[发明专利]非晶态串联的纳米结构太阳能电池

说明书

技术领域

本发明主要涉及太阳能电池，更具体地涉及包括在细长纳米结构上共形排列的层叠多结阵列(stacked multi-junction array)的那些太阳能电池。

背景技术

目前，硅(Si)是太阳能电池制造中最常用的材料，这些太阳能电池用来将光能转换为电能。使用单和多pn结太阳能电池来达到这个目的，但它们都无法有效地降低制造和使用这项技术的成本。因此，来自传统电能源的竞争抑制了所述太阳能电池技术的广泛使用。

大部分电子器件和光电器件需要形成结。例如，一种导电类型的材料和相反导电类型的不同材料接触形成异质结。可选地，也可以将单一材料的不同掺杂层来成对设置以形成pn结(或同质结)。由于导电类型的改变和/或带隙上的变化导致在异质结处的陡峭能带弯曲可能导致形成高密度的界面状态，从而发生载流子复合。制造过程中在结处引入的缺陷可能进一步充当载流子复合中心从而降低器件性能。

由于光激发电子和晶格振动(称为声子)的相互作用使得光激发电子迅速丧失它可能具有的超过带隙的任何能量，，导致复合增加，从而使得现有的太阳能电池缺乏效率。单是这种丧失就将标准电池的转换效率限制到约44％。此外，在半导体晶体中，光生电子和陷获状态的空穴的复合进一步降低了所述效率，其中所述陷获状态和点缺陷(间隙杂质)、金属簇、线缺陷(位错)、面缺陷(层错)和/或晶粒边界相关。虽然后面的这种效率上的降低可以由使用其它具有合适特性(特别是光生载流子具有长的扩散长度)的材料克服，但这仍然无法使这项技术的成本与其它传统电源相匹敌。

由于半导体一般不吸收能量低于使用材料的带隙的光，所以效率进一步丧失。考虑所有这些光伏丧失，Shockley和Queisser发现单结电池的性能被限制为刚刚高于带隙为1.45电子伏(ev)的理想电池的30％效率(Shockley和Queisser，“Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cell”，J.Appl.Phys.，1961，32(3)，pp.510-519)。近来的计算显示这种单结的“限制效率”是29％(Kerr等，“Lifetime and efficiency of limits of crystalline silicon solar cells，”Proc.29^thIEEEPhotovoltaic Specialists Conference，2002，pp.438-441)。

制作PV器件的材料的吸收能力也可能影响电池的效率。已经描述了一种p-i-n薄膜太阳能电池，它具有由可变带隙材料形成的i型半导体吸收层，所述i-层设置于p型半导体层和n型半导体之间。参考美国专利No.5252142。可变带隙的吸收层提高了光电转换效率。

多结太阳能电池被证明也有更高的效率。通过结合具有不同带隙的层叠结以捕获更宽光谱范围的光，可以得到更好的性能。所述器件典型地由层叠的p-n结或层叠的p-i-n结构造。这种阵列中的每套结通常认为是单元(cell)。典型的多结太阳能电池包括两个或者三个层叠在一起的单元。Marti和Araujo(A.Marti和G.L.Araujo，Sol.Ener.Mater.Sol.Cells，1996，43(2)，pp.203-222)在理论上分析了多结电池的最佳带隙和理论效率随着所述层叠中单元数目的变化关系。

纳米结构

已经描述了在p-n结二极管阵列中的硅纳米线(nanowire)(Peng等，“Fabrication of large-Area Silicon Nanowire p-n Junction Diode Arrays，”Adv.Mater，2004，vol.16，pp.73-76)。然而，所述阵列并没有经配置以用于光伏器件中，也没有暗示这种阵列可以如何用于增加太阳能电池的效率。

已经描述了在太阳能电池器件中的硅纳米结构(Ji等，“SiliconNanostructures by Metal Induce Growth(MIG)for Solar Cell Emitters，”Proc.IEEE，2002，pp.1314-1317)。在所述器件中，可通过将Si溅射到镍(Ni)预层(pre-layer)上从而形成嵌入在微晶硅薄膜中的硅纳米线，其厚度决定了硅纳米线是否长在所述薄膜中。然而，所述纳米线不是有源光伏(PV)元件，它们只用于抗反射。