[发明专利]光伏线

说明书

本申请要求于2005年6月17日提出的美国专利No.60/692026的优先权，通过引用将其并入本文。 

本发明受到NASA给予的美国政府合同第4200093584号的部分支持，并且部分本发明被缴清许可给美国政府。 

发明背景和概述 

本发明一般涉及纳米结构的光伏器件，该光伏器件可以形成为带、线或丝(这里称为PV线)。这种器件在光到电能的转换中具有大量应用。光伏或太阳能电池是一种直接从阳光产生电的装置。太阳能的利用可能对替代当前化石燃料基能源的清洁、可再生能源的追求产生极大的影响。PV线结构由具有从周边以鬃毛状方式伸出的基本为晶态的硅纳米线的导电线芯(优选为铝)组成。这些纳米线进一步被导电聚合物包覆。这种纳米线-聚合物结构形成许多PV结。这种构造使得能够实现为材料的有效且经济使用而设计的轻质、柔性的太阳能电池平台。这种器件使用有序的纳米线阵列，这些纳米线阵列具有跨全部太阳光谱带的极强光吸收的优点。 

自从20世纪90年代前期以来，基于容易制造、低成本、可溶性的导电聚合物的有机薄膜光伏器件得到了大量关注。例如，M.Granstrom，K.Petritsch，A C.Arias，A.Lux A，M.R.Andersson和R.H.Friend描述了双层、薄膜聚合物光伏器件，Nature，395：257-360(1998)。尽管聚合物中的电荷产生是非常有效的，然而利用纳米尺寸结构的电荷分离和收集存在较多问题。基于纳米材料和共轭聚合物之间的相互作用的一类新型器件通过提供大的施主-受主界面可以克服一些困难。例如，Yu G，Gao J，J.C.Hummelen，F.Wudl，A.J.Heeger在Science 270：1789-1791(1995)中描述了使用纳米尺寸结构的电荷分离 和收集。“纳米”意指至少一个功能尺度小于约500纳米的任何形状或形貌的结构和材料。在太阳能电池的效率和重量之间存在明显的权衡，这对开发便携、使用端(point of use)太阳能电力系统非常重要。除了提高光伏转换效率外，纳米尺寸结构的引入还可以改善光化学、机械和环境稳定性。使用嵌入于有机聚合物中的混合纳米尺度无机结构提供了基于纳米结构的尺度来调节光伏器件的光学和电学性能(例如光吸收和带隙的参数)的工程能力。W.U.Huynh，J.J.Dittmer和P.A.Alivasatos在Science，295，2425-2431(2002)中，或者M.Gratzel在Inorganic Chemistry，44，6841-6851(2005)中对此进行了描述。当纳米线阵列构造被制造在细的铝线上时，其可以具有比薄膜电池更高的效率，同时仍保持低的重量。由于纳米线阵列结构引起的固有陷光作用，晶态Si纳米线中的高迁移率，阵列中纳米线的周期性，以及大的光活性表面积，因此能够产生高的光电转换效率。 

本发明是一种新型的光伏器件设计，其中一个实施方案如图1中所示。通过利用阳极的氧化铝(AAO)的自组织特性，将硅纳米线直接产生在细铝线的表面上。纳米线阵列基本上垂直于线的局部表面生长，并且它们的位置和横截面尺寸由AAO内的孔的位置和尺寸决定。已经确定，当铝在酸性电解液中被阳极氧化时会形成多孔结构，其中孔的直径为约5-500nm，并以准六边形2-D栅格排列。孔的直径是阳极氧化电压、电解液组成和浓度的函数，而孔的深度是阳极氧化时间的线性函数。AAO充当最初的纳米线阵列形成的模版(template)。纳米线阵列基本上垂直于内部线电极的表面生长，并且它们的位置和横截面尺寸由AAO内的孔的位置和直径决定。 

在优选的实施方案中，n型硅纳米线阵列最初直接籽晶形成(seed)于铝芯上，而每个纳米线的主体包含n型或名义上未掺杂的(本征或者i型)硅。纳米线的长度伸出AAO的表面。在优选的实施方案中，纳米线是晶体硅。使用半导体聚苯胺(PANI)层作为收集由入射光子产生的电荷对的pn结的p型部分。还可以直接在纳米线上生长p型的硅层以便进一步增强结区的电荷收集性能。优选地，p-n全硅结具有n 型芯部，并具有径向向外生长的p型层。该嵌入纳米线设计形成与光伏技术芯部构成整体的大量pn结结构。向PANI施用透明的外部导体。最后，施用透明、高电阻率(介电强度)的硅树脂、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺或类似的涂层来提高耐久性并且保护PV线免受磨损、环境劣化和电弧放电。该结构的纵向截面的示意图如图2所示。 

尽管纳米线基PV的优选实施方案是线状基材，然而加工技术的多样性提供了在几乎任何导电表面上产生PV活性纳米线结构的方法，可以以电化学、蒸发或者其它方式在所述导电表面上产生具有孔阵列的多孔氧化物的层。