提高，其 為(太陽)光諳的一部分形成了光譜轉換層，并為太陽光譜的(不同 的)部分形成了抗反射層。此外，可以結合在諸如Si3N4，或者Si02以及Ti02的材料基質中的 這種硅-氮化合物沒有毒，與例如包括諸如CdS/Se/Te的II-VI化合物 的其(部分)覆蓋層的太陽電池相比這是主要的好處。最后，本發明基于認識到根據本發明的設備還可以通過適合批量 生產的技術來制造。在優選實施例中，加入稀土元素的硅和氮的化合物在350到550nm 的波長域中具有最大吸收，并在550到950nm的波長域中具有最大發 射。因此可以實現太陽電池轉換率顯著的提高，同時符合這些要求的 硅和氮的多種化合物是可用的。在第一種形式中，硅和氮的化合物包括Sr2Si5^。諸如銪的稀土可 作為摻雜劑加入。第二種形式具有LaSi3N5作為硅和氮的化合物。例如，這種化合物 也摻有二價銪。在這種形式的變型中，La-N對用Ba-O對替換。在第三種形式中，硅和氮的化合物包括例如也摻有Eu的CaAlSiN3。稀土元素優選是從包括銪，鈰和鋱的組中選擇的元素，并且優選 其是從這個組中選擇的銪。在較好的形式中，硅和氮的化合物中的Si-N對用Al-O對替換。 其他中性電荷替代物也是可以的。因此Si-Sr對或者Si-Be對可用 Al-La對替換。部分Si可用Ge以及部分Al替換，如果存在的話，可 用B替換。因此可以使所希望的覆蓋層的材料特性最優化，其中所希望的覆蓋層的材料特性例如是其吸收和/或發射效率以及這些為最大 時的波長。這可在加入和/或替代另外的和/或其他的元素中進一步改進。例如，因而可將Sr2Si5Ns中的Sr或者其部分用諸如Ca和/或Ba之 類的可替換二價元素來替換。兩個或更多個更適當的元素的混合物也 可被有利地使用。在另一個較好的實施例中，硅和氮的化合物出現在ShN4基質中。 在這種基質中比較好的是實現了覆蓋層的抗反射效果。這種覆蓋層的 制造例如可通過PECVD (=等離子體增強化學汽相沉積)來進行。更好的實施例的特征在于硅和氮的化合物(摻有稀土離子)植入 到Si02和Ti02的基質中。尤其是Ti02具有約2. 5的較高折射率。這樣 可以更容易為覆蓋層的折射率給出對于抗反射層為最佳的值。例如， Si02與Ti02交替的多層還可被有利地使用。以這種方式可以在(太陽) 光譜的較寬部分得到覆蓋層的良好的抗反射效果。因此，在根據本發明的設備的特別好的形式中，這樣選擇覆蓋層 的厚度以及光譜轉換覆蓋層材料的折射率，使得覆蓋層同時用作抗反 射層。該厚度可大于用于實現抗發射效果的最佳值，如果這對于得到 足夠的吸收率是必需的話。最有前途的結果可用具有硅半導體元件作為其輻射敏感光電元件 的設備來實現。這種元件例如是采用單晶或多晶或非晶硅的pn或pin 二極管，或者是采用這些材料中的兩個或更多個的組合的pn或pin二 極管。根據本發明， 一種用于將電磁輻射能轉換成電能的設備的制造方 法，其中該設備包括至少一個具有輻射敏感表面的光電元件，因此該 光電元件的輻射敏感表面具有包括加入稀土的硅化合物的材料的覆蓋 層，其特征在于選擇硅和氮的化合物用于該覆蓋層的材料。在根據本發明的方法的特別好的變型中，覆蓋層中硅和氮的化合 物材料以(多)結晶形式制造。這種(多)結晶材料有助于太陽電池 轉換率的進一步改進。在該方法中，硅-氮化合物(摻有稀土元素)的 晶體通常結合到非晶基質中。在不同的非晶覆蓋層中提供這種(多)結晶材料的有吸引力并適 用的技術是溶膠-凝膠(sol-gel)技術。這種技術也可以在覆蓋層的 合成材料的成分中進行(細小的)變化。此外，這種技術比較適合大量制造。在根據本發明的方法的另一個變型中，在覆蓋層中摻雜的硅-氮化 合物材料是非晶形成的。在這種情形下轉換率的改善可能較小，但是 這種方法在工業規模上對于便宜制造提供了良好的可能性。因此在這種情形下為了形成該覆蓋層而使用了 CVD( -化學汽相沉積)方法。這 里尤其適合的是諸如PECVD之類的技術。在這些情形下，摻雜的硅-氮 化合物通常結合到不同的在這些情形下也是非晶材料的基質的一部分 中或形成不同的在這些情形下也是非晶材料的基質的一部分。


本發明的這些以及另外的特性，方面和優點將參考本發明的優選 實施例尤其參考附圖在下面更詳細地進行討論，其中圖1用垂直于厚度方向截取的截面示意性地示出根據本發明的設 備，以及圖2示出圖1的設備的覆蓋層材料的光譜特性。
具體實施方式
圖1用垂直于厚度方向截取的截面示意性地示出根據本發明的設 備10。該實施例中的設備10包括由覆蓋層12覆蓋的硅太陽電池11。 該實例中的太陽電池ll包括單晶硅基板，其中提供pn結，該pn結平 行于電池11的表面延伸，并且其未在圖中示出。用于從太陽輻射15 接收由電池產生的能量的上部和下部接觸也未在圖中示出。上部接觸 可以是透明的或者是條形的，這樣太陽電池的硅半導體元件的表面是 輻射敏感的或者至少進行輻射發送。在太陽輻射15的右邊的箭頭16表示波長接近單晶硅的最大響應 的輻射，即波長為約600到700nm。這種輻射16被直接引導到太陽電 池11中，由于覆蓋層12的抗反射特性，其可以高效率地發生。在太 陽光譜15的左邊的箭頭17表示相對短波長的輻射，例如藍色輻射。 太陽電池的轉換率對這個輻射較低。由于摻有銪的這種硅和氮的多晶化合物出現在覆蓋層中，因此這 種藍色輻射17可以在覆蓋層12中被轉換成波長在600和700nm之間 的輻射。這通過箭頭17的水平部分17A表示。結果是輻射17還作為橙色/紅色輻射與輻射16 —起進入到太陽電池中，使得太陽電池的轉 換率相當高。顯然，部分17A的水平特性沒有物理/幾何意義，并且在 轉換成更大波長的輻射之后的輻射17將在垂直箭頭17的延伸方向上 進入到太陽電池ll中。然后覆蓋層12也用作輻射17的抗反射層。由于其中使用了硅-氮化合物，因此覆蓋層12具有比較高的折射 率，使得更好地和/或更容易地符合為作為抗反射涂層而進行令人滿意 的操作而保持的物理要求。這樣選擇覆蓋層12的材料的厚度和折射率， 使得相關(橙色/紅色)輻射的相位和幅值的消失(extinction)發生 在覆蓋層12中。如果這樣期望的話，那么將略大的厚度優選選擇為實 現AR (抗反射)效果的最佳值，從而產生足夠的路徑長度，用于用藍 色周圍的波長來吸收輻射。本實例中這里包括Sr2Si5N8:Eu的光學有源(active)硅-氮化合 物被容納在Si(h和Ti02的基質中。當采用其多層結構時，覆蓋層12 的良好的抗反射效果可在某些更寬的波長范圍內實現，例如在600到 700nm的整個域內而不是650nm。覆蓋層12的精確操作將參考圖2更詳細地說明。圖2示出圖1的設備10的覆蓋層12的材料的光譜特性。曲線20 表示作為波長L的函數的輻射R,曲線21和22示出分別作為波長L的 函數的激勵和發射的強度I。曲線20示出圖1的太陽光譜15的輻射被 很好地吸收在藍色部分中，而曲線21示出響應所吸收的輻射而發生有 效的激勵，并且將所吸收的輻射轉換成650nm輻射(發射曲線22)。例如，該實例的設備10可以通過根據本發明的方法制造如下。首先，制造太陽電池ll在于，例如，通過從氣相的擴散在n型Si 基板中設置p型表面區域，然后，下部接觸以及條形的上部接觸設置 在太陽電池11上。覆蓋層12的制造采用結晶Sr2Si5Ns:Eu粉末開始，該粉末如2001 年6月6日的公開號為no. EP1 104 799A1的歐洲專利申請中描述的 那樣得到。在該實例中，所述粉末結合到覆蓋層中，該覆蓋層包括基 于Si(h和Ti02的以溶膠-凝膠工藝制造的基質中。關于該基質的細節及 其制造可例如在由P. Chrysicopolou等人在 Journal of Materials Science 39 (2004) 2835-2839發表的"Si0" 1402溶膠薄膜的光學特 性(Optical properties of Si02, Ti02 sol-gel thin films)"的出版物中找到。上述的結晶粉末以期望的比率混合到基質材料的溶液中。對于其 可有利地使用表面活性劑。這種表面活性劑也可設置在粉末的表面上。 將因此得到的懸浮液通過浸漬或者噴射然后是烘焙工藝來施加到太陽電池上。如果需要硅-氮化合物的毫微粉末(nanopowder)，則例如通 過研磨或者可替換地通過蝕刻或者通過氧化粉末然后通過選擇性蝕刻 所得到的氧化物來得到這些毫微粉末。如果所得到的粉末的發光質量 由于這些工藝的使用而退化，那么多種技術可用于再次恢復該質量， 諸如熱處理。上面參考本發明的優選實施例對本發明進行了描述。本領域的技 術人員應該知道在不脫離所附權利要求的范圍內可對其進行多種變 型。因此該描述應當認為是說明性的而不是限制性的，并且其中得出 不能對除權利要求明確表述的那些以外進行限制。因此，本發明還用于在包括除硅以外的半導體材料的太陽電池中 起作用，該材料例如是III-V材料。太陽電池可替換地基于有機材料 形成或者可以是所謂的混合型。太陽電池不僅用單晶硅形成，而且可 以用多晶(微晶，亳微晶，等等)硅形成。也可以使(部分)太陽電 池用非晶材料形成。注意，摻有稀土的硅-氮化合物可容納在例如聚合層的有機基質中 而不是無機基質中。最后，注意，覆蓋層可有利地被設置有實現所謂的上轉換 (up-conversion)的材料。在這種情形下，波長在1000nm左右的輻 射轉換成波長在650nm左右的輻射。這可以例如通過鉺實現，如 J. Castanede 等人在 Journal of Luminescence 102-103 (2003) 5(M-509公開的"在摻有鉺的Si02-Ti02溶膠粉末中的二級和三級升 變換工藝中的紅色發射(The red emission in two and three step up—conversion process in a doped erbium Si02-Ti02 sol-gel powder)"中所描述的。
權利要求
1、一種用于將電磁輻射能轉換成電能的設備(10)，該設備包括至少一個具有輻射敏感表面的光電元件(11)，其中包括加入稀土的硅化合物的材料的覆蓋層(12)出現在光電元件(11)的輻射敏感表面上，其特征在于，覆蓋層(12)的材料包括硅和氮的化合物。
2、 如權利要求1所述的設備，其特征在于該硅和氮的化合物基本 上在350nm和550nm之間吸收并且基本上在550和95nm之間發射。
3、 如權利要求1或2所述的設備，其特征在于該硅和氮的化合物 包括Sr2Si5N8。
4、 如權利要求1或2所述的設備，其特征在于該硅和氮的化合物 包括LaS"N5。
5、 如權利要求1或2所述的設備，其特征在于該硅和氮的化合物 包括CaAlSiN3。
6、 如前面任何一個權利要求所述的設備，其特征在于該稀土元素 包括來自包括銪，鈰，鋱的組的元素，并且該元素優選包括銪。
7、 如前面任何一個權利要求所述的設備，其特征在于在該硅和氮 的化合物中的Si-N對通過取代用Al-O對來替換。
8、 如前面任何一個權利要求所述的設備，其特征在于該硅和氮的 化合物被植入到Si02和Ti02的基質中。
9、 如權利要求1到7中的任何一個權利要求所述的設備，其特征 在于該硅和氮的化合物被植入到Si^的基質中。
10、 如前面任何一個權利要求所迷的設備，其特征在于覆蓋層的 厚度以及覆蓋層材料的折射率這樣進行選擇，使得覆蓋層用作抗反射 涂層，或者將厚度選擇為比得到充分吸收所需的如上所規定的厚度大 得多。
11、 如前面任何一個權利要求所述的設備，其特征在于輻射敏感 的光電元件包括硅半導體元件。
12、 一種制造用于將電磁輻射能轉換成電能的設備的方法，該設 備包括至少一個具有輻射敏感表面的光電元件(11),由此該光電元 件(11)的輻射敏感表面被設置有包括加入稀土的硅化合物的材料的 覆蓋層(12)，其特征在于，選擇硅和氮的化合物用于該覆蓋層(12) 的材料。
13、 如權利要求12所述的方法，其特征在于形成覆蓋層中的該硅 和氮的化合物的材料為結晶的。
14、 如權利要求13所述的方法，其特征在于通過溶膠-凝膠技術 形成該覆蓋層。
15、 如權利要求12所述的方法，其特征在于形成覆蓋層中的該硅 和氮的化合物的材料為非晶的。
16、 如權利要求15所述的方法，其特征在于通過等離子體增強化 學汽相沉積技術來形成該覆蓋層。
全文摘要
用于將電磁輻射能轉換成電能的設備(10)，包括至少一個具有輻射敏感表面的光電元件(11)，其中包括加入稀土元素的硅化合物的材料的覆蓋層(12)出現在所述輻射敏感表面上，其特征在于該覆蓋層的該材料包括硅和氮的化合物。采用諸如Sr₂Si₅N₈:Eu的化合物得到了良好的結果。
文檔編號B60R25/042GK101405874SQ200780009814
公開日2009年4月8日 申請日期2007年3月6日 優先權日2006年3月20日
發明者H·T·J·M·欣特詹, M·C·M·范德桑登 申請人:艾恩德霍芬科技大學