[发明专利]具有纳米线的多结光生伏打电池

说明书

技术领域

本发明涉及包括作为有源部件的纳米线的光生伏打电池。

背景技术

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n型层和p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n+区域和p+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，n+区域形成用于n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电。

此外，专利文献EP1944811反映了背景技术。

发明内容

鉴于前述内容，本发明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n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p型部分和n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。

本发明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。