光电转换装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种光电转换装置，其包括：波长转换部(10)和光电转换部(20)，所述波长转换部(10)吸收周边光以生成电子和空穴，并使所生成的电子和空穴复合以生成单色光，所述光电转换部(20)具有p-n结或p-i-n结，吸收波长转换部(10)中生成的单色光以生成电子和空穴，并分离和移动通过吸收所述单色光而生成的电子和空穴。波长转换部(10)包括：生成电子和空穴的载流子生成部(11)；生成单色光的发光部(13)；和载流子选择性转移部(12)，其设置在载流子生成部(11)和发光部(13)之间并且将在载流子生成部(11)中生成的电子和空穴中的其间具有特定能量差的那些电子和空穴移动到发光部(13)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光电转换装置
[0001 ] 本专利技术涉及光电转换装置，更具体而言，涉及采用波长转换机构的光电转换装置。
技术介绍
期待把能够将太阳光能直接转换为电的太阳能电池用作下一代绿色能源。因为对安装太阳能电池的区域有一定的限制，因而必须提高光电转换效率以获得更多的电量。为此，目前的开发尝试以例如优化装置结构和制造工程以及在用作主材料的硅中获得更高品质水平为目标。涉及此类太阳能电池的技术包括例如日本专利申请公开第2009-59915号(JP-2009-59915A)，其披露了涉及“热载流子型”太阳能电池的技术，为了减少用具有比构成光吸收层的半导体的能隙高的能量的光所生成的载流子(电子和空穴；下同)的能量损失，所述太阳能电池促进光吸收层中载流子之间的能量相互作用(转移)并提取具有高能量的电子。日本专利申请公开第2004-296658号(JP-2004-296658A)披露了涉及多结太阳能电池的技术，所述太阳能电池使用由AlInGaP材料形成的并且具有p_n结的太阳能电池作为顶电池以及使用与所述顶电池晶格匹配、由InGaAsN材料形成的并且具有p-n结的太阳能电池作为底电池，在所述多结太阳能电池中，在构成顶电池的Al InGaP材料的第111族元素中，铝的组成比在0.05至0.15的范围内。日本专利申请公开第2006-114815号(JP-2006-114815A)披露了一种太阳能电池，其具有p_i_n结构并且在作为光检测层的i层中包含表现出三维量子限域效应的量子点，其中所述量子点和围住它们的阻挡层具有II型能带结构。国际公开第2008/047427号(W02008/047427)披露了一种太阳能电池模块，其具有引入了多个单元的结构，所述多个单元具有前盖、后盖和在这些盖之间的封装在封装材料内的结晶硅电池，其中前盖和结晶硅电池之间的封装材料包含由乙烯-醋酸乙烯酯共聚物构成的荧光树脂组合物，所述乙烯-醋酸乙烯酯共聚物包含0.01至10重量％的在550至900nm的波长范围内发突光的有机稀土金属络合物。此外,Solar Energy Materialsand Solar Cells (荷兰)，第91卷，第9期，829-842 (2007)披露了涉及“上转换型”太阳能电池的技术，所述太阳能电池通过将长波长光转换为适合于构成光吸收层的半导体的能隙的波长来减少所述长波长光的光传输损失，所述长波长光具有比构成光吸收层的半导体的能隙低的能量。为了在热载流子太阳能电池中获得高的光电转换效率，需要促进载流子之间的能量相互作用(转移)并允许载流子在保持高能量的同时从吸收层向电极移动。因此，认为热载流子具有至少一纳秒的寿命是必要的。然而，在目前的半导体材料中，热载流子的寿命局限于数皮秒到数百皮秒的范围。因此，即便使用JP-2009-59915A中所披露的技术，光电转换效率提高效应也往往不够。在JP-2004-296658A中所披露的多结型太阳能电池中，因为太阳光中包含的宽波长范围的光可被吸收，因而推测其应该也可以提高光电转换效率。然而，在多结型太阳能电池中，具有高缺陷密度的半导体界面的数目因结的数目的增加而增加，所述缺陷将湮灭载流子并导致光电转换效率下降。另外，由于需要使用许多昂贵的II1-V化合物材料以及生产工序数目的增加，因而成本往往也增加。在SolarEnergy Materials and Solar Cells (荷兰)，第 91 卷,第 9 期,829-842 (2007)中所披露的上转换太阳能电池以及通过将高能量、短波长的光转换为适合于构成光吸收层的半导体的能隙的波长光的下转换太阳能电池中，许多情况下使用采用稀土元素的荧光材料如W02008/047427中所披露的那些。然而，因为可被采用稀土元素的常规荧光材料吸收的光的波长范围窄并且波长转换过程中的能量损失大，因而常规的下转换太阳能电池和上转换太阳能电池的光电转换效率提高效应往往不够。也就是说，即便通过结合JP-2009-59915A、JP-2004-296658A、JP-2006-114815A、W02008/047427 和 Solar Energy Materials andSolar Cells (荷兰)，第91卷，第9期，829-842 (2007)中披露的各种技术的教导，也难以提高光电转换效率。
技术实现思路
本专利技术提供了 一种光电转换装置，使用该光电转换装置可以提高光电转换效率。本专利技术的第一方面为一种光电转换装置，所述光电转换装置具有:波长转换部，其吸收周边光以生成电子和空穴，并使所生成的电子和空穴复合以生成单色光；和光电转换部，其具有P_n结或p-1-n结，吸收波长转换部中生成的单色光以生成电子和空穴，并分离和移动通过吸收所述单色光而生成的电子和空穴。波长转换部包括生成电子和空穴的载流子生成部、生成单色光的发光部以及载流子选择性转移部，所述载流子选择性转移部设置在载流子生成部和发光部之间并且将在载流子生成部中生成的电子和空穴中的其间具有特定能量差的电子和空穴移动到发光部。在本专利技术的第一方面中以及在随后描述的本专利技术其它方面(下文简单地统称为“本专利技术”)中，波长转换部具有使用热载流子机制、提高从太阳光生成单色光的效率并使得其可以随意调节光波长的功能。在本专利技术中，术语“周边光”指从周围或环境落在光电转换装置上的光并因此为例如多色光如太阳光。此外，在本专利技术中，“光电转换装置”为不仅包括太阳能电池而且还包括光检测器等的概念。在随后的本专利技术描述中，多色光也被简单地称为“光”。波长转换部可在周边光的行进方向上设置在光电转换部的上游侧上。在本专利技术中，“周边光的行进方向上的上游侧”指在其中周边光(多色光)行进的方向上的上游侧。也就是说，“波长转换部在周边光的行进方向上设置在光电转换部的上游侧上”意味着波长转换部和光电转换部布置为使得周边光(多色光)可以在到达光电转换部之前进入波长转换部并且使得在波长转换部中生成的单色光可以被吸收在光电转换部中。更具体地讲，这意味着波长转换部在其中周边光(多色光)行进的方向上位于上游侧上，而光电转换部在其中周边光(多色光)行进的方向上位于波长转换部的下游侧上。根据如此构造的光电转换装置，通过在周边光的行进方向上位于光电转换部的上游侧上的波长转换部中的周边光吸收，生成电子和空穴(下文有时统称为“载流子”)，并且通过载流子在发光部中的复合而生成的单色光被输入到光电转换部。例如，通过采用利用热载流子机制在波长转换部中生成单色光的构造，可以减少移动到发光部的载流子的能量损失。另外，通过控制载流子生成部的尺寸和厚度(例如，在其中载流子生成部为球形或圆柱形的情况下，将直径设定为20nm以下；在其中载流子生成部呈膜的形状的情况下，将膜厚设定为20nm以下)，载流子生成部中生成的载流子的移动长度可得以减小，并且可以减少移动到发光部的载流子的能量损失。在本专利技术中，波长转换部的一个目的在于允许载流子在发光部复合；其无意于将生成的载流子直接提取到外部。因此，和在使用量子结构的常规热载流子太阳能电池中不同，无需使载流子一直移动到电极，因此可以显著减少载流子移动过程中的能量损失。另外，通过采用在波长转换部中使用半导体材料的构造，与使用荧光材料的常规下转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电转换装置，其特征在于，所述光电转换装置包括：波长转换部，其吸收周边光以生成电子和空穴，并使所生成的电子和空穴复合以生成单色光；和光电转换部，其具有p?n结或p?i?n结，吸收所述波长转换部中生成的所述单色光以生成电子和空穴，并分离和移动通过吸收所述单色光而生成的所述电子和空穴，其中所述波长转换部包括：生成所述电子和空穴的载流子生成部；生成所述单色光的发光部；和载流子选择性转移部，其设置在所述载流子生成部和所述发光部之间并且将在所述载流子生成部中生成的所述电子和空穴中的其间具有特定能量差的电子和空穴移动到所述发光部。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.07.07 JP 2011-1508441.一种光电转换装置，其特征在于，所述光电转换装置包括: 波长转换部，其吸收周边光以生成电子和空穴，并使所生成的电子和空穴复合以生成单色光；和 光电转换部，其具有p-n结或p-1-n结，吸收所述波长转换部中生成的所述单色光以生成电子和空穴，并分离和移动通过吸收所述单色光而生成的所述电子和空穴，其中所述波长转换部包括: 生成所述电子和空穴的载流子生成部； 生成所述单色光的发光部；和 载流子选择性转移部，其设置在所述载流子生成部和所述发光部之间并且将在所述载流子生成部中生成的所述电子和空穴中的其间具有特定能量差的电子和空穴移动到所述发光部。2.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中: 所述波长转换部在所述周边光的行进方向上设置在所述光电转换部的上游侧上。3.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中: 所述波长转换部在所述周边光的行进方向上设置在所述光电转换部的下游侧上，和 所述波长转换部还包括光反射部，所述光反射部将所述单色光反射向所述光电转换部侧。4.根据权利要求1所述的光电转换装置，其中: 所述波长转换部设置在所述光电转换部内。5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电转换装置，其中: 所述波长转换部包含波长转换颗粒，所述波长转换颗粒同心地从中心侧向外依次具有:所述载流子生成部、所述载流子选择性转移部和所述发光部。6.根据权利要求5所述的光电转换装置，其中: 所述波长转换颗粒被分散并保持在所述波长转换部内包含的透明材料中，和所述透明材料为电绝缘材料和半导体材料中的至少之一，所述半导体材料具有比构成所述波长转换颗粒的所述载流子生成部的材料大的能隙。7.根据权利要求1至6中任一项所述的光电转换装置，其中: 所述波长转换部包含波长转换纤维，所述波长转换纤维同心地从中心侧向外依次具有:所述载流子生成部、所述载流子选择性转移部和所述发光部。8.根据权利要求7所述的光电转换装置，其中: 所述波长转换纤维被分散并保持在所述波长转换部内包含的透明材料中，和所述透明材料为电绝缘材料和半导体材料中的至少之一，所述半导体材料具有比构成所述波长转换纤维的所述载流子生成部的材料大的能隙。9.根据权利要求1至8中任一项所述的光电转换装置，其中: 所述波长转换部包含波长转换膜，所述波长转换膜具有所述载流子生成部、所述载流子选择性转移部和所述发光部，所述载流子生成部、所述载流子选择性转移部和所述发光部层叠为使得所述载流子选择性转移部设置在所述载流子生成部和所述发光部之间。10.根据权利要求1至9中任一项所述的光电转换装置，其中: 所述p-n结具有其中P-型材料和η-型材料三维接合的位点。11.根据权利要求1至10中任一项所述的光电转换装置，其中，假定: Egl、Ecl和Evl分别为构成所述载流子生成部的材料的能隙、导带底和价带顶； Eg2、Ec2和Ev2分别为构成所述发光部的材料的能隙、导带底和价带顶；和 Eg3、Ec3和Ev3分别为构成所述载流子选择性转移部的材料的能隙、导带中最低离散能级的能量和价带中最低离散能级的能量，所述材料呈其中所述材料被引入所述波长转换部内的形状， 则满足如下关系:Egl < Eg2 ( Eg3 ；Ecl < Ec2 ( Ec3 ;和Ev3 ^ Ev2 ^ Evl o12.根据权利要求1至10中任一项所述的光电转换装置，其中，假定: Eg4、Ec4和Ev4分别为构成所述载流子生成部的材料的能隙、导带底和价带顶； Eg5、Ec5和Ev5分别为构成所述发光部的材料的能隙、导带底和价带顶；和 Eg6、Ec6和Ev6分别为构成所述载流子选择性转移部的材料的能隙、导带中最低离散能级的能量和价带中最低离散能级处的能量，所述材料呈其中所述材料被引入所述波长转换部内的形状， 则满足如下关系:Eg4 < Eg5 ^ Eg6 ；Ec4 < Ec5 ( Ec6 ;和Ev4 ^ Ev6 ^ Ev5013.根据权利要求1至12中任一项所述的光电转换装置，其中: 所述发光部的表面覆盖有绝缘体或具有比构成所述载流子生成部的材料大的能隙的半导体材料。14.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：长岛知理，竹田康彦，尼古拉斯·约翰·伊金斯多克斯，丹尼尔·詹姆斯·法雷尔，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：
国别省市：