[发明专利]薄膜硅太阳能电池中的纳米线

说明书

技术领域

本发明一般地涉及薄膜光伏器件，具体地说，涉及这类在器件内包含细长硅纳米结构为活性元件的光伏器件。

背景技术

目前，硅(Si)是制造太阳能电池中使用最普遍的材料，这类太阳能电池用来把阳光转化为电。为此，使用单-和多结p-n太阳能电池，但效率都不足以把生产和应用这种技术中所包含的成本降下来。因此，与传统电源的竞争阻碍了这类太阳能技术的广泛应用。

在现有太阳能电池中，主要的损耗过程发生在光激电子因与称为声子的晶格振动相互作用而迅速损失其超过带隙的能量，从而增加重新结合速率时。仅该项损耗就把标准电池的转换效率限制在约44％。此外，发光电子和空穴与半导体晶体中与点缺陷(填隙杂质)、金属原子团、线缺陷(位错)、面缺陷(堆砌缺陷)和/或晶粒边界相关的陷阱态的重新结合会进一步降低效率。虽然后者的效率降低可以通过使用具有适当性能，特别是光生载流子长扩散距离的其它材料而得以克服，但仍不能使该技术的成本与更传统的电源相当。其它损耗起因于以下事实：半导体不吸收能量低于所用材料带隙的光。考虑了所有的光伏损耗后，Shockley和Queisser已能证明，对于带隙为1.3电子伏特(eV)的最佳电池，单结电池的性能被限于略高于30％(Shockley和Queisser，“Detailed Balance Limitof Efficiency of p-n Junction Solar Cells”，J.Appl.Phys.，1961，32(3)，pp.510-519)。更近期的计算已证明，单结的这一“极限效率”是29％(Kerr等，“Lifetime and efficiency of limits of crystalline silicon solarcells”，Proc.29^th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，2002，pp.438-441)。

基于无定形硅的薄膜太阳能电池的主要问题在于载流子的迁移率很低一尤其空穴的迁移率。这类空穴迁移率是无定形硅薄膜太阳能电池的限制因素。虽然可以把这类太阳能电池的本征层制得更薄，从而增加空穴到达电池前面的机会，但仍存在可观的吸收损耗。为了克服该项损耗，可以用串联或三联结，但这就大大复杂化了。

在有关p-n结二极管阵列中已描述过硅纳米线(Peng等，“Fabricationof large-Area Silicon Nanowire p-n Junction Diode Arrays”，Adv，Mater.，2004，vol.16，pp.73-76)。但这类阵列并非为用于光伏器件而设计，也未提出这类阵列如何能起提高太阳能电池效率的作用。

在有关太阳能电池器件中已描述过硅纳米结构(Ji等，“SiliconNanostructures by Metal Induced Growth(MIG) for Solar Cell Emitters，”Proc.IEEE，2002，pp.1314-1317)。在这类器件中，Si纳米线能通过在镍(Ni)预型层上溅射Si而形成、包埋在微晶Si薄膜内，其厚度决定Si纳米线是否在膜内生长。但是，这类纳米线不是活性光伏(PV)元件；它们仅起防反射的作用。

在2005年3月16日提交的共同转让未决US专利申请系列号11/081，967中，已描述过包含硅纳米结构的太阳能电池，其中所述纳米结构是活性PV元件。在该具体申请中，电荷分离结(charge separating junction)主要包含在纳米结构本身内，在这类纳米结构的合成期间一般要求掺杂变化。

鉴于上述原因，对这类技术的任何改进，尤其导致便于制造并使效率与更传统的电源相当的加进纳米量级材料和器件的改进，将是完全有益的。

发明内容

在有些实施方案中，本发明涉及包含细长硅(Si)纳米结构(例如，纳米线、纳米棒等)为活性PV元件的光伏(PV)器件，其中，这类器件一般是薄膜Si太阳能电池。这类太阳能电池一般为p-i-n型。此外，本发明的目标还在于制造和应用这类器件的方法，以及使用这类器件的体系和模块(如太阳能电池板)。在有些这类实施方案中，细长纳米结构靠下述机理来提高传统薄膜太阳能电池的性能：因纳米尺度接近于电荷分离薄膜而增加了电荷收集量。在有些这类实施方案中，光主要被吸收在薄膜材料内，而不是在纳米结构内，以及电池一般设计到使大部分光被吸收在薄膜电池的本征层内。