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TW201840013A - 多接面pv應用中具有高透明度之奈米結構子電池 - Google Patents

多接面pv應用中具有高透明度之奈米結構子電池 Download PDF

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TW201840013A
TW201840013A TW107103688A TW107103688A TW201840013A TW 201840013 A TW201840013 A TW 201840013A TW 107103688 A TW107103688 A TW 107103688A TW 107103688 A TW107103688 A TW 107103688A TW 201840013 A TW201840013 A TW 201840013A
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TW
Taiwan
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photovoltaic cell
nanowires
photovoltaic
nanowire
dielectric
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TW107103688A
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English (en)
Inventor
尼克拉斯 安圖
約納斯 奧爾松
英瓦爾 奧貝里
Original Assignee
瑞典商索爾伏打電流公司
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Abstract

本發明提供一種製備堆疊式串聯光伏打裝置之方法，該方法包括確定該堆疊式串聯光伏打裝置之子電池的奈米結構及折射率參數以減少該入射於堆疊式串聯光伏打裝置上之光之平面內波導，提供第一光伏打子電池，該第一光伏打子電池包含基於確定步驟之奈米結構，及提供基於確定步驟之第二光伏打子電池。該第一光伏打子電池具有第一帶隙，該第二光伏打子電池具有第二帶隙，且該第一帶隙大於該第二帶隙。入射於該堆疊式串聯光伏打裝置上之光在進入該第二光伏打子電池之前穿過該第一光伏打子電池。

Description

多接面PV應用中具有高透明度之奈米結構子電池
本發明大體上係針對光伏打電池且具體言之係針對串聯光伏打電池。
III-V半導體奈米線為用於下一代光伏打裝置之平台。嵌入於透明聚合物中之奈米線陣列可充當獨立可撓性太陽能電池或堆疊於習知Si底部電池之頂部上以形成串聯結構。為優化串聯電池性能，高能量光子應在奈米線中經吸收，而低能量光子應經透射且在Si電池中經吸收。 III-V奈米線陣列已展示具有對於InP奈米線13.8%及對於GaAs奈米線15.3%之經證實之效率的光伏打裝置的前景。理論模型化已展示在該等陣列中之光之吸收可與相應塊體電池幾乎一樣高效。
一實施例引出一種製備堆疊式串聯光伏打裝置之方法，該方法包括確定堆疊式串聯光伏打裝置之子電池的奈米結構及折射率參數以減少入射於堆疊式串聯光伏打裝置上之光之平面內波導，提供第一光伏打子電池，第一光伏打子電池包含基於確定步驟之奈米結構，且基於確定步驟提供第二光伏打子電池。第一光伏打子電池具有第一帶隙，第二光伏打子電池具有第二帶隙，且第一帶隙大於第二帶隙。入射於堆疊式串聯光伏打裝置上之光在進入第二光伏打子電池之前穿過第一光伏打子電池。 另一實施例引出包含含有奈米結構之第一光伏打子電池之光伏打裝置，其中在堆疊式串聯光伏打裝置中第一光伏打電池位於第二光伏打電池上方時，第一光伏打子電池之至少一個特徵減少或消除由於入射光之平面內波導所致之反射損失，且其中第一光伏打電池經組態以准許入射於堆疊式串聯光伏打裝置上之光在進入第二光伏打子電池之前穿過第一光伏打子電池。另一實施例引出包括包含奈米結構之第一光伏打子電池及第二光伏打子電池之堆疊式串聯光伏打裝置。第一光伏打子電池具有第一帶隙，第二光伏打子電池具有第二帶隙，且第一帶隙大於第二帶隙。堆疊式串聯光伏打裝置中之至少一個特徵減少或消除由於在堆疊式串聯光伏打裝置上入射光之平面內波導所致之反射損失。入射於堆疊式串聯光伏打裝置上之光在進入第二光伏打子電池之前穿過第一光伏打子電池。 另一實施例引出一種操作堆疊式串聯光伏打裝置之方法，該方法包含接收包含奈米結構之第一光伏打子電池上的入射光以使得至少一部分入射光穿過第一光伏打子電池且進入第二光伏打子電池，以及自第一光伏打子電池及第二光伏打子電池產生電流或電壓。在一實施例中，第一光伏打子電池及第二光伏打子電池中之電流或電壓可分別(即，使用分開的子電池電極彼此獨立地)產生及輸出。第一光伏打子電池具有第一帶隙，第二光伏打子電池具有第二帶隙，且第一帶隙大於第二帶隙，且堆疊式串聯光伏打裝置中之至少一個特徵減少或消除由於入射光之平面內波導所致之反射損失。
為優化直接帶隙III-V半導體奈米線太陽能電池(亦即，光伏打電池)陣列中之日光之吸收，個別奈米線中的波導模態可起作用。如本文所用，「太陽能電池」與「光伏打電池」意義相同。由於該等單奈米線模態之諧振吸收，吸收峰隨著直徑增大而發生紅移。藉由將此等吸收峰中之一者置放於靠近奈米線材料之帶隙處，奈米線中的吸收可在此靠近帶隙波長區域中增強，在該波長區域中III-V材料之吸收係數低。 以此方式，存在一組其中奈米線中之日光吸收可優化的直徑。在各該直徑下，單奈米線模態中之一者置放於靠近帶隙波長處。對於所選直徑，可優化奈米線之長度及奈米線陣列之間距。通常，最佳間距隨著奈米線長度增大而增大。此行為歸屬於以下物理學：(1)隨著間距增大，奈米線陣列之頂部介面處的反射減少，(2)隨著間距增大，存在較小量的奈米線陣列中之吸收材料，因此吸收降低，及(3)藉由增大奈米線之長度，可補償吸收之降低。因此，較佳增大間距以減少由於光進入奈米線陣列之內部耦合反射損失。然而，間距無法不受限地增大。此係因為在某些點吸收將比反射降低地多。在吸收降低及反射降低彼此平衡處的間距隨著奈米線長度增大而增大。 通常，奈米線陣列中之吸收優化而不突出帶隙下方光子之透射。然而，在較低帶隙子電池頂部上具有奈米線陣列子電池之串聯太陽能電池中，該透射相當重要。如本文所用，奈米線陣列之奈米線包含GaAs p-n或p-i-n接面太陽能電池(或串聯太陽能電池之子電池)。接面相對於奈米線之延伸方向可為軸向及/或徑向的。 串聯電池可藉由在Si電池頂部正上方磊晶生長III-V奈米線而形成。奈米線為直徑(或在六方形奈米線情況下之寬度)小於1微米(諸如10-500 nm)的結構。長度可大於1微米。長度與直徑/寬度比可為10:1或更大。或者，III-V奈米線可分別生長且隨後藉由將奈米線嵌入透明聚合物及/或無機電介質中(例如，藉由將含有p-n或p-i-n接面之奈米線太陽能電池嵌入電介質膜中)置放於Si電池頂部上。此後一方法與Aerotaxy、高產量、低成本、無基板奈米線製造技術相容，以及與傳統的基於VLS之奈米線生長相容，該基於VLS之奈米線生長在可剝離聚合物膜中與自生長基板後續去除奈米線組合。較佳地，對於奈米線電池在平面矽電池上之串聯方法，奈米線陣列應高效地吸收高能量光子且展示低能量光子至矽底部電池中之高透射率。 在上文所述之第一組態中，當奈米線位於Si基板頂部正上方時，該Si基板構成較低帶隙底部子電池，奈米線陣列之最佳尺寸將主要視奈米線子電池中之吸收而定。 然而，在上文所述之第二組態之實施例中，在為「獨立式」(例如，其中奈米線嵌入於獨立式電介質膜中)奈米線陣列子電池中，奈米線無法與底層基板子電池(其可為例如在矽中含有p-n或p-i-n接面之矽太陽能子電池)直接接觸。確切而言，在本文所揭示之此等實施例中包括位於奈米線陣列(例如，奈米線太陽能子電池)與基板太陽能子電池之間的介電材料及/或薄導電層。 圖1為根據實施例之堆疊式串聯光伏打電池100之示意圖。此實施例包括第一光伏打子電池102、第二光伏打子電池104且可包括任何數目之額外光伏打子電池106。如圖1中所說明，第一光伏打子電池102位於堆疊之頂部上，亦即，光I(Eph )之全部太陽光譜入射於第一光伏打子電池102之頂部表面上。第二光伏打子電池104位於第一光伏打子電池102下方，且額外光伏打子電池106位於第二光伏打子電池104下方。第一光伏打子電池102具有帶隙E1 。較佳地，第一光伏打子電池102吸收至少大部分能量Eph ＞ E1 的光子(例如，至少70%，諸如至少90%，例如基本上所有光子)。此外，第一光伏打子電池102應對能量Eph 小於第一帶隙能量E1 之光為透明的。 堆疊式串聯光伏打電池100經組態以使得第二光伏打子電池104之第二帶隙E2 小於第一帶隙E1 。較佳地，第二光伏打子電池104吸收至少大部分能量Eph ＞ E2 的光子(例如，至少70%，諸如至少90%，例如基本上所有光子)。此外，第二光伏打子電池104應對能量Eph 小於第二帶隙能量E2 之光為透明的。相同圖案對於所有後續額外子電池106為真實的。然而，堆疊式串聯光伏打電池100中之最終子電池不需要為透明的。 圖2A及圖2B為習知堆疊式串聯光伏打電池200a、200b之示意圖。在習知堆疊式串聯光伏打電池200a中，光伏打子電池102、104、106為平面/塊體光伏打裝置。一些入射於第一光伏打子電池102上之光在第一光伏打子電池102中經吸收，一些光穿過至第二光伏打子電池104，且一些光自第一光伏打子電池102與第二光伏打子電池104之間的介面經反射回。一些入射於第二光伏打子電池104上之光在第二光伏打子電池104中經吸收，一些光穿過至第三光伏打子電池106，且一些光自第二光伏打子電池104與第三光伏打子電池106之間的介面經反射回。藉由第三光伏打子電池106既不吸收亦不反射之光108可穿過第三光伏打子電池106。視情況可將鏡面或反射塗層塗覆至第三光伏打子電池106之底部上以將光108反射回至堆疊式串聯光伏打電池200a中。 圖2B中所說明之堆疊式串聯光伏打電池200b與圖2A中所說明之裝置類似。然而，堆疊式串聯光伏打電池200b分別包括第一光伏打子電池102與第二光伏打子電池104之間及第二光伏打子電池104與第三光伏打子電池106之間之分隔層103及105。 圖2C為根據實施例之堆疊式串聯光伏打電池200c之示意圖。在此實施例中，習知堆疊式串聯光伏打電池200a、200b之平面/塊體光伏打裝置經包含奈米結構之子電池202、204、206替換。在一實施例中，奈米結構為奈米線。不同於習知平面子電池102、104、106，奈米結構子電池202、204、206可藉由習知平面/塊體光伏打子電池102、104、106中不存在之機制經歷損失。具體言之，奈米線之波導性質可產生平面內波導模態210及/或繞射級212。儘管未說明，但平面內波導模態210及繞射級212可在相同光伏打子電池202、204、206中同時存在。平面內波導模態210及繞射級212在下文中更詳細地論述。 圖3A至圖3D為堆疊式串聯光伏打電池300a-300d之實施例之示意圖。在圖3A中所說明之堆疊式串聯光伏打電池300a中，第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204相鄰。在此實施例中，第二光伏打子電池204包含由具有高折射率之材料製成的膜，而第一光伏打子電池202包含由具有低折射率之材料製成的膜。低折射率定義為1 ≤ n ＜ 2。高折射率定義為n ≥2，諸如2 ≤ n ≤ 7，包括2 ≤ n ≤ 4。 圖3B中所說明之堆疊式串聯光伏打電池300b與圖3A中所說明之實施例類似。然而，在圖3B中所說明之實施例中，透明導電氧化物(TCO)於第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間提供層203。在此實施例中，TCO層203之厚度小於在第二光伏打子電池204中待吸收之光的波長(λ)的一半。如本文所用，至少大部分給定波長或波長範圍之光子(例如，至少70%，諸如至少90%，例如基本上所有光子)應理解為對於現實世界(亦即，非理論裝置)中之給定情況經吸收或透射。 在圖3C中所說明之堆疊式串聯光伏打電池300c中，除窗口層207外，視情況提供第二TCO層205。在此實施例中，窗口層207由具有高折射率之材料製成。若存在，第二TCO層之厚度較佳小於在第二光伏打子電池204中待吸收之光的波長的一半。較佳地，窗口層207位於第一TCO層203與第二TCO層205之間、第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間。 圖3D中所說明之堆疊式串聯光伏打電池300d與圖3C中所說明之實施例類似。然而，在此實施例中，窗口層207由具有低折射率且厚度大於λ/2之材料製得。窗口層207具有比第二光伏打子電池204低的折射率及與第一光伏打子電池202相同或比第一光伏打子電池202大或小的折射率。 一實施例引出一種製備堆疊式串聯光伏打裝置300a-300d之方法。該方法包括確定堆疊式串聯光伏打裝置300a-300d之子電池202、204之奈米結構及折射率參數以減少入射於堆疊式串聯光伏打裝置300a-300d上的光之平面內波導。該方法亦包括提供第一光伏打子電池202，該第一光伏打子電池202包含奈米結構，該等奈米結構基於確定子電池202之奈米結構及折射率參數之步驟(及視情況基於確定底層第二子電池204之折射率參數之步驟)，諸如確定平面內波導的減少，其可以藉由第一光伏打子電池202之透射太陽輻射之量的略微減少為代價而減少。該方法亦包括提供基於確定至少第一子電池202之奈米結構及折射率參數之步驟的第二光伏打子電池204。第一光伏打子電池202具有第一帶隙，第二光伏打子電池204具有第二帶隙，且第一帶隙大於第二帶隙。入射於堆疊式串聯光伏打裝置300a-300d上之光在進入第二光伏打子電池204之前穿過第一光伏打子電池202。 在一實施例中，第一光伏打子電池202之帶隙E1 小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的第一光伏打子電池之帶隙。在一實施例中，該方法進一步包括在第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間形成折射率比光伏打子電池202之有效折射率高的第一層203。在一實施例中，具有較高折射率之第一層203之厚度小於λ/2，其中λ為在第二光伏打子電池204中待吸收的光之波長。子電池(諸如奈米結構子電池)之有效折射率為子電池之幾何結構及材料的功能。 在一實施例中，具有較高折射率之第一層203包含透明導電氧化物。另一實施例包括在第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間形成窗口層207，窗口層207之折射率比第一光伏打子電池202之有效折射率高，且厚度小於λ/2。另一實施例包括在第一光伏打子電池202與窗口層207中之至少一者或第二光伏打子電池204之間形成包含透明導電氧化物的第二層205，透明導電氧化物之第二層205之厚度小於λ/2。 另一實施例包括在第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間形成窗口層207，窗口層207之折射率比第二光伏打子電池204之有效折射率低，且厚度大於λ/2。在其他實施例中，窗口層207之折射率比第二光伏打子電池204之有效折射率低，且厚度小於λ/2。另一實施例包括在第一光伏打子電池202與窗口層207中之至少一者或第二光伏打子電池204之間形成包含透明導電氧化物的第二層205，透明導電氧化物之第二層205之厚度小於λ/2。透明導電氧化物之第二層205可位於比窗口層207更靠近或更接近第一光伏打子電池202處。 在一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，其為在透射光之波長下折射率之現實部分，且奈米線之直徑比針對光學透明度或吸收優化而不考慮平面內波導的相同組合物之奈米線之直徑小。在另一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，且電介質之折射率比針對光學透明度或吸收優化而不考慮平面內波導的相同組合物之電介質低。 在一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，且奈米線包含半導體材料，該半導體材料具有比針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的奈米線之折射率更低有效折射率。在另一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，且固定奈米線直徑之奈米線密度小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的相同組合物之奈米線密度。 在一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，且固定奈米線密度之奈米線直徑小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的相同組合物之奈米線直徑。在另一實施例中，奈米結構以週期性陣列經組態，其中選擇奈米結構之間的間距以使得在透明度(亦即，透射過含有奈米結構之第一光伏打子電池的光之波長範圍)的相關波長範圍內(例如，400至750 nm)對於平面內k向量無平面內波導模態存在。 一實施例包括利用子電池之帶隙調諧透明度波長窗口；或將展示反射問題的子電池置放於足夠靠近相鄰子電池處，以使得平面內波導模態無法由於「洩漏」至相鄰子電池中而激勵；或在展示諧振反射之各子電池中選擇較高折射率材料與較低折射率材料之間的足夠小的對比度；或選擇包括足夠少的較高折射率材料以減少光向平面內方向散射；或使用足夠小的時間段之週期性系統以阻止平面內波導之激勵。在一實施例中，第一光伏打子電池吸收例如大部分(諸如大於80%)之能量大於第一帶隙的光及小於50%(諸如小於20%)之能量小於第一帶隙的光。可實現此等結果之實例堆疊式串聯光伏打裝置在圖3A-5B中說明且在上文及在下文的「太陽能電池設計考慮」部分中更詳細地描述。 一實施例包括調適平面內波導模態之色散以使得其無法在透明度之相關波長範圍內藉由k向量所允許之方法激勵，或允許藉由k向量選擇激勵平面內波導模態，但藉由調適陣列之散射幾何結構遞減模態之實際激勵強度。另一實施例包括在奈米結構包含奈米線時對奈米線直徑進行選擇以防止諧振反射。 一實施例引出堆疊式串聯光伏打裝置300a-300d。裝置包含第一光伏打子電池202，第一光伏打子電池202包含奈米結構。裝置包含第二光伏打子電池204。第一光伏打子電池202具有第一帶隙E1 ，第二光伏打子電池204具有第二帶隙E2 ，且第一帶隙E1 大於第二帶隙E2 。第一光伏打子電池202及第二光伏打子電池204基於確定堆疊式串聯光伏打裝置300a-300d之第一子電池202及第二子電池204之奈米結構及折射率參數而組態，從而減少入射於堆疊式串聯光伏打裝置300a-300d上的光之平面內波導。入射於堆疊式串聯光伏打裝置300a-300d上之光在進入第二光伏打子電池204之前穿過第一光伏打子電池202，如將在上文及在下文的「太陽能電池設計考慮」部分中更詳細地描述。 在一實施例中，第一光伏打子電池202之帶隙E1 小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的第一光伏打子電池之帶隙。一實施例進一步包含位於第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間之具有較高折射率的第一層203。在一實施例中，具有較高折射率之第一層203之厚度小於λ/2，其中λ為在第二光伏打子電池204中待吸收的光之波長。 在一實施例中，具有較高折射率之第一層203包含透明導電氧化物。一實施例進一步包含位於第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間之窗口層207，窗口層207具有比第一光伏打子電池202較高的折射率，且厚度小於λ/2。另一實施例包含含有位於第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間之透明導電氧化物之第二層205，透明導電氧化物的第二層205之厚度小於λ/2。 另一實施例包含位於第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間之窗口層207，窗口層207具有比第一光伏打電池202更低的折射率，且厚度大於λ/2。另一實施例包含含有位於第一光伏打子電池202與第二光伏打子電池204之間之透明導電氧化物之第二層205，透明導電氧化物的第二層之厚度小於λ/2。 在一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，且奈米線之直徑比針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的相同組合物之奈米線之直徑小。在一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，且電介質之折射率比針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的電介質低。 在一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，且奈米線包含半導體材料，該半導體材料具有比針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的奈米線之折射率更低的折射率。在一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，且固定奈米線直徑之奈米線密度小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的相同組合物之奈米線密度。 在一實施例中，奈米結構包含奈米線，於奈米線之間提供電介質，奈米線具有比電介質高的折射率，且固定奈米線密度之奈米線直徑小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的相同組合物之奈米線直徑。在一實施例中，奈米結構以週期性陣列經組態，其中選擇奈米結構之間的間距以使得在透明度的相關波長範圍內對於平面內k向量無平面內波導模態存在。 如上所述，在一實施例中，第一光伏打子電池吸收例如大部分(諸如大於80%)之能量大於第一帶隙的光及小於50%(諸如小於20%)之能量小於第一帶隙的光。 奈米線陣列子電池中之吸收之優化不足以藉由奈米線陣列來優化奈米線陣列中上方帶隙光子的經組合之吸收及下方帶隙光子之透射。 首先，認為奈米線陣列完全嵌入於電介質膜中，如由體積平均化計算，奈米線陣列之折射率比頂面及底面上的電介質更高效。在此情況下，光波可在奈米線陣列之平面內激勵。亦即，可觀測到平面內波導模態之激勵。當該等波自膜耦合出時，其相比於不激勵該等平面內波導模態的情況可導致增強之反射。 該等平面內波導模態之諧振激勵可導致下方帶隙光子顯著的反射損失。然而，由於此等上方帶隙光子在奈米線中經大量吸收，平面內模態通常不導致上方帶隙光子的大量反射損失。若對於置放於Si基板正上方的奈米線所報告之奈米線尺寸為裝置設計的唯一指導，則下方帶隙光子之諧振反射損失導致較低效的裝置。 本發明人已發現平面內波導模態之諧振激勵視奈米線直徑、陣列間距及奈米線周圍的材料以及奈米線之間的材料而定。原則上，自平面內波導模態之物理學底層諧振反射可為複雜的。當變化奈米線之直徑及時間段時，平面內波導模態之色散以及奈米線之激勵強度變化。為防止平面內波導模態的諧振激勵，存在兩個途徑：(1)調適平面內波導模態之色散以使得其無法在透明度之相關波長範圍內藉由k向量所允許之方法而激勵，或(2)允許藉由k向量選擇激勵平面內波導模態，但藉由調適陣列之散射幾何結構遞減模態之實際激勵強度。 太陽能電池設計考慮 以下點適用於上述方法及裝置： 1) k向量匹配之基本背景：波導模態之激勵視將陣列中的所允許之k向量中之一者匹配至平面內波導模態的平面內k向量而定。在間距P 之週期性陣列中，對於吾等考慮之正入射光，最小所允許之平面內k向量為2π/P 。平面內波導模態之平面內k向量通常隨著波長增大而減小。因此，對於給定間距及直徑，存在最大波長，由於平面內k向量2π/P 大於任何平面內波導模態之k向量2π/P ，在最大波長之上波導模態無法激勵。2) 任何平面內波導模態之最大平面內k向量通常隨著高折射率材料奈米線之直徑D 增大而增大，此係因為此增大其中波導模態傳播的陣列之體積平均化折射率。此外，對於給定間距，其中平面內波導模態可激勵的最長波長隨著D增大而紅移至奈米線之透明度區域中，且諧振反射可出現。或換言之，諧振激勵隨著直徑D減小而減少。該行為可見於圖15C中，其中當D 減小低於200 nm時，諧振激勵遞減。3) 平面內波導模態之激勵依賴於光自正入射光之方向繞射至垂直方向。該繞射藉由奈米線之間之折射率對比度及奈米線之間之介質實現。此外，期望該散射隨著包括於陣列(由小直徑開始)中之高折射率之量增大而增加，此係因為此增大散射區域的體積。該行為之跡線可見於圖15C中，其中對於固定間距，諧振激勵隨著D 減小而遞減。4) 對於給定奈米線陣列，發現點(2)及(3)中之上文所述之兩種效果。隨著時間段增加，藉由k向量選擇規則，波導模態之激勵允許較小直徑。然而，隨著直徑減小，平面內波導模態之實際激勵強度減小。因此，在圖15A-15C右面板中之D ＜ 200 nm區域中，實際上存在兩種防止諧振反射的不同機制。對於P之較小值，k選擇規則阻止激勵(2π/P大於任何平面內模態之最大k向量)。對於P之較大值，諧振激勵反而藉由減小直徑與時間段比率(預期其將減小平面內模態之激勵強度)而遞減。實際上，由極小P開始，諧振激勵出現的直徑隨著P 增大而減小，符合點(2)。然而，對於P ＞ 600 nm，隨著P 增大，諧振激勵出現的直徑反而增大，符合上文點(3)。5) 如上文所論述，陣列模態之激勵依賴於光自正入射光之方向繞射至垂直方向。該繞射藉由奈米線之間之折射率對比度及奈米線之間之介質實現。因此，隨著奈米線之間之介質之折射率n 自初始值n = 1.5增大以更好地匹配半導體奈米線之n ≈ 3.5，平面內波導模態之激勵減少(圖11A-11F)。 6) 平面內波導模態可洩漏至與奈米線陣列相鄰之高折射率區域中(圖8A-8E)。因此，諧振反射尚未發現於Si基板上之奈米線陣列之吸收及透射的先前技術模型化中。因此，在一個實施例中，奈米線太陽能電池膜經設計以減弱平面內激勵。此外，藉由增大奈米線陣列周圍(例如，在其之間、上方及下方)之材料之折射率，可阻止波導模態之諧振激勵。 7) 可展示，若奈米線陣列在高折射率基板上方上升大於約λ /3 (λ 為真空中光之波長)的距離，則波導模態將不有效地洩漏至高折射率基板中。換言之，需要真實近場耦合至高折射率區域以防止波導模態之強激勵。因此，高折射率層應自奈米線接近，例如，小於λ /3。 8) 由於界定下方帶隙光子之波長區域視奈米線之帶隙而定，在奈米線之帶隙與奈米線直徑及陣列間距之間存在一連接以避免平面內波導模態之諧振激勵。通常，隨著奈米線之帶隙能量增大，直徑及間距需要以與帶隙波長按比例縮小類似的方式同時按比例縮小以避免諧振反射，此係因為奈米線不吸收的最短波長減小。 9) 若在奈米線陣列之頂部及底部使用透明導電氧化物，則平面內模態之諧振激勵可例如由於洩漏而導致此等層中之大的吸收損失。 其他設計考慮包括： 1) 對於給定間距，無法選擇太小的奈米線直徑，此係因為隨後奈米線中之吸收太弱。 2) 無法選擇太大的直徑，此係因為隨後諧振反射降低下方帶隙光子之透明度。 3) 基於(1)及(2)，最佳吸收在直徑上存在限制，其比在僅優化奈米線中之吸收時更嚴格。 4) 對於Si基板上之奈米線陣列子電池，最佳直徑為仍提供奈米線中之吸收的最佳值的最小直徑。 5) 為藉由減小諧振反射損失實現更大直徑，吾人可：i)將奈米線置放於高折射率基板頂部正上方或其中需要及/或優化光之透射波長之吸收的太陽能子電池(例如，矽子電池)上方。在此情況下，波導模態「洩漏」至基板及/或底層子電池中，防止其諧振激勵；或ii)使用具有較高折射率之嵌入材料，較佳地匹配至奈米線之材料。為激勵平面內波導模態，裝置應在奈米線陣列之平面中具有折射率差異。藉由遞減此差異，可遞減平面內模態之激勵。 6) 此外，若強激勵平面內波導模態，則在奈米線之頂部及底部使用氧化銦錫(ITO)可導致ITO之強吸收。 對於奈米線中之吸收，根據先前技術，優化奈米線陣列中之吸收的最小直徑通常亦為矽子電池正上方之奈米線陣列子電池之串聯電池的吸收之總體最佳值。因此，對於串聯應用，吾人將選擇此直徑以優化膜中之奈米線之尺寸。然而，來自平面內波導模態的可能諧振反射之問題將尤其體現在較大直徑上。 在週期性系統(六方形及方形陣列)上產生本文所揭示之結果及模擬。然而，隨機陣列亦展示平面內模態之激勵(此係因為放寬k向量匹配)。因此，上文所揭示之實施例可包括具有隨機定向奈米線之子電池。 堆疊式串聯光伏打電池300a-300d之光學響應可用馬克士威(Maxwell)方程式模型化。可包括藉由其波長(λ)相依折射率(或等效地藉由其電介質功能)之底層材料之光學響應。對於入射光，選擇朝向奈米線陣列之正入射平面波。 在此計算中，可確定系統之反射係數R(λ)及透射率T(λ)。系統之全部吸收比藉由A(λ) = 1 - R(λ) - T(λ)給出。在本文中，反射係數、透射率及吸收比定義為反射、透射或吸收的給定波長之入射光的分數。 亦可獲得變化的z平面(z沿垂直豎立奈米線之軸線)中之功率流F(z,λ)。舉例而言，ITO頂層佔據空間的情況由z1 ＜ z ＜ z2 界定，奈米線空間由z2 ＜ z ＜ z3 界定，且ITO底層空間由z3 ＜ z ＜ z4 界定。隨後，ITO層及NWs中之吸收比由AITO , 頂部 (λ) = [F1 (z,λ) - F2 (z,λ)] / Iinc (λ)、AITO ,bot (λ) = [F3 (z,λ) - F4 (z,λ)] / Iinc 及ANWs (λ) = [F2 (z,λ) - F3 (z,λ)] / Iinc (λ)界定，其中Iinc (λ)為入射功率流[其單位為W/(m2 nm)]。 選擇無奈米線子電池與Si子電池之間之電流匹配約束條件的堆疊式電池。較佳地，最大化兩種電池之電流產生性能。然而，奈米線陣列電池中之吸收將造成Si電池中之短路電流之降低。原則上，針對經組合之串聯電池可進行肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)詳細平衡效率計算。然而，該種詳細平衡計算在變化大量參數時不實際。分析反而可受限於限制Si電池中之吸收的變化方法。 為計算入射強度，使用AM1.5D直接及環日1太陽光譜IAM1 . 5 (λ)，按比例調整至1000 W/m2 入射強度。 為將光譜X(λ)轉換為相應短路電流(密度)，使用以下方程式：。 (1) 在本文中，q為基本電荷，h為普朗克常數(Planck constant)，且c為真空中之光速。 為計算奈米線陣列中之短路電流jNWs 的所估計上限，使用方程式(1) X(λ) = ANWs (λ)，λ低 = 280 nm，低於此AM1.5直接及環日光譜展示可忽略的強度，且λ高 = λNWs 。在本文中，λNWs = hc/Ebg , NWs 為具有奈米線之帶隙能量Ebg , NWs 之奈米線的帶隙波長。 為計算Si電池之短路電流的jSi 所估計上限，假設所有透射光可耦合至底層Si電池中。在此情況下，使用方程式(1) X(λ) = ASi (λ) = T(λ)、λ低 = 280 nm及λ高 = λbg , Si = hc/Ebg , Si ≈ 1107 nm，其中Ebg , Si = 1.12 eV。 考慮Ebg , Si ＜ Ebg , NWs 的情況。亦即，考慮λbg , Si ＞ λbg , NWs 的情況。在此情況下，λbg , NWs ＜ λ ＜ λbg , Si 之光意欲用於Si電池中之吸收。出於此研究之特定目的，吾等考慮該光之損失。因此，使用方程式(1) X(λ) = R(λ)、λ低 = λbg , NWs 及λ高 = λbg , Si 給出針對Si電池指定之光子之反射損失jSi , R -損失。 此外，若ITO層存在於模型化系統中，則藉由使用方程式(1) X(λ) = AITO , 頂部 (λ) + AITO , bot (λ)、λ低 = λbg , NWs 及λ高 = λbg , Si ，吾等考慮jITO , Si ，針對Si電池中之吸收指定的光子之ITO之吸收。 對於Ebg , NWs = 1.43 eV (λbg , NWs ≈ 867 nm)之GaAs奈米線，在完美吸收的假設下，亦即對於λ ＜ λbg , NWs 之ANWs (λ)，jNWs 之上限=31.1 mA/cm2 。類似地，假設對於λ ＜ λbg , NWs 之T(λ) = 0及對於λbg , Si ＜ λ ＜ λbg , NWs 之T(λ) = 1的GaAs奈米線，jSi = 12.7 mA/cm2 。 應注意，在選擇具有以上完美吸收及透射之Ebg , NWs = 1.7 eV之奈米線時，jNWs = 21.7 mA/cm2 及jSi = 22.1 mA/cm2 。 比較Si基板頂部上或完全在n = 1.5折射率膜內之GaAs奈米線陣列之響應(參見示意圖之圖5A、5B)。將奈米線置放於六方形陣列中，且結果針對x及y偏光平均化。 圖6A-6C展示Si基板頂部上之GaAs奈米線陣列之光學響應的計算。奈米線之長度為3000 nm，但結果對於變化的奈米線長度(具有導致較低/較高jNWs 之主要差異)類似。針對D ≈ 170 nm或D ≈ 400 nm之直徑優化奈米線陣列中之短路電流。 針對大直徑(D ＞ 200 nm)考慮完全在n = 1.5膜內之GaAs奈米線的情況(圖7A-7F)，發現jSi , R -損失之顯著的值。亦即，可存在降低透射率T之大量的反射。 在自500 nm及6000 nm增大奈米線長度(圖7D-7F)時，發現諧振反射展示愈來愈多的條紋，正如自具有較厚波導區域之更大量平面內波導模態所預期。 該反射可歸因於奈米線陣列之x-y平面中之平面內波導共振。 上文在奈米線完全嵌入於n = 1.5膜中(圖7C)時發現諧振反射。然而，在奈米線在n ≈ 3.5的Si基板上(圖6C之右面板)時未觀測到該諧振反射。自平面內波導模態之行為，已知其可洩漏至高折射率基板中。該「洩漏」可防止模態之諧振激勵，其解釋在奈米線在Si基板上時缺乏諧振反射。 在圖8A-8E中，結果展示基板之變化折射率。如所預期，隨著折射率增大，諧振反射降低。亦展示諧振反射之區域向陣列之較小間距減少。 由於平面內波導模態似乎可洩漏至基板中，若基板之折射率足夠高，則本發明人亦研究該「洩漏」如何藉由較低折射率空間可出現。對於分隔層厚度s ＞ λ/3，平面內波導模態似乎不有效地耦合至基板中且反而可導致諧振反射(圖9A-9E)。另外，本發明人研究在包括高折射率覆蓋層(superstate)的情況下諧振反射是否不恢復(圖10A-10D)。 在平面系統中，不可能激勵平面內波導模態。為將光耦合至垂直方向，必須存在平面內方向中之折射率變化。因此，在嘗試將奈米線之間之材料的折射率匹配至奈米線之折射率時，由於諧振激勵，平面內波導模態之激勵及諧振反射遞減。在將折射率自n = 1.5增大至n = 3.5 (其約為λ ≈ 1000 nm下之GaAs的折射率)時，諧振反射遞減(圖11A-11F)。 在ITO層存在於系統中時，平面內波導模態可導致ITO內之諧振吸收(圖11E)。若ITO-奈米線-ITO堆疊置放於Si基板(假設100 nm厚的ITO層，對於此期望平面內波導模態洩漏至基板中，防止諧振激勵，如圖12A-12F所見)之頂部正上方，則該ITO吸收損失可減少。 在圖11A-11F中，比較GaAs (Ebg , NWs = 1.43 eV)及GaAsP (其中選擇組合物以給出Ebg , NWs = 1.7 eV)奈米線陣列之光學響應。如上文所論述，具有GaAsP奈米線之較高帶隙導致較低jNWs ，且亦導致較高jSi (對於奈米線強吸收的奈米線幾何結構)。諧振反射亦發現用於具有比GaAs更高值(由於對於此區域中之GaAsP，jSi 可較高，其亦導致潛在地較高損失)的GaAsP奈米線。亦發現對於GaAsP，低於其見不到諧振反射的直徑減小。 為藉由平面內波導模態證明藉由諧振激勵之諧振反射並非不包括於六方形陣列，考慮方形陣列(圖12A-12C)。在本文中，對於六方形陣列類似地發現諧振反射。此外，經研究之間距之範圍擴展至較高值。對此增大之間距範圍，亦已發現D ＜ 200 nm作為「良好」區域出現，其中諧振反射不明顯(除了間距中之約550 nm之小區域，其中需要均勻較小的D以「防止」諧振反射)。 藉由以上準則，可為堆疊式串聯光伏打裝置製備及提供獨立式奈米線光伏打膜(例如，薄膜)。膜可置放在塊體光伏打子電池(諸如塊體矽子電池)上方以形成串聯光伏打裝置。在另一實施例中，預先存在之光伏打面板可藉由將第一光伏打子電池(例如，含有奈米結構之膜)置放於光伏打面板上方來升級。 儘管前述內容涉及特定較佳實施例，但應理解，本發明不限於此。一般熟習此項技術者將想到可對所揭示之實施例進行各種修改且該等修改意欲在本發明之範疇內。本文所引用之所有公開案、專利申請案及專利的全部內容以引用的方式併入本文中。
100‧‧‧堆疊式串聯光伏打電池
102‧‧‧第一光伏打子電池
103‧‧‧分隔層
104‧‧‧第二光伏打子電池
105‧‧‧分隔層
106‧‧‧第三光伏打子電池
108‧‧‧光
200a‧‧‧堆疊式串聯光伏打電池
200b‧‧‧堆疊式串聯光伏打電池
200c‧‧‧堆疊式串聯光伏打電池
202‧‧‧奈米結構子電池
203‧‧‧第一導電氧化物層
204‧‧‧奈米結構子電池
205‧‧‧第二導電氧化物層
206‧‧‧奈米結構子電池
207‧‧‧窗口層
210‧‧‧平面內波導模態
212‧‧‧繞射級
300a‧‧‧堆疊式串聯光伏打電池
300b‧‧‧堆疊式串聯光伏打電池
300c‧‧‧堆疊式串聯光伏打電池
300d‧‧‧堆疊式串聯光伏打電池
圖1為根據實施例之堆疊式串聯光伏打電池之示意圖。 圖2A及圖2B為習知堆疊式串聯光伏打電池之示意圖。圖2C為根據實施例之堆疊式串聯光伏打電池之示意圖。 圖3A至圖3D為堆疊式串聯光伏打電池之實施例之示意圖。 圖4為展示以下之奈米線子電池之示意圖：(1)入射光，(2)反射光，(3)透射光，及(4)奈米線陣列之平面中波導。 圖5A為根據實施例之Si基板頂部上之GaAs奈米線陣列的示意圖。 圖5B為折射率n = 1.5之膜內之GaAs奈米線陣列的示意圖。 圖6A至圖6C為隨Si基板正上方之GaAs奈米線陣列之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線，該Si基板具有奈米線之間及頂部上之n = 1.5之膜。在一實施例中，奈米線陣列之GaAs奈米線包含GaAs p-n或p-i-n接面太陽能電池。圖6A說明奈米線j NWs 之電流密度。圖6B說明矽基板：j Si 之電流密度。圖6C說明反射損失j Si , R - 損失 之電流密度。 圖7A至圖7F為隨GaAs奈米線陣列之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線，該GaAs奈米線陣列具有奈米線之間及頂部上之n = 1.5之膜。圖7A說明奈米線j NWs 之電流密度。圖7B說明矽基板：j Si 之電流密度。圖7C說明反射損失j Si , R - 損失 之電流密度。圖7D說明長度為500 nm之奈米線之反射損失j Si , R - 損失 的電流密度。圖7E說明長度為3000 nm之奈米線之反射損失j Si , R - 損失 的電流密度。圖7F說明長度為6000 nm之奈米線之反射損失j Si , R - 損失 的電流密度。 圖8A至圖8E為隨變化折射率之基板上之GaAs奈米線陣列之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。奈米線具有其之間及頂部上之n = 1.5材料。 圖9A為說明矽基板上之奈米線陣列中之反射損失的示意圖。 圖9B為說明在矽基板上具有分隔層之奈米線陣列中之反射損失的示意圖。 圖9C為隨矽基板上之GaAs奈米線陣列之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。 圖9D為隨陣列之奈米線與基板之間之間隙尺寸而變的電流密度由於反射之損失曲線，該陣列之奈米線之直徑為300 nm，間距為500 nm，且長度為3000 nm。 圖9E為隨陣列之奈米線與基板之間之間隙尺寸而變的電流密度由於反射之損失曲線，該陣列之奈米線之直徑為180 nm，間距為350 nm，且長度為3000 nm。 圖10A為折射率為n = 3.0之基板上之具有折射率為n = 1.5的封裝層之奈米線子電池的示意圖。 圖10B為說明圖10A之裝置之反射損失的隨奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。 圖10C為折射率為n = 3.0之基板上之具有折射率為n = 3.0的封裝層之奈米線子電池的示意圖。 圖10D為說明圖10C之裝置之反射損失的隨奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。 圖11A為具有奈米線上方及下方的折射率為n = 1.5-3.5之隔膜層及折射率為1.5之窗口層的奈米線子電池的示意圖。 圖11B至圖11F為說明隔膜層之變化折射率之反射損失的隨圖11A中所說明之子電池之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。 圖12A為具有奈米線上方及下方之隔膜層、氧化銦錫(ITO)層及ITO層上方及下方之折射率為1.5的窗口層之奈米線子電池之示意圖。 圖12B至圖12F為說明在ITO層存在下反射及吸收損失的隨圖12A中所說明之子電池之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。 圖13A為具有奈米線上方或下方之隔膜層、氧化銦錫(ITO)層及ITO層上方或下方之折射率為1.5的窗口層以及矽基板之奈米線子電池的示意圖。 圖13B及圖13C為說明在ITO層及矽基板存在下反射及吸收損失的隨圖13A中所說明之子電池之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。 圖14A至圖14C為隨矽基板上之折射率為n = 1.5之膜中的GaAs奈米線陣列之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。圖14A說明奈米線之電流密度。圖14B說明矽底部電池中之矽基板之電流密度。圖14C說明由於反射損失之電流密度。 圖14D至圖14F為隨矽基板上之折射率為n = 1.5之膜中的1.7 eV帶隙GaAsP奈米線陣列之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。圖14D說明奈米線之電流密度。圖14E說明矽底部電池中之矽基板之電流密度。圖14說明由於反射損失之電流密度。 圖15A至圖15C為隨矽基板上之折射率為n = 1.5之膜中的方形GaAs奈米線陣列之奈米線直徑及間距而變的電流密度曲線。

Claims (40)

  1. 一種製備堆疊式串聯光伏打裝置之方法，其包含： 確定該堆疊式串聯光伏打裝置之子電池之奈米結構及折射率參數以減少入射於該堆疊式串聯光伏打裝置上的光之平面內波導； 提供第一光伏打子電池，該第一光伏打子電池包含基於該確定步驟之奈米結構；及 提供基於該確定步驟之第二光伏打子電池，其中該第一光伏打子電池具有第一帶隙，該第二光伏打子電池具有第二帶隙，且該第一帶隙大於該第二帶隙， 其中入射於該堆疊式串聯光伏打裝置上之光在進入該第二光伏打子電池之前穿過該第一光伏打子電池。
  2. 如請求項1之方法，其中該第一光伏打子電池之帶隙小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的第一光伏打子電池之帶隙。
  3. 如請求項1之方法，該方法進一步包含在該第一光伏打子電池與該第二光伏打子電池之間形成具有比該第一光伏打子電池較高有效折射率之第一層。
  4. 如請求項3之方法，其中該具有較高有效折射率之第一層的厚度小於λ/2，其中λ為待於該第二光伏打子電池中吸收之光的波長。
  5. 如請求項4之方法，其中該具有較高折射率的第一層包含透明導電氧化物。
  6. 如請求項5之方法，該方法進一步包含在該第一光伏打子電池與該第二光伏打子電池之間形成窗口層，該窗口層具有比該第一光伏打子電池較高有效折射率，且厚度小於λ/2。
  7. 如請求項6之方法，該方法進一步包含形成第二層，該第二層包含該第一光伏打子電池中之至少一者與該窗口層或該第二光伏打子電池之間的透明導電氧化物，該透明導電氧化物之第二層之厚度小於λ/2。
  8. 如請求項5之方法，該方法進一步包含在該第一光伏打子電池與該第二光伏打子電池之間形成窗口層，該窗口層具有比該第二光伏打子電池更低的折射率，且厚度大於λ/2。
  9. 如請求項8之方法，該方法進一步包含形成第二層，該第二層包含該第一光伏打子電池中之至少一者與窗口層或該第二光伏打子電池之間的透明導電氧化物，該透明導電氧化物之第二層之厚度小於λ/2。
  10. 如請求項1之方法，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 該等奈米線之直徑小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的奈米線之直徑。
  11. 如請求項1之方法，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 該電介質之折射率低於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的電介質。
  12. 如請求項1之方法，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 該等奈米線包含半導體材料，其折射率比針對光學透明度優化而不考慮平面內波導之奈米線的折射率低。
  13. 如請求項1之方法，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 固定奈米線直徑之奈米線密度小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導之相同組合物的奈米線密度。
  14. 如請求項1之方法，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 固定奈米線密度之奈米線直徑小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導之相同組合物的奈米線直徑。
  15. 如請求項1之方法，其中該等奈米結構係以週期性陣列經組態，其中選擇奈米結構之間的間距以使得在針對透明度的相關波長範圍內對於平面內k向量無平面內波導模態存在。
  16. 如請求項1之方法，該方法進一步包含： 利用子電池之帶隙調諧透明度波長窗口；或 將展示反射問題之子電池置放於足夠靠近相鄰子電池處，以使得平面內波導模態無法由於洩漏至該相鄰子電池中而激勵；或 在展示諧振反射之各子電池中選擇較高折射率材料與較低折射率材料之間的足夠小的對比度；或 選擇包括足夠少的較高折射率材料以減少光向平面內方向散射；或 使用足夠小的時間段之週期性系統以阻止平面內波導之激勵。
  17. 如請求項1之方法，該方法進一步包含： 調適平面內波導模態之色散，以使得其無法在針對透明度之相關波長範圍內藉由k向量所允許之方法而激勵；或 允許藉由k向量選擇來激勵平面內波導模態，但藉由調適該陣列之散射幾何結構遞減該等模態之實際激勵強度。
  18. 如請求項1之方法，該方法進一步包含選擇奈米線直徑以防止諧振反射，其中該等奈米結構包含奈米線。
  19. 一種包含含有奈米結構之第一光伏打子電池之光伏打裝置，其中在堆疊式串聯光伏打裝置中該第一光伏打電池位於第二光伏打電池上方時，該第一光伏打子電池中之至少一個特徵減少或消除由於入射光之平面內波導所致之反射損失，且其中該第一光伏打電池經組態以准許入射於該堆疊式串聯光伏打裝置上之光在進入該第二光伏打子電池之前穿過該第一光伏打子電池。
  20. 如請求項19之光伏打裝置，其中該第一光伏打子電池包含含有嵌入於電介質基質中之該等奈米結構的獨立式膜。
  21. 如請求項20之光伏打裝置，其中該電介質基質包含聚合物基質，且該等奈米結構包含含有p-n或p-i-n接面之III-V半導體奈米線。
  22. 如請求項21之光伏打裝置，其中該等III-V半導體奈米線GaAs或GaAsP奈米線，且其中該第一光伏打子電池係經組態以位於包含塊體矽子電池之該第二光伏打子電池上方。
  23. 一種堆疊式串聯光伏打裝置，該裝置包含： 如請求項19之第一光伏打子電池；及 該第二光伏打子電池，其中該第一光伏打子電池具有第一帶隙，該第二光伏打子電池具有第二帶隙，且該第一帶隙大於該第二帶隙， 其中該堆疊式串聯光伏打裝置中的至少一個特徵減少或消除由於該堆疊式串聯光伏打裝置上之入射光之平面內波導所致之反射損失，及 其中入射於該堆疊式串聯光伏打裝置上之光在進入該第二光伏打子電池之前穿過該第一光伏打子電池。
  24. 如請求項23之堆疊式串聯光伏打裝置，其中該第一光伏打子電池之帶隙小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的第一光伏打子電池之帶隙。
  25. 如請求項23之堆疊式串聯光伏打裝置，該裝置進一步包含位於該第一光伏打子電池與該第二光伏打子電池之間的具有較高折射率的第一層。
  26. 如請求項25之堆疊式串聯光伏打裝置，其中該具有較高折射率之第一層的厚度小於λ/2，其中λ為待於該第二光伏打子電池中吸收之光的波長。
  27. 如請求項26之堆疊式串聯光伏打裝置，其中該具有較高折射率之第一層包含透明導電氧化物。
  28. 如請求項27之堆疊式串聯光伏打裝置，該裝置進一步包含位於該第一光伏打子電池與該第二光伏打子電池之間的窗口層，該窗口層具有比該第一光伏打子電池較高的折射率，且厚度小於λ/2。
  29. 如請求項28之堆疊式串聯光伏打裝置，該裝置進一步包含第二層，該第二層包含位於該第一光伏打子電池與該第二光伏打子電池之間的透明導電氧化物，該透明導電氧化物之第二層之厚度小於λ/2。
  30. 如請求項27之堆疊式串聯光伏打裝置，該裝置進一步包含位於該第一光伏打子電池與該第二光伏打子電池之間的窗口層，該窗口層具有比該第一光伏打子電池較低的折射率，且厚度大於λ/2。
  31. 如請求項30之堆疊式串聯光伏打裝置，該裝置進一步包含第二層，該第二層包含位於該第一光伏打子電池與該第二光伏打子電池之間的透明導電氧化物，該透明導電氧化物之第二層之厚度小於λ/2。
  32. 如請求項23之堆疊式串聯光伏打裝置，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 該等奈米線之直徑比針對光學透明度優化而不考慮平面內波導之相同組合物的奈米線之直徑小。
  33. 如請求項23之堆疊式串聯光伏打裝置，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 該電介質之折射率低於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導的電介質。
  34. 如請求項23之堆疊式串聯光伏打裝置，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 該等奈米線包含半導體材料，其折射率比針對光學透明度優化而不考慮平面內波導之奈米線的折射率低。
  35. 如請求項23之堆疊式串聯光伏打裝置，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 固定奈米線直徑之奈米線密度小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導之相同組合物的奈米線密度。
  36. 如請求項23之堆疊式串聯光伏打裝置，其中： 該等奈米結構包含奈米線， 於該等奈米線之間提供電介質， 該等奈米線之折射率高於該電介質，及 固定奈米線密度之奈米線直徑小於針對光學透明度優化而不考慮平面內波導之相同組合物的奈米線直徑。
  37. 如請求項23之堆疊式串聯光伏打裝置，其中該等奈米結構係以週期性陣列經組態，其中選擇奈米結構之間的間距以使得在針對透明度的相關波長範圍內對於平面內k向量無平面內波導模態存在。
  38. 如請求項23之堆疊式串聯光伏打裝置，其中該第一光伏打子電池吸收大於80%之具有大於該第一帶隙之能量的光及小於20%之具有小於該第一帶隙之能量的光。
  39. 一種升級光伏打面板之方法，其包含將如請求項19之第一光伏打子電池置放於該光伏打面板上方。
  40. 一種操作堆疊式串聯光伏打裝置之方法，其包含： 在包含奈米結構之第一光伏打子電池上接收入射光，以使得至少一部分該入射光穿過該第一光伏打子電池且進入第二光伏打子電池；及 自該第一光伏打子電池及該第二光伏打子電池產生電流或電壓； 其中： 該第一光伏打子電池具有第一帶隙，該第二光伏打子電池具有第二帶隙，且該第一帶隙大於該第二帶隙，及 該堆疊式串聯光伏打裝置中之至少一個特徵減少或消除由於該入射光之平面內波導所致之反射損失。
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