CN102738268A - 使用聚合物分散液晶的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

示例实施例涉及一种太阳能电池，构造来散射将要穿透的入射光以增大光行进路程，该太阳能电池包括在第一和第二电极中的至少一个上的聚合物分散液晶(PDLC)层。

Description

使用聚合物分散液晶的太阳能电池
技术领域
示例实施例涉及太阳能电池，更具体地，涉及使用聚合物分散液晶(polymer-dispersed liquid crystal)的太阳能电池。
背景技术
一些太阳能电池利用p型半导体材料和n型半导体材料将太阳能转化为电能。当日光入射在太阳能电池上时，电子和空穴分别从n型和p型半导体材料产生，所产生的电子和空穴分别移动到n型和p型电极。因此，电流在连接到太阳能电池的负载中流动。太阳能电池不仅可以产生电能，而且太阳能电池还可以抑制环境污染，诸如温室气体，因为太阳能电池发电而不生成温室气体。因此，高效太阳能电池备受关注。
薄膜太阳能电池包括具有约数微米或更小厚度的半导体材料。当薄膜太阳能电池的厚度减小时，太阳能电池的效率可以由于暗电流的减小和载流子复合的减少而增大。然而，由于半导体材料的厚度降低，所以太阳能电池的效率会由于太阳能电池可吸收更少的日光而降低。因此，需要减小太阳能电池的厚度并改善日光吸收的方法从而改善太阳能电池的效率。为了改善日光的吸收，在太阳能电池中可以使用散射材料诸如光子晶体(photonic crystal)或纳米颗粒来引起光散射且因此日光的行进路程可以增加。然而，使用光子晶体和/或纳米颗粒的太阳能电池的制造工艺可能会复杂且因此增加了制造成本。
发明内容
示例实施例涉及包括聚合物分散液晶的太阳能电池。
其他方面将在下面的描述中部分阐述，并将部分地从该描述而显然，或者可以通过实践示例实施例而习得。
根据示例实施例，一种太阳能电池包括：彼此间隔开的第一电极和第二电极；半导体层，在第一电极和第二电极之间；以及聚合物分散液晶(PDLC)层，在第一电极和第二电极中的至少一个上，该PDLC层包括聚合物和液晶。
抗反射层可以在PDLC层上。
PDLC层还可以包括波长转换材料。该波长转换材料可以包括量子点和荧光染料中的至少一种。
半导体层可以包括p型半导体层和n型半导体层。
根据示例实施例，一种太阳能电池包括：彼此间隔开的第一电极和第二电极；半导体层，在第一电极和第二电极之间；以及在第一电极上的第一聚合物分散液晶(PDLC)层，该第一PDLC层包括聚合物和液晶。
抗反射膜可以在第一PDLC层上。
第一PDLC层还可以包括波长转换材料。该波长转换材料可以包括量子点和荧光染料中的至少一种。
第一电极可以包括光透射材料，第二电极可以包括光反射材料。
第一电极和第二电极可以每个包括光透射材料。太阳能电池还可以包括形成在第二电极上的第二PDLC层，该第二PDLC层包括聚合物和液晶。
根据示例实施例，构造来散射将要穿透的入射光从而增大日光行进路程的太阳能电池包括聚合物分散液晶(PDLC)层，该PDLC层包括聚合物和液晶。
抗反射膜可以在该PDLC层上。
PDLC层还可以包括波长转换材料。
该太阳能电池可以包括薄膜太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、染料敏化太阳能电池(DSSC)和有机光伏(OPV)太阳能电池之一。
附图说明
示例实施例的前述和/或其他的特征和优点将从下面结合附图对非限制性实施例的描述变得显然且更易于理解，附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记表示相同的部件。附图不一定按比例，而是着重于示出示例实施例的原理。在附图中：
图1示出聚合物分散液晶(PDLC)层的结构和光学特性；
图2是示意地示出根据示例实施例的太阳能电池的截面图；
图3A和3B是截面图，分别示出常规技术的太阳能电池中的日光行进路程和根据示例实施例的太阳能电池中的日光行进路程；
图4是根据示例实施例的太阳能电池的截面图；
图5是根据示例实施例的太阳能电池的截面图；
图6是根据示例实施例的太阳能电池的截面图；以及
图7是根据示例实施例的太阳能电池的截面图。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例实施例，附图中示出一些示例实施例。然而，示例实施例可以以许多不同的形式体现且不应解释为限于这里阐述的实施例；而是，提供这些示范性实施例使得本公开彻底和完整，并将示例实施例的思想充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，层和区域的厚度为了清楚而被夸大。附图中相似的附图标记指示相似的元件，因此将省略对它们的描述。
将理解，当元件被称为“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到另一元件，或者可以存在居间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，则没有居间元件存在。当在这里使用时，术语“和/或”包括相关所列项中的一个或更多的任意和全部组合。用于描述元件或层之间的关系的其他词语应以类似的方式解释(例如“之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接与...相邻”、“在...上”和“直接在...上”)。
将理解，尽管术语“第一”、“第二”等可以在这里用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区别开。因此，下面论述的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分而不偏离示例实施例的教导。
为了便于描述这里可以使用空间相对性术语诸如“下面”、“之下”、“下”、“上面”、“上”等来描述如附图所示的一个元件或特征相对于另一元件(或多个元件)或特征(或多个特征)的关系。将理解，空间相对性术语旨在涵盖除了附图所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为在其他元件或特征“之下”或“下面”的元件将取向为在所述其他元件或特征“上面”。因此，示范性术语“之下”可以涵盖之上和之下两种取向。器件可以另外地取向(旋转90度或者在其他取向)，这里使用的空间相对性描述符作相应解释。
这里使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不旨在限制示例实施例。如此处所用的，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。还将理解，术语“包括”和/或“包含”如果在这里使用，则指明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。
这里参照截面图描述示例实施例，截面图是示例实施例的理想化实施例(以及中间结构)的示意图。因而，由例如制造技术和/或公差导致的图示形状的变化是可以预期的。因此，示例实施例不应被解释为限于这里示出的区域的特定形状，而是可以包括例如制造导致的形状偏差。例如，示为矩形的注入区可以具有圆化或弯曲的特征和/或在其边缘处的注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元变化。类似地，通过注入形成的掩埋区可以导致在掩埋区和注入通过其进行的表面之间的区域中的一些注入。因此，附图所示的区域本质上是示意性的，它们的形状无意示出器件的区域的实际形状，且无意限制示例实施例的范围。
除非另行定义，否则这里使用的全部术语(包括技术和科学术语)具有与示例实施例所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。
图1示出聚合物分散液晶(PDLC)层50的结构和光学特性。参照图1，PDLC层50可以包括聚合物51和液晶52。这里，聚合物51具有网络结构，液晶52均匀地(或基本均匀地)分散于聚合物51中。当电场不施加到PDLC层50时，液晶分子53随机排列于PDLC层50中。这样，当液晶分子53随机排列时，从光源70入射到PDLC层50上的光由于聚合物51和液晶52之间的折射率差异而沿各个方向散射。散射光大部分穿透PDLC层50且几乎不朝向光源70反射。这样，在不施加电场的PDLC层50中，PDLC层50的特性为入射光散射且穿透。因此，当PDLC层50在太阳能电池中应用为光散射层时，日光行进的路程可以在太阳能电池中增加。
图2是截面图，示意地示出根据示例实施例的太阳能电池100。
参照图2，第一电极120和第二电极110彼此间隔开期望的(或者替代地预定的)间隔。此外，半导体层125和115(其由于从光源70入射的日光而产生电子和空穴)插设于第一电极120和第二电极110之间。尽管图2示出太阳能电池100面对从光源70入射的日光，但是示例实施例不限于此，根据示例实施例的太阳能电池可以从非太阳(non-solar)的光照射产生电。第一电极120在日光从光源70入射的一侧，且可以包括光透射材料。此外，第二电极110可以包括光反射材料，诸如反射光的金属。替代地，第二电极110可以包括光透射材料。半导体层125和115可以分别包括形成在第一电极120的下表面上的第一半导体层125以及形成在第一半导体层125的下表面上的第二半导体层115。第一半导体层125和第二半导体层115可以分别为n型半导体层和p型半导体层。在该情况下，第一电极120和第二电极110可以分别为p型电极和n型电极。此外，第一和第二半导体层125和115可以分别为p型半导体层和n型半导体层。在该情况下，第一电极120和第二电极110可以分别为p型电极和n型电极。
PDLC层150形成在第一电极120上，日光从光源70入射于其上。PDLC层150包括聚合物151和分散于聚合物151中的液晶152。这里，聚合物151可以具有网络结构，液晶分子153随机排列于PDLC层150中。
PDLC层150可以如下形成。首先，透明基板(未示出)诸如玻璃形成在第一电极120上，然后，通过混合液晶152和可光聚合材料(未示出)而获得的溶液注射于透明基板和第一电极120之间。然后，当UV光穿过透明基板照射到混合溶液时，可光聚合材料通过光聚合反应而硬化，由此形成PDLC层150。这样，在形成PDLC层150之后，透明基板可以被去除或者可以保留在PDLC层150上。此外，PDLC层150可以通过用辊对辊(roll-to-roll)法制造PDLC膜(未示出)且然后将PDLC膜贴附在第一电极120上而形成。
在上述结构中，当日光从光源70入射在PDLC层150上时，日光由于聚合物151和液晶152之间的折射率差异而被散射在各个方向且大部分穿透PDLC层150。穿透PDLC层150的光通过第一电极120入射在第一和第二半导体层125和115上。入射在第一和第二半导体层125和115上的光在经过第一和第二半导体层125和115时被吸收并产生电子和空穴。这样，当PDLC层150设置在日光入射的一侧时，入射在PDLC层150上的光被散射在各个方向且大部分穿透PDLC层150。因此，入射在第一和第二半导体层125和115上的光的行进路程可以增大。由于光在第一和第二半导体层125和115中的行进路程增大，所以第一和第二半导体层125和115可以吸收更大量的光，因此太阳能电池100的效率可以增大。此外，PDLC层150还可以包括纳米散射颗粒(未示出)以改善散射特性。
图3A和3B是截面图，分别示出常规技术的太阳能电池10中的日光行进路程和根据示例实施例的太阳能电池100中的日光行进路程。更具体地，图3A示出常规技术的太阳能电池10，其中第一和第二半导体层125和115插置在彼此间隔开的第一电极120和第二电极110之间，图3B示出根据示例实施例的太阳能电池100。
参照图3A，在常规太阳能电池10中，从光源70垂直入射在太阳能电池10上的日光穿透第一电极120，入射在第一和第二半导体层125和115上，被第二电极110朝向光源70反射，且发射到外面。在该情况下，太阳能电池10中的日光可以具有为太阳能电池10的厚度的两倍的行进路程。
参照图3B，在太阳能电池100中，从光源70入射在PDLC层150上的日光由于聚合物151和液晶152之间的折射率差异而被散射在各个方向上且大部分穿透PDLC层150。穿透的光通过第一电极120入射在第一和第二半导体层125和115上。此外，入射在第一和第二半导体层125和115上的光中的未被吸收的光被第二电极110以各种角度反射且可以通过第一电极120再次入射在PDLC层150上。这样，入射在PDLC层150上的光被再次散射在各个方向上且部分光穿透PDLC层150且发射到外面，其他部分的光通过由于PDLC层150和外部空气之间的折射率差异而发生的全反射而再次进入第一和第二半导体层125和115。如上所述，在根据示例实施例的太阳能电池100中，PDLC层150用于将日光散射在各个方向上并且所散射的光入射到第一和第二半导体层125和115，由此增大太阳能电池100中的日光行进路程。因此，第一和第二半导体层125和115可以吸收更多量的光且因而太阳能电池100的效率可以提高。
图4是根据示例实施例的太阳能电池200的截面图。在下文，将描述与太阳能电池100的差异。
参照图4，第一电极220和第二电极210设置得彼此间隔开期望的(或者替代地预定的)间隔，第一和第二半导体层225和215插置在第一电极220和第二电极210之间。第一电极220可以包括光透射材料，第二电极210可以包括光反射材料。此外，PDLC层250形成在第一电极220上，来自光源70的日光入射在其上。PDLC层250包括聚合物251和液晶252，液晶252均匀地分散在聚合物251中。这里，液晶分子253在PDLC层250中随机排列。PDLC层250还可以包括纳米散射颗粒(未示出)以改善散射特性。
抗反射膜260涂覆在PDLC层250上。抗反射膜260防止从光源70入射的日光在外部空气与PDLC层250之间的界面处被反射。如上所述，在太阳能电池200中，抗反射膜260涂覆在PDLC层250上，因此更多量的来自光源70的日光可以入射在PDLC层250上。
图5是根据示例实施例的太阳能电池300的截面图。在下文，将描述与太阳能电池100和200的差异。
参照图5，第一电极320和第二电极310设置得彼此间隔开期望的(或者替代地预定的)间隔，第一和第二半导体层325和315插置在第一电极320和第二电极310之间。第一电极320可以包括光透射材料，第二电极310可以包括光反射材料。此外，PDLC层350形成在第一电极320上，日光从光源70入射于其上。在太阳能电池300中，PDLC层350包括聚合物351、液晶352和波长转换材料355。这里，液晶352和波长转换材料355分散于具有网络结构的聚合物351中。波长转换材料355可以转换入射光的波长。波长转换材料355可以包括量子点、荧光染料、以及它们的组合，但是示例实施例不限于此。液晶分子353在PDLC层350中随机排列。PDLC层350还可以包括纳米散射颗粒(未示出)以改善散射特性。
通常，在太阳能电池中，根据所使用的半导体材料的类型存在可被使用的日光的波段，因此具有不在该波段内的波长的日光没有被太阳能电池变为电能。然而，如在根据示例实施例的太阳能电池300中，当在PDLC层350中包括波长转换材料355时，从光源70入射的日光中具有不可用波长的日光通过波长转换材料355转变为具有可用波长的日光，因此太阳能电池300的效率可以提高。此外，图4所示的抗反射膜260可以进一步形成在PDLC层350上。
图6是根据示例实施例的太阳能电池400的截面图。在下文，将描述与太阳能电池100、200和300的差异。
参照图6，第一电极420和第二电极410设置得彼此间隔开期望的(或者替代地预定的)间隔，第一和第二半导体层425和415插置在第一电极420和第二电极410之间。第一电极420和第二电极410可以每个包括光透射材料。第一PDLC层450形成在第一电极420上，日光从光源70入射于其上。第一PDLC层450包括第一聚合物451和分散于第一聚合物451中的第一液晶452。第一液晶分子453随机排列于第一PDLC层450中。第一PDLC层450还可以包括纳米散射颗粒(未示出)以改善散射特性。此外，第二PDLC层440设置在第二电极410的下表面上。这里，第二PDLC层440包括第二聚合物441和分散于第二聚合物441中的第二液晶442。第二液晶分子443随机排列于第二PDLC层440中。第二DLC层440还可以包括纳米散射颗粒(未示出)以改善散射特性。
在上述结构中，从光源70入射于第一PDLC层450上的日光被散射在各个方向上且大部分穿透第一PDLC层450。穿透第一PDLC层450的光入射在第一和第二半导体层425和415上。此外，入射到第一和第二半导体层425和415上的光中的未被吸收的光通过第二电极410入射在第二PDLC层440上。这样，入射到第二PDLC层440上的光被散射在各个方向上并且部分光再次入射到第一和第二半导体层425和415上。因此，根据当前实施例的太阳能电池400吸收从光源70入射的更多量的日光且因此太阳能电池400的效率可以提升。此外，图4所示的抗反射膜260可以进一步形成在第一PDLC层450上，日光从光源70入射于第一PDLC层450上。此外，图5所示的波长转换材料还可以被包括在第一和第二PDLC层450和440中。
图7是根据示例实施例的太阳能电池500的截面图。在下文，将描述与太阳能电池100、200、300和400的差异。
参照图7，第一电极520和第二电极510设置得彼此间隔开预定间隔，第一和第二半导体层525和515插置在第一电极520和第二电极510之间。第一电极520和第二电极510可以每个包括光透射材料。PDLC层550形成在第二电极510的下表面上。PDLC层550包括聚合物551和分散于聚合物551中的液晶552。液晶分子553随机排列于PDLC层550中。第一PDLC层550还可以包括纳米散射颗粒(未示出)以改善散射特性。
在上述结构中，日光从光源70通过第一电极520入射到第一和第二半导体层525和515上。此外，入射光中未被吸收的光通过第二电极510入射到PDLC层550上。入射到PDLC层550上的光被散射在各个方向上且部分光再次入射到第一和第二半导体层525和515上且在其中被吸收。此外，图4所示的抗反射膜260还可以形成在第一电极520上，日光从光源70入射于第一电极520上，图5所示的波长转换材料355还可以被包括在PDLC层550中。
根据示例实施例，作为光散射层的PDLC层应用于太阳能电池中从而从光源入射的日光被有效散射且穿透PDLC层，由此在太阳能电池中日光行进路程可以增大，从而改善太阳能电池的效率。
其中上述实施例中描述的PDLC层用作光散射层的太阳能电池可以应用到所有类型的太阳能电池，例如薄膜太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、染料敏化太阳能电池(DSSC)或有机光伏(OPV)太阳能电池。
应当理解，这里描述的示例实施例仅应当仅以描述性的含义理解，而不是为了限制的目的。示例实施例中对特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他示例实施例中的其他类似特征或方面。虽然已经具体示出和描述了一些示例实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化而不偏离权利要求的精神和范围。

Claims (16)

1.一种太阳能电池，包括：
第一电极和第二电极，彼此间隔开；
半导体层，在该第一电极和该第二电极之间；以及
聚合物分散液晶层，在该第一电极和该第二电极中的至少一个上，该聚合物分散液晶层包括聚合物和液晶，
其中该聚合物分散液晶层散射将要穿透的入射光从而增大该半导体层中的光程。
2.如权利要求1所述的太阳能电池，还包括：
抗反射膜，在该聚合物分散液晶层上。
3.如权利要求1所述的太阳能电池，其中该聚合物分散液晶层包括波长转换材料。
4.如权利要求1所述的太阳能电池，其中该半导体层包括p型半导体层和n型半导体层。
5.一种太阳能电池，包括：
第一电极和第二电极，彼此间隔开；
半导体层，在该第一电极和该第二电极之间；以及
第一聚合物分散液晶层，在该第一电极上，该第一聚合物分散液晶层包括聚合物和液晶，
其中该第一聚合物分散液晶层散射将要穿透的入射光从而增大该半导体层中的光程。
6.如权利要求5所述的太阳能电池，还包括：
抗反射膜，在该第一聚合物分散液晶层上。
7.如权利要求5所述的太阳能电池，其中该第一聚合物分散液晶层还包括波长转换材料。
8.如权利要求7所述的太阳能电池，其中该波长转换材料包括量子点和荧光染料中的至少一种。
9.如权利要求5所述的太阳能电池，其中
该第一电极包括光透射材料，且
该第二电极包括光反射材料。
10.如权利要求5所述的太阳能电池，其中该第一电极和该第二电极每个都包括光透射材料。
11.如权利要求10所述的太阳能电池，还包括形成在该第二电极上的第二聚合物分散液晶层，该第二聚合物分散液晶层包括聚合物和液晶。
12.如权利要求5所述的太阳能电池，其中该半导体层包括p型半导体层和n型半导体层。
13.一种太阳能电池，构造来散射将要穿透的入射光以增大光行进路程，该太阳能电池包括聚合物分散液晶层，该聚合物分散液晶层包括聚合物和液晶。
14.如权利要求13所述的太阳能电池，还包括：
抗反射膜，在该聚合物分散液晶层上。
15.如权利要求13所述的太阳能电池，其中该聚合物分散液晶层还包括波长转换材料。
16.如权利要求13所述的太阳能电池，其中该太阳能电池包括薄膜太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机光伏太阳能电池之一。
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