CN101999177A - 多接面光伏电池 - Google Patents

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Abstract

将多个二向色滤光片包括于多接面光伏电池中以增加效率。举例来说，在包含蓝色、绿色和红色有源层的多接面光伏电池中，可接近所述蓝色、绿色和红色有源层安置分别反射蓝光、绿光和红光的蓝色、绿色和红色二向色滤光片，以反射回第一次未被吸收的光。所述二向色滤光片可用以将入射在所述PV电池上的白光多路分解且将合适波长传递到适当有源层，例如将蓝色波长传递到所述蓝色有源层、将绿色波长传递到所述绿色有源层、将红色波长传递到所述红色有源层。所述PV电池可另外经干涉调谐以增加吸收效率。因此，在某些实施例中可使用光学谐振层和腔。

Description

多接面光伏电池
相关申请案信息
本申请案主张2007年12月21日申请的第61/016,432号美国临时申请案的优先权，所述临时申请案在此以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体涉及将光能转换成电能的光电换能器(例如，光伏电池)的领域。
背景技术
一个世纪多以来，例如煤、石油和天然气等矿物燃料提供美国的主要能源。对替代能源的需要日益增加。矿物燃料是不可更新的能源，其正快速耗尽。例如印度和中国等发展中国家的大规模工业化对可用矿物燃料造成相当大的负担。此外，地缘政治问题可迅速影响此类燃料的供应。全球变暖近年来也受到较大关注。认为许多因素导致全球变暖；然而，据认为矿物燃料的广泛使用是全球变暖的主要原因。因此，迫切需要寻找可更新的且经济上可行的而且环境安全的能源。
太阳能是环境安全的可更新的能源，其可转换成例如热和电等其它能量形式。光伏(PV)电池将光能转换成电能且因此可用于将太阳能转换成电力。可将光伏太阳能电池制造成非常薄且模块化。PV电池的大小可在几毫米到数十厘米的范围内。来自一个PV电池的个别电力输出可在几毫瓦到几瓦的范围内。可将若干PV电池电力连接和封装以产生足够电量。PV电池可用于广泛范围的应用中，例如，为卫星和其它宇宙飞船提供电力，为住宅和商业地产提供电且为汽车电池充电。然而，太阳能作为经济上有竞争力的可更新能源的使用受到将光能转换成电的低效率的阻碍。
因此，所需的是提供将光能转换成电能的增加的效率的光伏装置和方法。
发明内容
本发明的某些实施例包括经干涉调谐的光伏电池，其中来自分层式PV装置的界面的反射相干地总计，以在光伏电池的将光能转换成电能的有源区域中产生增加的电场。此类经干涉调谐或干涉式光伏装置(iPV)增加干涉式光伏电池的有源区域中对光能的吸收且借此增加装置的效率。在各种实施例中，在光伏装置中包括一个或一个以上光学谐振腔和/或光学谐振层以增加有源区域中的电场集中和吸收。光学谐振腔和/或层可包含透明非传导材料、透明传导材料、气隙及其组合。其它实施例也是可能的。
在一个实施例中，光伏装置包含有源层，其经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。安置反射体层以反射透射穿过有源层的光；且在有源层与反射体层之间安置光学谐振腔。光学谐振腔的存在可增加由有源层吸收的光的量。在一些实施例中，光学谐振腔可包含电介质。在一些实施例中，光学谐振腔可包含气隙。在某些实施例中，光学谐振腔可包含多个层。
在另一实施例中，光伏装置包含至少一个有源层，其经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。光伏装置还包含至少一个光学谐振层，其中所述至少一个有源层具有用于太阳光谱中的波长的吸收效率，且在存在所述至少一个光学谐振层的情况下，太阳光谱中的波长上积分的吸收效率增加至少约20％。
在一个实施例中，光伏装置包含有源层，其经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。光伏装置还包含至少一个光学谐振层，其中所述光伏装置具有用于太阳光谱中的波长的总转换效率，且在存在所述至少一个光学谐振层的情况下，太阳光谱中的波长上积分的总转换效率增加至少约15％。
在另一实施例中，光伏装置包含有源层，其经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。光伏装置进一步包含光学谐振层，所述光学谐振层具有使得光伏装置具有在太阳光谱上积分的大于0.7的总转换效率的厚度。
在一个实施例中，光伏装置包含有源层，其经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。光伏装置进一步包含增加有源层中的平均电场强度的至少一个光学谐振层，其中在光伏装置曝露于太阳光时，有源层中具有用于太阳光谱中的波长的平均电场强度。所述至少一个光学谐振层的存在产生太阳光谱上积分的平均电场强度的增加，所述增加对于有源层比太阳光谱上积分的平均电场强度的所述增加对于光伏装置中的任何其它层要大。
在一个实施例中，光伏装置包含有源层，其经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。在光伏装置曝露于太阳光时，有源层中具有用于太阳光谱中的波长的平均电场强度和吸收的光功率。光伏装置进一步包含增加有源层中的平均电场强度和吸收的光功率的至少一个光学谐振层，其中所述至少一个光学谐振层的存在产生太阳光谱上积分的吸收的光功率的增加，所述增加对于有源层比太阳光谱上积分的吸收的光功率的所述增加对于光伏装置中的任何其它层要大。
在一个实施例中，光伏装置包含衬底；安置于衬底上的光学堆叠；和安置于光学堆叠上的反射体层。光学堆叠进一步包含至少一个有源层和一个或一个以上层；其中所述至少一个有源层包含对于大致400nm的光大于0.7的吸收效率。
在一个实施例中，使用干涉原理增加光伏装置中的有源层内部的光吸收的方法包含提供用于吸收光且将其转换成电能的至少一个有源层；以及关于有源层定位至少一个光学谐振层，其中电磁辐射的干涉原理将所述至少一个有源层中的太阳能的吸收增加至少5％，所述吸收对于太阳光谱中的波长为积分的。
在某些实施例中，光伏装置包含用于吸收电磁辐射且将其转换成电能的至少一个有源层。光伏装置进一步包含关于有源层而安置的至少一个光学谐振层，其中所述光学谐振层由于光学干涉而将所述至少一个有源层中的太阳能的吸收增加至少5％，所述吸收在太阳光谱上积分。
在一个实施例中，光伏装置包含有源层，其经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。安置反射体层以反射透射穿过有源层的光，所述反射体层为部分光学透射的，以使得光伏装置对于一些波长为部分透射的。光伏装置进一步包含安置于有源层与反射体层之间的至少一个光学谐振层，所述至少一个光学谐振层的存在增加由有源层吸收的光的量。
在一个实施例中，光伏装置包含有源层，其经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。光伏装置进一步包含至少一个光学谐振层，所述至少一个光学谐振层的存在增加由有源层吸收的光的量，其中所述至少一个光学谐振层的厚度可通过用于控制厚度的控制信号的施加来调整。
在一个实施例中，优化光伏电池的吸收效率的方法包含提供包含层堆叠的光伏电池，其中至少一个层包含至少一个有源层，其中提供光伏电池包含使用干涉原理优化光伏电池中的所述至少一个有源层在多个波长下的吸收效率。
在一个实施例中，光伏电池包含衬底；安置于透明衬底上的光学堆叠；和安置于衬底上的反射体。光学堆叠进一步包含一个或一个以上薄膜层和经优化以用于基于所述一个或一个以上薄膜层的厚度而吸收选定波长的光的有源层，其中经由对来自多个界面的反射的相干总和的分析来优化有源层的吸收。
在一个实施例中，光伏装置包含第一有源层与第二有源层，其经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。光伏装置进一步包含第一有源层与第二有源层之间的第一光学谐振层，所述光学谐振层的存在增加由第一有源层和第二有源层中的至少一者吸收的光的量。
在一个实施例中，光伏装置包含用于吸收光的装置。光吸收装置经配置以由于由光吸收装置吸收的光而产生电信号。安置用于反射光的装置以反射透射穿过所述至少一个光吸收装置的光。用于产生光学谐振的装置安置于光吸收装置与光反射装置之间。光学谐振产生装置经配置以增加由所述至少一个光吸收装置吸收的光的量，其中所述光学谐振产生装置包含用于电绝缘的装置。
在另一实施例中，制造光伏装置的方法包含提供有源层，所述有源层经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。所述方法进一步包含安置反射体层以反射透射穿过有源层的光；以及在有源层与反射体层之间安置光学谐振腔。在一个实施例中，光学谐振腔包含电介质。在另一实施例中，光学谐振腔包含气隙。
在一个实施例中，光伏装置包含用于吸收光的装置。光吸收装置经配置以由于由光吸收装置吸收的光而产生电信号。光伏装置进一步包含经安置以反射透射穿过光吸收装置的光的用于反射光的装置，以及用于在光吸收装置与光反射装置之间产生光学谐振的装置。光学谐振产生装置经配置以增加由所述至少一个光吸收装置吸收的光的量，其中所述光学谐振产生装置包含用于借以传播光的多个装置。
在另一实施例中，制造光伏装置的方法包含提供有源层，所述有源层经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。所述方法进一步包含安置反射体层以反射透射穿过所述至少一个有源层的光；以及在有源层与反射体层之间形成光学谐振腔，其中所述光学谐振腔包含多个层。
在替代实施例中，用于将光能转换成电能的装置包含用于吸收光的装置，光吸收装置经配置以由于由光吸收装置吸收的光而产生电信号。用于将光能转换成电能的装置进一步包含经安置以反射透射穿过所述至少一个光吸收装置的光的用于反射光的装置；以及安置于光吸收装置与光反射装置之间的用于产生光学谐振的装置，其中光吸收装置具有用于太阳光谱中的波长的吸收效率，且在存在光学谐振产生装置的情况下，太阳光谱中的波长上积分的吸收效率增加至少约20％。
在一个实施例中，制造光伏装置的方法包含提供至少一个有源层，所述有源层经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。所述方法进一步包含安置反射体层以反射透射穿过所述至少一个有源层的光，以及在有源层与反射体层之间安置至少一个光学谐振层，其中所述至少一个有源层具有用于太阳光谱中的波长的吸收效率，且在存在所述至少一个光学谐振层的情况下，太阳光谱中的波长上积分的吸收效率增加至少约20％。
在一个实施例中，用于将光能转换成电能的装置包含用于吸收光的装置，光吸收装置经配置以由于由光吸收装置吸收的光而产生电信号。用于将光能转换成电能的装置进一步包含经安置以反射透射穿过所述至少一个光吸收装置的光的用于反射光的装置；以及安置于光吸收装置与光反射装置之间的用于产生光学谐振的装置。用于将光能转换成电能的装置具有用于太阳光谱中的波长的总转换效率，且在存在光学谐振产生装置的情况下，太阳光谱中的波长上积分的总转换效率增加至少约15％。
在一个实施例中，制造光伏装置的方法包含提供有源层，所述有源层经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。所述方法进一步包含安置反射体层以反射透射穿过所述至少一个有源层的光；以及在所述至少一个有源层与反射体层之间安置至少一个光学谐振层。所述光伏装置具有用于太阳光谱中的波长的总转换效率，且在存在所述至少一个光学谐振层的情况下，太阳光谱中的波长上积分的总转换效率增加至少约15％。
在一个实施例中，用于将光能转换成电能的装置包含用于吸收光的装置，光吸收装置经配置以由于由光吸收装置吸收的光而产生电信号。用于将光能转换成电能的装置进一步包含用于产生光学谐振的装置，其中光学谐振产生装置增加光吸收装置中的平均电场强度。当用于将光能转换成电能的装置曝露于太阳光时，光吸收装置中具有用于太阳光谱中的波长的平均电场强度。光学谐振产生装置的存在产生太阳光谱上积分的平均电场强度的增加，所述增加对于光吸收装置比太阳光谱上积分的平均电场强度的所述增加对于用于将光能转换成电能的装置中的任何其它层要大。
在一个实施例中，制造光伏装置的方法包含提供有源层，所述有源层经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。所述方法进一步包含提供至少一个光学谐振层，其中光学谐振腔增加有源层中的平均电场强度。当光伏装置曝露于太阳光时，有源层中具有用于太阳光谱中的波长的平均电场强度，且所述至少一个光学谐振层的存在产生太阳光谱上积分的平均电场强度的增加，所述增加对于有源层比太阳光谱上积分的平均电场强度的所述增加对于光伏装置中的任何其它层要大。
在另一实施例中，用于将光能转换成电能的装置包含用于吸收光的装置，其经配置以由于由光吸收装置吸收的光而产生电信号，当用于将光能转换成电能的装置曝露于太阳光时，光吸收装置中具有用于太阳光谱中的波长的平均电场强度和吸收的光功率。用于将光能转换成电能的装置进一步包含用于产生光学谐振的装置，其增加光吸收装置中的平均电场强度和吸收的光功率，其中光学谐振产生装置的存在产生太阳光谱上积分的吸收的光功率的增加，所述增加对于光吸收装置比太阳光谱上积分的吸收的光功率的所述增加对于用于将光能转换成电能的装置中的任何其它层要大。
在一个实施例中，制造光伏装置的方法包含提供有源层，所述有源层经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号，当光伏装置曝露于太阳光时，有源层具有用于太阳光谱中的波长的平均电场强度和吸收的光功率。所述方法进一步包含提供至少一个光学谐振层，其中光学谐振腔增加有源层中的平均电场强度和吸收的光功率，其中所述至少一个光学谐振层的存在产生太阳光谱上积分的吸收的光功率的增加，所述增加对于有源层比太阳光谱上积分的吸收的光功率的所述增加对于光伏装置中的任何其它层要大。
在一个实施例中，光伏装置包含用于支撑的装置。光伏装置进一步包含安置于支撑装置上的用于与光交互的装置，光交互装置包含至少一个用于吸收光的装置和一个或一个以上用于传播光的装置。光伏装置还包含安置于光交互装置上的用于反射光的装置，其中所述至少一个光吸收装置包含对于大致400nm的光大于0.7的吸收效率。
在一个实施例中，制造光伏装置的方法包含提供衬底。所述方法还包含在衬底上安置光学堆叠，所述光学堆叠包含至少一个有源层和一个或一个以上层；以及在光学堆叠上安置反射体层，其中所述至少一个有源层包含对于大致400nm的光大于0.7的吸收效率。
在某些实施例中，光伏装置包含用于吸收光的装置，光吸收装置经配置以吸收光且将吸收的光转换成电能。光伏装置进一步包含用于产生光学谐振的装置，其中电磁辐射的干涉原理将光吸收装置中的太阳能的吸收增加至少5％，所述吸收对于太阳光谱中的波长为积分的。
在某些实施例中，光伏装置包含用于吸收光的装置，其经配置以由于由用于吸收光的装置吸收的光而产生电信号。光伏装置进一步包含经安置以反射透射穿过所述至少一个光吸收装置的光的用于反射光的装置；以及用于在光吸收装置与光反射装置之间产生光学谐振的装置，光学谐振产生装置的存在增加由光吸收装置吸收的光的量，其中反射装置为部分光学透射的，以使得用于将光能转换成电能的装置对于一些波长为部分透射的。
在一个实施例中，制造光伏装置的方法包含形成有源层，所述有源层经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号；形成经安置以反射透射穿过所述至少一个有源层的光的反射体层；以及在有源层与反射体层之间形成至少一个光学谐振层，所述至少一个光学谐振层的存在增加由有源层吸收的光的量，其中反射体层为部分光学透射的，以使得光伏装置对于一些波长为部分透射的。
在某些实施例中，光伏装置包含用于吸收光的装置，其经配置以由于由光吸收装置吸收的光而产生电信号。光伏装置进一步包含经安置以反射透射穿过所述至少一个光吸收装置的光的用于反射光的装置；以及安置于光吸收装置与光反射装置之间的用于产生光学谐振的装置，光学谐振产生装置的存在增加由光吸收装置吸收的光的量，其中光学谐振产生装置的厚度可通过用于控制厚度的控制信号的施加来调整。
在一个实施例中，制造光伏装置的方法包含形成至少一个有源层，所述至少一个有源层经配置以由于由有源层吸收的光而产生电信号。所述方法进一步包含形成经安置以反射透射穿过所述至少一个有源层的光的反射体层，以及在所述至少一个有源层与反射体层之间形成至少一个光学谐振层，所述至少一个光学谐振层的存在增加由有源层吸收的光的量，其中所述至少一个光学谐振层的厚度可通过用于控制厚度的控制信号的施加来调整。
在一个实施例中，光伏装置包含用于吸收光的第一装置和第二装置，其经配置以由于由第一光吸收装置与第二光吸收装置吸收的光而产生电信号。光伏装置进一步包含用于产生光学谐振的第一装置。第一光学谐振产生装置的存在增加由第一光吸收装置与第二光吸收装置吸收的光的量。
在一个实施例中，制造光伏装置的方法包含形成第一有源层与第二有源层，所述第一有源层与所述第二有源层经配置以由于由第一有源层与第二有源层吸收的光而产生电信号；以及形成第一光学谐振层，第一光学谐振层的存在增加由第一有源层与第二有源层吸收的光的量。
附图说明
附随的示意图中说明本文揭示的实例实施例，所述示意图仅出于说明性目的。
图1示意性说明光学干涉式腔。
图2示意性说明增加反射光的光学干涉式腔。
图3是包含包括吸收层、光学谐振腔和反射体的多个层的干涉式调制器(“IMOD”)堆叠的框图。
图4A是展示由入射在图3的“IMOD”上的光线产生的一些反射的示意性说明。出于说明性目的仅展示反射的一部分。然而，对于任何给定层，可将入射线与从IMOD内的各种界面反射的射线相干地总计以确定所述层内的电场强度。
图4B说明“开放”状态中的IMOD。
图4C说明“闭合”状态中的IMOD。
图5A到图5D展示“开放”状态中的干涉式光调制器的对于法线入射和反射光的所得光谱响应(例如，反射与吸收)。
图6A到图6D展示“闭合”状态中的干涉式光调制器的对于法线入射和反射光的光谱响应。
图7A到图7D展示当入射角或观测角大致为30度时“开放”状态中的干涉式光调制器的光谱响应。
图8A到图8D展示当入射角或观测角大致为30度时“闭合”状态中的干涉式光调制器的光谱响应。
图9示意性说明包含p-n接面的光伏电池。
图10是示意性说明具有包含非晶硅的p-i-n接面的光电池的框图。
图11A示意性说明另一常规PV电池。
图11B到图11H示意性说明包含PV电池的实施例，所述PV电池使用干涉式调制的原理增加PV电池的有源区域中的吸收借此增加效率。
图11I到图11J示意性说明包含PV电池的实施例，所述PV电池具有光学谐振腔，所述光学谐振腔具有可静电地改变的厚度。
图12示意性说明用于计算PV电池的各种层中的电场强度的术语。
图13是说明制造PV电池的方法的流程图，所述PV电池使用IMOD的原理增加PV电池的有源区域中的吸收。
图14是用于PV电池的各种设计的Cu(In，Ga)Se2(CIGS)有源层中的模拟吸收的曲线图。
图15A是包含p-i-n接面的常规PV电池的实例，所述p-i-n接面包含被第一和第二氧化铟锡(ITO)层和铝(Al)反射体环绕的a-Si-H。下文提供用于例如图15A中所展示的PV电池的吸收和反射率谱，所述PV电池具有900nm厚的第一ITO层、330nm厚的α-Si有源层和80nm厚的第二ITO层。
图15B是用于图15A的PV电池的总吸收与波长的曲线图。
图15C是用于图15A的PV电池的总反射与波长的曲线图。
图15D是用于图15A的PV电池的有源层中的吸收与波长的曲线图。
图15E是用于图15A的PV电池的第一ITO层中的吸收与波长的曲线图。
图15F到图15G是用于图15A的PV电池的ITO层和反射体层中的吸收与波长的曲线图。
图16A是展示作为第一电极和第二电极的厚度的函数的图15A的光伏装置的有源层中的积分吸收的轮廓曲线图。积分吸收包含太阳光谱上积分的吸收。
图16B到图16C分别是图15A的PV电池的优化型式的有源层的吸收和总吸收的曲线图，所述PV电池具有第一ITO层(54nm厚)、α-Si有源层(330nm厚)和第二ITO层(91nm厚)。
图17示意性说明由可瑞克(Krc)等人揭示的光伏装置，所述光伏装置包含包括Cu(In，Ga)Se2(“CIGS”)(p-型层)和CdS(n-型层)的有源区域，其中Cu(In，Ga)Se2(“CIGS”)(p-型层)和CdS(n-型层)未被优化以实现最大吸收效率。
图18A到图18C包含用于图17的光伏装置的模拟吸收率与波长的一系列曲线图，所述光伏装置包含CIGS(p-型层)和CdS(n-型层)。
图19A到图19B包含在有源区域与反射层之间添加光学谐振腔之后例如图17中所展示的光伏装置的图。
图20A到图20C说明用于图19A中所展示的装置的模拟吸收率与波长的一系列曲线图，所述装置包含包括CIGS(p-型层)和CdS(n-型层)的有源区域以及光学谐振腔，所述曲线图演示与图17的装置相比有源区域中的增加的吸收。
图21示意性说明具有上方和下方被导电层(ITO层和金属层)环绕的有源区域且具有用于到有源区域的电连接的通路的光伏装置，其中所述装置进一步包括经设计以干涉地增加有源区域中的吸收的光学谐振腔。
图22示意性说明具有上方和下方被光学谐振层和金属层环绕的有源区域且具有用于电连接的通路的光伏装置，其中所述装置进一步包括经设计以干涉地增加有源区域中的吸收的光学腔。
图23示意性说明具有安置于有源区域与金属层之间的光学谐振腔且具有用于电连接的通路的另一光伏装置，其中所述光伏装置经设计以干涉地增加有源区域中的吸收。
图24是大致400nm到大致1100nm的波长范围上图23的光伏装置的CIGS(p-型层)中的模拟吸收的曲线图，所述曲线图展示500nm与750nm之间的有源区域中的平均约90％的吸收。
图25A示意性说明光电池的实施例，其中光电池的有源层安置于光学谐振腔与光学谐振层之间。
图25B示意性说明类似于图25A中所说明的光电池的另一实施例，其中有源层上方的谐振层包含电介质且有源层下方的谐振腔包含气隙或电介质和提供穿过气隙或电介质的电传导的通路。
图25C示意性说明另一实施例，其中ITO层安置于有源层与谐振腔之间。
图26示意性说明简化的光电池的另一实施例，所述简化的光电池具有介于光电池的有源层与反射体之间的光学谐振腔，其中未展示有源层上的层。
图27示意性说明常规多接面光伏装置。
图28A示意性说明例如图27中所说明的多接面光伏装置的实施例，所述多接面光伏装置进一步包含经设计以干涉地增加有源区域中的吸收的光学谐振层和光学谐振腔。
图28B示意性说明类似于图28A中所说明的多接面光电池的另一实施例，其中谐振腔包含气隙或电介质和提供穿过气隙或电介质的电传导的通路。
图29A示意性说明图27中所说明的多接面光伏装置，所述多接面光伏装置进一步包含经设计以干涉地增加有源区域中的吸收的多个光学谐振层和一光学谐振腔。
图29B示意性说明类似于图29A中所说明的多接面光电池的另一实施例，其中谐振腔包含气隙或电介质和提供穿过气隙或电介质的电传导的通路。
图30示意性说明常规半透明PV电池。
图31示意性展示具有反射体的PV电池，所述反射体具有提供增加的透明度的减小的厚度。
图32A示意性展示包括光学谐振层但不包括光学谐振腔的半透明多接面PV电池。
图32B示意性展示类似于图32A中所展示的PV电池的半透明多接面PV电池，其包含用于提供电连接的通路。
图33示意性展示二向色滤光片的横截面图。
图34示意性展示多接面PV电池的一实施例，其中二向色滤光片层安置于相应有源层下方。
图35示意性展示多接面PV电池的一实施例，其中光学谐振腔安置于相应有源层下方。
图36示意性展示多接面PV电池的另一实施例，其中光学谐振腔层被夹在相应有源层与二向色滤光片层之间。
图37示意性展示多接面PV电池的另一实施例，其中二向色滤光片层安置于有源层下方且所述有源层具有不同合金组份。
具体实施方式
以下详细描述针对本发明的某些特定实施例。然而，本发明可以多种不同方式来体现。在此描述中，参看图式，其中相同部分贯穿全文以相同数字来指定。如从以下描述将显而易见，所述实施例可在包含光伏材料的任何装置中实施。如本文中在下文中所描述的，可将MEMS装置耦合到光伏装置。
例如图1中所展示的光学透明电介质膜或层是光学谐振腔的实例。电介质膜或层可包含例如玻璃、塑料或任何其它透明材料等电介质材料。此种光学谐振腔的实例是可形成泡沫且产生反射颜色的光谱的肥皂膜。图1中所展示的光学谐振腔包含两个表面101和102。两个表面101和102可为同一层上的相对表面。举例来说，两个表面101和102可包含玻璃或塑料板或薄片或膜上的表面。空气或另一介质可环绕薄片或膜。
入射在光学谐振腔的表面101上的光线103如光路104指示而部分反射(例如，由于费涅反射(Fresnel reflection))且沿着光路105部分透射穿过表面101。透射光可沿着光路107部分反射(例如，再次由于费涅反射)且沿着光路106部分透射出谐振腔。透射和反射的光的量可取决于包含光学谐振腔的材料的折射率和周围介质的折射率。
出于本文中所提供的论述的目的，从光学谐振腔反射的光的总强度是两个反射光线104与107的相干叠加。在此相干叠加的情况下，两个反射束的振幅与相位均对聚集强度产生贡献。此相干叠加称作干涉。通常，两个反射线104与107可具有相对于彼此的相位差。在一些实施例中，两个波之间的相位差可为180度且彼此抵消。如果两个光线104与107的相位和振幅经配置以便减小强度，那么两个光束称作相消干涉。另一方面，如果两个光束104与107的相位和振幅经配置以便增加强度，那么两个光线称作建设性干涉。相位差取决于两个路径的光径差，光径差取决于光学谐振腔的厚度和折射率以及因此两个表面101与102之间的材料。对于入射束103中的不同波长，相位差也不同。因此，在一些实施例中，光学谐振腔可反射入射光103的特定组的波长，同时透射入射光103中的其它波长。因此，一些波长可建设性地干涉且一些波长可相消地干涉。一般来说，由光学谐振腔反射和透射的颜色和总强度因此取决于包含光学谐振腔的厚度和材料。经反射和透射的波长还取决于角度，不同波长在不同角度处被反射和透射。
在图2中，顶部反射体层201沉积于光学谐振腔的顶面101上而底部反射体层202沉积于光学谐振腔的底面102上。顶部反射体层与底部反射体层201、202的厚度可大体上彼此不同。举例来说，在一些实施例中，顶部反射体层201可比底部反射体层202薄。反射体层201、202可包含金属。如图2中所展示的，入射在光学干涉腔的顶部反射体层201上的光线203从光学干涉腔沿着路径204和207中的每一者部分反射。如由观察者观测的照明场包含两个反射线204与207的叠加。大体上由装置吸收或通过底部反射体202透射出装置的光的量可通过改变反射体层201、202的厚度和/或组成来显著地增加或减小。在所展示的实施例中，底部反射体202的增加的厚度增加光学谐振腔101的反射。
在一些实施例中，可由气隙来替换顶部反射体层201与底部反射体层202之间的电介质(例如，玻璃、塑料等)。光学干涉腔可反射入射光的一个或一个以上特定颜色。由光学干涉腔反射的所述颜色可取决于气隙的厚度。由光学干涉腔反射的所述颜色可通过改变气隙的厚度来改变。
在某些实施例中，顶部反射体与底部反射体201、202之间的间隙可(例如)由微机电系统(MEMS)来改变。MEMS包括微机械元件、致动器和电子元件。微机械元件可使用沉积、蚀刻和/或蚀刻掉或移除衬底和/或沉积材料层的部分或添加层以形成电气和机电装置的其它微机械加工工艺来产生。此类MEMS装置包括具有可电调整的光学谐振腔的干涉式调制器(“IMOD”)。如本文中所使用，术语干涉式调制器或干涉式光调制器指代不管装置是否可被调整或装置内的移动是否可能(例如，静态IMOD)均使用光学干涉的原理选择性地吸收和/或反射光的装置。在某些实施例中，干涉式调制器可包含一对导电板，所述对导电板中的一者为部分反射的和部分透射的，且所述对导电板中的另一者为部分或完全反射的。导电板能够在施加适当电信号时相对运动。在特定实施例中，一个板可包含沉积于衬底上的固定层，且另一板可包含与固定层以气隙分开的金属膜。如本文中更详细描述，一个板相对于另一板的位置可改变入射在干涉式调制器上的光的光学干涉。以此方式，可改变由干涉式调制器输出的光的颜色。
可能使用此光学干涉腔提供至少两个状态。在一个实施例中，(例如)第一状态包含某一尺寸的光学干涉腔，借此选定颜色的光(基于腔的大小)建设性地干涉且反射出所述腔。第二状态包含由于光的建设性和/或相消干涉而产生的可见黑暗状态，以便大体上吸收可见波长。
图3是干涉式调制器堆叠300的图。如所说明，IMOD堆叠300包含玻璃衬底301、电极层302及其顶部上的吸收层303。IMOD堆叠300还包括Al反射体305以使得光学谐振腔304形成于吸收层303与Al反射体305之间。Al反射体305在某些实施例中可(例如)为约300nm厚且光学谐振腔304可包含气隙。在一些实施例中，光学谐振腔可包含一个或一个以上部分透明的导体或部分透明的非导体。举例来说，在一些实施例中，光学干涉腔可包含例如ITO层等透明传导层或例如SiO2层等非传导材料或透明传导层与非传导材料两者。在各种实施例中，光学谐振腔可包含包括一个或一个以上层的复合结构，所述一个或一个以上层可包括气隙、例如透明传导氧化物等透明传导材料、例如透明非传导氧化物等透明非传导材料或其组合。
在如图3中所展示的实施例中，光首先经由通过玻璃衬底301和电极层302到吸收层303中而通过IMOD堆叠300。吸收层303中未吸收的光通过光学干涉腔304，在其中光从Al反射体305反射穿过光学谐振腔304而回到吸收层303中。在IMOD内，可选择气隙的厚度以对于给定波长或波长范围产生“明亮”状态，或对于给定波长或波长范围产生“黑暗”状态。在某些实施例中，在“明亮”状态中，光学谐振腔304的厚度为使得光展示出吸收层303中的第一干涉。在“黑暗”状态中，光学谐振腔304的厚度为使得光展示出吸收层303中的第二干涉。在一些实施例中，第二干涉比第一干涉更具建设性(例如，用于可见波长)。吸收层中的干涉越具建设性，场越强且吸收层303中的吸收越大。
为了说明IMOD可如何产生黑暗输出，图4A展示入射在图3中所说明的IMOD上的光线和所述入射光线从IMOD内的不同界面的各种反射。这些反射仅包含由于此种入射线产生的反射的一部分。举例来说，从各种界面反射的射线可再次从其它界面反射，从而产生大量前后反射。然而，出于简单起见，仅说明反射和反射线的一部分。
在图4A中，(例如)射线401包含入射在IMOD结构上的光线。入射光线401可具有强度E1和相位Φ1。当照射IMOD的层301时，入射光线401可如射线402所指示被部分反射以及如射线403所指示被部分透射。反射光402可具有强度E1ar和相位Φ1ar。透射光403可具有强度E2和相位Φ2。透射光403可在层302的表面处如光线403a所指示进一步部分反射以及如射线404所指示部分透射。反射光403a可具有强度E2ar和相位Φ2ar。透射光404可具有强度E3和相位Φ3。类似地，透射光404可在照射层303的顶面时如光线404a所指示进一步部分反射以及如射线405所指示部分透射。反射光404a可具有强度E3ar和相位Φ3ar。透射光405可具有强度E4和相位Φ4。透射光405可从层304的表面如光线405a所指示再次进一步部分反射以及如射线406所指示部分透射。反射光405a可具有强度E4ar和相位Φ4ar。透射光406可具有强度E5和相位Φ5。透射光406可在层305的表面处如光线406a所指示进一步部分反射以及如射线407所指示部分透射。反射光406a可具有强度E5ar和相位Φ5ar。透射光407可具有强度E6和相位Φ6。在反射体305的底面处，由射线407指示的透射光如光线407a所指示被几乎完全反射。射线407a的强度可为E6ar且相位可为Φ6ar。
反射线403a、404a、405a、406a和407a可透射出IMOD的层中的每一者且可最终如图4A中所指示透射出装置。这些射线透射穿过额外界面且因此经历额外费涅反射。举例来说，如射线403b所以表示，反射线403a透射穿过衬底301。反射线404a透射穿过电极302和衬底301(如射线404b所展示)且作为射线404c退出。同样，反射线405a透射穿过吸收体303、电极302和衬底301(如射线405b、405c所展示)且作为射线405d退出。反射线405a透射穿过吸收体303、电极302和衬底301(如射线405b、405c所展示)且作为射线405d退出。反射线406a透射穿过光学谐振腔304、吸收体303、电极302和衬底301(如射线406b、406c、406d所展示)且作为射线405e退出。反射线407a透射穿过反射体305、光学谐振腔304、吸收体303、电极302和衬底301(如射线406b、406c、406d、406e所展示)且作为射线405f退出。
如参看图1所描述，如在层301的顶面上方测量的从IMOD结构反射的光的强度和波长包含所有反射线402、403b、404c、405d、406e和407f的相干叠加，以便考虑反射线中的每一者的振幅与相位两者。图4A中未展示的其它反射线也可包括在射线的相干叠加中。类似地，IMOD结构内的任何区域处(例如，吸收体403内)的光的总强度可基于反射波和透射波的场强来计算。因此可能通过改变每一层的厚度和材料以便使用干涉原理增加或降低给定层内的光的量或场强来设计IMOD。此通过改变层的厚度和材料来控制不同层内的强度和场强水平的方法可用于增加或优化吸收体内的光的量以及因此由吸收体吸收的光的量。
上述描述是光学过程的近似。更多细节可包括在较高级分析中。举例来说，如上所述，上文仅论述单一通过和所产生的反射。当然，从所述层中的任一者反射的光可再次朝着另一界面反射回。光因此可在所述层中的任一者内(包括光学谐振腔304)传播多次。虽然可将这些反射考虑在射线的相干叠加中，但在图4A中未说明这些额外反射的效应。因此可进行对光学过程的更详细分析。可使用数学方法。举例来说，可使用软件来模拟系统。此类软件的某些实施例可计算反射和吸收且执行多变数约束优化。
IMOD堆叠300可为静态的。在静态IMOD堆叠中，各种层的厚度和材料由制造工艺来确定。静态IMOD堆叠的一些实施例包括气隙。在其它实施例中，例如代替气隙，光学谐振腔可包含电介质或ITO。然而，由静态IMOD堆叠300输出的光取决于观测角、入射在其上的光的波长和IMOD堆叠的观测表面处针对入射在其上的特定波长的干涉条件。与此对比，在动态IMOD堆叠中，可使用(例如)MEMS引擎实时地改变光学谐振腔304的厚度，借此变更IMOD堆叠的观测表面处的干涉条件。类似于静态IMOD堆叠，由动态IMOD堆叠输出的光取决于观测角、光的波长和IMOD堆叠的观测表面处的干涉条件。图4B和图4C展示动态IMOD。图4B说明经配置以处于“开放”状态中的IMOD且图4C说明经配置以处于“闭合”或“折叠”状态中的IMOD。图4B和图4C中所说明的IMOD包含衬底301、薄膜层303和反射膜305。反射膜305可包含金属。薄膜层303可包含吸收体。薄膜层303可包括额外电极层和/或电介质层且因此在一些实施例中可将薄膜层303描述为多层。在一些实施例中，可将薄膜层303附着到衬底301。在“开放”状态中，薄膜层303与反射膜305以间隙304分开。在一些实施例中，(例如)如图4B中所说明，间隙304可为气隙。在“开放”状态中，在一些实施例中，间隙304的厚度可在(例如)120nm与400nm之间改变(例如，大致260nm)。在某些实施例中，可通过在薄膜堆叠303与反射膜305之间施加电压差而将IMOD从“开放”状态切换到“闭合”状态。在“闭合”状态中，薄膜堆叠303与反射膜305之间的间隙小于“开放”状态中的间隙的厚度。举例来说，在一些实施例中，“闭合”状态中的间隙可在30nm与90nm之间改变(例如，大致90nm)。例如，在一些实施例中，在“开放”状态与“闭合”状态之间，气隙的厚度通常可在大致0nm与大致2000nm之间改变。在其它实施例中可使用其它厚度。
在“开放”状态中，如参看图4A所描述，入射光的一个或一个以上频率在衬底301的表面上方建设性地干涉。因此，入射光的一些频率未在IMOD内大体上被吸收而是从IMOD反射。反射出IMOD的频率在IMOD外部建设性地干涉。由观测衬底301的表面的观测者所观察到的显示颜色将对应于大体上反射出IMOD且大体上未被IMOD的各种层吸收的那些频率。可通过改变间隙的厚度来改变建设性地干涉且未大体上被吸收的频率。在图5A到图5D中展示当在“开放”状态中时用于法线入射在IMOD上的光的IMOD的反射和吸收光谱以及其中的某些层的吸收光谱。
图5A依据光以法线入射导向在IMOD上时以法线入射观测的波长说明在“开放”状态中的IMOD(例如，图3的IMOD 300)的总反射的曲线图。总反射的曲线图展示大致550nm处(例如，黄色)的反射峰值。观测IMOD的观测者将观察到IMOD为黄色。如先前所提及，可通过改变气隙的厚度或通过改变堆叠中的一个或一个以上其它层的材料和/或厚度而将总反射曲线的峰值的位置移位。举例来说，可通过改变气隙的厚度而移位总反射曲线。图5B说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的总吸收的曲线图。总吸收率曲线展示对应于反射峰值的大致550nm处的谷值。图5C说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的吸收层(例如，图3的层303)中的吸收的曲线图。图5D说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的反射体层(例如，图3的305)中的吸收。由反射体吸收的能量较低。如果其它层中的吸收可忽略，那么通过IMOD 400的吸收体部分中的吸收曲线与IMOD的反射体部分中的吸收曲线的总和来获得总吸收曲线。应注意，通过IMOD堆叠的透射大体上可忽略，因为下部反射体(例如，图3的305)很厚。
参看图4C，在“闭合”状态中，IMOD在薄膜堆叠303中几乎吸收入射可见光的所有频率。仅反射少量入射光。在一些实施例中，观测衬底301的表面的观测者所观察到的显示颜色通常可为黑色、红黑色或紫色。可通过改变间隙的厚度而改变或“调谐”薄膜堆叠303中所吸收的频率。
在图6A到图6D中展示“闭合”状态中的IMOD的各种层对于垂直于IMOD观测的法线入射光的光谱响应。图6A说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的总反射与波长的曲线图。观察到，总反射在整个波长范围中均匀地低。因此，非常少的光反射出干涉式调制器。图6B说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的总吸收率的曲线图。总吸收率曲线指示对应于总反射率的曲线图的整个波长范围中的大致均匀吸收率。图6C说明大致400nm到800nm的波长范围上的吸收层中的吸收的曲线图。图6D说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的反射体层中的吸收。从图6A中注意，与图5A中的总反射相比，在“闭合”状态中，IMOD展示出相对低的总反射。另外，与“开放”状态(图5B和图5C)对比，在“闭合”状态(分别图6B和图6C)中，IMOD展示出相对高的总吸收率和吸收层中的吸收率。当IMOD在“开放”状态(图5D)中或在“闭合”状态(图6D)中时，IMOD中的反射体吸收相对低。因此，大量场强在吸收光的吸收层内。
通常，IMOD堆叠具有可在设计阶段期间考虑的视角相依性。更大体来说，IMOD的光谱响应可取决于入射角和观测角。图7A到图7D说明当入射角或观测角为相对于堆叠的法线30度时用于“开放”状态位置中的IMOD的模拟吸收率和反射与波长的一系列曲线图。图7A说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的总反射与用于IMOD的波长的曲线图。总反射的曲线图展示大致400nm处的反射峰值。比较图7A与图5A指示当入射角或观测角从法线入射改变成30度时，总反射与波长的曲线沿着波长轴移位。图7B说明用于IMOD的大致400nm到800nm的波长范围上的总吸收率的曲线图。总吸收率曲线展示对应于反射峰值的大致400nm处的谷值。图7B与图5B的比较指示当入射角或观测角从法线入射改变成30度时，吸收曲线中的谷值同样沿着波长轴移位。图7C说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的吸收体(例如，图3的303)中的吸收的曲线图。图7D说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的反射体(例如，图3的305)中的吸收。
图8A到图8D说明当入射角或观测角为30度时用于图4A的在“闭合”状态位置中的IMOD的模拟吸收率和反射与波长的一系列曲线图。图8A说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的总反射与用于IMOD的波长的曲线图。观察到，总反射在整个波长范围中均匀地低。因此，非常少的光反射出干涉式调制器。图8B展示大致400nm到800nm的波长范围上的总吸收率的曲线图。总吸收率曲线指示对应于总反射率的曲线的整个波长范围上的大致均匀吸收率。图8C说明大致400nm到800nm的波长范围上的吸收层中的吸收的曲线图。图8D说明大致400nm到800nm的波长范围上的IMOD的反射体层中的吸收。图6A到图6D与图8A到图8D的比较展示对于法线入射和入射角或观测角为30度时的入射，“闭合”状态中的IMOD的光谱响应大致相同。因此可推断：“闭合”状态中的IMOD的光谱响应并不展示对入射角或观测角的强相依性。
图9展示典型光伏电池900。典型光伏电池可将光能转换成电能。PV电池是具有小碳占用区域(carbon footprint)且对环境具有较少影响的可更新能源的实例。使用PV电池可减小能量产生的成本且提供可能的成本益处。
PV电池可具有许多不同大小和形状，例如，从小于邮票到若干英寸宽。若干PV电池常常可连接在一起以形成可高达若干英尺长和几英尺宽的PV电池模块。所述模块可包括电连接、安装硬件、电力调节设备，和储存太阳能以用于在天气不好时使用的电池。模块又可经组合和连接以形成具有不同大小和电力输出的PV阵列。阵列的大小可取决于若干因素，例如，特定位置中可用的太阳光的量和消费者的需要。
光伏电池具有总能量转换效率(η，“eta”)，其可通过测量从光伏电池输出的电功率和入射在太阳能电池上的光功率以及计算比率来确定。根据一个惯例，可通过由具有曝露于标准太阳辐射(称为“气团1.5”)的1m2表面积的光伏电池产生的峰值电力的量(以瓦计)的比率来给出太阳能电池的效率。标准太阳辐射为晴好的三月或九月春分或秋分日中午时赤道处的太阳辐射的量。标准太阳辐射具有1000瓦/平方米的功率密度。
典型PV电池包含安置于两个电极之间的有源区域且可包括反射体。在一些实施例中，反射体可具有大于50％、60％、70％、80％、90％或90％以上的反射率。在其它实施例中，反射体可具有较低反射率。举例来说，反射率可为10％、20％、30％、40％或40％以上。在一些实施例中，PV电池还另外包含衬底。衬底可用于支撑有源层和电极。有源层和电极(例如)可包含在制造光伏装置期间和/或此后沉积于衬底上且由衬底支撑的薄膜。PV电池的有源层可包含例如硅等半导体材料。在一些实施例中，有源区域可包含通过使如图9中所展示的n-型半导体材料903与p-型半导体材料904接触而形成的p-n接面。此种p-n接面可具有类似二极管的性质且因此也可称作光电二极管结构。
层903和904夹在提供电流路径的两个电极之间。背面电极905可由铝或钼或某一其它传导材料形成。背面电极可为粗糙的且未抛光的。正面电极901经设计以覆盖p-n接面的正面的大部分以便降低接触电阻且增加收集效率。在正面电极由不透明材料形成的实施例中，正面电极可经配置以具有允许照明照射在p-n接面的表面上的孔或间隙。在此类实施例中，正面电极可为格栅或经配置成叉子或手指的形状。在一些其它实施例中，电极可由透明导体形成，例如，例如氧化锡(SnO2)或氧化铟锡(ITO)的透明传导氧化物(TCO)。TCO可提供良好电接触和传导率且同时对于传入的光为光学透射的。在一些实施例中，PV电池还可包含安置于正面电极901上的抗反射(AR)涂层902。AR涂层902可减小从图9中所展示的n-型层903的表面反射的光的量。
当照明p-n接面的表面时，光子将能量转移到有源区域中的电子。如果由光子转移的能量大于半导体材料的带隙，那么电子可具有足以进入传导带中的能量。在形成p-n接面的情况下产生内部电场。内部电场对受激电子起作用以致使这些电子移动，借此在外部电路907中产生电流。所得电流可用于给例如如图9中所展示的灯泡906等各种电装置供电。
将光功率转换成电力的效率对应于如上所述的总效率。总效率至少部分取决于有源层吸收光的效率。此效率(本文中称为吸收效率ηabs)与折射率(n)、消光系数(k)和有源层中的电场振幅的平方(|E(x)|2)成比例，通过下文阐述的关系来展示：
                    ηabs∝n×k×|E(x)|2
值n是复数折射率的实数部分。吸收或消光系数k通常为复数折射率的虚数部分。因此可基于层的材料性质和层(例如，有源层)中的电场强度来计算吸收效率ηabs。用于特定层的电场强度在本文中可称作平均电场强度，其中将电场在特定层的厚度上进行平均。
如上所述，有源层中所吸收的光产生可用于提供电的自由载流子(例如，电子空穴对)。总效率或总转换效率部分地取决于电极收集有源材料中所产生的这些电子和空穴的效率。此效率在本文中称作收集效率ηcollection。因此，总转换效率取决于吸收效率ηabs与收集效率ηcollection两者。
PV电池的吸收效率ηabs和收集效率ηcollection取决于多种因素。用于电极层901和905的厚度和材料(例如)可同时影响吸收效率ηabs与收集效率ηcollection两者。另外，PV材料903和904中所使用的厚度和材料可影响吸收效率和收集效率。
可通过将探针或导电引线放置到电极层901和905来测量总效率。还可使用光伏装置的模型计算总效率。
如本文中所使用，这些效率针对标准太阳辐射-气团1.5。再者，可对于太阳光谱上的波长积分电场、吸收效率等。太阳光谱是众所周知的且包含太阳发射的光的波长。这些波长包括可见、UV和红外线波长。在一些实施例中，在太阳光谱的一部分上(例如，在可见波长范围、红外线波长范围或紫外线波长范围上)积分电场、吸收效率、总效率等。在某些实施例中，在较小波长范围(例如，具有10nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm或600nm等带宽的范围)上计算电场、吸收效率、总效率等。
在一些实施例中，可由其中内在半导体或无掺杂半导体层夹在p-型半导体与n-型半导体之间的p-i-n接面替换图9中所展示的p-n接面。p-i-n接面可具有比p-n接面高的效率。在一些其它实施例中，PV电池可包含多个接面。
有源区域可由多种光吸收材料形成，例如晶体硅(c-硅)、非晶硅(α-硅)、碲化镉(CdTe)、铜铟二硒化物(CIS)、铜铟镓二硒化物(CIGS)、光吸收染料和聚合物、具有安置于其中的光吸收纳米粒子的聚合物，例如GaAs的III-V族半导体等。也可使用其它材料。吸收光子且将能量转移到(例如)电子的光吸收材料在本文中称作PV电池的有源层。可视PV电池的所需性能和应用而选择用于有源层的材料。
在一些实施例中，可通过使用薄膜技术来形成PV电池。举例来说，在一个实施例中，可通过将第一TCO层沉积于衬底上而形成PV电池。将有源材料(或光吸收材料)层沉积于第一TCO层上。可将第二TCO层沉积于有源材料层上。在一些实施例中，可将AR涂层沉积于第二TCO层上。可使用例如物理气相沉积技术、化学气相沉积技术、电化学气相沉积技术等沉积技术来沉积所述层。薄膜PV电池可包含例如薄膜多晶硅、CIS、CdTe或CIGS等多晶材料。薄膜PV电池的一些优点尤其为小装置占用区域和制造工艺的可缩放性。
图10是示意性说明典型薄膜PV 电池1000的框图。典型PV电池1000包括光可通过的玻璃衬底1001。安置于玻璃衬底1001上的是第一透明电极层1002、包含非晶硅的PV材料层1003、第二透明电极层1005和包含铝或例如Mo、Ag、Au等某一其它金属的反射体1006。第二透明电极层1005可包含ITO。可掺杂有源材料的部分以形成n-型区域和p-型区域且可不掺杂有源材料的一部分以产生p-i-n结构。在一种设计中，第一透明电极层的厚度可大致为900nm而PV材料的厚度可大致为330nm。在一种设计中，第二透明电极层1005具有大致80nm的厚度且反射体1006具有大致300nm的厚度。如所说明，第一透明电极层1003与第二透明电极层1005之间夹入非晶硅层1003。反射体层1006安置于第二透明电极层1005上。在PV电池中，光子在有源层或吸收层中被吸收且一些被吸收的光子可产生电子空穴对。
比较图10与图3，观察到IMOD与典型PV装置的结构具有类似性。举例来说，图3中所说明的IMOD与图10中所说明的PV电池每一者包含包括多个层的堆叠结构。IMOD与PV装置两者还包含安置于衬底(例如，图3的301和图10的1001)上的光吸收层(例如，图3的303和图10的1003)。可选择光吸收层以使得对于IMOD与PV电池两者具有类似性质。图3的IMOD与图10的PV电池两者均包含反射体(例如，图3的305和图10的1006)。因此，可想得到，可将调谐IMOD以提供电场在其各种层中的所需分布和所得输出的能力应用于PV装置。举例来说，可将光学谐振腔包括在有源层(例如，图10的光吸收层1003)下方以调谐PV装置从而降低除有源层或吸收层1003外的所有层中的吸收以增加有源层或吸收层1003中的吸收，且在某种意义上，据称可将IMOD并入PV电池中或可将PV电池并入IMOD中。
在例如图10中所说明的PV电池的常规PV电池中，按照惯例相信PV材料层1003中的吸收通过层1005的引入来增强。因此，第二透明电极1005称作反射增强层。按照惯例还相信，有源层中的吸收随着第二透明电极层1005的厚度线性地增加(见例如B.L.思博路(B.L.Sopori)等人的“a-Si太阳能电池中的光设陷：PV光学的结果的概述(Light-Trapping in a-Si Solar Cells：A Summary of the Results from PV Optics)”，国家光伏规划核准会议中心，科罗拉多州，丹佛市(National Center for Photovoltaics ProgramReview Meeting，Denver，Colorado)，1988年9月8-11日)。一般来说，层1005的包括并不会增加反射体层1006的反射。另外，有源层中的吸收并不会如按照惯例相信的必定随着第二透明电极层1005的厚度线性地增加。如下文所证明，一般来说，第一电极层1002和第二电极层1005的厚度可具有吸收最大化的最佳点。
另外，在一些常规设计中，改变电极层1005和反射体层1006的厚度以使从PV电池反射的光的总量最小化。假设是：如果光未从PV电池反射，那么此光被吸收且光伏装置的总效率增加。为此，可使反射体1006的表面变粗糙以便更具漫射性以减小从反射体的镜面反射。这些方法可潜在地产生看来像是黑色的PV电池。然而，上文所描述的旨在减小来自PV装置的反射以及仅产生看来像是黑色的PV电池的方法可能不足以增加吸收层或有源层1003中的吸收，且因此可能不足以增加光伏装置的效率。
此类常规方法增加PV电池的效率的成功受到限制。然而，如上所述，可使用干涉原理来“调谐”PV装置中的所述一个或一个以上层并优化PV电池以使得更多光可被吸收层1003吸收。举例来说，可将用于IMOD的设计中的干涉原理应用于PV电池的制造。可将在有源层中产生电场谐振的光学谐振腔包括在PV电池中，借此增加有源层中的电场强度和吸收。如将展示，(例如)可通过用包含气隙或例如SiO2等透明非传导电介质的光学谐振腔替换第二透明电极层1005来实现增加有源层(或光吸收层1003)中的吸收。然而，通过用光学谐振腔替换透明电极层1005并不一定增强反射体的反射，光学谐振腔包含可干涉地增加有源层中的吸收的低吸收层。
为了演示可如何增加太阳能电池的效率，研究图11A中所展示的常规太阳能电池设计。图11A说明包含Cu(In，Ga)Se2′CIGS/CdS′PV堆叠的PV电池。PV电池包含ITO或ZnO传导电极层1101、包含CdS的n-型材料层1102、包含CIGS的p-型材料层1103、包含Mo的反射体层1104和玻璃衬底1105。如上所述，图11A中所说明的PV电池的效率可通过将IMOD结构和由IMOD利用的干涉原理并入PV电池中来增加。此可通过引入如图11B到图11H中所展示的静态或动态光学谐振层来实现。在各种实施例中，光学谐振层在有源层中引入电谐振，借此增加其中的平均电场。在下文的描述中，出于清晰起见，采纳以下命名惯例。夹在吸收层与反射体层之间的光学谐振层称作′光学谐振腔′，而安置于堆叠中的其它地方的光学谐振层称作′光学谐振层′。描述腔或层的术语谐振(resonant和resonance)在本文中可交换地使用。
在图11B中，包含ITO的光学谐振腔1106夹在有源材料或吸收材料(层1102和1103)与反射体层1104之间。在图11C中所说明的实施例中，光学谐振腔1106包含中空区域。在如图11C中所展示的一些实施例中，中空区域包含空气或其它气体。除有源层外，用气隙替换ITO层可降低所有层(例如，包括光学谐振腔)中的吸收。对于一些实施例，用于光学谐振腔的材料的选择因此可为重要的。举例来说，其中光学谐振腔包含空气或SiO2的实施例(如图11D中所展示)可比包含ITO的光学谐振腔(如图11B中所展示)更多地增加有源层中的吸收。图11B到图11D中所说明的实施例包含包括单一材料或介质(光穿过其传播)的光学谐振腔。在例如图11E到图11H中所展示的各种实施例中，经干涉调谐的光伏(iPV)电池可包含包括两个或两个以上层的复合光学谐振腔。举例来说，在图11E中所说明的实施例中，光学谐振腔包含ITO层1106a和空气层1106b。图11F中所展示的实施例包含包括ITO层1106a和SiO2层1106b的复合光学谐振腔。图11G中所展示的实施例包含包括SiO2层1106a和气隙1106b的复合光学谐振腔。图11H中所展示的实施例可包含ITO层1106a、SiO2层1106b和气隙1106c。因此，在各种实施例中，光学谐振腔和其它光学谐振层可包含一个或一个以上透明传导或非传导材料(例如，传导或非传导氧化物或氮化物层)。也可使用其它材料。所述层可为部分透明的。
在一些实施例中，光学谐振腔(或层)可为动态的。如图11I中所展示，(例如)反射体层1107可与有源层以柱子1107分开。反射体层1104可为可移动的且(明确地说)可朝著有源层或远离有源层移动，借此改变光学谐振腔的厚度。反射体层1104的移动可通过将电压施加在反射体层1104与ITO层1101之间以产生静电力来诱发。可动态地调谐光学谐振腔(例如)以随着环境条件的改变来变更有源层的吸收特征。图11J展示替代实施例，其中光学谐振腔是包含SiO2层1106a和气隙1106b的复合谐振腔。包含SiO2的电介质层1106a可用于电隔离闭合状态中的电极1101、1104。下文阐释增加iPV电池的吸收效率的过程。
一般来说，光学堆叠可包含多个层，其中层之间的每一界面将反射入射光的某一部分。一般来说，界面还允许入射光的某一部分通过(除了可能为最后层外)。图12展示从具有未指定数目的层的一般化iPV装置的各种层反射的入射光。如上文参看图4A所阐释，入射在iPV装置的层1201上的由电场Ei表征的传入波被部分反射且部分透射。透射波由电场E1，r来表征，其朝着图式的右方传播。此波的由电场E′j-1，r表征的一部分入射在层1202与1203的界面处。其中的由Ej，r表征的一部分透射到吸收层1203中。透射辐射的一部分在吸收体1203中被吸收。所述波的由电场E′j，r表征的未被吸收的部分入射在层1203与1204的边界处。入射场E′j，r的由Ej+1，r表征的一部分透射到光学谐振腔1204中。在金属导体/反射体1205部分透射的状况下，传入波Ei的由电场Et表征的一小部分透射出iPV。
入射辐射的一部分同样在各种层的界面处反射。举例来说，电场Ej+1，1表示电场Ej+1，r的从层1204与1205的边界反射的部分且因此朝着图式的左方传播。类似地，电场E′j，1；Ej，1；E′j-1，1和E1，1表示在iPV装置中朝着层1201传播的波。反射波Er由从iPV装置的各种层反射的波的叠加来给出。可使用矩阵方法以及用于各种界面的反射系数和透射系数及由于横穿所述层而产生的相位的值来计算进入和脱离给定界面的电场。一旦给定层(例如，有源层)中的电场已知，就可确定所述给定层中的吸收。可计算进入吸收层1203中和脱离(例如)吸收层的坡印廷(Poynting)向量的时间平均量值或时间平均能通量(每一单位标准面积的时间平均功率)。因此可通过从进入吸收层1203中的总功率减去脱离吸收层1203的功率的量来计算被吸收层1203吸收的总功率。在各种实施例中，可增加进入吸收层1203中的坡印廷向量的时间平均量值与脱离吸收层1203的坡印廷向量的时间平均量值的比率以增加iPV装置的效率。
iPV电池的任一层(例如，吸收层)中所吸收的功率可取决于如上所述的整个iPV堆叠。iPV电池的任一层中所吸收的能量的量与层的折射率(n)、层的消光系数(k)、层中的电场振幅的平方(|E(x)|2)和层的厚度(t)成正比例。一种增加或优化iPV装置中的能量吸收的方法为降低在环绕吸收层的层中所吸收的能量的量且增加在吸收层中所吸收的能量的量。可(例如)通过选择具有低n×k值的材料、减小环绕层的厚度或通过降低环绕层中的电场强度或这些方法的任一组合来降低在环绕吸收层的层中所吸收的能量的量。举例来说，在一种优化方法中，可使用以下的一者或一者以上来增加iPV电池的吸收层中的电场。A)可调整iPV堆叠的各种层的材料和厚度以使得到达有源层的反射和透射电场建设性地干涉。B)可(例如)至少部分由于相消干涉而减小iPV装置的除有源层外的层中的电场强度。C)可选择用于光学谐振腔的材料，所述材料具有提供(例如)适当相移和反射的所需或最佳折射率(n)以及低折射率(n)和/或低消光系数常数(k)，以使得光学谐振腔具有对于对应于有源层的带隙的波长的低吸收，以使得被有源层转换成电能的光较少被光学谐振腔吸收。在一些实施例中，光学谐振腔的组成和厚度可为使得(例如)对于具有与有源层的带隙均等的能量的波长，吸收体中的电场增加。D)更大体来说，可在除有源层外的那些层中使用(例如)(对于具有与有源层的带隙均等的能量的波长)折射率n与消光系数k的乘积较低的材料。可通过减小iPV装置的除有源层外的层中的电场强度和/或在那些层中使用具有低折射率和/或消光系数k值的材料减小吸收来实现iPV装置的除有源层或吸收层外的所有层中的能量吸收的降低。E)还可(明确地说)在除有源层外的其中电场强度高的那些层中使用具有低n和/或k值以及因此低吸收的材料。
为了优化iPV装置以用于有源层或吸收层中的增加的吸收，可选择光学谐振腔的厚度以通过干涉效应增加有源区域中的光的强度。在一些实施例中，在iPV电池的设计阶段期间通过使用模拟软件和数字例程选择或优化光学谐振腔中的间隙的厚度。还可通过进一步在并入有IMOD的图11B到图11F的PV电池结构中并入MEMS引擎或平台而实时动态地改变光学谐振腔中的间隙的厚度。(见，例如图11G和图11H)。然而，在各种实施例中，间隙为固定的。在一些实施例中，除改变或优化光学谐振腔的厚度外，还可改变或优化有源层的厚度以增加有源层或吸收层的吸收效率。
图13是制造iPV装置1300的方法的一个实施例的流程图。工艺从开始1302开始且接着移动到状态1304，在状态1304中，iPV装置设计者识别一组设计特征和/或制造约束。iPV装置包含包括多个层的光学堆叠。一般来说，所述层包括有源层和光学谐振层(例如，光学谐振腔)。额外层可包括(例如)电极，和电隔离层。在一些实施例中，光学谐振层包含电极、电隔离层或除增加有源层中的吸收外具有另一功能的层。由于一个或一个以上原因而可能需要约束这些层中的任一者的各种参数(例如，厚度，材料)。设计特征和/或制造约束可包括(例如)一个或一个以上电极层的平面内电阻以使得收集的电子用于电而不是作为热量消散以及吸收于非有源层中。另外，因为有源层中的吸收取决于堆叠中的所有层的厚度以及所使用的特定材料两者，所以在某些实施例中仔细地选择受约束层的此类材料和层厚度。
所述方法接着移动到状态1306，在状态1306中，选择或优化不受约束的参数以增加有源层的效率(例如，吸收效率)。在一个实施例中，优化效率包含基于至少一个设计特征识别效率的最大值。在一些实施例中，可对于特定波长或波长范围(例如，太阳光谱、可见光谱、红外线光谱、紫外线光谱)优化效率。所述范围可为至少100nm宽、200nm宽、300nm宽、400nm宽、500nm宽、600nm宽等。用于增加或优化特定层中在特定波长或波长范围下的吸收的过程可涉及基于光学堆叠中的所有层或大部分层的计算。对于某些实施例，可计算每一分层材料的精确厚度以增加或优化有源层中对于特定波长或特定波长范围的吸收。
在一些实施例中，所述层包含薄膜层。因此，在设计过程中可将所述层视为薄膜。“薄膜”可具有小于或大约为入射光的相干长度的厚度(例如，小于5000nm)。对于薄膜，在称作相干叠加的状况中考虑光的相位以用于确定由于多次反射而产生的强度水平。如上所述，可经由对来自iPV装置的多个界面的反射的相干总和的分析来优化有源层的吸收效率。在一些实施例中，使用此类相干总和来计算来自给定层的能量输入和输出以确定层(例如，有源层)中的吸收，且同样确定其吸收效率。在此过程中可使用坡印廷向量。所述方法中的其它步骤还可包括常规光伏装置内的层的删除或替换。
在一些实施例中，通过增加或优化吸收效率ηabs来增加或优化总效率。然而，如上所述，总吸收效率ηoverall取决于在有源层中吸收光以形成电子空穴对的效率ηabs与电极收集电子空穴对的效率ηcollection两者。
可使用干涉式原理来通过增加或优化上文所界定的参数ηabs和ηcollection中的一者或两者而增加或优化总转换效率ηoverall。举例来说，在一些实施例中，可在不考虑收集效率ηcollection的情况下优化或最大化吸收效率ηabs。然而，经改变以增加或优化吸收效率ηabs的参数还可影响收集效率ηcollection。举例来说，可变更电极的厚度或有源层的厚度以增加有源层中的吸收，然而，此厚度调整还可影响收集效率。因此，在一些实施例中，可执行优化以使得考虑和/或优化收集效率ηcollection与吸收效率ηabs两者以实现增加的或优化的总效率ηoverall。在某些其它实施例中，可递归地优化吸收效率ηabs与收集效率ηcollection以使总效率ηoverall最大化。优化过程中还可包括其它因素。在一些实施例中，(例如)优化iPV装置的总效率可基于热消散或者一个或一个以上非有源层中的吸收。
所述方法接着进行到状态1308，在状态1308中，根据制造约束和优化要素制造光伏装置。一旦设计者已完成状态1308，所述方法就在结束状态1310处终止。应理解，
可包括其它步骤以改进或优化光伏装置。
图14说明用于图11A到图11C中所描述的实施例中的每一者的在从大致400nm到大致1100nm的波长区域中的模拟吸收的曲线图。曲线1401是用于图11A中所说明的实施例的吸收层1103中的吸收率。曲线1402是用于图11B中所说明的实施例的吸收层1103中的吸收率。曲线1403是用于图11C中所说明的实施例的吸收层1103中的吸收率。如图14中所说明，根据曲线1402，在等于大致550nm的波长下，图11B中所说明的实施例的吸收层中的模拟吸收比曲线1401中所展示的图11A的实施例的吸收层中的对应模拟吸收值高大致28％。另外，根据曲线1403，在等于大致550nm的波长下，图11C中所说明的实施例的吸收层中的模拟吸收比曲线1401中所展示的图11A的实施例的吸收层中的对应模拟吸收值高大致35％。因此，与图11A中所说明的实施例相比，图11B和图11C中所说明的包含光学谐振腔的实施例展示有源区域中有大致10％-35％的吸收改进。曲线1402与1403的比较展示在图11B中所说明的光学谐振腔中包含ITO层的实施例与图11C中所说明的光学谐振腔中包含空气或SiO2的实施例之间，图11C中所说明的实施例在吸收层1103中具有较高吸收。此结果可阐释如下：有源层或吸收层中的电场强度高。吸收层外部的光学谐振腔层中的电场快速降低但不会变成零。在具有与吸收层的带隙均等的能量的波长(例如，在300nm与800nm之间的波长)中ITO的折射率n与消光系数k的乘积低，但其不低于在具有与吸收层的带隙均等的能量的波长中空气或SiO2的折射率n与消光系数k的乘积。因此，光学谐振腔中的ITO层比空气(或SiO2)层显著地吸收更多辐射。此导致降低吸收层中的吸收。在曲线1403中可观察到，当被优化时，图11C中所展示的实施例的有源层中的模拟吸收在从500nm到700nm的波长范围中大致为90％。
图15A说明单一p-i-n接面非晶硅太阳能电池结构的图。此装置类似于米罗·泽曼(Miro Zeman)在由J.普尔特曼斯(J.Poortmans)和V.阿尔希波夫(V.Arkhipov)编辑的(约翰威立父子出版公司，John Wiley和Sons)，2006年的“薄膜太阳能电池、制造、表征和应用(Thin Film Solar Cells，Fabrication，Characterization & Applications)”的第五章第205页中所揭示的装置，不同之处在于PV电池包含多个ITO层(其替换由MiroZeman揭示的TCO层和ZnO层)。图15A中所展示的实施例包含纹理化玻璃衬底1501、大致900nm厚的第一ITO层1502、大致330nm厚的p-i-n接面(其中区域1504包含α:Si)、80nm厚的第二ITO层1506和300nm厚的Ag或Al层1507。各种层的厚度与由MiroZeman揭示的厚度匹配，所述厚度经选择以便使由Miro Zeman揭示的整个堆叠中的总吸收最大化。此最大化通过改变各种层的厚度直到PV电池看来像是黑色来实现。图15B中说明总吸收与波长。可观察到，在PV堆叠中，所有波长被均匀地吸收。图15C中说明来自PV装置的总反射与波长。来自PV电池的总反射低且同样PV电池呈现黑色。图15D展示PV电池的吸收层或有源层1504中的吸收。图15E到图15G展示第一ITO层1502、第二ITO层1506和Ag或Al层1507中的吸收。如图15D和图15E中所说明，有源层1504中所吸收的辐射的量大致等于第一ITO层1502中所吸收的辐射的量。因此，此设计为次佳的，因为原本可能被有源层1504转换成电能的光改为在第一ITO层1502中被吸收。第二ITO层1506和Ag或Al层1507中的吸收的量可忽略。
然而，图15A的PV堆叠可通过应用上文所描述的IMOD设计的干涉原理来优化。在一些实施例中，用于p、i和n层的折射率n和消光系数k的值可大体上彼此类似，且可在优化过程中将p、i和n层考虑为具有三个相异层的组合厚度的单一层。在一个实施例中，可通过保持有源层1504的厚度恒定同时改变第一ITO层1502和第二ITO层1506的厚度来执行优化。图16A说明有源层或吸收层中所吸收的积分能量与第一ITO层1502和第二ITO层1506的厚度的轮廓曲线图1600。图16A中的每一点是当通过对应x(水平)和y(垂直)轴给出第一ITO层1502和第二ITO层1506的厚度时有源层中的积分吸收(波长上积分的吸收)。阴影越淡，有源层的总吸收越大。在轮廓曲线图1600中，当第一ITO层1502和第二ITO层1506的厚度分别大致为54nm和91nm时，实现最大吸收1610。因此，当第一ITO层1502的厚度从900nm显著减小到54nm时，发生增加的或最佳吸收效率。图16A的曲线图展示：与常规看法相反，有源层中的吸收不会随着ITO层的厚度的增加而线性地增加。相反，吸收随着厚度非线性地改变且可能存在使有源层中的吸收最大化的ITO厚度的最佳厚度。有源层1504中的吸收的增加很大程度上由于第一ITO层中所吸收的辐射的量的显著减小。因此可使用轮廓曲线图1600来确定堆叠中的电极层的所需或最佳厚度以便增加特定有源层1504中的吸收效率。
图16B展示优化的PV堆叠的有源层中的吸收。图16A与图15D的比较展示：优化的PV堆叠的有源层中的吸收增加了非优化PV堆叠的有源层中的吸收的大致两倍。图16C展示优化的PV堆叠中的总吸收与波长。吸收曲线展示红色周围的波长区域中的较少吸收。因此，观测优化的PV堆叠的观测者将观察到，PV电池显红黑色(与非优化PV堆叠的完全黑色外观相对比)。此实例证明：在一些实施例中，显黑色的PV电池不一定在有源层中具有最高吸收量。在一些实施例中，有源层中的最高吸收量伴随着具有除全黑外的某一颜色的装置出现。有利地，在某些实施例中，如上所述，PV吸收体中的能量的增加的吸收导致PV电池的总能量转换效率的线性增加。
图17说明类似于图11A中所说明的装置的光伏装置1700的图。图17的光伏装置1700包含包括有源区域1701的薄膜层，有源区域1701包含Cu(In，Ga)Se2(“CIGS”)(p-型层)1706，和CdS(n-型层)1707，其中有源区域1701未经优化以实现有源区域中的最大吸收效率。图17中所展示的光伏装置类似于由Krc等人在“Cu(In，Ga)Se2太阳能的光学和电模拟(Optical and Electrical Modeling of Cu(In，Ga)Se2 Solar Cells)”(光电子学和量子电子学，OPTICAL AND QUANTUM ELECTRONICS)，((2006)38：1115-1123(“Krc等人”))中所揭示的装置。此实施例包含玻璃衬底1702、ITO或ZnO电极层1703、多晶Cu(In，Ga)Se2(CIGS)(p-型层)2206、CdS(n-型层)1707和Mo或Al反射体层1708。
图18A到图18C包含由Krc等人报告的装置中的CIGS(p-型层)1706和CdS(n-型层)1707的模拟吸收率与波长的一系列曲线图。图18A展示在大致400nm到大致800nm的波长范围上的CIGS(p-型层)1706中大致60％的吸收率。从大致500nm到大致700nm，实现几乎70％的吸收率。图18B说明在大致400nm到大致800nm的波长范围上的CdS(n-型层)1707吸收率的曲线图，其中实现0％与20％的吸收率的范围。图18C说明在大致400nm到大致800nm的波长范围上的用于有源区域1701的总吸收率的曲线图。在此范围上实现平均大致70％的吸收率。图18A的模拟曲线图的结果几乎等同于如Krc中报告的图2中所说明的CIGS层的所测量的吸收率。如下所述，当在图17的实施例中将光学谐振腔放置于有源区域1701与反射体层1708之间时，显著地改进Krc中和图18A到图18C中所说明的所测量的吸收率和模拟吸收率。
图19A说明将光学谐振腔1910添加于图17的有源区域1701与反射层1708之间之后的光伏装置1900A的图。明确地说，根据上文所描述的IMOD设计的原理优化光伏装置1700。在此实施例中，光学谐振腔包含透明ITO或ZnO。包含CdS(n-型层)1907和CIGS(p-型层)1906的有源层1901的厚度和光学性质(例如，折射率n和消光系数k)不改变。在另一实施例中，优化过程不变更玻璃衬底1902和Mo或Al反射层1908的参数(例如，厚度和折射率)。改变ITO或ZnO电极层1904和光学谐振腔1910的厚度且借此增加有源区域1901中的吸收。ITO或ZnO电极层1904的优化厚度大致为30nm且光学谐振腔1910的优化厚度大致为70nm。接着如图20A到图20C所说明，模拟CIGS(p-型层)1906和CdS(n-型层)1907的吸收率。图19B说明图19A的替代实施例，其中光学谐振腔1910包含气隙。
图20A到图20C包含图19A的优化光伏装置1900A中的CIGS(p-型层)1906和CdS(n-型层)1907的模拟吸收率与波长的一系列曲线图。图20A展示在大致400nm到大致800nm的波长范围上CIGS(p-型层)1906中的吸收率的模拟曲线图，其说明大致60％到90％的吸收率。图20B展示在大致400nm到大致800nm的波长范围上CdS(n-型层)1907中的吸收率的模拟曲线图，其说明0％到30％的吸收率。图20C展示在400nm到800nm的波长范围上CIGS(p-型层)1906和CdS(n-型层)1907的大致90％的总吸收的模拟曲线图。因此，通过应用上文对于图17的实施例所描述的方法，在波长范围400nm到800nm上，组合CIGS(p-型层)1906与CdS(n-型层)1907的吸收效率增加大致20％。
图21是已根据上文所描述的方法进行优化的iPV装置2100的一个实施例的图。光伏装置2100包括有源区域2101。光伏装置2100还包含玻璃衬底2102和安置于有源区域2101上的ITO层2104。有源区域2101包含CIGS(p-型层)2106和CdS(n-型层)2107。两个金属层2108A和2108B分别安置于玻璃衬底2102上(第一金属层2108A在第二金属层2108B上)。第一金属层2108A既为反射体也为电极。第二金属层2108B也为电极。电介质材料2108c可安置于反射体2108a与电极2108b之间以使这些电路径彼此电隔离。金属层2108A与2108B每一者包含Mo或Al。在此实施例中，在第一金属层2108A与有源区域2101之间产生包含气隙的光学谐振腔2110。空气具有比其它材料低的吸收、较低k。空气也具有1.0的折射率。虽然出于吸收效率的目的，气隙可为有效的，但空气为电的非导体。因此，光伏将不起从吸收的光提供电流的作用。使用用于从有源层中吸引电荷的通路来解决此问题。因此，将第一金属层2108A电连接到CIGS(p-型层)2106的通路为第一通路2111A。将第二金属层2108B电连接到ITO层2104且通过光学谐振腔2110、CIGS(p-型层)2106和CdS(n-型层)2107的通路为第二通路2111B。此第二通路2111B可被绝缘层环绕以将通路与(例如)CIGS(p-型层)2106电隔离。当优化时，ITO层2104具有15nm的厚度，CdS(n-型层)2107具有40nm的厚度，CIGS(p-型层)2106具有360nm的厚度且气隙光学谐振腔2110具有150nm的厚度。气隙光学谐振腔2110可用二氧化硅或二氧化镁或另一透明电介质(例如，MgF2或此项技术中已知的其它合适材料)来替换。在各种实施例中，使用具有低n×k值的电介质。在此类实施例中，第一通路2111A可将底电极有利地连接到CIGS(p-型吸收层)2106。在本文中所揭示的各种其它实施例以及尚待设计的包括包含非传导材料的光学谐振层(例如，光学谐振腔)的实施例中，可使用通路来提供穿过此类非传导层的电连接。
图22是图21中所说明的实施例的图，移除了通路2111B和金属电极层2108B。可(例如)通过接触顶部光学谐振层2204而进行电接触，顶部光学谐振层2204可包含例如传导氧化物的透明传导材料。
图23是除移除ITO层2104的外类似于图21的实施例的光伏装置2300的一个实施例的图。因此，光伏装置2300包含玻璃衬底2302和安置于第二金属层2308B上的第一金属层2308A，第二金属层2308B安置于玻璃衬底2302上。气隙光学谐振腔2310将第一金属层2308A与CIGS(p-型层)2306和CdS(n-型层)2307分开。如上文，第一金属层2308A为反射体以及通过第一通路2311A而电连接到CIGS(p-型层)2306的基底的电极。类似地，第二金属层2308B包含通过第二通路2311B而电连接到CdS(n-型层)2307的顶部的电极。当优化时，CdS(n-型层)2307具有40nm的厚度，CIGS(p-型层)2306具有360nm的厚度且气隙光学谐振腔2310具有150nm的厚度。类似于上文的论述，气隙光学谐振腔3010可用二氧化硅或二氧化镁或另一电介质来替换。在此类实施例中，第一通路2311A可将电极2308A有利地连接到CIGS(p-型吸收层)2306。
图24是在大致400nm到大致1100nm的波长范围上图23的光伏装置2300的CIGS(p-型层)中的模拟吸收的曲线图。所述曲线图说明CIGS(p-型层)在大致500nm到大致750nm的范围中展示出高于90％的吸收效率。
一般来说，可通过适当选择与层相关联的参数(例如，材料和尺寸)而将这些提供有源层中的增加的吸收的层包括在PV装置中。可调整这些层中的一者的一个或一个以上参数同时保持其它层的参数固定，或，在某些实施例中，可调整一个或一个以上层的一个或一个以上参数以提供有源层中的增加的吸收。在一些实施例中，可调整所有层的一个或一个以上参数以获得有源层中的增加的吸收。在各种实施例中，可在设计阶段(例如)通过计算不同参数对吸收的影响而调整这些参数。可使用优化程序。还可使用一系列其它技术来获得产生改进的性能的参数值。
图25A(例如)展示如何可将光学谐振层2506和光学谐振腔2503包括在光伏装置中且可调谐光学谐振层2506和光学谐振腔2503以提供增加的吸收。此装置是图19A和图19B中所展示的装置的更一般化型式。可改变光学谐振层2506和光学谐振腔2503的参数(例如，厚度)以干涉地调谐装置且产生有源层中的增加的吸收。
在一些实施例中，光学谐振层2506和光学谐振腔2503可包含电极层。然而，在各种实施例中，光学谐振层2506和光学谐振腔2503中的任一者或两者可包含具有产生低n×k值的低消光(或吸收)系数(k)和/或低折射率(n)的材料。光学谐振层2506和光学谐振腔2503中的一者或两者可包含(例如)低n×k值。如上所述，(例如)光学谐振腔2503可包含空气或例如SiO2等电介质或例如类似ITO或ZnO的TCO等电传导材料。也可使用具有低或大致零的k的其它材料以便提供低n×k值。其它材料是可能的。类似地，光学谐振层2506可包含空气、具有低消光(或吸收)系数(k)的电介质材料；或例如类似ITO或ZnO的TCO等电传导材料；或具有低n×k值的任何其它材料。再者，也可使用其它材料。
在某些实施例中，将混合或复合结构用于光学谐振腔和/或光学谐振层。举例来说，光学谐振腔和/或光学谐振层可包含空气/电介质、导体/电介质、空气/导体组合或混合物。
在所展示的实施例中，PV电池的有源层包含n-型CDS层2505和p-型CIGS层2504。在其它实施例中，有源层可包含其它材料。可通过使用薄膜制造技术将光学堆叠沉积于衬底2501上。衬底2502可包含玻璃或其它适宜的材料。在一些实施例中，反射体2502可沉积于衬底与光学堆叠(包含被光学谐振层环绕的有源层和光学谐振腔)的剩余者之间。反射体可由Al、Mo或例如金属或电介质的其它反射材料形成。在一些实施例中，反射体可包含单一或复合材料。
还可选择图25A的反射体2502以优化某些参数。举例来说，可选择反射体层2502的材料和厚度以便增加或优化某一波长范围上的反射率。在其它实施例中，可选择反射体以反射某一范围的波长(例如，红色)且吸收另一范围的波长(例如，蓝色)。
如上所述，光学谐振腔2503和光学谐振层2506可包含例如ITO或SnO2的TCO。在其它实施例中，光学谐振腔和光学谐振层可包含透明电介质材料或气隙或其组合。用于光学谐振腔2503和光学谐振层2506的材料不需要相同。图25B说明iPV电池的实施例，其中光学谐振腔2503包含气隙或例如SiO2等电介质材料且光学谐振层2506还包含例如SiO2等非传导层。为了提供来自有源层的电子的传导路径，如图25B中所指示提供通路2507a和2507b。iPV电池包含如图25B中所指示的反射体2502b和电极2502a。在一些实施例中，电极2502a可包含与反射体2502b相同的材料。反射体2502b和电极2502c可包含传导材料。通路2507a终止于反射体2502b上且通路2507b终止于电极2502a上。可将金属引线提供到两个反射体以提供外部电连接。电介质材料2502c可安置于反射体2502b与电极2502a之间以使这些电通路彼此电隔离。反射体2502a和2502b因此可用作用以使用通路从有源层中提取电力的电路径。在其中光学谐振层2506包含传导材料的那些实施例中，通路2507b可延伸直到光学谐振层2506。或者，在此类实施例中，可将通路2507b完全消除。
图25C说明包含安置于有源层与光学谐振腔2503之间的传导ITO层2508的iPV电池的另一实施例。通路2507a和2507b提供用于来自有源层的电子的传导路径。通路2507a将ITO层2508连接到反射体2502b而通路2507b将n-型CdS层2505连接到电极2502a。ITO层2508与光学谐振腔2503可形成如图11E到图11H中所描述的复合光学谐振腔，且因此ITO可称为光学谐振腔的一部分。
如上所述，可调整图25A到图25C中所展示的这些装置中的层中的一者或一者以上的一个或一个以上参数以使用(例如)干涉原理或由于干涉效应而提供有源层中的增加的吸收。
图26展示比图25A到图25C中所展示的装置简单的装置。此PV装置包括安置于iPV的有源层与反射体2602之间的光学谐振腔2603。iPV的有源层包含n-型CdS层2605和p-型CIGS层2604。反射体层2602可包含Al、Mo或其它金属/电介质反射材料。如上所述，光学谐振腔可包含空气、电介质材料或具有低n×k值的透明传导材料或其组合。也可使用其它材料。在一些实施例中，可移除反射体2602。如上所述，可调整此装置中的层中的一者或一者以上的一个或一个以上参数以基于(例如)干涉原理提供有源层中的增加的吸收。在一些实施例中，可排除光学谐振腔2603且仍可优化一个或一个以上层的一个或一个以上参数以提供有源层中的增加的吸收。
可基于不同层的光谱性质而选择不同层的参数。举例来说，金在红色周围的波长区域中具有高消光系数(k)且在蓝色周围的波长区域中具有相对低的消光系数(k)。然而，金的折射率(n)在红色周围的波长区域中低且在蓝色周围的波长区域中高。因此，金在红色周围的波长区域中的乘积n×k低且在蓝色周围的波长区域中的乘积n×k高。因此，包含金的反射体将主要反射红色周围的波长且吸收蓝色周围的波长。因此，可通过选择用于反射体的材料而使用反射体来调谐吸收，所述反射体的材料在对应于有源层的有用光学吸收范围的波长范围中具有低n×k值(其中光被吸收且转换成电力)且在并非为有源层的有用光学吸收范围中的波长中具有高n×k值(例如，其中光能经转换成热，此可降级装置的操作)。举例来说，如果不让蓝光进入iPV装置中为有利的，那么可能需要形成金的反射体1104。在一些实施例中，可选择反射体材料以便吸收红外线波长。
同样，如上所述，特定间隙距离的选择将决定特定颜色(例如，红色、绿色或黑色)是否被反射体层(例如，图11B到图11H的1104)反射。举例来说，可选择间隙距离以使得反射体在对应于有源层或吸收层的带隙的波长区域中反射入射光的实质部分且实质部分随后被有源层/吸收体吸收且因此IMOD呈现黑色。然而，与旨在增加太阳能电池的效率的常规方法相反，上文所描述的优化iPV装置以用于有源层中的增加的吸收的方法可能并不总是与完全呈现黑色的装置相关联。在一些实施例中，装置可(例如)呈现红黑色或其它颜色。
如所众所周知的，不管光子的能量如何，只要光子的能量大于有源区域的带隙，对于有源区域所吸收的每个光子来说，均仅可产生一个电子-空穴对。如果光子的能量高于有源区域的带隙，那么光子的能量与有源区域的带隙能量之间的差对总光电流并无帮助，且(例如)因转换为热而浪费。然而，具有小于有源区域的带隙的能量的太阳辐射未被吸收且不产生任何电子-空穴对以有助于PV电池的光电流。因此，对于有源材料的给定半导体材料(例如，硅)来说，仅与半导体的带隙匹配的光子能量的吸收将提供以100％效率操作的PV电池。然而，太阳光谱横跨大得多的波长范围，其包括(例如)从约200纳米到约2200纳米。由于通过有源区域的材料的带隙的大小来确定PV电池所吸收的太阳光谱的部分，所以可通过包括各自具有不同带隙的多个有源区域来增加使用的PV电池的效率。可将此类PV电池称为多接面装置。
图27说明常规多接面光伏装置2700的图。光伏装置2700包含玻璃衬底2702、透明电极2704A和2704B、有源层2706A、2706B和2706C以及反射层2708。在此实施例中，衬底2702包含玻璃，第一和第二透明电极2704A和2704B包含ITO，且反射层2708包含Al。第一有源层2706A经配置以吸收蓝光，第二有源层2706B经配置以吸收绿光且第三有源层2706C经配置以吸收红光和红外光。在一些实施例中，有源层2706A、2706B和2706C包含具有用于红色、绿色或蓝色的不同带隙的类似材料。在一些实施例中，有源层2706A、2706B和2706C包含不同材料系统，例如硅、GaAs或此项技术中已知的其它材料的组合。
在多接面光伏装置中，存在用于优化光伏装置的接面中的每一者中的能量吸收的众多方法。举例来说，一种方法可为将光学谐振腔安置于多接面有源层(例如，2706A-2706C)的组合堆叠与反射体2708之间。另一方法可为将光学谐振层安置于形成多接面光伏装置的每一有源层之间且将光学谐振腔安置于光伏装置的最后的有源层与反射体之间。下文详细描述这两种方法。
图28A说明图27中所说明的多接面光伏装置的一个优化型式的图。在此实施例中，三个吸收体/有源层2806A、2806B和2806C经配置以吸收“蓝色”、“绿色”和“红色与红外线”波长范围中的光。这些吸收层夹在第一光学谐振层2804A与第二光学谐振腔2804B之间。光学谐振层2804A和光学谐振腔2804B可包含透明传导电极、ITO、气隙、SiO2或其它材料。如果光学谐振层或光学谐振腔包含非传导材料，那么可使用如图28B中所展示的通路来提供电连接性。标签“红色、绿色和蓝色”仅指代波长的范围且并非为(例如)红色的真实波长范围。有源层可吸收其它波长。另外，可包括更多更少的有源区域。其它变化是可能的。
图29A说明多接面光伏装置的一个优化型式的图，其中光学谐振层安置于每一有源层之间以及顶部有源层与衬底之间，且光学谐振腔安置于底部有源层与反射体之间。举例来说，光学谐振层2904A安置于衬底2902与接面2906A之间。类似地，已添加光学谐振层2904B和2904C以形成光学谐振层与有源层2906A、2906B、2906C的交替堆叠。光学谐振腔2905安置于最后的有源层2906C与反射体2908之间。每一光学谐振层2904A-2804C和光学谐振腔2905可包含(例如)ITO、气隙、SiO2或其它介质。如果光学谐振层或光学谐振腔包含非传导材料，那么可使用如图29B中所展示的通路来提供电连接性。因此，光伏装置2900的光学堆叠包含包括ITO的光学谐振层2904A、经配置以吸收蓝光范围中的波长的有源层2906A、光学谐振层2904B、经配置以吸收绿光范围中的波长的有源层2906B、光学谐振层2904C、经配置以吸收红光和红外光的范围中的波长的有源层2906C、光学谐振腔2905和反射体层2908。可基于上文所描述的干涉原理优化多接面光电二极管。在多接面光伏装置的此所模拟的优化图中，(例如)可通过改变存在于光学堆叠中的其它层中所用材料的厚度而增加每一有源层的吸收率。光伏装置进一步包括绝缘体2908C和电极2908A。
在一些实施例中，多接面光电二极管包括比图29A中所展示少的光学谐振层。举例来说，在一个实施例中，可将光学谐振层2904A安置于衬底2902与有源层2906A中的一者之间且可排除其它光学谐振层2904B和2904C。在另一实施例中，可将光学谐振层2904B安置于有源层2906A与2906B之间且可排除其它光学谐振层2904A和2904C。在另一实施例中，可将光学谐振层2904C安置于有源层2906B与2906C之间且可排除其它光学谐振层2904A和2904B。在其它实施例中，可包括光学谐振层2904A、2904B、2904C中的一者以上且可排除一者。可包括光学谐振腔2905或将其从所述实施例中的任一者中排除。可包括更大或更少数目的有源层。这些有源层可由除光学谐振层外的层分开。可使用更大或更少数目的光学谐振层。有源层、光学谐振层和光学谐振腔的数目、布置和类型因此可改变且可取决于设计和/或优化过程。如上所述，标签“红色、绿色和蓝色”仅指代波长的范围且并非为(例如)红光、绿光和蓝光的真实波长。有源层可吸收其它波长，其它变化是可能的。
如上所述，可在设计和制造阶段中使用上文所描述的方法优化光伏装置的不同实施例中的每一层的组成和/或厚度以增加有源层中的吸收和降低反射。(例如)可使用如上所述的IMOD设计原理来优化iPV实施例。在一些实施例中，可提供MEMS引擎或平台以在iPV电池在操作中时动态地改变这些实施例中的光学谐振腔或层的厚度。因此可由于干涉效应而改进上文所描述的iPV实施例。PV吸收体/有源区域中的能量的吸收的增加可导致iPV装置的总效率的增加。
然而，所述设计并非在每个方面中真正最佳。举例来说，在其中在光学谐振腔中包含TCO层的那些实施例中，电损失可为可忽略的。然而，TCO可引入某一光学损失。在光学谐振腔中包含空气或SiO2的实施例可展示出由于通路的存在而产生的光学吸收的小降低。在一些实施例中，用于电连接的通路的存在可导致光学孔径损失。
在iPV装置的一些实施例中，有源层中的增加的或优化的吸收效率可不必取决于入射光相对于iPV装置的定向。举例来说，当入射光大体上垂直于iPV装置时的吸收效率可大致与入射光为高掠入射时(例如，距iPV装置的法线大致89度)的吸收效率相同。光伏电池的定向因此不需要完全对准以实现最佳吸收效率。然而，入射角确实影响到达有源层的光的强度且因此影响可供有源层吸收的能量，到达光伏电池的光越少，可供有源层吸收的能量越少。因此，应强调，对于给定面积的光伏装置，在无主动追踪的情况下(例如，移动光伏装置以与太阳光路对准)，当入射角θi增加时，总吸收能量按因子cos(θi)减少。
然而，在一些实施例中(其中吸收效率依据入射角而改变)，可使用IMOD原理和干涉效应设计iPV堆叠以用于特定入射角。举例来说，可调整光学谐振腔的厚度以致使对以非法线角入射在装置上的所需波长的光的增加的吸收。在一些实施例中，光学腔可为可变的(与固定的相反)，以便适应(例如)白天的不同时间的太阳的不同入射角。
本文中所描述的原理可适用于完全反射(例如，不透明的)PV装置以及透射PV装置两者。
图30说明常规半透明PV电池。如本文中所使用，术语“半透明”指代部分光学透射且并不限于50％透射。通过将光吸收层3004夹在两个透明传导氧化物(TCO)层3005与3002之间来形成图30中所展示的半透明PV电池。可将堆叠层安置于衬底3001上。可在TCO层3005上提供金属引线3007以用于进行电连接。可在本文中所描述的所有实施例中提供类似于3007的金属引线，其具有包含传导材料的顶部光学谐振层。同样也可在其它实施例中使用此类金属引线。举例来说，在其中顶层包含非传导材料的实施例中，可在顶部非传导层上提供类似于3007的金属引线且可(例如)经由通路将所述金属引线电连接到电极层。
为了使用光学干涉的原理和IMOD设计原理优化图30的半透明PV电池，一种方法可为如图31中所说明的将光学谐振腔3103安置在光吸收层3104与反射层3102之间。在一些实施例中，顶部电极层3105可为包含透明传导电极的光学谐振层。顶部电极层3105可包含(例如)ITO或ZnO。在一些实施例中，可在顶部电极层3105上安置AR涂层。可使用包含PV电池(其包括光学谐振腔3103、反射体层3102、有源层3304)的各种层的提供有源层中的增加的吸收的厚度和材料性质(例如，折射率n和消光系数k)。反射体的厚度可控制透明度。举例来说，与具有相对厚的反射体层的反射体相比，具有非常薄的反射体的iPV装置可具有较高的透明度。可减小反射体层的厚度以产生半透明iPV装置。举例来说，在一些实施例中，半透明iPV装置中的反射体的厚度可在5nm与25nm之间的范围中。在某些实施例中，半透明iPV装置中的反射体的厚度可在1nm与500nm之间的范围中。在各种实施例中，反射具有至少10％、20％、30％、40％或40％以上的反射率。在某些实施例中，反射体具有50％、60％、70％、80％、90％或90％以上的反射率。在一些实施例中，可用与不透明PV电池相比较薄的PV材料来设计半透明PV电池。可将反射体层的厚度并入设计(例如，优化、计算)中以用于增加有源层中的吸收。由于增加的吸收效率，根据上文所描述的方法进行设计的半透明PV电池可比图30中所描述的常规PV电池更有效。在本文中所描述的其它实施例以及尚待设计的实施例中，PV电池可至少部分透明或光学透射。
(例如)可通过上文所描述的方法使图28A到图29B中所展示的多接面PV部分光学透射。图32A还展示可至少部分光学透射的多接面PV电池的实施例。图32A中所展示的实施例包含包括三个有源层或吸收层3204a、3204b和3204c的多接面有源材料。所述三个吸收层可吸收具有不同频率的光。举例来说，层3204a可吸收具有红色和IR区域中的频率的光，层3204b可大体上吸收具有绿色区域中的频率的光且层3204c可大体上吸收具有蓝色区域中的频率的光。在替代实施例中，有源层可吸收其它波长。反射体3202安置于多接面有源材料的下方。光学谐振层3205安置于多接面有源材料的上方。可使用上文所描述的干涉式原理选择或优化光学谐振层3205的厚度和材料组成以便可使有源材料中的吸收增加或最大化。在图32A中所展示的实施例中，光学谐振层可包含例如TCO或透明传导氮化物等透明传导材料。然而，在其它实施例中，光学谐振层可包含例如SiO2或气隙等透明非传导电介质。在其它实施例中，光学谐振层可包含如上所述的复合结构。可使用其它材料和设计。在其中光学谐振层包含非传导材料的那些实施例中，可如图32B中所展示使用通路3206来提供电连接。可如图32A和图32B中所展示将光学堆叠安置于衬底3201上。衬底可如上所述为光学透射的或不透明的。
可在本文中所揭示的其它设计中使用部分透射的反射体层。举例来说，可在具有单一有源层的PV装置中使用部分光学透射的反射体层。其它配置是可能的。如图32A说明，PV电池可包括一个或一个以上光学谐振层且无光学谐振腔。因此，在本文中所描述的各种PV电池中可排除光学谐振腔。
虽然在本文中所描述的各种实施例中，已如上所述优化有源层中的吸收，但在某些实施例中，可通过另外考虑例如收集效率等其它因素的影响而增加或优化总效率。举例来说，可调整一个或一个以上参数以增加吸收效率与收集效率两者的集合效应。在此类实施例中，(例如)可在优化过程中监视总效率。然而，也可使用其它优值且可将所述其它优值并入优化、设计或制造过程中。
如上所述，可将积分所述装置的装置或系统模拟且执行计算以评估装置或系统的性能。在一些实施例中，可测量实际性能。举例来说，可通过与接触有源层的电极进行电连接而测量总效率。在图31中展示(例如)使金属引线3107中的一者与也为电极的反射体3102电接触的电探针3110和3112。电探针3110和3112电连接到测量PV装置的电力输出的电压表3114。对于本文中所揭示的不同实施例，可使用类似布置。可进行到金属引线、通路、电极层等的电接触以测量电输出信号。也可使用其它配置。
本文中所描述的方法和结构的广范围的变化是可能的。
因此，在本文中所描述的各种实施例中，可使用干涉技术来改进光伏装置的性能。在一些实施例中，安置于有源层与反射体之间的光学谐振腔可增加有源层中的吸收。然而，如上所述，定位于其它地方的光学谐振层也可提供一个或一个以上有源层中的吸收的增加且对应地增加效率。因此，如上所述，可调整一个或一个以上层的一个或一个以上参数以增加(例如)装置在将光功率转换成电功率的过程中的效率。这些一个或一个以上层可为常规光伏装置中所使用的层且并非为添加到此类结构以获得改进的性能的层。因此，光学谐振层并不限于被添加到结构以获得改进的层。另外，光学谐振层并不限于上文所描述的层，而可包括经调谐以使用干涉原理提供有源层中的增加的吸收的任何其它层。光学谐振层或腔还可具有例如作为电极操作的其它功能。可实施设计或优化以增加一个或一个以上有源层中的吸收和效率。
另外，虽然在上文将各种技术描述为提供优化，但本文中所描述的方法和结构不限于真实的最佳解决方法。所述技术可用于增加(例如，但并不一定最大化)有源层中的吸收或装置的总光学效率。类似地，技术可用于降低(且并不一定最小化)除有源层外的层中的吸收。类似地，所得结构不一定为最佳结果，但仍然可展示出改进的性能或特征。
然而，本文中所揭示的方法和结构提供广范围的益处，包括用于一些光伏装置的性能优点。举例来说，可通过在PV电池中使用光学谐振腔或其它光学谐振层而改进光伏装置的吸收效率。在一些实施例中，(例如)在存在至少一个光学谐振腔或层的情况下，有源层的吸收效率增加至少约20％。在此，在太阳光谱中的波长上积分吸收值。在一些其它光伏装置中，由于光学谐振腔或层的存在，太阳光谱中的波长上积分的吸收效率可增加至少25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或90％以上。在其它实施例中，增加可为5％或5％以上、10％或10％以上，或20％或20％以上。对于一些实施例，当在较小波长范围上积分时，这些值同样可适用。
因此，可应用干涉原理来增加或优化一个或一个以上波长下有源层的效率。举例来说，有源层中的至少一者可经配置成以大于0.7的吸收效率吸收大致400nm的波长的光。有源层中的至少一者可经配置成以大于0.7的吸收效率吸收400nm与450nm之间的或350nm与400nm之间的波长的光。在一些实施例中，有源层可经配置成以大于0.7的吸收效率吸收350nm与600nm之间的光。在其它实施例中，可对于250nm与1500nm之间的单一波长或者对于250nm与500nm之间的波长范围中的至少50nm、100nm或500nm的带宽增加或优化吸收效率。对于一些实施例，当在较小波长范围上积分时，这些值同样可适用。
光伏装置的总效率同样可增加。举例来说，在一些光伏装置中，在具有适宜的光学谐振层的情况下，太阳光谱中的波长上积分的总转换效率可增加至少15％、20％、25％或30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或90％以上。在某些实施例中，增加可为5％或5％以上，或10％或10％以上。在一些实施例中，光伏装置的总转换效率大于0.7、0.8、0.9或0.95。在其它实施例中，总转换效率可较少。举例来说，总转换效率可为至少0.3、0.4、0.5、0.6或高于0.6。在一个实施例中，总转换效率可为0.1或0.2或高于0.2。对于一些实施例，当在较小波长范围上积分时，这些值同样可适用。
可由于光学干涉而获得有源层中的太阳能的吸收的至少5％、10％、20％、25％、30％或30％以上的增加。可通过在太阳光谱上积分来确定这些吸收值。对于一些实施例，当在较小波长范围上积分时，这些值同样可适用。
在一些实施例中，当光伏装置曝露于例如太阳光谱等电磁辐射时，至少一个光学谐振腔或层的存在可将有源层中的平均场强增加至少20％、25％或30％。在其它实施例中，平均场强的增加为至少40％、50％、60％、70％、80％、90％或90％以上。在某些实施例中，增加为5％或5％以上、10％或10％以上，或15％或15％以上。如下所述，在感兴趣的特定层(例如，有源层)的厚度上平均对应于电场的平均电场强度。对于一些实施例，当在较小波长范围上积分时，这些值同样可适用。
在某些实施例中，至少一个光学谐振腔或层的存在可产生太阳光谱上积分的平均电场强度的增加，所述增加对于有源层比太阳光谱上积分的平均电场强度的所述增加对于光伏装置中的任何其它层要大。在一些实施例中，光伏装置的有源层中的平均电场强度可增加无光学谐振层的PV电池的有源层中的平均电场强度的至少1.1倍。在一些其它实施例中，光伏装置的有源层中的平均电场强度可为无光学谐振层的PV电池的有源层中的平均电场的至少1.2倍或1.3倍。在其它实施例中，增加为无一个或一个以上谐振层的PV电池的有源层中的平均电场的至少1.4倍、1.5倍、1.6倍或1.7倍。对于一些实施例，当在较小波长范围上积分时，这些值同样可适用。
在一些实施例中，光伏装置的除有源层外的另一层中的平均电场强度的增加可较大。然而，在此类实施例中，光伏装置的此其它层中的吸收可小于有源层中的吸收。在某些实施例中，有源层中的平均电场高于任何其它层中的平均电场，但在其它实施例中，除有源层外的层具有最高平均电场强度。可对于太阳光谱上或较小波长范围上的波长实现此类条件。
在所揭示的各种实施例中，由有源层吸收的光功率得以增加。在某些实施例中，由有源层吸收的光功率的增加大于由光伏装置的所有其它非有源层吸收的组合光功率的增加。由有源层吸收的光功率的增加可为PV装置中的任何其它层的吸收的光功率的增加的1.1倍以上、1.2倍以上或1.3倍以上。在其它实施例中，增加为PV电池中的任何其它层的吸收的光功率的增加的1.4倍以上、1.5倍以上、1.6倍以上或1.7倍以上。
如上所述，可通过在太阳光谱上积分来确定这些值。另外，可对于称为“气团1.5”的标准太阳辐射来确定这些值。
如上所提及，在某些实施例中，在小于太阳光谱的波长范围上，这些值适用。所述值可适用于(例如)可见波长光谱、紫外线波长光谱或红外线波长光谱。所述值可适用于100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm或1000nm以上的波长范围。所述值同样可适用于更大或更小的波长范围。因此，在某些实施例中，当在除整个太阳光谱外的较小波长范围上积分参数(例如，吸收效率、总效率、电场、光功率等)时，这些值适用。
另外，这些值可用于一个或一个以上有源层。举例来说，可设计PV电池以同时或分开地增加一个或一个以上有源层(例如，p型层、内在半导体层或n型层)中的吸收。因此，这些值可个别地适用于这些层中的任一者或这些层的任何组合。
类似地，一个或一个以上光学谐振层可有助于本文中所叙述的性能级。同样，上文所列的性能值可取决于一个光学谐振层或两个或两个以上光学谐振层的群组的一个或一个以上设计参数的存在。
如上所述，需要通过增加传递到半导体材料和半导体材料所吸收的光子的总量来增加或最大化PV电池的电输出。在例如图27中所示的包含各自具有不同带隙的多个有源层的多接面PV装置中，可通过将具有合适波长的光子传递到相应有源层来增加效率。举例来说，在包含红色、绿色和蓝色有源层的多接面PV装置中，可通过将红光传递到红色有源层、将蓝光传递到蓝色有源层且将绿光传递到绿色有源层来改进效率。本文中将此方法称为波长多路分解。
根据本发明的实施例，光学滤光片可用以光谱上多路分解入射光且增加或最大化有源层中的吸收。明确地说，二向色滤光片或二向色反射体经配置以选择性地反射某些光频率，同时透射其它频率。举例来说，红色、绿色和蓝色滤光片可用以将红光、绿光和蓝光选择性地传递到相应红色、绿色和蓝色有源层。
二向色滤光片可包含干涉滤光片，其包含多个透明薄膜或涂层。各种实施例包含四分之一波堆叠。四分之一波堆叠包含具有以指定光颜色的波长的四分之一为增量而选择的厚度的多个膜。干涉滤光片膜可包含交替的具有高折射率和低折射率的材料(例如，高-低-高-低-高-低…)。来自膜的各种界面的反射针对不同波长而建设性或相消地干涉。因此，可控制光的特定波长的透射或反射。因此，可将此类四分之一波堆叠设计为低通滤光片、高通滤光片或带通滤光片。举例来说，这些堆叠可为反射性滤光片，其反射特定光谱范围且透射另一光谱范围。
图33说明通过将具有高和低折射率(标记为H和L)的多个材料膜涂覆到例如玻璃等透明衬底上而形成的二向色干涉滤光片的图。线a表示入射光，且线b表示入射光从第一高折射率膜的反射。线c表示入射光从下一低折射率膜的反射；线d表示入射光从下一高折射率膜的反射；线e表示入射光从下一低折射率膜的反射；且线f表示入射光从下一高折射率膜的反射。如图所示，沿着线b的光与沿着线c到f的光同相，使得所述光之间将发生建设性干涉。另一方面，如果任何两个反射光波相位相差180°那么其振幅在相消干涉中可相互抵消且引起为零的净振幅。如图33中所示，来自衬底上的每个二向色滤光片层的所有反射光为同相的。此外，由于击中二向色滤光片的所有光被反射或被透射，所以与例如包含吸收染料的吸收滤光片对比，二向色滤光片吸收可忽略量的能量。出于说明性目的将图33简化。举例来说，包括背反射的多个反射可有助于净效应。
因此，通过使用例如图33中所示的二向色干涉滤光片，可传递具有合适波长的待由有源层吸收的光的增加量。同样，可通过布置此类二向色滤光片来增加PV电池的吸收效率，所述二向色滤光片经配置以选择性地反射与上覆有源PV层的波长匹配的光波长以进一步增强那些层中的吸收。
举例来说，为了形成反射绿光的特定波长且透射其它波长的二向色干涉滤光片，可使用包含交替的具有不同折射率的材料(例如，二氧化钛(折射率2.4)和氟化镁(折射率1.4))的多个薄膜层对。在某些实施例中，每一薄膜层将具有为(例如)绿光的波长(滤光片针对其而设计)的四分之一的厚度。两个介质之间的界面处的反射光的百分比的方程式为
                    R％＝(n2-n1)2/(n2+n1)2
其中n2和n1为两种介质的折射率。根据此方程式，来自使用二氧化钛和氟化镁的折射率的每一对高和低折射率材料的反射为7％。因此，将沉积至少十四层以实现选定绿色波长处的90％反射。尽管可使用更多层，但二向色滤光片可包含约2到约100层。还可视需要使二向色滤光片的针对反射光的反射带或针对透射光的通带为宽或窄。举例来说，在靠近选定绿色峰值波长的波长处包括额外层可提供绿色的更饱和且狭窄的带通。由于增加高和低折射率层对的数目可增加带通的宽度和二向色滤光片的反射率，所以这些参数可小心控制。还可通过选择用于高和低折射率对的材料来控制带通的宽度和反射率。用于反射绿色的以上实例仅为说明性的且也可应用于其它颜色。
图34说明根据本发明的各种实施例具有呈堆叠配置的二向色滤光片的多接面PV装置3400的图。PV装置3400包含衬底3401、电极3402和反射层3409。在一些实施例中，此反射层3409可为宽带反射体。衬底3401可包含玻璃，电极3402可包含透明传导氧化物，且反射层3409可包含Al且还充当背触点。所述装置在一些方面类似于图27的多接面PV电池，且包括经配置以吸收蓝光的第一有源层3403、经配置以吸收绿光的第二有源层3405和经配置以吸收红光的第三有源层3407。然而，图34还包括二向色滤光片层3404、3406和3408，其选择性地反射在一反射带内的可由直接上覆或最近的上覆有源层吸收的光。因此，第一二向色滤光片层3404经配置以将蓝光反射回到第一有源层3403且将光的剩余部分(例如，太阳光谱)透射到光学堆叠的下伏层。第二二向色滤光片层3406经配置以将绿光反射到第二有源层3405且将光的剩余部分(例如，太阳光谱)透射到下伏层。第三二向色滤光片层3408经配置以将红光和红外光反射到第三有源层3407且将任何未被吸收光的剩余部分透射到反射层3409。通路(未图示)形成于所述有源层之间以用于电连接。这些通路穿过可包含电介质材料的堆叠的二向色滤光片。
因此，当照射PV电池3400时，入射光首先穿过衬底3401和电极层3402且进入有源层3403中，有源层3403具有对应于蓝光的能量的带隙。具有大于或等于此带隙的能量的光子首先吸收于有源层3403中。剩余光递送到二向色滤光片3404，其中在第一次透射期间未被吸收的蓝光的光子经反射回到有源层3403中。剩余光接着从二向色滤光片3404递送到有源层3405，有源层3405具有对应于绿光的能量的带隙。具有大于或等于此带隙的能量的光子吸收于有源层3405中。剩余光递送到二向色滤光片3406，其中在第一次透射期间未被吸收的绿光的光子经反射回到有源层3405中。剩余光接着从二向色滤光片3406递送到有源层3407，有源层3407具有对应于红光或红外光的能量的带隙。具有大于或等于此带隙的能量的光子吸收于有源层3407中。剩余光递送到二向色滤光片3408，其中在第一次透射期间未被吸收的红光或红外光的光子经反射回到有源层3407中。剩余光接着从二向色滤光片3408递送到反射层3409，反射层3409将任何未被吸收的光子反射回到光学堆叠3400的上覆层。多接面PV装置的其它实施例可包含比如图34中所示的多或少的有源层以及多或少的二向色滤光片。
二向色滤光片3404、3406、3408还可反射在相反方向上传播的光。举例来说，从绿色二向色滤光片反射的在第二次通过绿色有源层3405时未被吸收的绿光将从递送蓝色且反射来自此方向的其它波长的蓝色二向色滤光片3404反射。类似地，从红色二向色滤光片3408反射的在第二次通过红色有源层3407时未被吸收的红光将从递送绿色且反射来自此方向的其它波长的绿色二向色滤光片3406反射。
可通过使用如上所述应用于PV电池中的层的干涉原理来进一步优化图34的多接面PV装置中的能量吸收。可干涉地调谐光伏电池中的所述层，以使得来自PV装置中的层的界面的反射相干地总计以在有源区域中产生增加的电场，借此进一步增加装置的效率。如上所述，在各种实施例中，一个或一个以上光学谐振腔和/或光学谐振层可包括于光伏装置中以增加有源区域中的电场集中和吸收。光学谐振腔和/或层可包含(例如)二向色滤光片或二向色反射体。
图35说明多接面PV装置3500的框图，多接面PV装置3500包含玻璃衬底3502、透明传导电极3504、有源层3506a到3506z、二向色滤光片3508a到3508z和反射层3510。针对覆盖从约450nm到约1750nm的太阳光谱的范围，有源层的带隙经展示为以50nm的波长增量减少。所说明实施例中的二向色滤光片层3508a到3508z经配置以反射具有与直接上覆或最近上覆有源层3506a到3506z的带隙相同的能量的光。其它实施例可包括吸收来自约450nm到约1750nm的波长范围的光的光学堆叠，但其具有更多或更少有源层，且具有以更小或更大波长增量减少的带隙。举例来说，根据实施例的光学堆叠可包含至少5个有源层、至少8个有源层或至少12个有源层。根据其它实施例，光学堆叠中的有源层的带隙可减少小于约200nm、约100nm或约50nm的其它波长增量。
针对光电池，二向色滤光片另外包含光学谐振层或腔。举例来说，二向色滤光片的厚度和材料组成可经选择以便向从PV电池的其它层反射的光的相干总计提供合适贡献，从而以如上所述的方式基于干涉性质来提供有源层中的增加的吸收。因此，在图35中将这些滤光片称为二向色谐振层或腔。在一些实施例中，二向色滤光片增加最近上覆有源区域中的光的吸收。
还可通过除二向色滤光片外还包括光学谐振层或腔来使用上文所述的干涉原理增加多接面PV装置中的能量吸收。图36说明根据本发明的各种实施例的多接面PV装置3600的图，多接面PV装置3600包含呈堆叠配置的多个有源区域、多个二向色滤光片、反射体或镜面和多个光学谐振腔。PV装置3600包含衬底3601、电极3602、有源层3603、3606和3609，光学谐振腔层3604、3607和3610，以及二向色滤光片、反射体或镜面层3605、3608和3611，和反射层3612。在此实施例中，每一有源层具有对应的二向色滤光片和与其相关联的光学谐振腔，但其它配置是可能的。注意，此几何形状类似于上文所述的几何形状，其中光学谐振腔被夹在有源层与反射体之间。参见(例如)图11B到图11J。在图36中所示的实施例中，第一有源层3603经配置以吸收蓝光，第二有源层3606经配置以吸收绿光，且第三有源层3609经配置以吸收红光。图34与图36之间的唯一差异为有源层与对应二向色滤光片对之间的光学谐振腔层的添加，反射体或镜面层具有与直接上覆有源层的带隙匹配的反射带。
如上所述，通过使用干涉原理，光学谐振腔3604、3607和3610可经调谐以增加到每一光学谐振腔的直接上覆或最近上覆有源层中的吸收。举例来说，光学谐振腔的厚度和材料组成可使得来自PV电池中的层的反射光的相干总计产生最近上覆有源层中的光强度和吸收的增加。因此，光学谐振腔层3604、3607和3610的厚度和材料可经选择以增强直接上覆或最近上覆有源层内的强度和场强，使得分别基于上文所述的各种方法，有源层3603中蓝光的量增加，有源层3606中绿光的量增加，且有源层3609中红光的量增加。尽管在一些实施例中，将主要调谐光学谐振腔以增加最近上覆层中的吸收，但在其它实施例中，光学谐振层可影响其它有源层，且可考虑其它有源层中的光吸收。
因此，可基于上文所论述的干涉原理来优化多接面PV装置3600。在本发明的各种实施例中，可通过调谐除光学谐振腔层的厚度或材料外的光学堆叠的其它层的一者或一者以上的厚度或材料来增加有源层的每一者中的吸收。在某些实施例中，例如，可连同光学谐振腔层3604的厚度和材料一起选择性地调谐有源层3603和二向色滤光片3605的厚度和材料，以干涉地增加有源层3603中蓝光的强度以及(因此)吸收。可针对有源层3606和3609执行相同的干涉调谐方法。同样，如上所述，可考虑其它层对有源层的效应。此外，在一些实施例中，可基于干涉原理来优化图34或图35的多接面PV装置。即，光学堆叠3400或3500中的二向色滤光片层和有源层的厚度或材料可经选择以干涉地增强有源层的每一者中的光的强度。在各种实施例中，使用例如上文所述方法的模拟和优化方法且其可包括PV电池中的层的一者或一者以上、全部或大体上全部的效应。类似地，可调谐PV电池中的层的一者或一者以上、全部或大体上全部。可约束一个或一个以上层的一个或一个以上参数。
在一些实施例中，有源层可包含单一材料，然而，在其它实施例中，多个有源层可包含合金或经掺杂系统以渐进或递增地改变带隙。举例来说，一种半导体材料可与另一种半导体材料熔合以形成具有在两种半导体的带隙之间的带隙的范围的材料，这视两种材料的相对浓度而定。可改变合金中的组份的比率以改变带隙。此变化可为渐进的，以提供带隙和吸收波长的分级。图37说明根据本发明的各种实施例的呈堆叠配置的多接面PV装置3700的图。PV装置3700包含玻璃衬底3702、透明传导电极3704、有源层3706a、3706b、3706c、3706d和3706e，二向色滤光片层3708a、3708b、3708c、3708d和3708e，以及反射层3710。
在图37中所示的实例中，有源层包含非晶材料，例如非晶硅(Si)或锗(Ge)。明确地说，所示有源层通过将具有第一带隙的第一非晶材料α-A与具有第二带隙的第二非晶材料α-B熔合而形成。有源层为合金的，使得有源层3706a具有材料α-A的最高浓度，且有源层3706e具有材料α-B的最高浓度，且在3706a与3706e之间的有源层中，α-A的浓度连续减小，同时α-B的浓度连续增加。在所说明的实施例中，材料α-A具有比材料α-B高的带隙，且有源层的带隙从层3706a到3706e连续减小。因此，随着入射光从玻璃衬底3702穿过光学堆叠到反射层3710，有源层能够吸收具有减少能量的光。二向色滤光片层3708a、3708b、3708c、3708d和3708e经配置以反射具有与直接上覆或最近上覆有源层的带隙相同的能量的光。
材料A和B可为任何有源PV材料，且不限于二元系统。根据其它实施例，每一有源层还可包括三元系统，或更多材料。如上所述，材料包括(但不限于)已知吸光材料，例如晶体硅(c-Si)、非晶硅(α-Si)、碲化镉(CdTe)、二硒化铜铟(CIS)、二硒化铜铟镓(CIGS)、吸光染料和聚合物，具有安置于其中的吸光纳米粒子的聚合物、例如GaAs的III-V半导体等。根据实施例，图37的材料α-A可包含硅，且α-B可包含锗。举例来说，在所说明的实施例中，层3706a可包含纯硅，而层3706e可包含纯锗。具有最高能量的光子可由具有约1.129eV的带隙的纯硅的层3706a吸收。具有中间能量的光子可由中间合金层3706b、3706c和3706d吸收，具有减小能量的更多光子随着锗的浓度增加和硅的浓度减小而被吸收。具有至少0.66eV的波长的红外光可吸收于具有约0.66eV的带隙的纯锗的层3706e中。具有较短波长的光可吸收于具有1.129eV的较高带隙的具有更多硅的层中。硅和锗合金的实例仅为说明性的，且可使用如上文所列出的具有更广泛地覆盖太阳光谱的带隙的其它半导体材料。因此，不同于针对具有离散外延层和仅有限数目的分开较远的带隙的多接面PV电池，本文中所描述的本发明的实施例可通过包括更多具有不同带隙的层而使有源层与入射光的光谱更灵活地匹配。因此，可减少或最小化由于光子的能量与离散材料层的带隙之间的失配引起的作为热损失的能量。
多接面PV电池的设计或配置可不同于图37中所示的设计或配置。举例来说，有源层的数目和所使用的材料可变化。根据实施例，图37的PV电池可包含10个或10个以上合金有源层。根据其它实施例，PV电池可包括光学谐振层或腔且可经干涉调谐。其它变型也是可能的。
一般来说，多种替代配置是可能的。举例来说，可添加、移除或重新布置组件(例如，层)。类似地，可添加、移除或重新排序处理和方法步骤。再者，虽然本文中已使用术语膜和层，但如本文中所使用的此类术语包括膜堆叠和多层。可使用粘合剂将此类膜堆叠和多层粘合到其它结构，或可使用沉积或以其它方式将所述膜堆叠和多层形成于其它结构上。同样，术语有源层可用于包括p和n掺杂区域和/或有源区域的内在部分。类似地，可使用其它类型的材料。举例来说，虽然有源层可包含半导体，但在一些实施例中也可使用例如有机材料等其它材料。
对于本发明的装置，众多应用是可能的。光伏装置可(例如)用于例如住宅或建筑物的建筑结构上或单独结构中(例如，太阳能农场中)。太阳能装置可包括于例如汽车、飞机、船舶、宇宙飞船等载具上。太阳能电池可用于包括(但不限于)手机、计算机、便携式商业装置等电子装置上。太阳能电池可用于军事、医学、消费者工业和科学应用。除本文中特定描述的那些应用外的应用也是可能的。
所属领域的技术人员还将了解，可在不脱离本发明的范围的情况下进行各种修改和改变。此类修改和改变希望落在如所附权利要求书界定的本发明的范围内。

Claims (51)

1.一种光伏装置，其包含：
第一有源层，其经配置以由于具有第一波长的光被所述第一有源层吸收而产生电信号；
第二有源层，其经配置以由于具有第二波长的光被所述第二有源层吸收而产生电信号；以及
第一光学滤光片，其安置于所述第一与第二有源层之间，其中所述第一光学滤光片经配置以与具有所述第二波长的光相比更多地反射具有所述第一波长的光，且与具有所述第一波长的光相比更多地透射具有所述第二波长的光。
2.根据权利要求1所述的光伏装置，其中所述第一波长比所述第二波长短。
3.根据权利要求1所述的光伏装置，其中所述有源层的至少一者包含半导体材料。
4.根据权利要求3所述的光伏装置，其中所述至少一个有源层包含PN接面或P-I-N接面。
5.根据权利要求1所述的光伏装置，其中所述有源层的至少一者包含硅、锗、碲化镉、二硒化铜铟、二硒化铜铟镓、吸光染料、吸光聚合物、具有安置于其中的吸光纳米粒子的聚合物，或III-V半导体。
6.根据权利要求1所述的光伏装置，其进一步包含第三有源层，所述第三有源层经配置以由于具有第三波长的光被所述第三有源层吸收而产生电信号。
7.根据权利要求6所述的光伏装置，其中所述第一波长比所述第二波长短，且所述第二波长比所述第三波长短。
8.根据权利要求7所述的光伏装置，其进一步包含第二光学滤光片，所述第二光学滤光片安置于所述第二与第三有源层之间，其中所述第二光学滤光片经配置以与具有所述第三波长的光相比更多地反射具有所述第二波长的光，且与具有所述第二波长的光相比更多地透射具有所述第三波长的光。
9.根据权利要求1所述的光伏装置，其中所述第一和第二有源层被包括于包含至少三个有源层的多个有源层中。
10.根据权利要求9所述的光伏装置，其中所述多个有源层的带隙具有延伸至少约1000纳米的在约450nm到约1750nm之间的对应波长。
11.根据权利要求9所述的光伏装置，其中所述多个有源层包含至少约5个有源层。
12.根据权利要求11所述的光伏装置，其中所述多个有源层包含至少约8个有源层。
13.根据权利要求12所述的光伏装置，其中所述多个有源层包含至少约12个有源层。
14.根据权利要求9所述的光伏装置，其中所述多个有源层的所述带隙从一个有源层向下一有源层增加。
15.根据权利要求14所述的光伏装置，其中所述多个有源层的所述带隙增加小于约200nm的波长增量。
16.根据权利要求15所述的光伏装置，其中所述多个有源层的所述带隙增加小于约100nm的波长增量。
17.根据权利要求16所述的光伏装置，其中所述多个有源层的所述带隙增加小于约50nm的波长增量。
18.根据权利要求9所述的光伏装置，其中所述多个有源层包含至少三个合金有源层，所述至少三个合金有源层包含熔合在一起的第一材料和第二材料，所述第一和第二材料具有不同带隙。
19.根据权利要求18所述的光伏装置，其中所述至少三个合金有源层包含6个或6个以上合金有源层，所述6个或6个以上合金有源层包含熔合在一起的所述第一材料和所述第二材料。
20.根据权利要求19所述的光伏装置，其中所述至少三个合金有源层包含10个或10个以上合金有源层，所述10个或10个以上合金有源层包含熔合在一起的所述第一材料和所述第二材料。
21.根据权利要求18所述的光伏装置，其中所述至少三个合金有源层包含不同比率的所述第一和第二材料。
22.根据权利要求21所述的光伏装置，其中所述至少三个合金有源层按次序排列，使得从一个合金有源层向下一合金有源层，所述第一材料在浓度上渐进地减小且所述第二材料在浓度上渐进地增加。
23.根据权利要求18所述的光伏装置，其中所述第一材料包含硅且所述第二材料包含锗。
24.根据权利要求1所述的光伏装置，其中所述第一光学滤光片包含干涉滤光片。
25.根据权利要求24所述的光伏装置，其中所述第一光学滤光片包含约2到约100个膜。
26.根据权利要求25所述的光伏装置，其中所述第一光学滤光片包含四分之一波堆叠。
27.根据权利要求1所述的光伏装置，其进一步包含电连接到所述第一有源层的光学透射性电极。
28.根据权利要求1所述的光伏装置，其进一步包含反射体层，所述反射体层安置于所述第一和第二有源层下方以反射透射穿过所述第一和第二有源层以及第一光学滤光片的光。
29.根据权利要求1所述的光伏装置，其进一步包含在所述第一有源层与所述第一光学滤光片之间的第一光学谐振腔。
30.根据权利要求29所述的光伏装置，其中所述第一光学谐振腔的存在增加由所述第一有源层吸收的具有所述第一波长的光的量。
31.根据权利要求29所述的光伏装置，其中所述第一光学谐振腔的所述存在增加所述第一有源层中的具有所述第一波长的光的平均场强。
32.根据权利要求29所述的光伏装置，其针对太阳光谱中的波长具有总吸收效率，其中在存在所述第一光学谐振腔的情况下，在所述太阳光谱中的所述波长上积分的吸收效率增加。
33.根据权利要求29所述的光伏装置，其中所述第一光学谐振腔的所述存在产生在所述太阳光谱上积分的所吸收光功率的增加，所述增加对于所述第一有源层比在所述太阳光谱上积分的所吸收光功率的所述增加对于所述光伏装置中的任何其它层要大。
34.根据权利要求29所述的光伏装置，其中所述第一光学谐振腔包含电介质。
35.根据权利要求29所述的光伏装置，其中所述第一光学谐振腔包含非传导氧化物。
36.根据权利要求29所述的光伏装置，其中所述第一光学谐振腔包含气隙。
37.根据权利要求29所述的光伏装置，其中所述第一光学谐振腔的厚度经优化以增加所述第一有源层中的光吸收。
38.根据权利要求37所述的光伏装置，其中所述第一和第二有源层中的至少一者的厚度经优化以增加所述第一或第二有源层中的光吸收。
39.根据权利要求37所述的光伏装置，其中所述第一光学谐振腔以及所述第一和第二有源层的厚度经优化以增加所述第一和第二有源层中的光吸收。
40.根据权利要求1所述的光伏装置，其中所述第一光学滤光片的厚度经优化以增加所述第一有源层中的光吸收。
41.根据权利要求1所述的光伏装置，其中所述第一光学滤光片的厚度经优化以增加所述第一有源层中的光吸收。
42.根据权利要求8所述的光伏装置，其进一步包含在所述第二有源层与所述第二光学滤光片之间的第二光学谐振腔。
43.根据权利要求42所述的光伏装置，其中所述第二光学谐振腔的存在使由所述第二有源层吸收的具有所述第二波长的光的量增加得比由所述第二有源层吸收的具有所述第一波长的光的量多。
44.根据权利要求1所述的光伏装置，其进一步包含安置于所述第一有源层上的抗反射层。
45.根据权利要求1所述的光伏装置，其进一步包含电连接到所述有源层中的至少一者的至少一个通路。
46.一种光伏装置，其包含：
第一电信号产生装置，其用于由于具有第一波长的光被所述第一电信号产生装置吸收而产生电信号；
第二电信号产生装置，其用于由于具有第二波长的光被所述第二电信号产生装置吸收而产生电信号；以及
第一滤光装置，其安置于所述第一与第二电信号产生装置之间，其中所述第一滤光装置经配置以与具有所述第二波长的光相比更多地反射具有所述第一波长的光，且与具有所述第一波长的光相比更多地透射具有所述第二波长的光。
47.根据权利要求46所述的光伏装置，其进一步包含电连接到有源层中的至少一者的至少一个通路。
48.根据权利要求46所述的光伏装置，其中所述第一电信号产生装置包含第一有源层。
49.根据权利要求46所述的光伏装置，其中所述第二电信号产生装置包含第二有源层。
50.根据权利要求46所述的光伏装置，其中所述第一滤光装置包含第一光学滤光片。
51.一种制造光伏装置的方法，其包含：
提供第一有源层，所述第一有源层经配置以由于具有第一波长的光被所述第一有源层吸收而产生电信号；
提供第二有源层，所述第二有源层经配置以由于具有第二波长的光被所述第二有源层吸收而产生电信号；以及
将第一光学滤光片安置于所述第一与第二有源层之间，其中所述第一光学滤光片经配置以与具有所述第二波长的光相比更多地反射具有所述第一波长的光，且与具有所述第一波长的光相比更多地透射具有所述第二波长的光。
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