專利名稱：非晶態(tài)串聯(lián)的納米結(jié)構(gòu)太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及太陽能電池，更具體地涉及包括在細長納米結(jié)構(gòu)上共形排
列的層疊多結(jié)陣列(stacked multi-junction array)的那些太陽能電池。
背景技術(shù)：
目前，硅(Si)是太陽能電池制造中最常用的材料，這些太陽能電池用來 將光能轉(zhuǎn)換為電能?！筋D單和多pn結(jié)太陽能電池來達到這個目的，但它們都 無法有效地降低制造和使用這項技術(shù)的成本。因此，來自傳統(tǒng)電能源的競爭抑 制了所述太陽能電池技術(shù)的廣泛使用。
大部分電子器件和光電器件需要形成結(jié)。例如， 一種導電類型的材料和相 反導電類型的不同材料接觸形成異質(zhì)結(jié)?？蛇x地，也可以將單一材料的不同摻 雜層來成對設(shè)置以形成pn結(jié)(或同質(zhì)結(jié))。由于導電類型的改變和/或帶隙上的 變化導致在異質(zhì)結(jié)處的陡峭能帶彎曲可能導致形成高密度的界面狀態(tài)，從而發(fā) 生載流子復合。制造過程中在結(jié)處引入的缺陷可育^一步充當載流子復合中心 從而降低器件性能。
由于光激發(fā)電子和晶,動(稱為聲子)的相互作用使得光激發(fā)電子ffli！ 喪失它可能具有的超過帶隙的任何能量，，導致復合增加，從而使得現(xiàn)有的太 陽能電池缺乏效率。單是這種喪失就將標準電池的轉(zhuǎn)換效率限制到約44%。此 外，在半導體晶體中，光生電子和陷獲狀態(tài)的空穴的復糊一步斷氐了戶艦效 率，其中所述陷獲狀態(tài)和點缺陷(間隙雜質(zhì))、金屬簇、線缺陷(位錯)、面缺 陷(層錯)和域晶粒邊界相關(guān)。雖然后面的這種效率上的降低可以由4頓其它 具有合適特性(特別是光生載流子具有長的擴散長度)的材料克服，但這仍然 無法使這項技術(shù)的財與其它傳統(tǒng)電源相匹敵。
由于半導體一般不吸收能量低于使用材料的帶隙的光，所以效率進一步喪 失?？紤]所有這些光伏喪失，Shockley和Queisser發(fā)現(xiàn)單結(jié)電池的性能被限制 為剛剛高于帶隙為1.45電子伏(ev)的理想電池的30y。效率(Shockley和Qudsser, "Detailed Balance Limit of E伍ciency of p-n Junction Solar Cell", J. Appl. Phys.，
1961， 32(3)， pp.510-519)。近來的計算顯祐種單結(jié)的"限制效率"是29% (Kerr 等，"Lifetime and e迅ciency of limits of crystalline silicon solar cells," Proc. 29th正EE Photovoltaic Specialists Conference, 2002, pp.43諸l )。
制作PV器件的材料的吸收能力也可能影響電池的效率。已經(jīng)描述了一種 P~i-n薄膜太陽能電池，它具有由可變帶隙材料形成的i型半導體吸收層，所述 i-層設(shè)置于P型半導體層和n型半導體之間。參考美國專利No.5252142。可變 帶隙的吸收層提高了光電轉(zhuǎn)換效率。
多結(jié)太陽能電池被證明也有更高的效率。通過結(jié)合具有不同帶隙的層疊結(jié) 以捕獲更寬光譜范圍的光，可以得到更好的性能。所述器件典型地由層疊的P-n結(jié)或?qū)盈B的p-i-n結(jié)構(gòu)造。這種陣列中的每套結(jié)通常認為是單元(cell)。典型 的多結(jié)太陽能電池包括兩個或者三個層疊在一起的單元。Marti和Araujo (A. Marti和G丄.Araujo, Sol. Ener. Mater. Sol.Cells, 1996， 43(2), pp. 203-222)在理論
上分析了多結(jié)電池的最佳帶隙和理論效率隨著所述層疊中單元數(shù)目的變化關(guān)系。
納米結(jié)構(gòu)
已經(jīng)描述了在p-n結(jié)二極管陣列中的硅納米線(nanowire) (Peng等, "Fabrication of laige-Area Silicon Nanowire p~n Junction Diode Arrays," Adv. Mater, 2004, vol. 16, pp,73-76)。然而，戶腿陣列并沒有經(jīng)配置以用于光伏器件中，也 沒有暗示這種陣歹何以如何用于增加太陽能電池的效率。
已經(jīng)描述了在太陽能電池器件中的硅納米結(jié)構(gòu)(Ji等，"Silicon Nanostructures by Metal Induce Growth (MIG) for Solar Cell Emitters," Proc.正EE， 2002，pp.l314-1317)。在所述器件中，可ii31將Si濺射到鎳(Ni)預層(pre^layer) 上從而形成嵌入在微晶硅薄膜中的硅納米線，其厚度決定了硅納，是否長在 戶腿薄膜中。然而，戶腿納微不是有源光伏(PV)元件，它們只用于抗娜。
在2005年3月16日共同轉(zhuǎn)讓的未決美國專利申請No.11/081967中描述
了包括硅納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池，其中戶;f^i米結(jié)構(gòu)是有源pv元件。^;脫
具體申請中，電荷分離結(jié)主要包括在納米結(jié)構(gòu)本身中，通常在所述納米結(jié)構(gòu)的 合成中需要摻雜變化。
作為前述的結(jié)果，在納米結(jié)構(gòu)支架(nanostructured scaffold)上結(jié)合多結(jié) 單元可以使太陽能電池具有可與傳統(tǒng)電源相比擬的效率。這樣，不斷需，求
PV器件的新配置。納米結(jié)構(gòu)器件尤其如此，因為納米結(jié)構(gòu)器件可以得益于在
光吸收時改善的光捕捉和縮短的電荷傳輸途徑。
發(fā)明內(nèi)容
一些實施方案中，光伏器件包括設(shè)置在襯底表面上的多個細長的納米結(jié)構(gòu) 和在所述細長納米結(jié)構(gòu)上共形沉積的多層膜。該多層膜包括多個光敏結(jié)
(photoactive junction)。在細長納米結(jié)構(gòu)上構(gòu)建的光敏結(jié)陣列可以提供用以捕 捉寬光譜范圍的光的裝置。該細長納米結(jié)構(gòu)可提供用于創(chuàng)建多個 道以最優(yōu) 化光吸收的裝置。
一些實施方案中，制作光伏器件的方法包括在襯底表面上生成多個細^ 米結(jié)構(gòu)并共形沉積多層膜。該多層膜包括多個光敏結(jié)。
一些實施方案中，太陽能面板包括至少一個光伏器件，其中太陽能面板將 每個所述器件與其周圍的大氣環(huán)境隔離并使得可以產(chǎn)生電能。
前面的描述粗略地概括了本發(fā)明的特征以更好的 下面本發(fā)明的詳細描 述。接下來將描述本發(fā)明的附加的特征和優(yōu)勢，其構(gòu)成本發(fā)明權(quán)利要求的主題。
為更完整的理解本發(fā)明及其優(yōu)勢，結(jié)合下面的附圖參考下面的描述，其中 圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的光伏器件的部分截面圖。 圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的具有兩個p-n結(jié)的多結(jié)器件中的半 導體納米結(jié)構(gòu)。
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案具有三個p-n結(jié)的多結(jié)器件中的半導 體納米結(jié)構(gòu)。
圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案具有兩個p-n結(jié)的多結(jié)器件中的導電
納米結(jié)構(gòu)。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案具有兩個P"i-n結(jié)的多結(jié)器件中的導 電納米結(jié)構(gòu)。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明--個實施方案上面合成有納米結(jié)構(gòu)的襯底元件。 圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用于構(gòu)建光伏器件的方法步驟。 圖8a-c顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案長在襯底表面上的細長納米結(jié)構(gòu)。 圖9a-b顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案沉積在細長納米結(jié)構(gòu)周圍的多層膜。
具體實施例方式
在一些實施方案中，本發(fā)明涉及光伏(PV)器件，其可以包括細長納米
結(jié)構(gòu)和共形設(shè)置在其上的多層膜。該多層膜可以包括多個光敏結(jié)，例如IM1和
p-i-n結(jié)。這些光敏結(jié)可以和隧道結(jié)層疊在一起，朋述M結(jié)將該多結(jié)陣列中的 每個單元分開。多結(jié)陣列中的每個單元可以串聯(lián)排列，并可包括p-n結(jié)、p-ki 結(jié)以及其組合。在一些實施方案中，細長納米結(jié)構(gòu)可以是第一光敏結(jié)的一部分 并被適當?shù)負诫s為P層或n層。在可選的實施方案中，該細，米結(jié)構(gòu)可以是 導電的，因而不是光敏結(jié)的一部分。
在下面的描述中，將給出例如具體數(shù)量、尺寸等的細節(jié)以徹底理解本發(fā)明 的實施方案。然而，顯然對那些本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明可以在沒有這些 特殊細節(jié)的情況下實施。在許多情況下，由于這些細節(jié)對完全理解本發(fā)明不是 必要的，并在本相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員的能力范圍之內(nèi)，所以省略了有關(guān)以上 考慮之類的細節(jié)。
一般性地參考附圖，可以理解這些圖解是用于描述本發(fā)明的具體實施方 案，而不是限制該發(fā)明。
雖然這里使用的大部分術(shù)語已經(jīng)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解，仍然舉出下面 的定義以幫助理解本發(fā)明。然而，應(yīng)當了解，當術(shù)語沒有明確定義時，應(yīng)當釆 用本領(lǐng)域技術(shù)人員目前接受的方，釋。
這里定義的"光伏器件"是包括至少一個光電二極管并利用光伏效應(yīng)產(chǎn)生 電動勢(e，m.f)的器件。參考Penguin Dictionary of Electronics, Third Edition, V.
mingworth，Ed， Penguin Books, London, 1998。這種器件的例子是"太陽能電池"，
其中太陽能電池是已經(jīng)將其光譜響應(yīng)針對太陽輻射最優(yōu)化的光電二極管。 這里定義的"納米級" 一般是指低于1 U m的尺寸。 這里定義的"納米結(jié)構(gòu)" 一般是指在至少兩^H佳度上是納米級的結(jié)構(gòu)。 這里定義的"細長納米結(jié)構(gòu)"是在至少兩個維度上是納米級的納米結(jié)構(gòu)。
這種細長納米結(jié)構(gòu)的例子包括例如，但不局限于，納米線、納米棒(nanorods)
和納米管等等。
這里定義的"納米線" 一般是在至少兩維上典型為亞微米(<lum)并具 有大致圓柱狀的細長納米結(jié)構(gòu)。它們一般是單晶。
這里定義的"共形"是大^0S應(yīng)(即，共形到)其涂覆的結(jié)構(gòu)的皿的涂 層。然而，這個術(shù)語應(yīng)當廣泛解釋為允許基本上填充所涂覆的結(jié)構(gòu)之間的空隙 ——至少在一些實施方案中。單一的共形層可隨著被涂覆的結(jié)構(gòu)的不同部分而 有不同的厚度。
這里定義的"半導體材料"是具有一般介于金屬和絕緣體之間的導電性的 材料，其中該材料具有位于其價帶和導帶之間的能隙，或"帶隙"。這種半導 體材料在其純凈不摻雜的狀態(tài)下典型的稱作"本征的"。
這里定義的"P摻雜"尉調(diào)弓l入有交媚強本征半導術(shù)才料導電性荊吏費 米能級移向價帶從而可以形成結(jié)的雜質(zhì)來摻雜半導體材料。這種P摻雜的例子
是添加少量的硼03)到硅(Si)中。
這里定義的"n摻雜"是指用弓l入有,強本征半導淋才料導電性并使費 米能級移向?qū)亩梢孕纬山Y(jié)的雜質(zhì)來摻雜半導體材料。這種n摻雜的例子 是添加少量的磷(P)到硅(Si)中。
這里定義的"電荷分離結(jié)"包括不同類型(例如，不同摻雜劑和域本體 組成)材料之間的邊界，其M勢壘和電場梯度的存在使得電子和空穴分離。
這里定義并和光伏器件相關(guān)的"異質(zhì)結(jié)"；iiM兩種具有不同帶隙的不同 半導體材料的接觸建立的電荷分離結(jié)。
這里定義的"有源PV元件"是那些與^Z1電荷分離結(jié)有關(guān)的PV器件的 元件。
這里定義的"p-n光伏器件"是包括至少一^括由P摻雜半導體和n摻 雜半導體接觸建立的電荷分離結(jié)的光電二極管的器件。
這里定義的"p-i-n光伏器件"^H種材料的層疊，其中一層是p摻雜(主 要傳導空穴)， 一層不摻雜(即，本征的)，另一層是n摻雜(主要傳導電子)。
這里定義的"多結(jié)"是層疊的光敏結(jié)的串聯(lián)陣列，所述光敏結(jié)可以包括p-n 結(jié)和域p4-n結(jié)。每個光敏結(jié)可以通過隧道結(jié)和其相鄰單元分離。
這里定義的"太陽能電池"基本上是將太陽輻射肖遣轉(zhuǎn)換的光伏器件。
這里定義的"納米模板(nanotemplate)"是包括具有納米級尺寸的孔鄉(xiāng)U 的陣列的無機或有機薄膜。該孔一般以基本上相對于膜平面垂直的方向在膜中 穿過。
器件
參考圖l， 一些實施方案中，本發(fā)明涉及到基于多結(jié)納米結(jié)構(gòu)的光伏器件,
其可以包括
(a) 設(shè)置在襯底102上的多個細長納米結(jié)構(gòu)101。該細長納米結(jié)構(gòu)可以 包括例如晶態(tài)硅納米線，在一個實施方案中可以是P摻雜半導體，在另一個實 施方案中可以是n摻雜半導體?？蛇x的，它們可以是簡并(degenerately)摻雜 硅和其它金屬物質(zhì)作為半導體；和
(b) 共形設(shè)置在細長納米結(jié)構(gòu)周圍的多層膜103。 一個實施方案中，至 少多層膜103的一部分可以形成光敏結(jié)的元件。 一些實施方案中，該光敏結(jié)可 以是p-n結(jié)，在其它實施方案中，光敏結(jié)可以是p-i-n結(jié)。還在另一個實施方案 中，多層膜103的至少'-'部分可以包括隧道結(jié)。
一些實施方案中，透明導電材料(TCM)層104沉積于多層膜103上。 TCM104可以基本上填充多個細份內(nèi)米結(jié)構(gòu)間的空隙。！tl^卜，TCM104可以在 多個細長納米結(jié)構(gòu)頂部上形^g義上的平坦表面。而且，上部接觸105和底部 接觸(沒有顯示)典型地將可以將器件連接到外部電路，其中底部電極典型地 (不是經(jīng)常)柳t底集成一起(參閱下文)。
細份內(nèi)米結(jié)構(gòu)101典型地具有從約100nm到約100 y m的長度，和從約5nm 到約1 u m的寬度。 一些實施方案中，納米結(jié)構(gòu)以和襯底102平面基本上垂直 的方向排列在襯底102上，大部分的所述納米結(jié)構(gòu)101形成大于45度的角。 在其它實施方案中，納米結(jié)構(gòu)101以大體上隨機的方式設(shè)置在襯底102上。
細長納米結(jié)構(gòu)101可以根據(jù)不同的實施方案由《if可適于光伏器件的材料制 成。適合的半導#^才可以包括，但不限制于，硅(Si)、 (SiGe)、鍺(Ge)、 砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、 GalnP， GalnAs，砷化銦鎵(InGaAs)、氮化 銦(InN)、硒(Se)、碲化鎘(CdTe)、 Cd-O-Te、 Cd-Mn-O-Te、 ZnTe、 Zn-O-Te、 Zn-Mn-O-Te、 MnTe、 Mn-O-Te、銅氧化物、碳、Cu-In-Ga-Se、 Cu-In-Se及其
組合。適合的導電物質(zhì)包括，但不限制于，簡微雜的硅、金屬物質(zhì)例如鋁(AO、 鉑(Pt)、鈀(Pd)和銀(Ag)、碳納米管及其組合。
一些實施方案中，多層膜103的特定層可以包括是p摻雜和n摻雜半導體 的組合物。還可以包括非摻雜層，可以包括本征層和作為隧道結(jié)的層。在一個 實施方案中，多層膜103可以構(gòu)成層疊的imi結(jié)的單元。在另一實施方案中， 多層膜103可以構(gòu)成層疊的F>i-n結(jié)的單元。在另一實施方案中，多層膜103 可以構(gòu)成層疊的!>n和i>i-n結(jié)的組合。 一些實施方案中，戶皿單元可由作為隧
道結(jié)的層分離(見下頁)。
構(gòu)成光敏結(jié)的多層膜103的部分的組成可以是例如非晶硅(ci-Si)、非晶 硅鍺(a-SiGe)、納米晶硅(nc-Si)和非晶態(tài)碳化硅(a-SiC)。一個實施方案 中，所述材料可以以增加帶隙能的層形式在細長納米結(jié)構(gòu)101周圍有序排列 (ordered )。
典型的，多層膜103可以具有從5埃到50000埃的范圍內(nèi)的厚度。多層膜 103內(nèi)單個層的厚度可,佳以確定，然而，該厚度可以調(diào)整到使帶隙能量不同 的結(jié)之間的電流匹配最優(yōu)化。也就是說，可以選擇給定層的厚度使得每個獨立 的單元(g卩，每個光敏結(jié))中產(chǎn)生的光電流基本上相同。
—些實施方案中，多層膜103的特定層可以包括隧道結(jié)。這種情況下，其 材料組成可以是金屬氧化物，例如氧化鋅，或高摻雜的非晶硅層。
-些實施方案中，細長納米結(jié)構(gòu)可以是n摻雜半導體，也可以是p摻雜的。 然而，為在器件中產(chǎn)生光敏結(jié)，納米結(jié)構(gòu)的摻雜應(yīng)當與在多層膜中的相鄰層的 摻雜相反。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，圖2顯示了設(shè)置在襯底202上的簡單 多個p-n結(jié)器件200。參見圖2，細份內(nèi)米結(jié)構(gòu)201可以是例如n摻雜半導體， 并作為包括第一 P摻雜層210的第一 !Mi結(jié)(第一單元)的第一元件集成。第 二p-n結(jié)，可以包括n摻雜層220和p摻雜層230，其由隧道結(jié)240隔離。多 層膜203的每一層可連續(xù)并共形地沉積在細^)米結(jié)構(gòu)201周圍。本領(lǐng)微術(shù) 人員將意識到皿改變兩個P~n結(jié)之間的帶隙來捕捉不同波長的光的好處。
參考圖3，另一個實施方案中，可以在沉積在細長納米結(jié)構(gòu)301周圍的多 層膜303 (參看圖2的203)上增加另外的層來形成新的多層膜308。該增加的 層可以包括另--個隧道結(jié)340。而且，可以有包括p摻雜層350和n摻雜層360 的第三p-n結(jié)。原則上，可以增加任意數(shù)目的層來形成任意數(shù)目的具有插入的 隧道結(jié)的p-n結(jié)。這種層疊光敏結(jié)的數(shù)目可由每層弓l入的厚度和沉積在襯底302 上的每一相鄰細長納米結(jié)構(gòu)301之間的距離的相互關(guān)系，以及保證電流匹配的 能力來決定。這樣，每個光敏結(jié)(即，單元)可以有具有一定厚度的組成層以
保證每個單^t間大致相等的光電流，其中戶;M厚度取決于材料的帶隙會遣。
此外，圖3還顯示了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的采用摻雜晶體硅(c-Si) 作為基礎(chǔ)單元的多結(jié)器件。底單元可以包括半導條雜納職301和在戶;f^ 周圍相反摻雜的第--'共形沉積層(參考圖2的210)。包括層350和360的影卜
圍(頂單元)基本上是非晶硅。最后，中間單元(參加圖2， 220/230)，可以 是具有中等帶隙能量的材料，例如非晶硅鍺(ci-SiGe)。在另一個實施方案中， 從底部到頂部層疊的單元可以分別是c-Si、 a -SiGe和非晶碳化硅(a -SiC)。
如圖4所示，器件400的細份內(nèi)米結(jié)構(gòu)401可以是導體，并不是層疊的多 結(jié)結(jié)構(gòu)的一部分。在這個實施方案中，細長納米結(jié)構(gòu)401可以作為設(shè)置在襯底 402上的電極。多層膜403可以包括第一 i>n結(jié)(具有第一 p摻雜層410和第 一n摻雜層420)、第二p"n結(jié)(具有第二p摻雜層430和第二n摻雜層440)、 和在第一 p-n結(jié)和第二 i>n結(jié)之間的隧道結(jié)450。雖然這個實施方案描述的是 具有兩個p-n結(jié)的器件400，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識到可以在細份內(nèi)米結(jié) 構(gòu)401周圍層疊三個P"n結(jié)(具有散布其中的統(tǒng)隧道結(jié))。在另外的實施方案 中，可以層疊任意數(shù)目的！>n結(jié)。同樣，空間限制和電流匹配將是決定可以包 含的P-n結(jié)確切數(shù)目的限制因素。
為了示例目的，根據(jù)其中細^l內(nèi)米結(jié)構(gòu)401是導電的實施方案，將在三單 元(每個單元包括光敏結(jié))器件中使用下面的材料配置。包括410和420的底 單元(參考圖4)可以是a-SiGe。中間單元，其包括430和440，可以是具有 不同Si: Ge比的a -SiGe以獲得中間帶隙能量。最后，頂單元(沒有顯示)共 形布置在該中間單元周圍，可以是a-Si。另一三種材料的配置，從底單元到頂 單元可以包括，例如，納米晶硅(nc-Si)、 a-Si層(皿改變氫含量而具有中 間帶隙能量)，禾fU-Si。還在另一個配置中，底單元可以是nc-Si，中間單元可 以是a-SiGe,頂單元可以是a-Si。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識到以合適摻 雜產(chǎn)生光敏結(jié)的三種材料的任意集合可以形成層疊單元。例如，上述的每個頂 單元可以用a -SiC代替a -Si作為本體材料。
如前面描述的，該器件可以具有層疊的I>n結(jié)。如圖5所示，器件可以相 反包括在襯底502上的細長納米結(jié)構(gòu)501，其也作為骨架(scaffold)以共, 積層疊的P-i-n結(jié)。器件500可以包括限定兩個層疊p-i-n層的多層膜503。該 第一所述結(jié)包括第一 n摻雜層510、第一本征層525和第一 p摻雜層520。同 樣，第二結(jié)包括第二 n摻雜層530、第二本征層535和第二 p摻雜層540。第 - 一和第二 p-i-n層由隧道結(jié)550分離。雖然器件500顯示的是具有2個層疊的i>i-n
結(jié)的器件，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識到可以在上述的限制范圍內(nèi)在細M內(nèi)米 結(jié)構(gòu)501周圍層疊樹可數(shù)目的P"i-n結(jié)。
一些實施方案中，J^器件還包括置于襯底上或與襯底集成的納米多孔模 板，細長的半導體納米結(jié)構(gòu)從模板中伸出。當所鄉(xiāng)米結(jié)構(gòu)從模板中長出時，
情況常常是這樣。參見圖6， 一些實施方案中，層狀的襯底102可以包含置于 襯底載體102a上的納米多孔模板102c和/或半導體層102b。
在一些實施方案中，多孔納米模板102c包含選自陽極電,化鋁(AAO)、 二氧化硅(Si02)、氮化硼(BN)、和氮化硅(Si3N4)等的材料。 一些實施方 案中，多孔納米模板102c的厚度(或平均厚度)可以在約0."m到約100 u m之間，其中該多孑L納米牛嫩的孔徑(或者平均直徑)可以在約lnm到約1 n m之間，且其中該多子lirt米模板可以具有約105/0112和約10|2/咖2之間的孔密度。
在采用了透明導電材料的層的器件實施方案中，M明導電材料可以， 明導電氧化物(TCO)。在一些所述實施方案中，透明導電氧化物是氧化銦錫 (ITO)。在一些其它的所述實施方案中，該透明導電氧化物是摻雜ZnO。典型 的，該透明導電材料具有在約0.05 !i m和約U m之間的厚度。
一些實施方案中，襯底提供了底部接觸。一些實施方案中，透明導電材料
層提供頂部接觸。根據(jù)預期的應(yīng)用，器件可以針對頂部禾n/或底部照明進行設(shè)置。
器件制造
一些實施方案中，本發(fā)明涉及圖7中用于制 于±^多結(jié)納米結(jié)構(gòu)的光 伏器件(依照本發(fā)明的一個實施方案)的方法700。根據(jù)圖7,結(jié)合圖2—5， 在步驟701中將多個細長納米結(jié)構(gòu)設(shè)置在襯底上。 一些實施方案中該細長納米 結(jié)構(gòu)是半導體(圖2—3)，其它實施方案中是導體(圖4一5);(步驟702)多 層膜共形沉積在細長納米結(jié)構(gòu)上，在一些實施方案中每層的材料具有適宜的摻 雜。在其它實施方案中它們也可以是本征的或作為隧道結(jié)；(步驟703)在多層 膜上沉積導電透明材料作為層；以及(步驟704) ^頂部,和底部接觸， 它們可以經(jīng)操作以將器件連接到外部電路。頂部接觸可以設(shè)置在TCM上，底 部接觸可以設(shè)置在相對于細M內(nèi)米結(jié)構(gòu)的襯底表面上或和襯底集成。
在一些這樣的上述方法實施方案中，可以通,自化學氣相沉積(CVD)、 金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、等離子增強化學氣相沉積(PECVD)、熱 絲化學氣相沉積(HWCVD)、原子層沉積、電化學沉積、溶液化學沉積及其 組合的方法來生長該細長納米結(jié)構(gòu)。在一些所述實施方案中，該細長納米結(jié)構(gòu) 通過由金屬納米顆粒催化生長來提供，其中金屬納米顆粒可以設(shè)在納米多孔模
板中，且其中金屬納米顆?？梢园嵶园ń?Au)、銦(In)、鎵(Ga)和 鐵(Fe)的金屬。
一些實施方案中，采用納米多孔模板來生長細長納米結(jié)構(gòu)，如于2005年 5月27日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請序列號11/141613所描述的那樣。
在一些這種上述方法的實施方案中，釆用選自CVD、 MOCVD、 PECVD、 HWCVD、濺射及其組合的技術(shù)來進行共形沉積多層膜的步驟。
太陽能面板
一些實施方案中，該發(fā)明涉及可以包括至少一個這里披露的基于多結(jié)納米 結(jié)構(gòu)的光伏器件的太陽能面板。太陽能面板將每個器件和其周圍的大氣環(huán)境隔 離并允許產(chǎn)生電能。
最后，本發(fā)明的實施方案皿了可以具有高效率和抗光誘導劣化的多結(jié)納 米結(jié)構(gòu)光伏器件。根據(jù)這里公開的實施方案構(gòu)建的該PV單元可以優(yōu)化光的吸
收并在異質(zhì)結(jié)界面上使復合最小化。其它的優(yōu)^a括低成本和易于制造，特別
是在包括主要基于硅的單元的實施方案中。其中細長納米結(jié)構(gòu)具有導電性的實 施方案可以提供更容易匹配電流的單元。 實施例
下面的實施例用于示范本發(fā)明的特定實施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當了解 下面實施例中公開的方法只是表示了本發(fā)明的示范實施方案。然而，根據(jù)本公 開，那些本領(lǐng)域的熟悉技術(shù)人員應(yīng)當知道可以對描述的特定實施方案做出許多 改變，并在不背離本發(fā)明的精神和范圍下得到相同麟似的結(jié)果。
實施例1:下面的實驗實施例是描述這里公開的納米線的生長的實施方 案。它們意于示例本發(fā)明，而不是限定。圖8a顯示了具有57nm平均直徑的長 的、高密度的硅納米線的生長。圖8b顯示了具有182nm平均直徑的較短的低 密度硅納米線的生長。最后，圖8c顯示了具有70nm平均直徑的硅納米線的隨 機陣列。
實施例2:下面的實驗實施例是描述這里公開的圍纟，米線共皿積層的
實施方案。它們意于示例本發(fā)明，而不是限定。圖9a顯示了在長的高密度硅 納米線上共形沉積a -Si的高密度線。圖9b顯示了在c-Si納米線900上共皿 積的a -Si的截面圖。該a -Si層 1 CVD弓|入。a -Si的第一層910是本征的, 第二層920是n摻雜的。
可以理解，上述實施方案的一些上述的結(jié)構(gòu)、功能和操作對執(zhí)行本發(fā)明是 不必要的，它們被加入描述中只是為了示例實施方案的完整性。此外，可以理 解，上述參考專利和公開物中提及的特殊結(jié)構(gòu)、功能和操作可以結(jié)合本發(fā)明使 用，但它們在使用中不是最核心的。因此可以理解，在實際上不背離由附加的 權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍下，可以用特別描述的方式以外的方式來 實現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、一種光伏器件，包括襯底(102)；多個細長納米結(jié)構(gòu)(101)，設(shè)置在所述光伏器件的所述襯底(102)的表面上；和多層膜(103)，共形地沉積在所述多個細長納米結(jié)構(gòu)(101)上形成多個光敏結(jié)。
2、 如權(quán)利要求1所述的光伏器件，其中所述多個光敏結(jié)包括至少一個p-n結(jié)。
3、 如權(quán)利要求1所述的光伏器件，其中所述多個光敏結(jié)包括至少一個p-i-n結(jié)。
4、 如權(quán)利要求1所述的光伏器件，其中所述多層膜還包括至少一個隧道 結(jié)(240)。
5、 如權(quán)利要求1所述的光伏器件，其中所述多個細份內(nèi)米結(jié)構(gòu)(101)集 成在第一光敏結(jié)中。
6、 如權(quán)利要求1所述的光伏器件，其中所述多個細，米結(jié)構(gòu)(101)是導體。
7、 如權(quán)利要求1戶腿的光伏器件，還包括透明導電材料(TCM， 104)，共形地設(shè)置于所述多層膜(103)上，所述 設(shè)置方式使得所述TCM (104)填充了所述多個細長納米結(jié)構(gòu)(101)的每個 之間的空隙，并在所述多個細長納米結(jié)構(gòu)(101)上提供了平坦表面。
8、 如權(quán)利要求U戶脫的光伏器件，還包括 頂部和底部接觸(105)，用于連接";f^光伏器件到外部電路； 其中所述頂部接觸(105)設(shè)置在所述TCM (104)上，所述底部接觸設(shè)置在所述襯底的和所述細長納米結(jié)構(gòu)(101)相對的表面上或集成在所述襯底 (102)中。
9、 一種制造光伏器件的方法，該方^^括以下步驟 在襯底(102)表面上生長多個細長納米結(jié)構(gòu)(101);以及 在所述多個細長納米結(jié)構(gòu)(101)上共形沉積多層膜(103)從而形成多個光敏結(jié)。
10、 一種包括至少一個如權(quán)利要求1戶腿的光伏制牛的太陽能面板，其中該太陽能面板將這些器件與其周圍的大氣環(huán)境隔離并允許產(chǎn)生電能。
全文摘要
一種包括多個設(shè)置在襯底表面上的細長納米結(jié)構(gòu)和共形沉積在細長納米結(jié)構(gòu)上的多層膜以形成多個光敏結(jié)的光伏器件。一種制造這種光伏器件的方法包括在襯底表面上生成多個細長納米結(jié)構(gòu)和共形沉積多層膜來形成多個光敏結(jié)。該多個光敏結(jié)設(shè)計用來捕捉不同波長的光。一種太陽能面板包括至少一個光伏器件。
文檔編號H01L31/042GK101183688SQ200710192960
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月15日
發(fā)明者B·A·科里瓦爾, L·察卡拉科斯 申請人:通用電氣公司