[发明专利]光伏电池及其制造方法

说明书

相关申请

本申请要求2013年8月18日提交的美国临时专利申请号61/867,082的优 先权的权益，所述申请的内容以引用的方式整体并入本文。

技术领域和背景技术

本发明在其一些实施方案中涉及光电子学，并且更具体地但非排他地说涉 及一种光伏电池及其制造方法。

光伏(PV)电池或太阳能电池是光电子装置，其中入射光子能量诸如阳光被 转换成电能。PV电池的重要性通过石油的增加的成本、污染对人健康和环境 的不利影响以及石油储量的未来消耗的前景而得到定义。硅、砷化镓和多结装 置正在研发之中。

常规的PV电池可以是在阳光存在下能够产生电的p-n结二极管。所述PV 电池往往由掺杂有元素周期表上的第III族或第V族元素的晶体硅(例如，多晶 硅)制成。当将这些掺杂原子添加到硅中时，它们取代晶格中的硅原子，并且以 与原始在那里的硅原子几乎相同的方式与邻近硅原子结合。然而，由于这些掺 杂剂不具有与硅原子相同的价电子数，晶格中变得存在额外电子或空穴。在吸 收携带与硅的带隙能量至少相同的能量的光子之后，电子变得自由。电子和空 穴自由地在固体硅材料周围移动，从而使得硅导电。吸收事件越靠近p-n结， 电子-空穴对的迁移率越大。

常规PV电池通过将半导体p-n结夹在光透射电极与附加电极之间来制造。 当光子在适当的偏置电压下进入到p-n结中时，发生电子-空穴分离并且出现光 电流。

常规的多结PVC(又称为串叠型电池)包括多个p-n结，每个结包含不同的 带隙材料。多结PVC是相对高效的，并且可以吸收大部分太阳光谱。多结电池 可以外延生长，其中较大的带隙结处在较低的带隙结的顶部上。

发明内容

根据本发明的一些实施方案的一方面，提供了一种光伏电池，其包括：活 性区，所述活性区具有相对于导电衬底垂直对齐的多个间隔开的细长纳米结 构，其中每个细长纳米结构具有通过电磁波谱内的带隙表征的至少一个p-n结， 并且被与衬底电隔离的导电层涂布；以及电子电路，所述电子电路用于从衬底 和导电层引出响应于入射在活性区上的光而产生的电流和/或电压。

根据本发明的一些实施方案的一方面，提供了一种收获太阳能的方法，其 包括：使光伏电池的活性区暴露于太阳辐射，所述活性区具有相对于导电衬底 垂直对齐的多个间隔开的细长纳米结构，其中每个细长纳米结构具有通过电磁 波谱内的带隙表征的至少一个p-n结，并且被与衬底电隔离的导电层涂布；以 及从活性区引出响应于太阳辐射的电流和/或电压。

根据本发明的一些实施方案的一方面，提供一种制造光伏电池的方法，其 包括：在导电衬底上生长相对于所述衬底垂直对齐的多个间隔开的细长纳米结 构，并且具有通过电磁波谱内的带隙表征的至少一个p-n结；在细长纳米结构 的基准面处将电绝缘层施加在衬底上；以及使细长纳米结构的至少一部分中的 每一个涂布有导电层，所述导电层通过电绝缘层而与所述衬底电隔离。

根据本发明的一些实施方案，在光伏电池中，导电层包含金属。

根据本发明的一些实施方案，导电层包含金属硅化物。

根据本发明的一些实施方案，硅化物包括选自由以下组成的组的至少一种 硅化物：硅化钴、硅化钯、硅化铂、硅化铁、硅化钛以及硅化钨。

根据本发明的一些实施方案，至少一个p-n结包括多个p-n结。

根据本发明的一些实施方案，至少一个p-n结包括以芯壳关系大体同心地 布置的p型区和n型区。

根据本发明的一些实施方案，p型区和n型区中的至少一些在其间是渐变 的。

根据本发明的一些实施方案，至少一个p-n结包括被布置来形成多个大体 同心壳的多个p型区和n型区，其中p型区和n型区中的至少一些是由A_xB_1-x化合物制成，其中x是0至1，其中A和B是不同的半导体元素，并且其中x 的值随着以下至少一项逐渐变化：(i)相应的细长纳米结构的径向方向以及(ii) 相应的细长纳米结构的轴向方向。

根据本发明的一些实施方案，细长纳米结构的至少一部分中的每一个包括 轴向渐变芯体，所述轴向渐变芯体被选择来限制电荷载流子沿所述芯体的单方 向轴向运动。

根据本发明的一些实施方案，细长纳米结构的至少一部分中的每一个包括 多个同心壳和轴向渐变芯体，所述轴向渐变芯体被选择来限制电荷载流子沿所 述芯体的单方向轴向运动。