專(zhuān)利名稱(chēng)：具有納米線的多結(jié)光生伏打電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括作為有源部件的納米線的光生伏打電池。
背景技術(shù)：
近年來(lái)隨著能量?jī)r(jià)格穩(wěn)步達(dá)到高水平并且隨著使用化石燃料的缺點(diǎn)變得越來(lái)越明顯，對(duì)太陽(yáng)能電池技術(shù)的興趣一直在增加。此外，技術(shù)突破暗示著大規(guī)模生產(chǎn)高效率光生伏打(太陽(yáng)能)電池是可能的。例如，用半導(dǎo)體材料加工整流結(jié)(如p-n結(jié)和肖特基二極管)以制造用于太陽(yáng)能電池器件以及光電檢測(cè)器中的光生伏打電池。光生伏打電池在光照射P-n結(jié)時(shí)將光轉(zhuǎn)換為電并產(chǎn)生成相反帶電粒子對(duì)電子和空穴。這些電荷被整流結(jié)分離以產(chǎn)生電流。光電檢測(cè)器按類(lèi)似原理工作。傳統(tǒng)的光生伏打電池經(jīng)常是由至少兩個(gè)不對(duì)稱(chēng)摻雜的半導(dǎo)體層構(gòu)成的平面器件， 其中所述至少兩個(gè)不對(duì)稱(chēng)摻雜的半導(dǎo)體層具有前觸頭(contact)和后觸頭。對(duì)于傳統(tǒng)的光生伏打電池來(lái)說(shuō)，光在由前觸頭形成的柵格之間進(jìn)入，在柵格之間，光被η型層和ρ型層吸收，產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)。電子-空穴對(duì)被P-n結(jié)分離，并且橫跨光生伏打電池兩端生成了電壓。通過(guò)橫跨電池觸頭兩端放置負(fù)載而獲得有用功率，并因此光生伏打電池將輻射直接轉(zhuǎn)換為有用的電能。限制從光到電的轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)因素是橫跨p-n結(jié)兩端的反轉(zhuǎn)電流泄露。對(duì)于平面電池，反轉(zhuǎn)電流泄露隨著P-n結(jié)的面積增加而增加。有許多種方式來(lái)減小平面電池的不期望的反轉(zhuǎn)電流泄露，但是無(wú)論使用什么方法，反轉(zhuǎn)電流泄露的減小都受限于P-n結(jié)的面積，并且對(duì)于平面電池來(lái)說(shuō)，減小面積僅意味著電池更小并因此收集更少的光。通過(guò)利用不同的電池幾何結(jié)構(gòu)(非平面)，可以減小P-n 結(jié)的面積而不會(huì)減小電池的總面積。一種成功的非平面幾何結(jié)構(gòu)是在例如美國(guó)專(zhuān)利4，234，352中描述的硅點(diǎn)結(jié) (dot-junction)光生伏打電池。在該專(zhuān)利中，披露了點(diǎn)結(jié)電池，其中硅襯底的一個(gè)表面具有一系列局部摻雜的η+區(qū)域和ρ+區(qū)域(點(diǎn)結(jié))，使得摻雜區(qū)域的面積遠(yuǎn)小于點(diǎn)結(jié)電池的總面積。P+區(qū)域形成大體積的P-n結(jié)，η+區(qū)域形成用于η型觸頭的低電阻率的區(qū)。然而，即使反轉(zhuǎn)電流泄露是有限的，點(diǎn)結(jié)電池的效率仍不是最佳的。例如，由于每個(gè)點(diǎn)結(jié)是單帶隙太陽(yáng)能電池，由于不能夠有效地轉(zhuǎn)換光子在太陽(yáng)光譜中擁有的寬范圍能量而導(dǎo)致效率是有限的。在理想的限制中，只有能量等于帶隙能量的光子被有效地轉(zhuǎn)換為電。 損失了低于電池材料的帶隙的光子；它們或者穿過(guò)電池或者僅被轉(zhuǎn)換為材料中的熱。由于載流子張弛到帶的邊緣，因而超過(guò)帶隙能量的光子中的能量也被損失成熱。因此，即使點(diǎn)結(jié)光生伏打電池在減小反轉(zhuǎn)電流泄露方面是有優(yōu)勢(shì)的，點(diǎn)結(jié)太陽(yáng)能電池仍具有光子能效率方面的弱勢(shì)，即，很大部分的太陽(yáng)光譜被損失成熱并且未被轉(zhuǎn)換成 H1^ ο此外，專(zhuān)利文獻(xiàn)ΕΡ1944811反映了背景技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于前述內(nèi)容，本發(fā)明的目的在于提供對(duì)上述技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)。更具體地， 目的在于改進(jìn)點(diǎn)結(jié)光生伏打電池以使得光生伏打電池更有效地將光轉(zhuǎn)換為電。因此，提供了一種用于將光轉(zhuǎn)換為電能的多結(jié)光生伏打電池。該光生伏打電池包括襯底，襯底具有表面，其中襯底的該表面處的區(qū)域被摻雜以使得第一 p-n結(jié)被形成在襯底中。該光生伏打電池具有納米線，納米線被布置在襯底的表面上且在摻雜區(qū)域位于襯底中的位置處，使得第二 P-n結(jié)被形成在納米線處并與第一 P-n結(jié)串聯(lián)連接?！霸凇奔{米線處形成的p-n結(jié)的含義包括以下可能性p-n結(jié)的P型部分和η型部分兩者都被形成在納米線中，或者納米線只包括P-n結(jié)的ρ型部分和η型部分之一而該結(jié)的另一部分被形成在襯底中摻雜區(qū)域處或者在光生伏打電池的任意其他部分處，例如，在與納米線連接的觸頭處。由于納米線被布置在襯底的表面上，因而可以改為說(shuō)從襯底的表面生長(zhǎng)納米線， 或者納米線位于襯底的表面上或表面處。本發(fā)明的光生伏打電池是有優(yōu)勢(shì)的，原因在于兩個(gè)p-n結(jié)(二極管)中的每個(gè)都可以具有各自的特征帶隙能量，該特征帶隙能量用于吸收光譜的相應(yīng)部分上的光。這兩個(gè) P-n結(jié)被選擇為組合在一起盡可能多地吸收太陽(yáng)光譜，從而盡可能多地從太陽(yáng)能生成電，這增大了太陽(yáng)能電池的效率。簡(jiǎn)而言之，由于納米線被布置在襯底中的摻雜區(qū)域處，因而第二 P-n結(jié)被布置為靠近第一 p-n結(jié)，因此所得到的光生伏打電池采用所謂的多結(jié)光生伏打電池的原理和優(yōu)勢(shì)。此外，由于納米線被用于形成第二 P-n結(jié)，實(shí)現(xiàn)了附加的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括，例如，與傳統(tǒng)的平面III-V多結(jié)太陽(yáng)能電池相比，由于可以更容易地在納米線中布置更多的 P-n結(jié)元件因而可以實(shí)現(xiàn)更高的效率值，降低了出于避免位錯(cuò)而對(duì)大襯底局域上的完美晶格匹配的需要，并且由于更容易獲得更高程度的成份同質(zhì)而改善了功能性。通常，第一 p-n結(jié)是點(diǎn)接觸二極管而第二 p-n結(jié)是軸向光電二極管或徑向光電二極管。還應(yīng)當(dāng)注意，納米線可以非常短以使得它具有更像樁的結(jié)構(gòu)而非拉長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)。然而， 即使納米線可以非常短，除了用于成核(生長(zhǎng))時(shí)間的不同時(shí)間值之外，該納米線與較長(zhǎng)納米線的生長(zhǎng)方式相同。通常，可以說(shuō)，襯底可以包括不同摻雜部分，其中一個(gè)部分包括摻雜區(qū)域而其余部分未被摻雜或按照與摻雜區(qū)域不同的摻雜方式摻雜。襯底的摻雜區(qū)域和其余部分之間的功能差異可以在于該區(qū)域被摻雜以使得其在襯底中形成第一 P-n結(jié)。因此，摻雜區(qū)域可以由于其摻雜以及形成P-n結(jié)而有所不同。只要可以形成第一 p-n結(jié)，摻雜區(qū)域的精確尺寸就與多結(jié)光生伏打電池背后的原理不相關(guān)。然而，摻雜區(qū)域的尺寸通?？梢孕∮?00納米。更具體地，摻雜區(qū)域的尺寸可以在例如100至300納米的范圍內(nèi)，并且該尺寸可以指摻雜區(qū)域的直徑，或者在從襯底的表面觀看時(shí)該尺寸可以指代摻雜區(qū)域的深度。第二 p-n結(jié)可以被形成在納米線中，S卩，納米線可以被配置為包括第二 p-n結(jié)，這意味著納米線可以包括第二結(jié)，即，包括該結(jié)的P型部分和η型部分，這在生長(zhǎng)納米線并相對(duì)于襯底或電觸頭呈一定關(guān)系布置該線時(shí)提供了高度的靈活性。
摻雜區(qū)域可以通過(guò)離子注入、摻雜劑擴(kuò)散、異質(zhì)外延和同質(zhì)外延中的任一種形成， 這為在其表面處具有摻雜區(qū)域的襯底提供了靈活制造。納米線可以與摻雜區(qū)域直接接觸并且更具體地，納米線可以生長(zhǎng)在(S卩，可以被 “布置在”)摻雜區(qū)域上。這非常有優(yōu)勢(shì)，原因在于可以確保增大光生伏打電池的效率，這基于理解到在第二 p-n結(jié)處未吸收的光譜部分可以被第一 p-n結(jié)吸收。優(yōu)選地，p-n結(jié)被配置為使得具有更短波長(zhǎng)的光被第二 (上方的)P-n結(jié)吸收，而具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光被第一(下方的)p-n結(jié)吸收。納米線可以與摻雜區(qū)域有外延關(guān)系，為了增大太陽(yáng)能電池的效率，這提供了這兩個(gè)p-n結(jié)的帶隙配置的更好適配。多結(jié)光生伏打電池可以包括第三p-n結(jié)，該第三p-n結(jié)被布置在第一 p_n結(jié)和第二 P-n結(jié)之間。第三p-n結(jié)優(yōu)選地是隧道二極管(Esaki 二極管)，該隧道二極管在生長(zhǎng)納米線的工藝期間形成，并且滿(mǎn)足在第一和第二 P-n結(jié)之間建立電連接的目的。替代第三p-n 結(jié)，或作為第三P-n結(jié)的補(bǔ)充，多結(jié)光生伏打電池可以包括金屬導(dǎo)電連接元件，金屬導(dǎo)電連接元件被布置在第一 P-n結(jié)和第二 p-n結(jié)之間，用于串聯(lián)連接第一和第二 p-n結(jié)。納米線可以被殼圍繞，該殼在表面的法線方向上逐漸變細(xì)，該殼被摻雜以使得p-n 結(jié)被形成在殼和納米線之間。這允許殼的縱橫比的優(yōu)化，使得更大或更小量的高能光將能夠穿過(guò)納米線結(jié)構(gòu)(包括殼)并到達(dá)形成在襯底中的第一 P-n結(jié)。在該特定實(shí)施例中，這給出了一種更有效的多結(jié)光生伏打電池，這是由于第一(底部)電池可能要不然缺乏光，因此將全部電流限制在該器件中。襯底可以由半導(dǎo)體材料制成，該半導(dǎo)體材料由硅或摻雜的硅、或者鍺或摻雜的鍺、 或者可選的硅鍺合金組成。納米線可以由包括III-V族半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料制成，而 III-V材料可以是使摻雜劑原子進(jìn)入襯底中以產(chǎn)生摻雜區(qū)域的擴(kuò)散源。這些材料選擇中的每種選擇以及尤其是這些選擇的組合允許多結(jié)太陽(yáng)能電池的低成本制造。承上所述，襯底可以包括III-V材料，III-V材料起摻雜劑原子的作用以產(chǎn)生(一個(gè)或多個(gè))摻雜區(qū)域。多結(jié)光生伏打電池可以被配置為將襯底的該表面布置為面向光源。當(dāng)光生伏打電池工作時(shí)，這意味著表面的摻雜區(qū)域(即，點(diǎn)接觸二極管)被布置在襯底的意在面向光的那側(cè)上。這與許多已知的點(diǎn)接觸太陽(yáng)能電池不同，并且當(dāng)它有效地利用太陽(yáng)能產(chǎn)生電時(shí)，導(dǎo)致第一 p-n結(jié)和第二 p-n結(jié)之間的有效協(xié)作。多結(jié)光生伏打電池可以包括襯底的該表面處的多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都被摻雜以使得這些區(qū)域在襯底中形成相應(yīng)的第一 p-n結(jié)，其中從襯底的表面生長(zhǎng)多個(gè)納米線(即，“在襯底的表面上布置多個(gè)納米線”)，每個(gè)納米線在相應(yīng)摻雜區(qū)域的位置處，使得每個(gè)納米線形成與相應(yīng)的第一 P-n結(jié)串聯(lián)連接的第二 p-n結(jié)。這里，多個(gè)意味著多于一個(gè)，但是在實(shí)踐中，至少I(mǎi)X 104mm 2對(duì)摻雜區(qū)域和納米線 (即成對(duì)的第一和第二 P-n結(jié))被形成在襯底上。當(dāng)多結(jié)光生伏打電池包括襯底的該表面處的多個(gè)區(qū)域時(shí)，然后每個(gè)區(qū)域被摻雜使得這些區(qū)域形成襯底中的相應(yīng)的第一 p-n結(jié)，并且從襯底的該表面生長(zhǎng)多個(gè)納米線(即，“在襯底的表面上布置多個(gè)納米線”)。然后每個(gè)納米線被布置在相應(yīng)的摻雜區(qū)域的位置處，使得每個(gè)納米線形成與相應(yīng)的第一 P-n結(jié)串聯(lián)連接的第二 p-n結(jié)。在多個(gè)摻雜區(qū)域和納米線的情況下，如果可應(yīng)用，則可以針對(duì)摻雜區(qū)域和納米線中的幾個(gè)或全部實(shí)施上述各種特征。


現(xiàn)在將通過(guò)示例的方式參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的多結(jié)太陽(yáng)能電池，
圖2是圖1的太陽(yáng)能電池的局部視圖，
圖3-7是類(lèi)似于圖2的視圖的局部視圖，但是示出了太陽(yáng)能電池的其他實(shí)施例， 圖8a-8f示出了如何根據(jù)第一實(shí)施例制造太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，以及圖9a_9e示出了如何根據(jù)第二實(shí)施例制造太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，多結(jié)光生伏打(太陽(yáng)能)電池1包括平面襯底3，平面襯底3由ρ摻雜的 Si(硅)制成。襯底3具有上表面31，上表面31意在面向入射在太陽(yáng)能電池1上的光L，即， 上表面31是襯底3的上前側(cè)。例如Al (鋁)制成的平面后觸頭9布置在襯底3的與上表面31相對(duì)的下表面上。η摻雜的區(qū)域4位于襯底3的上表面31。該區(qū)域4是拱頂形的，其中區(qū)域4的平面部分與上表面31形成的平面對(duì)準(zhǔn)。因此，拱頂形區(qū)域4的彎曲部分延伸到襯底3中。然而，區(qū)域4的廣度小于襯底3的總厚度。納米線2位于襯底3上并在摻雜區(qū)域4的中心位置處。這意味著納米線2的縱向限定的幾何軸延伸通過(guò)摻雜區(qū)域4的中心， 或者換句話說(shuō)，在表面31的法線方向N上看，納米線2被布置在摻雜區(qū)域4的頂部。優(yōu)選地，納米線2與表面31的法線方向N平行，但是還可以被布置為與法線方向 N成傾斜關(guān)系。襯底3的上表面31可以被覆蓋有SW2 (二氧化硅)絕緣層8，而納米線2突出通過(guò)該層8并因此建立與襯底3的電接觸。用于絕緣層8的其他材料包括SixNy, AlxOy，HfO2 和 SiOxNy。在支撐的絕緣層7中嵌入了納米線2，絕緣層7為納米線2提供支撐。支撐層7被布置在絕緣層8的頂部并且在該特定實(shí)施例中由絕緣鈍化電介質(zhì)材料制成，絕緣鈍化電介質(zhì)材料諸如SixNy，AlxOy，HfO2, SiOxNy、聚合物、硼磷硅玻璃或旋涂玻璃等。可選地，納米線被空氣圍繞。支撐層7進(jìn)而被TCO 6 (透明導(dǎo)電氧化層)覆蓋，TCO 6與納米線2電接觸，這是因?yàn)榧{米線2的最上方部分突出到TCO 6中。層6可以可替代地由導(dǎo)電聚合物或任意其他透明導(dǎo)體構(gòu)成。即使未示出，薄金屬層也可以被布置在納米線和TCO之間，用于構(gòu)成到納米線的歐姆接觸。TCO 6和后觸頭9進(jìn)而被配置為連接到使用由多結(jié)太陽(yáng)能電池1生成的電的電器件(未示出)。進(jìn)一步參照?qǐng)D2，細(xì)節(jié)放大地示出了在圖1中的多結(jié)太陽(yáng)能電池1中由A表示的部分。此處，P摻雜的襯底3和η摻雜的區(qū)域4形成第一 ρ-η結(jié)11，S卩，點(diǎn)接觸二極管。當(dāng)然第一 ρ-η結(jié)11由形成了襯底6的ρ摻雜的Si和摻雜區(qū)域4的η摻雜的Si之間的邊界的完整表面形成，而不僅是參考標(biāo)號(hào)11示出的部分。在摻雜區(qū)域4上生長(zhǎng)納米線2或納米線2位于摻雜區(qū)域4上，并且納米線2的最下方部分22由η+摻雜GaAsP (鎵砷磷)制成。納米線2在η+摻雜GaAsP的部分22上的部分形成了納米線2的中間部分23，并且也由GaAsP制成，但是為P+摻雜的而非η+摻雜的。 這意味著重?fù)诫s的(Ρ+-η+)結(jié)13被形成在納米線2的下方部分22和中間部分23之間，結(jié) 13 —般形成隧道二極管。納米線2在中間納米線部分23上的部分形成了納米線2的上方部分24。該部分 M是P摻雜的并且由例如GaAs (砷化鎵)制成，并且被η摻雜GaAs的層25圍繞，層25從絕緣層8延伸到納米線2的頂部。此處，ρ摻雜的上方納米線部分M和η摻雜的圍繞層25 形成了第二 ρ-η結(jié)12 (即所謂的徑向二極管)，其沿著與η摻雜GaAs層25接觸的上方ρ摻雜GaAs納米線部分24的圓周表面延伸。之前描述的形成在納米線2的下方部分22和中間部分23之間的重?fù)诫s結(jié)13被稱(chēng)作“第三Ρ-η結(jié)” 13并形成所謂的隧道二極管，該隧道二極管在第一 ρ-η結(jié)11和第二 ρ_η 結(jié)12之間建立電連接。參照?qǐng)D3，細(xì)節(jié)放大地示出了多結(jié)太陽(yáng)能電池的另一實(shí)施例。此處，與圖2中的實(shí)施例相比較，η-摻雜Si區(qū)域4包括重?fù)诫s(n+)Si區(qū)域41，區(qū)域41具有與摻雜區(qū)域4的形狀對(duì)應(yīng)的形狀，但是幾何尺寸小一些，這可以在圖3中看出來(lái)。此外，圖2的η+摻雜GaAsP 的納米線部分22被省略，使得ρ+摻雜GaAsP的納米線部分23’在n+_Si區(qū)域41上生長(zhǎng)。 這意味著P+-n+結(jié)13’位于納米線2和襯底3之間的界面處。圖3的結(jié)13’在功能上對(duì)應(yīng)于圖2的結(jié)13，而在這兩個(gè)實(shí)施例中結(jié)11和12相同。參照?qǐng)D4，細(xì)節(jié)放大地示出多結(jié)太陽(yáng)能電池的又一實(shí)施例。此處，與圖2的實(shí)施例相比，η摻雜的圍繞GaAs層25在功能上被納米線2的最上方的η摻雜GaAs的部分25’替代。該最上方部分25’在納米線2的ρ摻雜GaAs的部分Μ’的頂部，而ρ摻雜GaAs的部分對(duì)’被布置在之前描述的納米線2的中間P+-GaAsP部分23的頂部。圖4的ρ摻雜GaAs 的部分24’對(duì)應(yīng)于圖4的ρ摻雜GaAs部分Μ，這意味著p-η結(jié)12’被形成在最上方部分 25’和部分24’之間。該結(jié)12’形成與圖2的結(jié)12對(duì)應(yīng)的ρ-η 二極管，而結(jié)11和13與圖 2和圖4的實(shí)施例中的相同。參照?qǐng)D5，細(xì)節(jié)放大地示出了多結(jié)太陽(yáng)能電池的再一實(shí)施例。此處，與圖4的實(shí)施例相比，η摻雜Si區(qū)域4包括重?fù)诫s(n+) Si區(qū)域41，區(qū)域41具有與摻雜區(qū)域4的形狀對(duì)應(yīng)的形狀，但是幾何尺寸小一些，這可以在圖5中看出來(lái)。此外，圖4的η+摻雜GaAsP的納米線部分22被省略，使得ρ+摻雜GaAsP納米線部分23’在n+_Si區(qū)域41上生長(zhǎng)。該p+摻雜GaAsP的部分23’在功能上對(duì)應(yīng)于圖4的p+摻雜GaAsP的部分23。因此，p+-n+結(jié)13， 位于納米線2和襯底3之間的界面處。圖5的結(jié)13’在功能上對(duì)應(yīng)于圖2或圖4的結(jié)13， 而圖4的結(jié)12’與圖5的結(jié)12’相同。參照?qǐng)D6，示出了多結(jié)太陽(yáng)能電池的又一實(shí)施例。其與圖2的實(shí)施例類(lèi)似，但不同之處在于i)納米線中僅形成短樁對(duì)”的最上方P摻雜部分，ii)圓錐形的圍繞層25”或殼，以及iii)支撐層7’，其在此處是TCO層。此處，ρ摻雜的上方納米線部分對(duì)”和η摻雜的圍繞殼25”形成第二 ρ-η結(jié)12”，該結(jié)12”為沿著與η摻雜GaAs層25”接觸的上方ρ 摻雜GaAs納米線部分Μ”的圓周表面延伸的徑向二極管的形式。代替如圖6的實(shí)施例中的納米線圍繞層的圓錐形狀，圍繞層可以具有角錐或圓柱 25’’’的形狀，在后一種情況中在圖7中示出圓柱25’’’。然而，在如同圖6的實(shí)施例的該實(shí)施例中，納米線2形成了樁，該樁在絕緣層8的上表面81上方延伸較短距離。
在絕緣層表面81上方的該距離或高度優(yōu)選地小于納米線的寬度(或直徑)的十倍， 或者更優(yōu)選地小于納米線的寬度的五倍，或者甚至更優(yōu)選地小于納米線的寬度的兩倍。與已知納米線相比，圖6和圖7的實(shí)施例的納米線相當(dāng)短，并且因此形成在納米線和圍繞層之間的p-n結(jié)12”的面積相對(duì)小，這導(dǎo)致橫跨p-n結(jié)兩端的反轉(zhuǎn)電流泄露減小。應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于所有實(shí)施例來(lái)說(shuō)，納米線可以具有棱柱截面形狀，其中具有三個(gè)或更多個(gè)面。這同樣適用于納米線圍繞層。在工作期間，多結(jié)太陽(yáng)能電池1被布置為使得其前側(cè)面對(duì)太陽(yáng)或其他光源30 (例如，室內(nèi)的燈)，其光能量將被用于產(chǎn)生電。一旦太陽(yáng)能電池1被適當(dāng)布置，則襯底3的表面 31的法線N被指向光源30以使得光L的光線以與法線N成一定角度關(guān)系入射在太陽(yáng)能電池1上。納米線2外延地生長(zhǎng)在襯底3上，并且第一和第二 p-n結(jié)11、12、12’各被調(diào)諧為從太陽(yáng)吸收特定光帶。襯底3以及摻雜區(qū)域4和納米線部分對(duì)、25、對(duì)’、25’的帶隙相對(duì)于彼此并根據(jù)傳統(tǒng)的適當(dāng)工藝而被優(yōu)化。由于線的有限厚度，在襯底和線之間的結(jié)處或者線中的任意豎直結(jié)中不總是需要晶格匹配。第一結(jié)11和第二結(jié)12、12’可選地串聯(lián)，其中最高帶隙材料在頂部。在行進(jìn)光的方向上，最上方的第二 p-n結(jié)12、12’接收整個(gè)光譜并且在第二 p-n結(jié)12、12’的帶隙之上的光子都在該結(jié)12、12’處被吸收。第二結(jié)12、12’的帶隙之下的光子穿過(guò)以到達(dá)下方的第一 p-n結(jié)11，從而在第一 p-n結(jié)11處被吸收。此處，“上方的”結(jié)意味著該結(jié)比“下方的” 結(jié)更接近TCO 6。在Si襯底的情況下，在該實(shí)施例中用于特定材料的帶隙(Eg)的一些典型值包括 Eg=L 69 eV的線，該帶隙近似對(duì)應(yīng)于GaAi^8Pa2 (在理論上效率為48%)。在Ge (鍺)襯底的情況下，線可以具有1=1. 43 eV，近似對(duì)應(yīng)于GaAs (在理論上效率為48%)。線的底部中的材料具有0.2 eV的值，該值高于線的其余部分。然而，在實(shí)踐中，任何在Si (1.1 eV)的帶隙和2.0 eV的帶隙之間的帶隙對(duì)于Si襯底來(lái)說(shuō)都是足夠的，而任何在Ge (0.67 eV)的帶隙和1. 7 eV的帶隙之間的帶隙對(duì)于Ge襯底來(lái)說(shuō)都是足夠的。太陽(yáng)能電池1利用串列的電連接，這意味著p-n結(jié)11、12替代地(alt. ) 12 ’或12 ”、 13替代地13’串聯(lián)電連接并且組合后的電池1具有兩個(gè)端子，即TCO 6 (在圖6或圖7的實(shí)施例的情況中替代地為7’)和平面后觸頭9。由于p-n結(jié)11、12替代地12’或12”、13替代地13，串聯(lián)連接，因而經(jīng)過(guò)每個(gè)結(jié)11、12替代地12’或12”、13替代地13，的電流相同。 因此第一和第二結(jié)11、12替代地12’或12”的帶隙如所述地被優(yōu)化，使得這些結(jié)11、12替代地12’或12”的最大功率點(diǎn)電流相同，用于避免效率減小?？商娲?，第二 (頂部)結(jié)的有效光吸收被減小以實(shí)現(xiàn)也針對(duì)非最佳的帶隙組合的電流匹配。第三結(jié)13、13’用作第一和第二結(jié)11、12、12’、12”之間的連接器。如所示，相應(yīng)情況適用于圖3-7的實(shí)施例的p-n結(jié)。更特別地，襯底3由傳統(tǒng)的ρ摻雜Si晶片制成，通過(guò)利用離子注入、摻雜劑擴(kuò)散、 通過(guò)在異質(zhì)外延生長(zhǎng)期間的擴(kuò)散、或者任意其他傳統(tǒng)的適當(dāng)工藝，該Si晶片被設(shè)置有η摻雜區(qū)域。參照?qǐng)D8a_8f，例舉了制造圖2的太陽(yáng)能電池1的方法。此處，后觸頭9被附接(圖 8a)到襯底3，該附接可以在納米線生長(zhǎng)之前或之后根據(jù)本領(lǐng)域內(nèi)任何適當(dāng)?shù)囊阎椒▉?lái)完成。接下來(lái)，P摻雜的襯底3的上表面31被覆蓋有電介質(zhì)層8 (圖Sb)。然后，該層8被圖案化以在層8中形成孔10，該孔10的直徑是20至200納米(圖Sc)。孔10將下層襯底3 暴露給V族源氣體，允許以孔10為中心形成小的η摻雜區(qū)域4 (圖8d)。具體而言，一旦形成孔10，就通過(guò)利用擴(kuò)散摻雜工藝將襯底3 (通過(guò)孔10)暴露的部分η摻雜有V族材料(諸如P (磷)或As (砷))，使得擴(kuò)散區(qū)域4具有例如約100至300納米的直徑。還可以在以下描述的納米線2的異質(zhì)外延生長(zhǎng)期間執(zhí)行襯底的擴(kuò)散摻雜，即，不需要單獨(dú)的擴(kuò)散步驟。上述是優(yōu)選的摻雜方法；存在對(duì)半導(dǎo)體摻雜的許多可替換的已知方法，例如，離子注入，在更適當(dāng)?shù)那闆r下則可以使用離子注入。這樣形成的摻雜區(qū)域4通常具有大約IXlO16 cm3或更大的過(guò)剩載流子濃度。此外，襯底3上的納米線生長(zhǎng)被設(shè)置在表面31上的電介質(zhì)模板(template^中的孔10引導(dǎo)。除了摻雜區(qū)域4的中心上的孔10，電介質(zhì)模板8覆蓋襯底的完整上表面31，從而暴露摻雜區(qū)域4的區(qū)。該孔10仍具有20至200納米的直徑并通過(guò)增加摻雜區(qū)域4的暴露區(qū)中的成核的可能性來(lái)引導(dǎo)納米線成核(生長(zhǎng))。成核可能性增大的該區(qū)被稱(chēng)作成核發(fā)生位置。更具體而言，孔10起電介質(zhì)模板的作用，該模板限定用于納米線生長(zhǎng)的成核發(fā)生位置，并且外延生長(zhǎng)的豎直站立的納米線2被形成(圖8e)(包括任何納米線圍繞層25或殼 25”、25’，，)在襯底表面31的摻雜區(qū)域4上，使得該納米線2對(duì)應(yīng)于上面結(jié)合附圖描述的納米線。用于生長(zhǎng)納米線2的適當(dāng)方法在本領(lǐng)域中是已知的，并且例如在PCT申請(qǐng)?zhí)朩O 2007/102781中示出，該申請(qǐng)通過(guò)引用結(jié)合于此。由此可以得出，通過(guò)利用本文描述的方法以外的方法，而不利用粒子作為催化劑，納米線2可以從襯底3的摻雜區(qū)域4生長(zhǎng)。一旦生長(zhǎng)了納米線2，則例如通過(guò)利用化學(xué)汽相沉積加回蝕(back etch)以顯露線，納米線2的頂部之外的部分都被覆蓋有支撐層7。最后，例如通過(guò)濺射用TCO 6覆蓋支撐層7，使得納米線2的最上方部分被嵌入在TCO 6中并且與TCO 6電接觸(圖8f)?？蛇x地，TCO替代支撐層，在該情況下TCO覆蓋納米線。作為上述制造方法的替代方法，可以在圖9a_9e中的所示的工藝中使用催化劑粒子。此外，襯底3是傳統(tǒng)ρ摻雜Si晶片，其中Al后觸頭9被附接(圖9a)到襯底3的后側(cè)，這如上面提到的在納米線生長(zhǎng)之前或之后且根據(jù)本領(lǐng)域中適合的任意已知方法來(lái)完成。接下來(lái)，或者通過(guò)通過(guò)絕緣電介質(zhì)層8中的孔(圖8c中的10)沉積，或者通過(guò)用絕緣電介質(zhì)層8覆蓋上表面31，通常由金(Au)制成的催化劑粒子15被放置在襯底3的上表面31 上。在任一種情況下，粒子15都位于層8中的孔中，使得粒子15的頂部仍被暴露，即，粒子 15不被層8覆蓋(圖％)。在此之后，允許包含III族和V族的化合物在粒子15上分解。然后，粒子15充滿(mǎn)了生長(zhǎng)物種，并且由于在粒子15下的更高局部壓力和濃度，生長(zhǎng)物種擴(kuò)散到襯底3中在粒子下的區(qū)域4處(圖9c)。用于擴(kuò)散的生長(zhǎng)物種、時(shí)間和溫度被選擇為使得在粒子15下產(chǎn)生通常直徑為例如300納米的η摻雜拱頂形區(qū)域4。在此之后，通過(guò)使用美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，335，908 (該專(zhuān)利通過(guò)引用結(jié)合于此)中描述的所謂VLS (汽-液-固)機(jī)制來(lái)生長(zhǎng)納米線2 (圖9c)，使得納米線2對(duì)應(yīng)于上面結(jié)合附圖描述的納米線。上述的摻雜工藝也可以在納米線2的生長(zhǎng)期間繼續(xù)到一些程度，但是最終結(jié)果沒(méi)有差異。如之前那樣，一旦生長(zhǎng)了納米線2，納米線2除了最上方部分之外的部分(包括粒子15)都覆蓋有支撐層7。最終，支撐層7被TCO 6覆蓋，使得納米線2的最上方部分和完整粒子15被嵌入并因此與TCO 6電接觸(圖9e)。對(duì)于圖3和圖5中所示的太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，通過(guò)利用產(chǎn)生摻雜區(qū)域4時(shí)使用的相同擴(kuò)散摻雜工藝來(lái)制造重?fù)诫s(H+)Si區(qū)域41，但是可以改用其他工藝設(shè)置以使得摻雜區(qū)域 41通常具有大約IX IO19Cm3或更大的過(guò)剩載流子濃度。對(duì)于這些圖中示出的太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，通過(guò)利用上述任一種方法來(lái)生長(zhǎng)每個(gè)實(shí)施例中的納米線。在實(shí)踐中，如圖1中所示，多個(gè)完全相同的納米線2、2”、2’’’和相應(yīng)的摻雜區(qū)域4、 4’、4”同時(shí)形成在襯底3上，這在本領(lǐng)域中是常見(jiàn)的。這導(dǎo)致類(lèi)似草的結(jié)構(gòu)，其中大量納米線被布置在襯底3的表面31上并從表面31突出。通常，摻雜區(qū)域被布置為相互有一定距離，該距離是摻雜區(qū)域的直徑的至少兩倍。當(dāng)然，本文示出的測(cè)量值、范圍和值可以適用于太陽(yáng)能電池的特定需要和要求，并且可選地，摻雜部分25和因此的p-n結(jié)12可以被其他肖特基勢(shì)壘替代。以上描述中的材料意在作為示例，并且上面的全部?jī)?nèi)容在以下替代方式的任意組合下從理論上說(shuō)同樣有效硅襯底材料可以替代鍺或SixGei_x合金。線材料等主要在III-V 半導(dǎo)體中的IrvGiihASyPh系中選擇，但是Al和Sb分別部分替代III族和V族是可能的， 或者利用hxGai_xN系。材料的實(shí)際選擇將依賴(lài)于詳細(xì)的分析和試驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)理想的帶隙、吸收和功率轉(zhuǎn)換。然而，適合用于襯底的材料包括但不限于Si，GaAs，GaP，GaP:Zn，GaAs，InAs, InP, GaN, A1203, SiC, Ge, GaSb, ZnO, InSb, SOI (絕緣體上硅)，CdS, ZnSe, CdTe0用于納米線和納米線區(qū)段的適合材料包括但不限于AlfeJnN，AlInP, BN, GaInP, GaAs，GaAs (ρ)，GaAsP, GaAllnP, GaN, GaP, GaInAs, GaInN, GaAlInP, GaAlInAsP, GaInSb, Ge, InGaP:Si，InGaP:Zn，InAs, InN, InP，InAsP，InSb, Si, ΖηΟ?？赡艿氖┲鲹诫s劑為 Si, Sn, Te, Se, S等，并且受主摻雜劑為Zn，F(xiàn)e, Mg，Be, Cd等。應(yīng)當(dāng)注意，納米線技術(shù)使得可以利用氮化物，諸如GaN，InN和AIN。盡管在光生伏打電池的上下文中描述本公開(kāi)內(nèi)容，但是預(yù)期在其他光電子領(lǐng)域中找到應(yīng)用，諸如用于光電檢測(cè)器或發(fā)光二極管。盡管已描述和示出本發(fā)明的各種實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，而是可以在所附權(quán)利要求中限定的主題的范圍內(nèi)按其他方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。具體地，每個(gè)p-n結(jié)的極性可以或者是P在η上或者η在P上(反轉(zhuǎn))，并且可以包括更多的結(jié)。
權(quán)利要求
1.一種用于將光轉(zhuǎn)換為電能的多結(jié)光生伏打電池，所述多結(jié)光生伏打電池包括襯底 (3)，所述襯底(3)具有表面(31)，其中所述襯底(3)的所述表面(31)處的區(qū)域(4)被摻雜以使得第一 p-n結(jié)(11)被形成在所述襯底(3 )中，特征在于，納米線(2 )被布置在所述襯底 (3)的所述表面(31)上，在所述摻雜區(qū)域(4)位于所述襯底(3)中的位置處，使得第二 p-n 結(jié)(12 )被形成在所述納米線(2 )處并與所述第一 p-n結(jié)(11)串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多結(jié)光生伏打電池，其中所述第二p-n結(jié)(12)被形成在所述納米線(3)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多結(jié)光生伏打電池，其中所述摻雜區(qū)域(4)通過(guò)異質(zhì)結(jié)、 離子注入、摻雜劑擴(kuò)散和同質(zhì)外延中的任一種來(lái)形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，其中所述納米線(2)與所述摻雜區(qū)域(4)直接接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，其中所述納米線(2)生長(zhǎng)在所述摻雜區(qū)域(4)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，其中所述納米線(2)與所述摻雜區(qū)域(4)有外延關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，其中第三p-n結(jié)(13)被布置在所述第一 p-n結(jié)(11)和所述第二 p-n結(jié)(12)之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，其中所述納米線(2)在所述表面(31)的法線方向(N)上被錐形殼(25”)圍繞，所述錐形殼(25”)被摻雜為使得p-n 結(jié)(12 ”)形成在所述殼(25 ”)和所述納米線(2 )之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，其中所述襯底(3)由半導(dǎo)體材料制成，所述半導(dǎo)體材料由硅或摻雜的硅組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，其中所述襯底(3)由半導(dǎo)體材料制成，所述半導(dǎo)體材料由鍺或摻雜的鍺組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，其中所述納米線(2)由半導(dǎo)體材料制成，所述半導(dǎo)體材料包括III-V族半導(dǎo)體材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，其中III-V材料是使摻雜劑原子進(jìn)入所述襯底(3 )中的擴(kuò)散源，用于產(chǎn)生所述摻雜區(qū)域(4 )。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，被配置為將所述襯底 (3)的所述表面(31)布置成面向光源(30)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的多結(jié)光生伏打電池，所述多結(jié)光生伏打電池包括所述襯底(3)的所述表面(31)處的多個(gè)區(qū)域(4，4”)，每個(gè)區(qū)域(4，4”)被摻雜以使得所述區(qū)域(4，4”)形成所述襯底(3)中的相應(yīng)第一 p-n結(jié)(11，11”)，其中從所述襯底(3)的所述表面(31)生長(zhǎng)多個(gè)納米線(2，2”)，每個(gè)納米線(2，2”)在相應(yīng)摻雜區(qū)域(4，4”)的位置處，使得每個(gè)納米線(2，2”)形成與相應(yīng)第一 p-n結(jié)(11，11”)串聯(lián)連接的第二 p_n結(jié)(12， 12”)。
全文摘要
一種用于將光轉(zhuǎn)換為電能的多結(jié)光生伏打電池，所述多結(jié)光生伏打電池包括襯底(3)，所述襯底(3)具有表面(31)，其中所述襯底(3)的所述表面(31)處的區(qū)域(4)被摻雜以使得第一p-n結(jié)(11)被形成在所述襯底(3)中。光生伏打電池具有納米線(2)，納米線(2)被布置在所述襯底(3)的所述表面(31)上，在所述摻雜區(qū)域(4)位于所述襯底(3)中的位置處，使得第二p-n結(jié)(12)被形成在所述納米線(2)處并與所述第一p-n結(jié)(11)串聯(lián)連接。
文檔編號(hào)H01L31/0725GK102484147SQ201080026673
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者M. 奧爾森 J. 申請(qǐng)人:索爾伏打電流公司