具有纳米线的多结光生伏打电池制造技术

一种用于将光转换为电能的多结光生伏打电池，所述多结光生伏打电池包括衬底（3），所述衬底（3）具有表面（31），其中所述衬底（3）的所述表面（31）处的区域（4）被掺杂以使得第一p-n结（11）被形成在所述衬底（3）中。光生伏打电池具有纳米线（2），纳米线（2）被布置在所述衬底（3）的所述表面（31）上，在所述掺杂区域（4）位于所述衬底（3）中的位置处，使得第二p-n结（12）被形成在所述纳米线（2）处并与所述第一p-n结（11）串联连接。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及包括作为有源部件的纳米线的光生伏打电池。
技术介绍
近年来随着能量价格稳步达到高水平并且随着使用化石燃料的缺点变得越来越明显，对太阳能电池技术的兴趣一直在增加。此外，技术突破暗示着大规模生产高效率光生伏打(太阳能)电池是可能的。例如，用半导体材料加工整流结(如p-n结和肖特基二极管)以制造用于太阳能电池器件以及光电检测器中的光生伏打电池。光生伏打电池在光照射P-n结时将光转换为电并产生成相反带电粒子对电子和空穴。这些电荷被整流结分离以产生电流。光电检测器按类似原理工作。传统的光生伏打电池经常是由至少两个不对称掺杂的半导体层构成的平面器件， 其中所述至少两个不对称掺杂的半导体层具有前触头(contact)和后触头。对于传统的光生伏打电池来说，光在由前触头形成的栅格之间进入，在栅格之间，光被η型层和ρ型层吸收，产生了电子-空穴对。电子-空穴对被P-n结分离，并且横跨光生伏打电池两端生成了电压。通过横跨电池触头两端放置负载而获得有用功率，并因此光生伏打电池将辐射直接转换为有用的电能。限制从光到电的转换效率的一个因素是横跨p-n结两端的反转电流泄露。对于平面电池，反转电流泄露随着P-n结的面积增加而增加。有许多种方式来减小平面电池的不期望的反转电流泄露，但是无论使用什么方法，反转电流泄露的减小都受限于P-n结的面积，并且对于平面电池来说，减小面积仅意味着电池更小并因此收集更少的光。通过利用不同的电池几何结构(非平面)，可以减小P-n 结的面积而不会减小电池的总面积。一种成功的非平面几何结构是在例如美国专利4，234，352中描述的硅点结 (dot-junction)光生伏打电池。在该专利中，披露了点结电池，其中硅衬底的一个表面具有一系列局部掺杂的η+区域和ρ+区域(点结)，使得掺杂区域的面积远小于点结电池的总面积。P+区域形成大体积的P-n结，η+区域形成用于η型触头的低电阻率的区。然而，即使反转电流泄露是有限的，点结电池的效率仍不是最佳的。例如，由于每个点结是单带隙太阳能电池，由于不能够有效地转换光子在太阳光谱中拥有的宽范围能量而导致效率是有限的。在理想的限制中，只有能量等于带隙能量的光子被有效地转换为电。 损失了低于电池材料的带隙的光子；它们或者穿过电池或者仅被转换为材料中的热。由于载流子张弛到带的边缘，因而超过带隙能量的光子中的能量也被损失成热。因此，即使点结光生伏打电池在减小反转电流泄露方面是有优势的，点结太阳能电池仍具有光子能效率方面的弱势，即，很大部分的太阳光谱被损失成热并且未被转换成 H1^ ο此外，专利文献ΕΡ1944811反映了
技术介绍
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技术实现思路
鉴于前述内容，本专利技术的目的在于提供对上述技术和现有技术的改进。更具体地， 目的在于改进点结光生伏打电池以使得光生伏打电池更有效地将光转换为电。因此，提供了一种用于将光转换为电能的多结光生伏打电池。该光生伏打电池包括衬底，衬底具有表面，其中衬底的该表面处的区域被掺杂以使得第一 p-n结被形成在衬底中。该光生伏打电池具有纳米线，纳米线被布置在衬底的表面上且在掺杂区域位于衬底中的位置处，使得第二 P-n结被形成在纳米线处并与第一 P-n结串联连接。“在”纳米线处形成的p-n结的含义包括以下可能性p-n结的P型部分和η型部分两者都被形成在纳米线中，或者纳米线只包括P-n结的ρ型部分和η型部分之一而该结的另一部分被形成在衬底中掺杂区域处或者在光生伏打电池的任意其他部分处，例如，在与纳米线连接的触头处。由于纳米线被布置在衬底的表面上，因而可以改为说从衬底的表面生长纳米线， 或者纳米线位于衬底的表面上或表面处。本专利技术的光生伏打电池是有优势的，原因在于两个p-n结(二极管)中的每个都可以具有各自的特征带隙能量，该特征带隙能量用于吸收光谱的相应部分上的光。这两个 P-n结被选择为组合在一起尽可能多地吸收太阳光谱，从而尽可能多地从太阳能生成电，这增大了太阳能电池的效率。简而言之，由于纳米线被布置在衬底中的掺杂区域处，因而第二 P-n结被布置为靠近第一 p-n结，因此所得到的光生伏打电池采用所谓的多结光生伏打电池的原理和优势。此外，由于纳米线被用于形成第二 P-n结，实现了附加的优势。这些优势包括，例如，与传统的平面III-V多结太阳能电池相比，由于可以更容易地在纳米线中布置更多的 P-n结元件因而可以实现更高的效率值，降低了出于避免位错而对大衬底局域上的完美晶格匹配的需要，并且由于更容易获得更高程度的成份同质而改善了功能性。通常，第一 p-n结是点接触二极管而第二 p-n结是轴向光电二极管或径向光电二极管。还应当注意，纳米线可以非常短以使得它具有更像桩的结构而非拉长的结构。然而， 即使纳米线可以非常短，除了用于成核(生长)时间的不同时间值之外，该纳米线与较长纳米线的生长方式相同。通常，可以说，衬底可以包括不同掺杂部分，其中一个部分包括掺杂区域而其余部分未被掺杂或按照与掺杂区域不同的掺杂方式掺杂。衬底的掺杂区域和其余部分之间的功能差异可以在于该区域被掺杂以使得其在衬底中形成第一 P-n结。因此，掺杂区域可以由于其掺杂以及形成P-n结而有所不同。只要可以形成第一 p-n结，掺杂区域的精确尺寸就与多结光生伏打电池背后的原理不相关。然而，掺杂区域的尺寸通常可以小于900纳米。更具体地，掺杂区域的尺寸可以在例如100至300纳米的范围内，并且该尺寸可以指掺杂区域的直径，或者在从衬底的表面观看时该尺寸可以指代掺杂区域的深度。第二 p-n结可以被形成在纳米线中，S卩，纳米线可以被配置为包括第二 p-n结，这意味着纳米线可以包括第二结，即，包括该结的P型部分和η型部分，这在生长纳米线并相对于衬底或电触头呈一定关系布置该线时提供了高度的灵活性。掺杂区域可以通过离子注入、掺杂剂扩散、异质外延和同质外延中的任一种形成， 这为在其表面处具有掺杂区域的衬底提供了灵活制造。纳米线可以与掺杂区域直接接触并且更具体地，纳米线可以生长在(S卩，可以被 “布置在”)掺杂区域上。这非常有优势，原因在于可以确保增大光生伏打电池的效率，这基于理解到在第二 p-n结处未吸收的光谱部分可以被第一 p-n结吸收。优选地，p-n结被配置为使得具有更短波长的光被第二 (上方的)P-n结吸收，而具有较长波长的光被第一(下方的)p-n结吸收。纳米线可以与掺杂区域有外延关系，为了增大太阳能电池的效率，这提供了这两个p-n结的带隙配置的更好适配。多结光生伏打电池可以包括第三p-n结，该第三p-n结被布置在第一 p_n结和第二 P-n结之间。第三p-n结优选地是隧道二极管(Esaki 二极管)，该隧道二极管在生长纳米线的工艺期间形成，并且满足在第一和第二 P-n结之间建立电连接的目的。替代第三p-n 结，或作为第三P-n结的补充，多结光生伏打电池可以包括金属导电连接元件，金属导电连接元件被布置在第一 P-n结和第二 p-n结之间，用于串联连接第一和第二 p-n结。纳米线可以被壳围绕，该壳在表面的法线方向上逐渐变细，该壳被掺杂以使得p-n 结被形成在壳和纳米线之间。这允许壳的纵横比的优化，使得更大或更小量的高能光将能够穿过纳米线结构(包括壳)并到达形成在衬底中的第一 P-n结。在该特定实施例中，这给出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.04.15 SE 0950244-41.一种用于将光转换为电能的多结光生伏打电池，所述多结光生伏打电池包括衬底 (3)，所述衬底(3)具有表面(31)，其中所述衬底(3)的所述表面(31)处的区域(4)被掺杂以使得第一 p-n结(11)被形成在所述衬底(3 )中，特征在于，纳米线(2 )被布置在所述衬底 (3)的所述表面(31)上，在所述掺杂区域(4)位于所述衬底(3)中的位置处，使得第二 p-n 结(12 )被形成在所述纳米线(2 )处并与所述第一 p-n结(11)串联连接。2.根据权利要求1所述的多结光生伏打电池，其中所述第二p-n结(12)被形成在所述纳米线(3)中。3.根据权利要求1或2所述的多结光生伏打电池，其中所述掺杂区域(4)通过异质结、 离子注入、掺杂剂扩散和同质外延中的任一种来形成。4.根据权利要求1至3中任一项所述的多结光生伏打电池，其中所述纳米线(2)与所述掺杂区域(4)直接接触。5.根据权利要求1至4中任一项所述的多结光生伏打电池，其中所述纳米线(2)生长在所述掺杂区域(4)上。6.根据权利要求1至5中任一项所述的多结光生伏打电池，其中所述纳米线(2)与所述掺杂区域(4)有外延关系。7.根据权利要求1至6中任一项所述的多结光生伏打电池，其中第三p-n结(13)被布置在所述第一 p-n结(11)和所述第二 p-n结(12)之间。8.根据权利要求1至7中任一项所述的多结光生伏打电池，其中所述纳米线(2)在所述表...

【专利技术属性】
技术研发人员：JM奥尔森，
申请(专利权)人：JM奥尔森，
类型：发明
国别省市：