[發明專利]具有納米線的多結光生伏打電池

有效

• 申請號: 201080026673.4
• 申請日: 2010-04-13
• 公開（公告）號: CN102484147A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發明（設計）人: J.M.奧爾森
• 申請（專利權）人: 索爾伏打電流公司
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/0687;H01L31/0693;H01L31/0725;H01L31/078
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉春元;蔣駿

技術領域

本發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

近年來隨著能量價格穩步達到高水平并且隨著使用化石燃料的缺點變得越來越明顯，對太陽能電池技術的興趣一直在增加。此外，技術突破暗示著大規模生產高效率光生伏打（太陽能）電池是可能的。

例如，用半導體材料加工整流結（如p-n結和肖特基二極管）以制造用于太陽能電池器件以及光電檢測器中的光生伏打電池。光生伏打電池在光照射p-n結時將光轉換為電并產生成相反帶電粒子對：電子和空穴。這些電荷被整流結分離以產生電流。光電檢測器按類似原理工作。

傳統的光生伏打電池經常是由至少兩個不對稱摻雜的半導體層構成的平面器件，其中所述至少兩個不對稱摻雜的半導體層具有前觸頭（contact）和后觸頭。對于傳統的光生伏打電池來說，光在由前觸頭形成的柵格之間進入，在柵格之間，光被n型層和p型層吸收，產生了電子-空穴對。電子-空穴對被p-n結分離，并且橫跨光生伏打電池兩端生成了電壓。通過橫跨電池觸頭兩端放置負載而獲得有用功率，并因此光生伏打電池將輻射直接轉換為有用的電能。

限制從光到電的轉換效率的一個因素是橫跨p-n結兩端的反轉電流泄露。對于平面電池，反轉電流泄露隨著p-n結的面積增加而增加。

有許多種方式來減小平面電池的不期望的反轉電流泄露，但是無論使用什么方法，反轉電流泄露的減小都受限于p-n結的面積，并且對于平面電池來說，減小面積僅意味著電池更小并因此收集更少的光。通過利用不同的電池幾何結構（非平面），可以減小p-n結的面積而不會減小電池的總面積。

一種成功的非平面幾何結構是在例如美國專利4,234,352中描述的硅點結（dot-junction）光生伏打電池。在該專利中，披露了點結電池，其中硅襯底的一個表面具有一系列局部摻雜的n+區域和p+區域（點結），使得摻雜區域的面積遠小于點結電池的總面積。p+區域形成大體積的p-n結，n+區域形成用于n型觸頭的低電阻率的區。

然而，即使反轉電流泄露是有限的，點結電池的效率仍不是最佳的。例如，由于每個點結是單帶隙太陽能電池，由于不能夠有效地轉換光子在太陽光譜中擁有的寬范圍能量而導致效率是有限的。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換為電。損失了低于電池材料的帶隙的光子；它們或者穿過電池或者僅被轉換為材料中的熱。由于載流子張弛到帶的邊緣，因而超過帶隙能量的光子中的能量也被損失成熱。

因此，即使點結光生伏打電池在減小反轉電流泄露方面是有優勢的，點結太陽能電池仍具有光子能效率方面的弱勢，即，很大部分的太陽光譜被損失成熱并且未被轉換成電。

此外，專利文獻EP1944811反映了背景技術。

發明內容

鑒于前述內容，本發明的目的在于提供對上述技術和現有技術的改進。更具體地，目的在于改進點結光生伏打電池以使得光生伏打電池更有效地將光轉換為電。

因此，提供了一種用于將光轉換為電能的多結光生伏打電池。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域被摻雜以使得第一p-n結被形成在襯底中。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域位于襯底中的位置處，使得第二p-n結被形成在納米線處并與第一p-n結串聯連接。

“在”納米線處形成的p-n結的含義包括以下可能性：p-n結的p型部分和n型部分兩者都被形成在納米線中，或者納米線只包括p-n結的p型部分和n型部分之一而該結的另一部分被形成在襯底中摻雜區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，因而可以改為說從襯底的表面生長納米線，或者納米線位于襯底的表面上或表面處。

本發明的光生伏打電池是有優勢的，原因在于兩個p-n結（二極管）中的每個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部分上的光。這兩個p-n結被選擇為組合在一起盡可能多地吸收太陽光譜，從而盡可能多地從太陽能生成電，這增大了太陽能電池的效率。簡而言之，由于納米線被布置在襯底中的摻雜區域處，因而第二p-n結被布置為靠近第一p-n結，因此所得到的光生伏打電池采用所謂的多結光生伏打電池的原理和優勢。