專利名稱：一種光電/熱電轉(zhuǎn)換電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，屬于半導(dǎo)體電池技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有光伏電池一般為以下層次結(jié)構(gòu)1.透明窗口；2.金屬柵極；3.透明電極；4.P(或N)型半導(dǎo)體材料層(必要時有2層，其中一層是重?fù)诫s，目的是降低與電極的接觸電阻)；5.本征半導(dǎo)體(有些電池沒有該層結(jié)構(gòu))；6.N(P)型半導(dǎo)體材料層(必要時有2層，其中一層是重?fù)诫s以降低與電極的接觸電阻)；7.金屬電極；8.外絕緣保護(hù)支撐層。在這類光伏電池中，外部光線都是垂直照射到它的多層結(jié)構(gòu)上，光線必須穿越1～5層結(jié)構(gòu)，照射到第6層上使N(P)型半導(dǎo)體材料被激發(fā)出載流子。該載流子必須有足夠的能量在泯滅前到達(dá)P(N)型半導(dǎo)體材料上才能夠?qū)崿F(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。顯然光伏效應(yīng)產(chǎn)生的電勢和電流方向都是垂直穿越光伏電池的板型結(jié)構(gòu)的，與太陽光入射方向并行。光伏電池產(chǎn)生電流的原理是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，但是，由于現(xiàn)有光伏電池的內(nèi)部勢壘是由半導(dǎo)體P-N結(jié)或摻雜載流子濃度熱擴(kuò)散而建立的，最高勢壘不高于禁帶寬度，光伏電池激發(fā)的載流子只能在該半導(dǎo)體禁帶寬度內(nèi)的電勢場中移動，因此，現(xiàn)有光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種其電勢場可以不受半導(dǎo)體禁帶寬度限制、能得到更高的光電轉(zhuǎn)換效率，且結(jié)構(gòu)簡單、材料易選、成本低廉，適于大批量生產(chǎn)的光電/熱電轉(zhuǎn)換電池。
解決上述問題的技術(shù)方案是一種光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，它由透明窗口、本征半導(dǎo)體、金屬電極、外絕緣保護(hù)支撐層組成，透明窗口和外絕緣保護(hù)支撐層分別位于半導(dǎo)體的上下方，與其緊密接觸，本征半導(dǎo)體的左右兩端分別與金屬電極相連接。
上述光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，所述的半導(dǎo)體兩端的金屬電極分別為兩種金屬材料，一端為金屬功函數(shù)比半導(dǎo)體的價帶功函數(shù)高的金屬材料，所述金屬材料為鉑、銥、錸、鎳中的一種；另一端為金屬功函數(shù)比半導(dǎo)體的導(dǎo)帶功函數(shù)低的金屬材料，所述金屬材料為鋇、鍶、鈣、鎂中的一種。
上述光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，所述半導(dǎo)體尺寸為膜厚1～200微米，寬為1～30毫米。
上述光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，所述半導(dǎo)體材料選用下列均相本征半導(dǎo)體之一單晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化銦、硫化鎘或銅銦硒。
上述光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，所述半導(dǎo)體材料選用P-I-N型半導(dǎo)體，按左中右排列結(jié)構(gòu)；或者選用從P型到N型連續(xù)梯度摻雜的半導(dǎo)體材料；或者將所述材料組合成多層結(jié)構(gòu)。
解決上述問題的另一種技術(shù)方案如下一種光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，它由金屬電極9、本征半導(dǎo)體5、金屬電極10組成，所述本征半導(dǎo)體選用窄禁帶寬度的半導(dǎo)體材料單晶硅，鍺，砷化銦或銻化銦中的一種；金屬電極9選用鎳，鎢或鋁中的一種，金屬電極10選用鎂，鋅或鈦中的一種，所述金屬電極分別鍍在本征半導(dǎo)體的上下外層。
選擇合適的半導(dǎo)體就可以實現(xiàn)上述熱電轉(zhuǎn)換功能。
熱電電池的半導(dǎo)體材料可以根據(jù)適應(yīng)溫度要求選用窄禁帶寬度的全本征半導(dǎo)體。如單晶硅(1.12eV)適應(yīng)于500℃左右，鍺(0.664eV)適應(yīng)于260℃左右，砷化銦(0.356eV)適應(yīng)于150℃左右，銻化銦(0.18eV)適應(yīng)于100℃以下等。在上述溫度下半導(dǎo)體已經(jīng)激發(fā)足夠的本征載流子(電子-空穴對)如同光激發(fā)載流子一樣實現(xiàn)發(fā)電功能。
由于半導(dǎo)體的禁帶寬度窄，金屬電極對材料也比較容易選擇，如金屬極A可選用鎳(4.6eV)，鎢(4.5eV)，鋁(4.3eV)等，金屬極B可選用鎂(3.8eV)，鋅(3.9eV)，鈦(4.0eV)，等。
A，B兩種金屬電極分別可以鍍在半導(dǎo)體上下外層，取消透明窗口。
可以很容易實現(xiàn)金屬極A+半導(dǎo)體+金屬極B結(jié)構(gòu)的多層疊加串聯(lián)熱電電池。
采用本發(fā)明，可以使光伏電池具備下述優(yōu)點a.材料易選，成本低廉；結(jié)構(gòu)簡單，適于大批量生產(chǎn)；b.被激發(fā)出的載流子所處電勢場可以不受半導(dǎo)體禁帶寬度限制?？梢酝ㄟ^改變半導(dǎo)體禁帶寬度和電勢場強(qiáng)度來達(dá)到最高的光電轉(zhuǎn)換效率，因而效率比現(xiàn)有光伏電池更高；c.金屬電極由薄膜改為絲線，可以節(jié)約大量貴金屬，也可以適當(dāng)減少電阻損耗；
d.取消導(dǎo)電透明電極，不僅降低了費(fèi)用，還可以提高光線入射量，減少電阻損耗，提高光電效率；e.選用無摻雜本征半導(dǎo)體，不僅制作簡單，內(nèi)阻也高，是電流源的最佳材料。
f.將半導(dǎo)體層用幾種材料組合成多層結(jié)構(gòu)，可以充分吸收太陽光的不同頻率光波，進(jìn)一步提高光電效率，理論上可以達(dá)到50％以上；g.很容易實現(xiàn)折疊、卷取，運(yùn)輸包裝方便，臨時搭建快速簡單。
h.根據(jù)相應(yīng)溫度要求選用合適的窄禁帶寬度的全本征半導(dǎo)體及金屬電極可以實現(xiàn)高效率熱電轉(zhuǎn)換，達(dá)到熱發(fā)電目的。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有光伏電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是熱電電池的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中各標(biāo)號如下透明窗口1、金屬電極2、透明電極3、P(N)型半導(dǎo)體材料層4、本征半導(dǎo)體5、N(P)型半導(dǎo)體材料層6、金屬電極7、外絕緣保護(hù)支撐層8、金屬電極9(金屬電極A)、金屬電極10(金屬電極B)、引線金屬絲11。
具體實施例方式
從圖1中可以看到，現(xiàn)有的光伏電池一般為多層次結(jié)構(gòu)，光線必須穿越1～5層結(jié)構(gòu)才能照射到第6層上使N(P)型半別體材料6激發(fā)出載流子，該載流子必須有足夠的能量在泯滅前到達(dá)P(N)型半導(dǎo)體材料4上才能夠?qū)崿F(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。外部光線照射時，必定垂直照射到光伏電池的多層結(jié)構(gòu)上，顯然光伏效應(yīng)產(chǎn)生的電勢和電流方向都是垂直穿越光伏電池的板型結(jié)構(gòu)的，與太陽光入射方向并行。光伏電池產(chǎn)生電流的原理是利用窄禁帶半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，但是由于現(xiàn)有光伏電池的內(nèi)部勢壘是由半導(dǎo)體P-N結(jié)或摻雜載流子濃度熱擴(kuò)散而建立的，最高勢壘不高于禁帶寬度，光伏電池激發(fā)的載流子只能在該半導(dǎo)體禁帶寬度內(nèi)的電勢場中移動，因此，現(xiàn)有光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率受到限制。
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中顯示的這種光電/熱電轉(zhuǎn)換電池去除了透明電圾3等多層結(jié)構(gòu)，只有三層結(jié)構(gòu)，為透明窗口1、本征半導(dǎo)體5、外絕緣保護(hù)支撐層8。透明窗口1和外絕緣保護(hù)支撐層8分別位于半導(dǎo)體5的上下方，與其緊密接觸，兩個金屬電極2、7分別與半導(dǎo)體5的兩端相連接。
本發(fā)明為了使本征半導(dǎo)體5上存在一定方向的電勢場，兩端電極必須選用不同的金屬材料。一端的金屬電極2可選用鉑，銥、錸、鎳等金屬功函數(shù)比半導(dǎo)體的價帶功函數(shù)高的金屬材料，另一端金屬電極7可選用鋇，鍶，鈣、鎂等金屬功函數(shù)比半導(dǎo)體的導(dǎo)帶功函數(shù)低的金屬材料。電極所占寬度盡可能小，一般要比半導(dǎo)體寬度小10倍以上。
這種光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，圖中的半導(dǎo)體5材料選用均相本征半導(dǎo)體，如單晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化銦、硫化鎘、銅銦硒等窄禁帶和高的光電轉(zhuǎn)換效率材料。半導(dǎo)體5尺寸為膜厚1～100微米，寬為(兩電極之間的距離)1～30毫米。
上述半導(dǎo)體5材料還可以選用P-I-N型半導(dǎo)體，按左中右排列結(jié)構(gòu)，或者選用從P型到N型連續(xù)梯度摻雜的半導(dǎo)體材料，這樣的光伏電池的電勢場就受到半導(dǎo)體禁帶寬度限制，兩端金屬電極可以是相同的。也可以用上述幾種材料組合成多層結(jié)構(gòu)，以充分吸收太陽光的不同頻率光波。
為了保證本征半導(dǎo)體上一定的電勢強(qiáng)度。盡可能提高該電勢強(qiáng)度。通過改變電極間距或選用合適的金屬電極可以使之達(dá)到0.2～2V/cm。
透明窗口1可以選用玻璃，樹脂，塑料等。
外絕緣保護(hù)支撐層8可以選用硬質(zhì)材料確保陽光均衡照射。也可以選用柔性材料使整個光電/熱電轉(zhuǎn)換電池便于攜帶安裝。
權(quán)利要求
1.一種光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，其特征在于它由透明窗口[1]、本征半導(dǎo)體[5]、金屬電極[2]、[7]、及外絕緣保護(hù)支撐層[8]組成，所述透明窗口[1]和外絕緣保護(hù)支撐層[8]分別位于半導(dǎo)體[5]的上下方，并與其緊密接觸，本征半導(dǎo)體[5]的左右兩端分別與兩金屬電極相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，其特征在于所述半導(dǎo)體[5]兩端的金屬電極[2][7]分別為兩種金屬材料，一端為金屬功函數(shù)比半導(dǎo)體的價帶功函數(shù)高的金屬材料，所述金屬材料為鉑、銥、錸、鎳中的一種；另一端為金屬功函數(shù)比半導(dǎo)體的導(dǎo)帶功函數(shù)低的金屬材料，所述金屬材料為鋇、鍶、鈣、鎂中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，其特征在于所述本征半導(dǎo)體[5]尺寸為膜厚1～200微米，寬為1～30毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，其特征在于所述本征半導(dǎo)體[5]材料選用下列均相本征半導(dǎo)體之一，單晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化銦、硫化鎘或銅銦硒。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，其特征在于所述本征半導(dǎo)體[5]材料選用P-I-N型半導(dǎo)體，按左中右排列結(jié)構(gòu)；或者選用從P型到N型連續(xù)梯度摻雜的半導(dǎo)體材料；或者將所述材料組合成多層結(jié)構(gòu)。
6.一種光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，其特征在于它由金屬電極[9]、本征半導(dǎo)體[5]、金屬電極[10]組成，所述本征半導(dǎo)體選用窄禁帶寬度的半導(dǎo)體材料單晶硅，鍺，砷化銦或銻化銦中的一種；金屬電極[9]選用鎳，鎢或鋁中的一種，金屬電極[10]選用鎂，鋅或鈦中的一種，所述金屬電極分別鍍在本征半導(dǎo)體的上下外層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，其特征在于由金屬電極、本征半導(dǎo)體、及金屬電極組成的轉(zhuǎn)換電池采用多層疊加構(gòu)成串聯(lián)熱電電池。
全文摘要
一種光電/熱電轉(zhuǎn)換電池，屬半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，用于解決提高光/熱電轉(zhuǎn)換效率的問題。它由透明窗口、本征半導(dǎo)體、金屬電極及外絕緣保護(hù)支撐層組成，所述透明窗口和外絕緣保護(hù)支撐層分別位于本征半導(dǎo)體的上下方，并與其緊密接觸，本征半導(dǎo)體的兩端分別與金屬電極相接。采用本發(fā)明可以使陽光直接照射到半導(dǎo)體材料上，直接激發(fā)出載流子，所產(chǎn)生的電勢和電流都是沿水平方向產(chǎn)生的，載流子所處電勢場可以不受半導(dǎo)體禁帶寬度限制。通過改變半導(dǎo)體禁帶寬度和電勢場強(qiáng)度可以達(dá)到最高的光電轉(zhuǎn)換效率，因而其效率可以比現(xiàn)有光伏電池更高。根據(jù)溫度選用合適的窄禁帶寬度的全本征半導(dǎo)體及金屬電極可以實現(xiàn)高效率熱電轉(zhuǎn)換，達(dá)到熱發(fā)電目的。
文檔編號H01L35/00GK1870302SQ200610012840
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月14日
發(fā)明者秦熠, 秦友剛 申請人:秦友剛