專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體芯, 整體化纖維狀光生伏打裝置的制作方法
半導(dǎo)體芯，整體化纖維狀光生伏打裝置本申請(qǐng)要求2008年12月18日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第12/338，195號(hào)的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用來(lái)提供光電子或光生伏打裝置的方法和設(shè)備，所述裝置是例如其中半導(dǎo)體光敏性芯在一個(gè)或多個(gè)外覆層內(nèi)整體化，從而制得光電子或光生伏打結(jié)構(gòu)的裝置。光生伏打太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電能的機(jī)理非常地吸引人，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)以副產(chǎn)物的形式產(chǎn)生溫室氣體。常規(guī)的覆材(superstate)或基材型光生伏打裝置包括平坦的基材，平坦的半導(dǎo)體材料與該基材連接。所述半導(dǎo)體材料(可以是晶體硅)包含p-n結(jié)，其具有以下特征當(dāng)光通過(guò)該結(jié)的時(shí)候，能夠產(chǎn)生自由電荷(電子和空穴)，在成對(duì)導(dǎo)體上產(chǎn)生電壓 V。常規(guī)的太陽(yáng)能電池方法的主要問(wèn)題是太陽(yáng)能電池制造相關(guān)的成本、效率以及波形因子。為了解決覆材或基材型裝置中的這些問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)了各種單晶或薄膜工藝。單晶太陽(yáng)能電池可以具有高的效率，但是此種工藝價(jià)格非常昂貴。薄膜半導(dǎo)體制造技術(shù)可能較為廉價(jià)，但是能量轉(zhuǎn)化效率通常非常低。出于以上的原因以及其它的原因，太陽(yáng)能的成本比常規(guī)高壓輸電網(wǎng)能量貴大約 2-3倍。在一些太陽(yáng)能領(lǐng)域中，例如居家、公寓綜合建筑、工業(yè)園的屋頂用途或者不易獲得高壓輸電網(wǎng)能量的應(yīng)用，低的重量以及波形因子可以是顯著的優(yōu)點(diǎn)。因此，本領(lǐng)域需要一種新的提供光生伏打太陽(yáng)能電池的方法，其具有以下特征低成本，高效率，重量輕以及低波形因子。發(fā)明概述需要注意，在本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式和討論中涉及到了與光纖制造和設(shè)計(jì)相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。關(guān)于這一點(diǎn)，光“纖”和“桿”結(jié)構(gòu)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的含義之間有很大的差異。例如，通常認(rèn)為光纖是撓性的，外徑約為125-500微米，主要用于光通信應(yīng)用。而另一方面桿結(jié)構(gòu)則比光纖更硬，外徑約為1-5毫米，可以用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化用途。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，具有光學(xué)和/或光電子性質(zhì)的桿包括由半導(dǎo)體材料形成的芯；圍繞所述芯共軸取向的由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成的透明的外覆層。所述桿可以通過(guò)以下方式制造制造空心坯件，該坯件適合用于坯件再拉制工藝； 將半導(dǎo)體材料引入所述坯件的空心部分之內(nèi)；在再拉制爐中對(duì)所述坯件和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加熱，使得所述坯件和半導(dǎo)體材料流動(dòng)；同時(shí)對(duì)所述坯件和所述半導(dǎo)體材料進(jìn)行拉制，使得半導(dǎo)體材料的芯在由所述空心坯件制得的外覆層之內(nèi)共軸取向，從而形成桿?？梢杂蒙鲜鼋Y(jié)構(gòu)和技術(shù)制造光生伏打裝置，包括半導(dǎo)體芯，該半導(dǎo)體芯包括至少一個(gè)P-n結(jié)，所述p-n結(jié)由相應(yīng)的η型和ρ型區(qū)域限定；與所述半導(dǎo)體芯成共軸關(guān)系的基本透明的外覆層，形成縱向取向的桿；第一電極和第二電極，各個(gè)電極與η型區(qū)域和ρ型區(qū)域中相應(yīng)的一種區(qū)域電連接。本領(lǐng)域技術(shù)人員在結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明說(shuō)明后，將清楚地了解本發(fā)明的其它方面、特征、優(yōu)點(diǎn)等。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明為說(shuō)明本發(fā)明的各方面的目的，在附圖中示出優(yōu)選形式，但是，應(yīng)理解，本發(fā)明不限于所示的精確排列和設(shè)施。圖IA是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的半導(dǎo)體-芯桿的截面圖。圖IB是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面，使用圖IA的半導(dǎo)體-芯桿形成的光生伏打裝置的截面示意圖；圖2是用來(lái)制造圖IA的半導(dǎo)體芯桿的制造裝置和工藝的示意圖；圖3是圖IA所示種類(lèi)的半導(dǎo)體芯桿樣品的衍射圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的多芯桿的截面圖；圖5是用來(lái)制造圖4的半導(dǎo)體芯桿的制造裝置和工藝的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的一種光生伏打裝置的截面圖，該裝置使用圖 IA所示的半導(dǎo)體-芯桿形成，包括電極連接的例子；圖7A、7B是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的另一種光生伏打裝置的截面圖，該裝置使用圖IA所示的半導(dǎo)體-芯桿形成，包括另外的電極連接的例子；圖8-9是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)另外的方面，使用透明桿形成的另一種光生伏打裝置的截面圖；

圖10-11是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)另外的方面，使用透明桿形成的另一種光生伏打裝置的截面圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面，包括中心導(dǎo)體的半導(dǎo)體-芯桿的截面圖；圖13是用來(lái)制造圖6的半導(dǎo)體芯桿的制造裝置和工藝的示意圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的一種光生伏打裝置的截面圖，該裝置使用圖13所示類(lèi)型的半導(dǎo)體-芯桿形成，包括電極連接的例子；圖15A是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面，包括用于制造導(dǎo)體的中心管的半導(dǎo)體-芯桿的截面圖；圖15B是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面，將圖15A的半導(dǎo)體-芯桿的中心管蝕刻掉，留下用來(lái)接受導(dǎo)體的孔的截面圖；圖16是用來(lái)制造圖15A-15B的半導(dǎo)體-芯桿的制造裝置和工藝的示意圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的一種光生伏打裝置的截面圖，該裝置使用圖15A-15B所示的半導(dǎo)體-芯桿形成，包括電極連接的例子；圖18是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面，使用一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體-芯桿結(jié)構(gòu)形成的光生伏打裝置/模塊的截面圖；圖19是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)另外的方面，使用一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體-芯桿結(jié)構(gòu)形成的另一種光生伏打裝置/模塊的截面圖。發(fā)明詳述參見(jiàn)附圖，其中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，圖IA中示出按照本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面的半導(dǎo)體-芯桿(或簡(jiǎn)稱(chēng)桿)100A的截面圖。所述桿100A包括由半導(dǎo)體材料形成的中央的芯102，該芯102與外覆層或鞘(sheath) 104為共軸關(guān)系。所述鞘104優(yōu)選是透明的，例如是玻璃材料、玻璃-陶瓷或聚合物。在下文中將會(huì)更詳細(xì)地討論，所述半導(dǎo)體芯102和外覆層104可以用于很多種用途，例如用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的光電子或光生伏打裝置。在本文所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體芯102可以由無(wú)定形、微晶或納米晶體、多晶或基本單晶的半導(dǎo)體材料形成。在描述半導(dǎo)體芯102時(shí)所用的術(shù)語(yǔ)“基本上”是考慮到半導(dǎo)體材料通常含有至少一些固有的或有目的加入的內(nèi)部缺陷或表面缺陷的事實(shí)，如晶格缺陷或少量晶粒邊界。該術(shù)語(yǔ)“基本上”還反映了以下事實(shí)，特定的摻雜劑可以扭曲或者影響半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)。為便于討論的目的，假設(shè)半導(dǎo)體芯102是由硅形成的。上文所述的特征(以及下文所述的那些)可以使用其他的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料施加， 例如III-V類(lèi)半導(dǎo)體材料GaAs，二硒化銅銦鎵，InP等。可以使用其它的半導(dǎo)體材料，例如 IV-IV (即SiGe, SiC)，元素材料(即Ge)，或者II-VI (即ZnO, ZnTe等)。在適當(dāng)考慮的情況下，也可以使用有機(jī)半導(dǎo)體。當(dāng)半導(dǎo)體芯102和外覆層104用于光生伏打裝置的時(shí)候，可以選擇一些用于半導(dǎo)體芯102的材料，涵蓋寬的波長(zhǎng)范圍，從而有效地吸收太陽(yáng)能光譜。例如，可以包括單晶半導(dǎo)體材料，多晶硅，無(wú)定形硅，以及/或者其它的材料，一些合適的材料包括Si，Si-Ge, Ge, GaAs等。另外，還可以將晶體半導(dǎo)體材料與聚合物半導(dǎo)體材料相結(jié)合。隨著太陽(yáng)光波長(zhǎng)的變化，特別是在接近譜帶邊緣的時(shí)候，太陽(yáng)能吸光系數(shù)從很大的值變化到很小的值。例如， 對(duì)于單晶硅，所涉及的波長(zhǎng)范圍約為350-1100納米。單晶硅在400納米處的吸光系數(shù)約為 8. 89E+04厘米Λ與之相反，單晶硅在900納米處的吸光系數(shù)僅為2. 15Ε+02厘米Λ所述基本透明的外覆層104可以由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成。對(duì)于外覆層104由氧化物玻璃或者氧化物玻璃-陶瓷形成的情況，合適的組合物包括康寧有限公司玻璃組合物熔融二氧化硅(CORNING INCORPORATED GLASS COMPOSITION fused silica), Vycor ，其它的外部氣相沉積組合物，或者由原料熔融并且由常規(guī)技術(shù)形成的其他組合物。為了在熱條件循環(huán)操作過(guò)程中的可靠性，所述外覆層104可以具有與半導(dǎo)體芯102類(lèi)似的熱膨脹系數(shù)。例如，所述芯102和外覆層104的熱膨脹系數(shù)可以約為 2. 0-3. Oppm，例如2. 6ppm(假定芯102的半導(dǎo)體材料是硅)。出于制造桿100A的目的(這將在下文中進(jìn)行討論)，希望用來(lái)形成外覆層104的材料(例如玻璃)的軟化點(diǎn)接近但是高于半導(dǎo)體芯102材料的熔點(diǎn)。例如，用來(lái)形成外覆層104的材料的軟化點(diǎn)可以比芯102的半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)高大約100-300°C。假定芯102 的半導(dǎo)體材料是單晶硅，則該材料的熔點(diǎn)約為1410°C。因此，外覆層104的合適的組合物的軟化點(diǎn)可以約為1500-1700°C，例如約為1550-1600°C。同時(shí)考慮熱膨脹問(wèn)題和制造問(wèn)題，用于外覆層104的合適匹配的組合物的軟化點(diǎn)可以約為巧50-1600°C，熱膨脹系數(shù)約為2. 6ppm(再次假定芯102的半導(dǎo)體材料是單晶硅)。對(duì)于由硅形成的芯102，玻璃組合物外覆層104可以是包含一種或多種加入的摻雜劑的二氧化硅基材料，所述摻雜劑是例如硼、磷、鍺、鋁、鈦、氟等。所述摻雜劑可以用來(lái)改良玻璃外覆層104的熱膨脹系數(shù)和軟化溫度。在下文中將會(huì)討論到，作為替代或補(bǔ)充， 所述摻雜劑可以用來(lái)提供離子源，用來(lái)擴(kuò)散入芯102的半導(dǎo)體材料中，從而獲得某些應(yīng)用所需的電性質(zhì)，例如用于太陽(yáng)能用途。適合用來(lái)形成玻璃基外覆層104的組合物的例子是 B2O3-GeO2-SiO2玻璃，其中包含5-25%的化03和10-13%的Ge02。這些玻璃可以采用氣相沉積法，或者其他眾所周知的技術(shù)，制造成管狀或坯件的形式，并成形或拉制成所需的尺寸。從尺寸上來(lái)說(shuō)，根據(jù)采用的制造工藝，所述桿100A的長(zhǎng)度可以是很多米。所述芯 102的直徑可以約為l_500um，例如約為50_500um，例如約為lOOum。在本文所述的一些實(shí)施方式中，單獨(dú)的半導(dǎo)體芯的直徑可以小得多，例如約為0. 1-lOum，例如約為5um。對(duì)于光電子光纖的應(yīng)用，特別是具有多個(gè)實(shí)心(solid)芯和空氣區(qū)域的光子帶隙光纖設(shè)計(jì)中，芯中的特征尺寸也可以是亞微米級(jí)的。外覆層104的直徑可以約為1-10毫米；或者約為1-5 毫米，例如約為2-4毫米。通過(guò)閱讀本說(shuō)明書(shū)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，桿100A的具體應(yīng)用可能規(guī)定使用特定尺寸的芯102和外覆層104，其中一些可能是很重要的。對(duì)于光生伏打應(yīng)用，上文特別描述的芯102的尺寸可能允許實(shí)際上完全吸收即使是長(zhǎng)波長(zhǎng)的太陽(yáng)光輻射，可能不需要光線多次通過(guò)芯102。該光學(xué)特征有益于高光-電池效率。所述芯102的尺寸還可以最大程度減少半導(dǎo)體材料的用量，從而控制制造成本。在一些實(shí)施方式中，例如上文所述的光生伏打應(yīng)用中，可以?xún)?yōu)選由基本單晶的半導(dǎo)體材料形成芯102，在制造桿的過(guò)程中以及在該過(guò)程之后，盡可能保證其接近為單晶材料。較佳的是，在芯102之內(nèi)，沿著桿100A的徑向方向上基本上沒(méi)有晶粒邊界。作為附加或替代，優(yōu)選在桿100A的徑向方向(頁(yè)面向里和向外)上大約1毫米至10厘米的范圍內(nèi)， 在芯102內(nèi)基本沒(méi)有晶粒邊界。作為附加或替代，優(yōu)選在桿的軸向上大約10毫米至1厘米的范圍內(nèi)，在芯102內(nèi)基本上沒(méi)有晶粒邊界，例如在軸向上大約5毫米至15毫米的范圍內(nèi)， 在芯102內(nèi)優(yōu)選基本上沒(méi)有晶粒邊界。由于能夠獲得具有高軸向和徑向應(yīng)力的長(zhǎng)的、較小直徑的桿100A，可能有助于形成長(zhǎng)的單晶或多晶的芯102。在沿著軸向的幾毫米至一或幾厘米的長(zhǎng)度上，沿著芯102的徑向上的少數(shù)晶粒邊界(或不存在晶粒邊界)可能非常有利于實(shí)現(xiàn)高的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，特別是在電荷收集電極沿著徑向設(shè)置的情況下，在此情況下，俘獲帶電顆粒的晶粒邊界很少或沒(méi)有(將在下文中進(jìn)行討論)。需要注意，盡管圖中顯示芯102和外覆層104的橫截面是圓形的，而且圓形是優(yōu)選的，但是也可以采用其它的橫截面。在下文將會(huì)更進(jìn)一步探討，透明的外覆層104可以產(chǎn)生多種有益的功能。外覆層 104可以為半導(dǎo)體芯102提供支承，保護(hù)芯102不受環(huán)境影響。在光生伏打應(yīng)用中，外覆層 104可以作為摻雜劑源，用來(lái)在制造過(guò)程中形成p-n結(jié)。在光生伏打應(yīng)用中，沿著與桿的長(zhǎng)軸橫交的方向?qū)U照亮(illuminate)，其中圓柱形的透明外覆層可以作為整體化會(huì)聚透鏡。該會(huì)聚作用允許將更大面積的太陽(yáng)光輻射集中到半導(dǎo)體結(jié)的小得多的面積上。可以通過(guò)將半導(dǎo)體芯設(shè)置在更靠近圓柱形外覆層透鏡的焦點(diǎn)的位置，對(duì)會(huì)聚進(jìn)行最優(yōu)化。圖2是用來(lái)制造圖IA的半導(dǎo)體-芯桿100A的再拉制爐200A和工藝的示意圖。在該方法的初始步驟中，制造了玻璃或玻璃陶瓷的預(yù)成形件(或坯件)202，由此在爐200A中從預(yù)成形件202拉制形成外覆層104和半導(dǎo)體芯102。為了進(jìn)行討論，可以假定所述坯件202由玻璃或玻璃陶瓷形成。所述坯件202優(yōu)選是空心的，適用于坯件再拉制工藝。用來(lái)制造玻璃坯件202的工藝可以源自己知的制造煙炱光纖預(yù)成形件的方法?？梢酝ㄟ^(guò)以下方式形成玻璃坯件202 在正在旋轉(zhuǎn)和平移的玻璃心軸或餌棒外部沉積含二氧化硅的煙炱。該方法被稱(chēng)作外部氣相沉積(OVD)法。但是應(yīng)當(dāng)理解，也可以采用其它的技術(shù)，使用熔融的原料，通過(guò)常規(guī)技術(shù)進(jìn)行成形。通過(guò)以下方式形成煙炱向燃燒器的火焰提供氣態(tài)形式的玻璃前體，從而氧化玻璃前體。向該燃燒器提供燃料(例如甲烷(CH4))和支持燃燒的氣體(例如氧氣)，并引燃，從而產(chǎn)生火焰。質(zhì)量流量控制器計(jì)量合適量的適當(dāng)摻雜劑化合物，二氧化硅玻璃前體，燃料和支持燃燒的氣體，將其送入燃燒器。煙炱預(yù)成形件可以在固結(jié)爐內(nèi)固結(jié)，形成空心的固結(jié)的坯件202。該坯件 202還可以根據(jù)需要通過(guò)研磨之類(lèi)的工藝成形，從而獲得所需的截面形狀。另一種管Q02 坯件)制造工藝可以包括擠出玻璃管，對(duì)玻璃/玻璃陶瓷棒進(jìn)行芯部鉆孔，或者通過(guò)在模具中澆鑄而對(duì)玻璃/玻璃陶瓷進(jìn)行成形。將半導(dǎo)體材料206引入坯件202的空心部分中。所述半導(dǎo)體材料206可以是以下的一種或多種形式半導(dǎo)體棒，條，板，粉末，片和粉末。還可以采用CVD、PECVD工藝或漿液澆鑄工藝將所述半導(dǎo)體材料沉積成厚層。為了控制拉制速率的合理變化以及所需的尺寸容差(以及電學(xué)和光學(xué)特征)，可優(yōu)選采用半導(dǎo)體棒或條。所述半導(dǎo)體材料206的棒或條具有合適的尺寸(長(zhǎng)度和直徑)，決定并控制坯件202的中央空心的尺寸，使得在再拉制之后，芯 102直徑在優(yōu)選的范圍和容差之內(nèi)。所述半導(dǎo)體材料206可以由以下的至少一種形成無(wú)定形半導(dǎo)體材料、微晶或納米晶體半導(dǎo)體材料、多晶半導(dǎo)體材料、基本單晶的半導(dǎo)體材料，以及有機(jī)半導(dǎo)體材料，例如 Si, GaAs, InP, SiGe, SiC, Ge, ZnO 禾口 ZnTe0所述制造工藝還包括在再拉制爐200A中通過(guò)加熱元件204對(duì)坯件202和半導(dǎo)體材料206進(jìn)行加熱，使得坯件202和半導(dǎo)體材料206流動(dòng)。應(yīng)當(dāng)從坯件202排出任意的氧氣或空氣，以防半導(dǎo)體材料206發(fā)生任意的氧化或反應(yīng)，這可能會(huì)降低芯102所需的性質(zhì)。 同時(shí)，將坯件202和半導(dǎo)體材料206從爐200A中拉出，使得半導(dǎo)體材料的芯102在外覆層 104內(nèi)共軸取向。所述加熱步驟可以使得坯件202和半導(dǎo)體材料206的溫度高于半導(dǎo)體材料206的熔點(diǎn)，但是低于坯件202的熔點(diǎn)。例如，所述坯件202和半導(dǎo)體材料206的溫度比半導(dǎo)體材料206的熔點(diǎn)高不到約3000C (例如約100-3000C )。例如，當(dāng)半導(dǎo)體材料206是硅的時(shí)候， 坯件202和半導(dǎo)體材料206的溫度可以比1400°C高大約100-300°C。由此，再拉制溫度約為 1500-1700°C。還可以對(duì)用來(lái)形成坯件202的材料進(jìn)行控制，使得其熱膨脹系數(shù)基本上與半導(dǎo)體材料206的熱膨脹系數(shù)相匹配。例如，所述坯件202的熱膨脹系數(shù)可以約為2. 0-3. Oppm(例如2. 6ppm)，從而與硅的熱膨脹系數(shù)相匹配。當(dāng)坯件202由基于二氧化硅的玻璃組合物形成的時(shí)候，可以在所述基于二氧化硅的玻璃組合物中加入一種或多種摻雜劑，對(duì)熱膨脹系數(shù)和軟化溫度中的至少一種進(jìn)行改良。所述摻雜劑包括以下的至少一種硼，磷，鍺，鋁，氟和鈦等。例如，所述基于二氧化硅的玻璃組合物可以是IO3-GeO2-SW2組合物，例如包含大約5-25 %的化03以及大約10-13 %的 Ge02。在下文將會(huì)討論到，可以為了與芯102的半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)相關(guān)的其他原因，加入摻雜劑。上文討論的IO3-GeO2-SW2組合物可能非常適合用來(lái)形成玻璃坯件202，這是因?yàn)樗玫能浕c(diǎn)將接近但是高于用來(lái)形成芯102的硅半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)(例如再拉制溫度約為1650-1700°C )，所得的熱膨脹系數(shù)約為2. 0-2. 6ppm。在上述溫度下，所述玻璃坯件202軟化，在其底部形成傾斜的根部部分。所述半導(dǎo)體材料206還會(huì)熔化并流到玻璃坯件202的根部部分。所述坯件202和半導(dǎo)體材料206 優(yōu)選形成“凝塊部分”，由此凝塊部分拉制桿200A，此時(shí)所述坯件202是軟的(但是沒(méi)有熔融)，所述半導(dǎo)體材料206至少是部分熔融的206A。優(yōu)選要加以小心，使得半導(dǎo)體材料206(例如棒或條)位于略高于玻璃坯件202的初始凝塊部分的位置。這有助于形成平滑的根部部分，以及令人滿意的芯102的形成。換句話說(shuō)，在坯件202的空心部分中引入半導(dǎo)體材料206的操作包括沿著與桿100A的拉制方向相反的方向，將半導(dǎo)體材料206的未熔融部分設(shè)置在遠(yuǎn)離凝塊部分的位置。在拉制過(guò)程中，接近熱區(qū)的根部部分的半導(dǎo)體材料206A被熔化，未熔融的半導(dǎo)體材料206 (特別是棒的形成)連續(xù)向下輸送，保持與熔融半導(dǎo)體材料206A接觸。盡管本發(fā)明不希望被任意操作理論限制，但是認(rèn)為上述熔融半導(dǎo)體材料206A，連續(xù)輸送的未熔融材料206，以及將玻璃坯件 202和半導(dǎo)體材料206拉制成長(zhǎng)的較小直徑的桿100A會(huì)得到高的軸向和徑向應(yīng)力，這會(huì)導(dǎo)致在芯102之內(nèi)形成長(zhǎng)的單晶或者多晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。通過(guò)使用本文所述的制造方法，坯件202的初始外徑，坯件的空心的內(nèi)徑，半導(dǎo)材料206(例如棒)的直徑，以及最終的再拉制直徑(以及再拉制的其他變量)規(guī)定了芯102 的尺寸和半導(dǎo)體使用率。對(duì)于這一點(diǎn)，在加熱的同時(shí)，對(duì)坯件202和半導(dǎo)體材料206進(jìn)行拉制，使得半導(dǎo)體材料206的芯102在外覆層104內(nèi)共軸取向?？刂葡到y(tǒng)(圖中未顯示)通過(guò)適當(dāng)控制輸送到拉張機(jī)械裝置208 (圖中顯示為兩個(gè)牽拉輪)的控制信號(hào)，改變對(duì)桿100A 施加的張力，所述拉張機(jī)械裝置208以合適的速度和張力將桿100A向下拉。通過(guò)這種方式， 可以產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的芯桿100A，該芯桿具有芯102所需的內(nèi)徑，以及外覆層104所需的外徑。例如，如上文所討論，在光生伏打應(yīng)用中，將桿100A的芯102的直徑控制在大約1-500 微米，例如大約50-500微米，例如大約100微米將會(huì)是相當(dāng)有益的。在一些其它的應(yīng)用中 (例如單個(gè)外覆層中的多桿結(jié)構(gòu)，這將在下文中進(jìn)行討論)，需要較小直徑的芯102，例如約為0. 1-10微米，3-8微米，例如約為5微米。在包括具有光子帶隙設(shè)計(jì)的光電子光纖裝置的應(yīng)用中，芯102中多個(gè)區(qū)段內(nèi)的特征尺寸可以小于1微米。在將桿100A向下拉到爐下方的過(guò)程中進(jìn)行冷卻，用非接觸式傳感器測(cè)量其最終直徑?？梢杂帽绢I(lǐng)域已知的合適的涂覆設(shè)備和方法施加一個(gè)或多個(gè)涂層并進(jìn)行固化。合適的涂層的具體種類(lèi)取決于桿100A預(yù)期的應(yīng)用。如果桿的直徑足夠小，可以用進(jìn)料頭將桿 100A纏繞在儲(chǔ)存卷軸上，也即是說(shuō)，可以將光纖纏繞在卷軸上。如果桿的直徑過(guò)大，無(wú)法進(jìn)行該纏繞，可以將桿切割成所需的長(zhǎng)度進(jìn)行儲(chǔ)存。通常直徑小于150微米的桿可以進(jìn)行纏繞。盡管可以對(duì)直徑最高達(dá)350微米的桿進(jìn)行纏繞，但是卷軸的直徑必須增大。優(yōu)選對(duì)上述制造過(guò)程的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，以實(shí)現(xiàn)桿100A的芯102的進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)特征。具體來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體材料206可以由基本單晶的材料形成，可以在上文所述的桿 100A制造過(guò)程中和之后，盡可能保持接近為單晶材料。圖3是與圖IA所示的桿100A的種類(lèi)類(lèi)似的半導(dǎo)體_芯桿樣品的衍射圖。縱軸表示強(qiáng)度，單位為CPS，橫軸表示2 θ角，單位為度。線條10Α，IOB表示芯材料102的X射線衍射強(qiáng)度-角度圖，而線條12A，12B，12C等表示隨機(jī)取向的半導(dǎo)體晶體(例如硅晶體)的預(yù)期的X射線衍射效率。線條12B是單晶硅<220>預(yù)期的X射線衍射效率。數(shù)據(jù)證明，即便采取了上文所述的制備工藝，如上文關(guān)于桿100A所述形成的桿在<220>取向上，芯102具有高質(zhì)量單晶結(jié)構(gòu)。為了獲得高效率的太陽(yáng)能電池應(yīng)用，這些高質(zhì)量的單晶再成形/成形的半導(dǎo)體，例如硅芯桿100A是有利的。參見(jiàn)圖4-5，本發(fā)明另外的實(shí)施方式可以包括一個(gè)或多個(gè)多芯桿100B。所述桿 100B包括由半導(dǎo)體材料形成的多個(gè)芯102A，102B, 102C等，以及圍繞所述芯102共軸取向的由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成的透明外覆層104。所述芯的一個(gè)或多個(gè)直徑可以約為 1-10微米；約為2-6微米；約為3-8微米；以及/或者約5微米。在包括具有光子帶隙設(shè)計(jì)的光電子光纖裝置的應(yīng)用中，芯中多個(gè)區(qū)段內(nèi)的特征尺寸可以小于1微米。在一些實(shí)施方式中，單獨(dú)的芯102可以分別包括子外覆層104A，104B, 104C。該方法可以包括如以上圖2所示以及相關(guān)的實(shí)施方式所述，采用制備、引入、加熱和拉制步驟， 形成多個(gè)獨(dú)立的桿100A-1，100A-2,100A-3等。所述多個(gè)桿100A-1，100A-2,100A_3(加上或減去任意合理數(shù)量的所述桿)一旦形成，可以引入另外的坯件222的空心部分中。然后可以在再拉制爐內(nèi)對(duì)所述另外的坯件222和多個(gè)桿100A-1 100A-2,100A-3進(jìn)行加熱，使得坯件222以及可能的多個(gè)桿100A-1 100A-2,100A-3的子外覆層流動(dòng)。所述坯件222和多個(gè)桿100A-1 100A-2,100A-3在加熱過(guò)程中同時(shí)拉制，使得多個(gè)桿100A-1 100A-2,100A-3的芯102在由另外的空心坯件222制得的另外的外覆層104內(nèi)共軸取向。所述多個(gè)桿100A-1 等可以由相同種類(lèi)的材料或不同種類(lèi)的材料的半導(dǎo)體芯102組成。這些坯件可以制得包括空間上分隔的p-n結(jié)的多結(jié)PV裝置。另外，它們還可以是包括用于芯和外覆層的光傳輸材料的光纖桿。所述桿100A-1可以設(shè)計(jì)并成形，使得存在用于光子帶隙光纖設(shè)計(jì)的適當(dāng)設(shè)計(jì)的空腔間隙。例如，所述桿100B還可以包括在多個(gè)芯102中的至少一個(gè)中設(shè)置的至少一個(gè)縱向取向的空腔(圖中未顯示)。盡管如果桿100Α-1，100Α-2，100Α-3等的直徑足夠小，可以對(duì)桿進(jìn)行卷繞，但是所述材料并不總是可以卷繞的光纖的形式。在大多數(shù)情況下，插入管中的多重桿100A-1， 100A-2，100A-3的尺寸為直徑幾毫米，無(wú)法進(jìn)行卷繞。當(dāng)桿100A-1，100A-2,100A-3的直徑使其無(wú)法進(jìn)行卷繞的時(shí)候，在使用相同的拉制法預(yù)先制造之后，將桿插入坯件222中。這些桿100Α-1，100Α-2，100Α-3可以在坯件222之內(nèi)疊置，再拉制成最終的結(jié)構(gòu)100B。作為附加/替代的步驟，可以對(duì)桿100A-1，100A-2，100A-3的外徑進(jìn)行機(jī)械加工，使其適合放入外部坯件222中。盡管圖IA的半導(dǎo)體芯桿100A可以用于大量的應(yīng)用，但是本文中進(jìn)一步展開(kāi)的對(duì)象是光生伏打裝置(或太陽(yáng)能電池)。圖IB是可以使用圖IA所示種類(lèi)的半導(dǎo)體-芯桿100A 形成的光生伏打裝置110的截面示意圖。需要注意，為了介紹裝置進(jìn)行討論的目的，所述光生伏打裝置110的一些具體結(jié)構(gòu)是示意性顯示的(而不是實(shí)際的藍(lán)圖)。所述光生伏打裝置110包括基本透明的外覆層104，例如與半導(dǎo)體芯102(例如硅)成共軸關(guān)系的玻璃外覆層。構(gòu)建成的芯102中存在至少一個(gè)光敏性p-n結(jié)106。所述 P-n結(jié)106的一側(cè)可以通過(guò)芯102的η摻雜區(qū)域102Α形成，而p-η結(jié)106的另一側(cè)可以通過(guò)芯102的ρ摻雜區(qū)域102Β形成。至少一個(gè)電極105Α，105Β為p-n結(jié)106的各對(duì)應(yīng)側(cè)提供電連接。應(yīng)當(dāng)理解所述光敏性p-n結(jié)106的結(jié)構(gòu)和電學(xué)細(xì)節(jié)較為復(fù)雜，但在本領(lǐng)域中是眾所周知并且已經(jīng)領(lǐng)會(huì)的。在太陽(yáng)能電池技術(shù)中，在半導(dǎo)體材料中形成P-n結(jié)，從而將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為電流。這些P-n結(jié)將由于吸收了輻射而產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)分離，產(chǎn)生可用于外界負(fù)荷的電流。在現(xiàn)有技術(shù)中，根據(jù)所用的半導(dǎo)體材料和方法，開(kāi)發(fā)出了各種太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)。一些是簡(jiǎn)單的p-n結(jié)，而其它的更復(fù)雜，通過(guò)最優(yōu)化獲得較高的效率。更復(fù)雜的結(jié)包括 p-i-n結(jié)。在一些情況中，為p-n結(jié)和/或p-i-n結(jié)添加ρ+層和η+層，用來(lái)改進(jìn)電荷收集以及電極/太陽(yáng)能電池制造。在此應(yīng)用中，當(dāng)提到P-n結(jié)的時(shí)候，其可以包括上述各種結(jié)中的任何結(jié)，包括現(xiàn)有文獻(xiàn)已知的其它的結(jié)，以及/或者今后開(kāi)發(fā)的結(jié)。注意到所述光生伏打裝置110的外覆層104表現(xiàn)出所需的光引導(dǎo)性質(zhì)。事實(shí)上， 所述外覆層104的外側(cè)輪廓的曲率特征能夠改進(jìn)光向著外覆層104之內(nèi)的收集，射向p-n 結(jié)106，用于轉(zhuǎn)化為電能。在可以用來(lái)制造光生伏打裝置110的方法中，優(yōu)選采用以上結(jié)合圖2討論的再拉制方法的一種或多種改進(jìn)形式。在一種方法中，可以在拉制桿100A的時(shí)候形成p-n結(jié)106， 這可以看作原位P-n結(jié)形成。該方法將前體材料用于坯件202，所述坯件202包含摻雜劑， 例如硼、磷、鍺、鋁、鈦等。所述摻雜劑可以用來(lái)提供離子源，用來(lái)在拉制過(guò)程中，使得離子從坯件202擴(kuò)散入芯102的半導(dǎo)體材料中，從而在芯102中形成所需的電學(xué)性質(zhì)，例如形成 p-n 結(jié) 106。例如，對(duì)于在硅芯102中形成的p-n結(jié)106，硼將是適合用來(lái)擴(kuò)散入硅芯102并形成P型半導(dǎo)體區(qū)域的摻雜劑。另一方面，磷是合適的摻雜劑，適合擴(kuò)散入硅芯102中，形成η 型區(qū)域。通過(guò)將摻雜劑包含在坯件202的前體材料(例如玻璃)中，可以在桿拉制過(guò)程中使得摻雜劑擴(kuò)散入芯102中。所述拉制的高溫將導(dǎo)致?lián)诫s劑擴(kuò)散入半導(dǎo)體材料(例如硅) 中，形成p-n結(jié)106。參見(jiàn)圖2，原位p-n結(jié)形成工藝可以包括由包含至少一種摻雜劑的材料形成空心坯件202，所述摻雜劑用來(lái)提供摻雜劑原子的來(lái)源，用來(lái)擴(kuò)散入另外的材料中，例如擴(kuò)散入芯102的半導(dǎo)體材料中。將半導(dǎo)體材料206引入坯件202的空心部分中，在再拉制爐200A 中對(duì)坯件202和半導(dǎo)體材料206進(jìn)行加熱，使得坯件202和半導(dǎo)體材料206流動(dòng)。然后對(duì)坯件202和半導(dǎo)體材料206進(jìn)行拉制，使得(i)由半導(dǎo)體材料206形成的芯102在由坯件 202形成的外覆層104內(nèi)共軸取向，(ii)原子從摻雜劑擴(kuò)散入芯102的半導(dǎo)體材料中，形成 p-n 結(jié) 106。適合用來(lái)形成包含所需摻雜劑的坯件202的組合物的例子是IO3-GeO2-SiO2玻璃， 其中包含5-25%的化03和10-13%的Ge02。這種p-n結(jié)106的原位形成可能是非常節(jié)約成本的工藝。如果無(wú)法對(duì)桿100A的快速的低成本再拉制進(jìn)行最優(yōu)化而原位形成P-n結(jié)106，則可以在爐內(nèi)對(duì)桿100A進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理，以使得摻雜劑進(jìn)一步從外覆層104擴(kuò)散入芯102中，以便對(duì)p-n結(jié)106的特性最優(yōu)化?？梢酝ㄟ^(guò)在合適的烘箱或加熱爐內(nèi)將大量桿100A疊置起來(lái)，對(duì)此分批工藝進(jìn)行規(guī)模放大，從而實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)。用來(lái)實(shí)施該工藝的設(shè)備不需要非常昂貴，這是因?yàn)樾?02的半導(dǎo)體周?chē)妮^厚的(毫米級(jí))玻璃外覆層104提供了天然的保護(hù)，使其免受污染、氧化等影響。由此可以在無(wú)需采用昂貴的氣氛控制、高純度設(shè)備或控制的前提下，保持P-n結(jié)106 的高純度。在另一個(gè)實(shí)施方式中，可以使用圖4所示的具有兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)芯102的桿 100B來(lái)制造光生伏打裝置，其與圖IB的裝置110類(lèi)似，區(qū)別在于包括多個(gè)芯102。在此實(shí)施方式中，芯102可以屬于相同的半導(dǎo)體種類(lèi)，(例如硅、鍺等)，或者一個(gè)或多個(gè)芯102可以屬于不同的半導(dǎo)體種類(lèi)。
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在另一個(gè)實(shí)施方式中，圖4的芯100B，包括兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)芯102，可以用來(lái)制造光電子光纖裝置。例如，在雙芯結(jié)構(gòu)中，一個(gè)芯可以包括半導(dǎo)體芯102，另一個(gè)芯102B可以是具有一定折射率的透明材料，由此芯102B和外覆層104形成光纖。因此，例如芯102A， 102B之間的橫向間距可以使得沿著芯102B(特別是對(duì)于單模光纖的構(gòu)型)傳輸?shù)臅r(shí)候，與芯102A的p-n結(jié)相互作用。該技術(shù)可以用來(lái)形成光子帶隙設(shè)計(jì)和/或包括空氣/空腔的設(shè)計(jì)。通過(guò)使用上文所述的技術(shù)和結(jié)構(gòu)，除了本文進(jìn)一步的討論和描述以外，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠了解，本發(fā)明的各個(gè)方面可以用于許多不同的太陽(yáng)能應(yīng)用。對(duì)于圖6，圖中顯示了另外的光生伏打裝置IlOA的一個(gè)例子，其適合用于例如將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。圖6是該光生伏打裝置IlOA的截面示意圖，其可以使用圖IA所示種類(lèi)的半導(dǎo)體-芯桿100A形成。 另外，需要注意，為了介紹裝置進(jìn)行討論的目的，所述光生伏打裝置IlOA的一些具體結(jié)構(gòu)是示意性顯示的(而不是實(shí)際的藍(lán)圖)。所述光生伏打裝置IlOA包括基本透明的外覆層104，例如與半導(dǎo)體芯102(例如硅)成共軸關(guān)系的玻璃外覆層。所述芯102包括至少一個(gè)光敏性p-n結(jié)106。在此實(shí)施例中，所述裝置IlOA包括由ρ型材料形成的ρ型硅芯102P。所述p-n結(jié)106由位于芯102的 P型材料周?chē)拇篌w圓柱形的η型材料區(qū)域102Ν形成。所述η型材料102Ν可以使用上文結(jié)合圖IB所述的原位法形成，或者采用任意其它的已知的或者以下所述開(kāi)發(fā)的方法形成。 例如，可以通過(guò)以下方式形成所述芯102Ρ的ρ型材料將ρ型半導(dǎo)體材料放置在空心玻璃坯件中(所述坯件包括磷摻雜劑)，對(duì)桿進(jìn)行拉制，所述桿與桿100Α類(lèi)似。所述磷摻雜劑可以(在拉制過(guò)程中以及/或者拉制之后)擴(kuò)散入所述P型硅芯102中，形成η型區(qū)域102Ν。所述光生伏打裝置1IOA可以包括沿著外覆層104縱向延伸的第一通道120Α，使得其至少一部分與所述芯102的η型區(qū)域102Ν相鄰，并與該η型區(qū)域102Ν連通。所述光生伏打裝置1IOA可以包括沿著外覆層104縱向延伸的第二通道102Β，使得其至少一部分與所述芯102的ρ型區(qū)域102Ρ相鄰，并與該ρ型區(qū)域102Ρ連通。在一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)中，如圖6 的實(shí)施方式所示，所述裝置IlOA包括位于外覆層104外表面上的至少一個(gè)狹縫122。所述狹縫122沿著外覆層104的長(zhǎng)度方向延伸，并且沿著徑向延伸，但是并未延伸到芯102。所述狹縫122提供了到達(dá)外覆層104的內(nèi)部區(qū)域的通路，從而制備通道120Α，120Β (在下文中進(jìn)行討論)。相應(yīng)的η+和ρ+部分，102Ν+和102Ρ+設(shè)置在第一和第二通道120Α，120Β的各自的端部，從而促進(jìn)與芯102的相應(yīng)的η型區(qū)域102Ν和ρ型區(qū)域102Ρ的電連接?？梢詫⒌谝粚?dǎo)電材料，例如導(dǎo)電糊料或環(huán)氧樹(shù)脂、金屬化操作、金屬絲等設(shè)置在所述第一通道120Α內(nèi)， 形成第一電極105Α ；可以將第二導(dǎo)電材料設(shè)置在第二通道120Β內(nèi)，形成第二電極105Β。在一種或多種結(jié)構(gòu)中，可以用導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂將金屬絲保留在給定的通道120中。對(duì)通道120Α， 120Β, η+和ρ+部分，102Ν+和102Ρ+，以及第一和第二電極105Α，105Β進(jìn)行定位、尺寸設(shè)計(jì)和形狀設(shè)計(jì)，使得P-n結(jié)106產(chǎn)生的電壓和電流可以到達(dá)外覆層104以外?？梢圆捎煤芏喾N制造工藝制造裝置110A。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面，可以通過(guò)以下方式制造裝置IlOA 由一種外表面上包括至少一個(gè)狹縫的材料制備坯件202。所述狹縫沿著坯件202的長(zhǎng)度方向延伸，并且沿著徑向延伸，但是并未延伸到坯件202的空心。 對(duì)所述坯件202和半導(dǎo)體材料206進(jìn)行拉制，使得狹縫122沿著外覆層104縱向延伸，在徑向朝向芯102延伸。所述第一和第二通道120A，120B可以通過(guò)蝕刻或激光燒蝕法在狹縫122內(nèi)形成， 使得通道102沿著外覆層104的狹縫122縱向延伸，使得各自的至少一部分與芯102的η 型和ρ型區(qū)域102Ν，102Ρ中的一個(gè)相應(yīng)的區(qū)域相鄰，并與之連通?？梢杂梅瘹滗@、氫氟酸或任意其他合適的蝕刻劑進(jìn)行蝕刻。通過(guò)使用這些酸，可以對(duì)蝕刻過(guò)程進(jìn)行精確的控制，以制備通道120。激光燒蝕也是一種吸引人的形成通道120的方法。具體來(lái)說(shuō)，CO2激光器可能是優(yōu)選的，因?yàn)槠浼訜岷蜔g玻璃材料，但是芯102的硅半導(dǎo)體材料不會(huì)吸收激光。該特征可以提供自發(fā)限制的通道形成，一旦全部的玻璃均被燒蝕，半導(dǎo)體暴露出來(lái)，形成電接觸，燒蝕便會(huì)停止。然后可以將導(dǎo)電材料引入通道120中，從而形成電極105Α，105Β。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，可以將旋涂摻雜劑或其他類(lèi)似的液體引入通道120Α，120Β，從而形成η+和ρ+部分，102Ν+和102Ρ+。例如，ρ+部分102Ρ+可以通過(guò)以下方式制造將含硼的旋涂摻雜劑凝膠引入通道120Β中，與芯102的ρ型區(qū)域102Ρ接觸。然后可以進(jìn)行熱處理，使得過(guò)量的ρ 型離子擴(kuò)散入P型區(qū)域102Ρ，由此形成ρ+部分102Ρ+。η+部分102Ν+可以通過(guò)以下方式制造將含磷的旋涂摻雜劑凝膠引入通道120Α中，與芯102的η型區(qū)域102Ν接觸。然后可以進(jìn)行熱處理，使得過(guò)量的η型離子擴(kuò)散入η型區(qū)域102Ν，由此形成η+部分102Ν+。參見(jiàn)圖7Α，圖7Α是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面的另一種光生伏打裝置IlOB的截面圖，該裝置使用圖IA所示的半導(dǎo)體-芯桿100Α形成，包括另外的電極連接的例子。所述光生伏打裝置IlOB包括基本透明的外覆層104，例如與半導(dǎo)體芯102(例如硅)成共軸關(guān)系的玻璃外覆層。所述芯102包括至少一個(gè)光敏性p-n結(jié)106。在此實(shí)施例中，所述裝置 IlOB包括由ρ型材料形成的ρ型硅芯102P。所述p-n結(jié)106由與芯102的ρ型材料102Ρ 的外圍連通的η型材料區(qū)域102Ν形成。所述η型材料102Ν可以使用上文結(jié)合圖IB所述的原位法形成，或者采用任意其它的已知的或者以下所述開(kāi)發(fā)的方法形成。例如，可以通過(guò)以下方式形成所述芯102Ρ的ρ型材料將ρ型半導(dǎo)體材料放置在空心玻璃坯件中(所述坯件包括磷摻雜劑)，對(duì)桿進(jìn)行拉制，所述桿與桿100Α類(lèi)似。所述磷摻雜劑可以(在拉制過(guò)程中以及/或者拉制之后)擴(kuò)散入所述P型硅芯102中，形成η型區(qū)域102Ν。在此實(shí)施例中，所述裝置IlOB包括基本縱向取向的表面124(在截面圖中顯示)， 其上芯的η型區(qū)域102Ν和ρ型區(qū)域102Ρ的相應(yīng)的部分暴露出來(lái)。所述基本縱向取向的表面124限定了基本平坦的區(qū)域，特征是半圓形橫截面中的芯102和外覆層104。例如，所述半圓形橫截面的表面積大于其完整圓形橫截面的大約50%。材料的第一導(dǎo)電層126Α設(shè)置在表面IM上，與η型區(qū)域102Ν電連接，形成第一電極。材料的第二導(dǎo)電層126Β設(shè)置在表面1 上(與層126Α相鄰)，與ρ型區(qū)域102Ρ電連接，形成第二電極。所述層U6A，126Β 可以由導(dǎo)電糊料、環(huán)氧樹(shù)脂、沉積的金屬化材料等形成，可以通過(guò)任意已知的或以后開(kāi)發(fā)的方法沉積在表面1 上。參見(jiàn)圖7Β，圖中顯示了另一種光生伏打裝置IlOC的截面圖。同樣，可以使用圖IA 所示種類(lèi)的半導(dǎo)體芯桿100Α形成裝置110C。在此實(shí)施例中，所述裝置IlOC具有一些與圖 7Α的裝置IlOB明顯類(lèi)似的特征，包括所述芯102具有至少一個(gè)光敏性p-n結(jié)106。但是， 不同之處包括芯102的中心部分由η型半導(dǎo)體材料102N (例如硅)形成。所述p-η結(jié)106 由位于芯102的η型材料102Ν周?chē)拇篌w圓柱形的ρ型材料區(qū)域102Ρ形成。所述ρ型材料102P可以使用上文結(jié)合圖IB所述的原位法形成，或者采用任意其它的已知的或者以后開(kāi)發(fā)的方法形成。例如，可以通過(guò)以下方式形成所述芯102N的η型材料將η型半導(dǎo)體材料放置在空心玻璃坯件中(所述坯件包括硼摻雜劑)，對(duì)桿進(jìn)行拉制，所述桿與桿100Α類(lèi)似。所述硼摻雜劑可以(在拉制過(guò)程中以及/或者拉制之后)擴(kuò)散入所述η型硅芯102Ν 中，形成P型區(qū)域102Ρ。在此實(shí)施例中，所述裝置IlOC還包括基本縱向取向的表面124(在截面圖中顯示)，其上芯102的η型區(qū)域102Ν和ρ型區(qū)域102Ρ的相應(yīng)的部分暴露出來(lái)。材料的第一導(dǎo)電層126Α設(shè)置在表面IM上，與η型區(qū)域102Ν電連接，形成第一電極。一層氧化物1 (例如SiO2)阻止導(dǎo)電材料126A和ρ型區(qū)域102P之間的電連接。材料的第二導(dǎo)電層126B設(shè)置在表面IM上(與層126A相鄰)，與ρ型區(qū)域102P電連接，形成第二電極。盡管可以有很多方法用來(lái)制造沿著縱向取向的表面124，但是出于本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的目的，希望對(duì)表面1 進(jìn)行拋光，磨入外覆層104中，使得芯102的η型區(qū)域120Ν和ρ型區(qū)域120Ρ的相應(yīng)的部分裸露出來(lái)。然后，可以將第一和第二導(dǎo)電層U6A、 126Β設(shè)置在表面IM上，使得它們與相應(yīng)的η型區(qū)域102Ν以及ρ型區(qū)域102Ρ電連接。例如，可以通過(guò)真空沉積法形成導(dǎo)電層126A，U6B。下面參考圖8-11，圖中顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面，使用另一種桿結(jié)構(gòu)形成的另一種光生伏打裝置110D，110E的截面圖。所述光生伏打裝置IlOD (圖8-9)包括透明的桿100C，所述透明的桿具有細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)度以及圓形的橫截面。所述桿100C可以由玻璃、玻璃-陶瓷、聚合物等形成。所述桿100C 包括沿著其長(zhǎng)度縱向延伸的至少一個(gè)通道130A。在此實(shí)施例中，所述通道130A具有基本呈 V形的截面。在所述通道130A中設(shè)置一種η型半導(dǎo)體板132Ν，例如對(duì)著通道130Α的相反表面中的一個(gè)。在所述通道130Α中設(shè)置一種ρ型半導(dǎo)體板132Ρ，例如對(duì)著通道130Α的相反表面中的一個(gè)。所述η型和ρ型半導(dǎo)體板132Ν，132Ρ的相應(yīng)的外圍邊緣互相接觸，互相電連通，形成至少一個(gè)ρ-η結(jié)106。填塞件IOlA填充了通道130Α的剩余空間，所述填塞件可以由與透明桿100C相同的材料形成。將第一和第二電極105Α，105Β設(shè)置在相應(yīng)的空腔中，所述電極各自與相應(yīng)的η型和ρ型板132Ν，132Ρ電連接。對(duì)通道130Α，板132Ν，132Ρ， 以及第一和第二電極105Α，105Β進(jìn)行定位、尺寸設(shè)計(jì)和形狀設(shè)計(jì)，使得ρ-η結(jié)106產(chǎn)生的電壓和電流可以到達(dá)桿100C以外。所述光生伏打裝置IlOE (圖10-11)還包括透明的桿100D，所述透明的桿具有細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)度以及圓形的橫截面。所述桿100D可以由玻璃、玻璃-陶瓷、聚合物等形成。所述桿 100D包括沿著其長(zhǎng)度縱向延伸的至少一個(gè)通道130Β。在此實(shí)施例中，所述通道130Β具有基本矩形的截面。在所述通道130Β中設(shè)置一種η型半導(dǎo)體板132Ν，例如對(duì)著通道130Β的底表面。將P型半導(dǎo)體板132Ρ設(shè)置在通道130中，相對(duì)于板132Ν重疊取向設(shè)置，使得η型半導(dǎo)體板和P型半導(dǎo)體板132Ν，132Ρ相應(yīng)的主表面互相接觸，形成至少一個(gè)ρ-η結(jié)106。應(yīng)當(dāng)注意，在另外的實(shí)施方式中，板132Ν，132Ρ可以顛倒。填塞件IOlB填充了通道130Β的剩余空間，所述填塞件可以由與透明桿100D相同的材料形成。將第一和第二電極105Α，105Β設(shè)置在相應(yīng)的空腔中，所述電極各自與相應(yīng)的η型和ρ型板132Ν，132Ρ電連接。對(duì)通道130Β， 板132Ν，132Ρ，以及第一和第二電極105Α，105Β進(jìn)行定位、尺寸設(shè)計(jì)和形狀設(shè)計(jì)，使得ρ-η結(jié) 106產(chǎn)生的電壓和電流可以到達(dá)桿100D以外。
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可以通過(guò)很多的方法制造圖8-11的光生伏打裝置110D，IlOE0 一種示例性的制造方法包括形成沿著玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物坯件的長(zhǎng)度縱向延伸的通道。盡管所述坯件應(yīng)當(dāng)適合用于坯件再拉制工藝，但是不一定是空心的。所述通道可以是V形的，從而能夠制造裝置110D，其可以是矩形的，從而能夠制造裝置110E，或者可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的任意其他合適的形狀。所述η型和ρ型半導(dǎo)體板132Ν，132Ρ可以設(shè)置在通道內(nèi)，使得它們互相電連通，例如在圖8-11中所示的取向中的一種，或者本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的任何其他取向?？梢詫⑻钊?01插入通道任意剩余的空腔中(但是不一定要將空腔完全填充)。然后在再拉制爐中對(duì)坯件、半導(dǎo)體板132Ν，132Ρ和填塞件101進(jìn)行加熱，同時(shí)進(jìn)行拉制，使得半導(dǎo)體板132Ν，132Ρ設(shè)置在桿100C和/或100D之內(nèi)，橫截面大體為圓形。然后， 可以除去桿100C和/或100D的一些材料(如果需要的話，例如通過(guò)蝕刻、激光燒蝕或拋光除去材料)，使得半導(dǎo)體板132Ν、132Ρ的至少一些部分裸露出來(lái)。然后可以將相應(yīng)的電極材料，例如導(dǎo)電糊料、環(huán)氧樹(shù)脂、金屬絲、金屬化材料等設(shè)置在桿100C和/或100D之內(nèi)或之上，與各個(gè)半導(dǎo)體板132Ν、132Ρ電連通，使得ρ-η結(jié)106產(chǎn)生的電壓和電流可以到達(dá)桿100C 和/或100D以外。下面來(lái)看圖12-13，圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)另外的方面的另一種桿 100Ε的截面圖，圖13顯示了用來(lái)制造桿100Ε的拉制爐200C的視圖。桿100Ε包括上文討論的桿100Α的一些結(jié)構(gòu)元件。例如，所述桿100Ε包括中央的芯102以及透明的外覆層或鞘104，所述中央的芯102由半導(dǎo)體材料形成，與透明的外覆層或鞘104共軸，所述外覆層或鞘104是例如玻璃材料、玻璃-陶瓷或聚合物。另外，所述芯102包含導(dǎo)體，例如在芯102 之內(nèi)共軸取向的金屬絲140。所述金屬絲140可以由高電導(dǎo)率金屬(例如鋁、銅)或難熔金屬(例如鎢、鉬等)形成。所述桿100Ε可以用于很多的應(yīng)用，但是一種例子是用于光生伏打應(yīng)用。在此應(yīng)用中，需要用兩個(gè)電極收集電池的Ρ-η結(jié)產(chǎn)生的電荷。對(duì)于上文所示的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式 (如圖IB所示)，一個(gè)電極與ρ型材料連接，另一個(gè)電極與η型材料連接。在桿100Ε中，導(dǎo)電金屬絲140可以作為一個(gè)電極，其嵌入半導(dǎo)體芯102之內(nèi)。參見(jiàn)圖13，在一個(gè)實(shí)施方式中，用來(lái)制造桿100Ε的方法可以包括采用就圖2以及相關(guān)實(shí)施方式所述的制備、引入、加熱和拉制步驟的制造技術(shù)。但是，另外將導(dǎo)電金屬絲140 和半導(dǎo)體材料206 —起引入坯件202的空心部分中。在所述再拉制爐200C中對(duì)坯件202、 半導(dǎo)體材料206和金屬絲140進(jìn)行加熱，使得坯件202和半導(dǎo)體材料206流動(dòng)?？梢允紫葘?duì)導(dǎo)電金屬絲140涂覆一些材料，然后將其引入坯件202中，以便在加熱和拉制過(guò)程中保護(hù)金屬絲104。在加熱的同時(shí)，對(duì)坯件202，半導(dǎo)體材料206以及金屬絲140進(jìn)行拉制，使得半導(dǎo)體材料206的芯102在由空心坯件202制造的外覆層104內(nèi)共軸取向，所述金屬絲140 在所述芯102內(nèi)共軸取向，從而形成桿100Ε。使用導(dǎo)電金屬絲140(例如W(鎢)或Al(鋁)金屬絲)的優(yōu)點(diǎn)在于，這些金屬絲具有高度導(dǎo)電性，提供極少的內(nèi)部電阻或者沒(méi)有內(nèi)部電阻，即使在1米長(zhǎng)的桿型太陽(yáng)能電池中也是如此。由此可以改進(jìn)電荷收集以及太陽(yáng)能電池的效率。另外，與使用真空沉積法沉積金屬化材料用于電極的做法相比，所述金屬絲相對(duì)廉價(jià)。另外，對(duì)金屬絲結(jié)構(gòu)進(jìn)行共拉制的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，將電極形成步驟與半導(dǎo)體芯形成相結(jié)合，該方法非常節(jié)約成本。
本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)閱讀本發(fā)明可以看出，所述桿100E可以用來(lái)形成光生伏打裝置(其具體例子在下文中討論)。關(guān)于這一點(diǎn)，希望在加熱和拉制過(guò)程中，在桿100E內(nèi)原位形成p-n結(jié)106。該過(guò)程可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電金屬絲140涂覆摻雜劑，用來(lái)提供摻雜劑原子的來(lái)源，用來(lái)在加熱和拉制過(guò)程中擴(kuò)散入芯102的半導(dǎo)體材料中，形成p-n 結(jié)。例如，所述摻雜劑可以包括以下的至少一種硼，磷，鍺，鋁，和鈦。例如，對(duì)于在硅芯102 內(nèi)形成的P-n結(jié)，硼將是適合用來(lái)擴(kuò)散入硅芯102并形成ρ型半導(dǎo)體區(qū)域的摻雜劑。另一方面，磷是合適的摻雜劑，適合擴(kuò)散入硅芯102中，形成η型區(qū)域。通過(guò)將摻雜劑設(shè)置在金屬絲140上，可以在桿拉制工藝過(guò)程中使得摻雜劑擴(kuò)散入芯102中，形成p-n結(jié)106。下面來(lái)看圖14，圖14是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)其他方面的另一種光生伏打裝置桿IlOF的截面圖。所述裝置IlOF包括中央的芯102以及透明的外覆層或鞘104，所述中央的芯102由半導(dǎo)體材料形成，與透明的外覆層或鞘104共軸，所述外覆層或鞘104是例如玻璃材料、玻璃-陶瓷或聚合物。所述芯102包括在芯102內(nèi)共軸取向的導(dǎo)電金屬絲，該導(dǎo)電金屬絲用作第一電極105A。所述芯102包括至少一個(gè)p-n結(jié)106，該p-n結(jié)由相應(yīng)的η型和ρ型區(qū)域限定。在此實(shí)施例中，所述芯102由η型材料102Ν形成，所述導(dǎo)電金屬絲(電極 105Α)共軸地設(shè)置在芯102的η型材料120Ν之內(nèi)，與芯102的η型材料120Ν電接觸。第二電極105Β與芯102的η型區(qū)域和ρ型區(qū)域中的另一者電連接，在此實(shí)施例中，電極105Β與芯102的ρ型區(qū)域102Ρ連接。所述ρ型區(qū)域102Ρ是位于芯102的最外部的圓柱形部分。 在此實(shí)施方式中，狹縫122沿著外覆層104縱向延伸，從外覆層104的外表面向著芯102徑向延伸。所述狹縫122可以與芯102的η型區(qū)域和ρ型區(qū)域102Ν，102Ρ中的至少一種連通； 在此實(shí)施例中，狹縫122與ρ型區(qū)域102Ρ連通。第二電極105Β設(shè)置在狹縫22中，與芯102 的P型區(qū)域102Ρ電連接?？梢杂泻芏喾N用來(lái)制造光生伏打裝置IlOF的方法。一種示例性的制造方法包括使用上文所述的用來(lái)形成桿100Ε的一部分或者所有的技術(shù)(圖12-1 ，從而制得在芯102 內(nèi)共軸的第一電極105A。另外，可以用以上用來(lái)形成裝置IlOA(圖6)的摻雜劑擴(kuò)散技術(shù)在芯102的外圍獲得圓柱形的η型或ρ型區(qū)域102Ν，102Ρ(從而形成p-η結(jié))?？梢允褂蒙衔挠懻摰挠脕?lái)形成裝置110Α(圖6)的一些技術(shù)，在外覆層104中形成狹縫122。另外， 可以對(duì)狹縫122進(jìn)行蝕刻(或者通過(guò)激光燒蝕等形成)，使其與η型區(qū)域和ρ型區(qū)域102Ν， 102Ρ中的一種連通(在此例中與ρ型區(qū)域連通)。然后，可以將導(dǎo)電材料(例如糊料，環(huán)氧樹(shù)脂，金屬化材料等)設(shè)置在狹縫122之內(nèi)，形成第二電極105Β。在一些情況下，根據(jù)制造工藝的加熱溫度和拉制溫度，導(dǎo)電金屬絲140可能無(wú)法耐受高的工藝溫度。在一些情況下，對(duì)金屬絲140的加熱以及/或者離子從金屬絲140的擴(kuò)散可能會(huì)污染芯102的半導(dǎo)體材料。如上文所討論，可以將涂層施加于金屬絲140以改善這些問(wèn)題。但是，另一種方法是形成芯102，使得在對(duì)桿進(jìn)行拉制之后，將導(dǎo)電金屬絲140 “插入”其中。這可以在室溫下進(jìn)行，或者在較低溫度的工藝中進(jìn)行，不會(huì)導(dǎo)致上文所述的一些問(wèn)題。關(guān)于這一點(diǎn)，參照?qǐng)D15Α-15Β，圖中顯示了桿100F的截面圖，其包括通過(guò)芯102的至少一個(gè)縱向的孔142，適合用來(lái)在拉制工藝完成之后，插入金屬絲140或?qū)щ姴牧?。在此?shí)施例中，存在兩個(gè)孔142Α，142Β，但是可以根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式得到任意實(shí)用數(shù)量的孔 142。參見(jiàn)圖16，可以使用圖2以及相關(guān)實(shí)施方式所述的制備、引入、加熱和拉制步驟形成孔142A，142B。但是，另外可以將一對(duì)管(例如玻璃管)144A，144B與半導(dǎo)體材料206 — 起引入所述坯件202的空心部分中。在所述再拉制爐200D中對(duì)坯件202、半導(dǎo)體材料206 和管144A，144B進(jìn)行加熱，使得坯件202和半導(dǎo)體材料206流動(dòng)。在加熱的同時(shí)，對(duì)坯件 202，半導(dǎo)體材料206以及管144A，144B進(jìn)行拉制，使得半導(dǎo)體材料206的芯102在由空心坯件202制造的外覆層104內(nèi)共軸取向，所述管144A，144B在所述芯102內(nèi)共軸取向，從而形成桿100F。例如，所述管144A，144B可以由維克(vycor)玻璃組合物(例如B2O3-SiO2) 形成。通過(guò)使用與上文形成用于光生伏打應(yīng)用的p-n結(jié)106類(lèi)似的技術(shù)，可以對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)管144A，144B涂覆摻雜劑，或者用摻雜劑形成所述管，摻雜劑提供摻雜劑原子的來(lái)源，由此在加熱和拉制工藝過(guò)程中，使得摻雜劑原子擴(kuò)散入芯102的半導(dǎo)體材料中。另外，所述摻雜劑可以包括以下的一種或多種硼，磷，鍺，招，鈦等。如圖15B所示，可以用蝕刻法除去管144A，144B的玻璃材料，僅留下孔142A， 142B (具有略大的直徑)。然后，可以在顯著低于拉制工藝溫度的較低處理溫度下，將金屬絲140或?qū)щ姯h(huán)氧樹(shù)脂引入所述孔142A，142B之內(nèi)。下面來(lái)看圖17，圖17是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)其他方面的另一種光生伏打裝置 IlOG的截面圖。在此實(shí)施方式中，以上關(guān)于圖15A討論的管144A，144B不會(huì)作為制造光生伏打裝置IlOG的方法的一部分除去，可以省去蝕刻工藝，因此是有益的。所述光生伏打裝置IlOG包括中央的芯102以及透明的外覆層或鞘104，所述中央的芯102由半導(dǎo)體材料形成，與透明的外覆層或鞘104共軸，所述外覆層或鞘104是例如玻璃材料、玻璃-陶瓷或聚合物。所述半導(dǎo)體芯102包括至少一個(gè)p-n結(jié)106，該p-η結(jié)由相應(yīng)的η型和ρ型區(qū)域102Ν， 102Ρ限定。盡管所述的實(shí)施例包括位于中央?yún)^(qū)域的η型區(qū)域102Ν以及位于外圍的ρ型區(qū)域102Ρ，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，該設(shè)置方式可以顛倒。所述ρ型區(qū)域102Ρ是位于芯102的最外部的圓柱形部分。將第一導(dǎo)體設(shè)置成在芯102之內(nèi)共軸的形式，作為第一電極105Α，與η型和ρ型區(qū)域中的一者連接，在此實(shí)施例中與P型區(qū)域102Ρ連接。將第二導(dǎo)體設(shè)置成在芯102之內(nèi)共軸的形式，作為第二電極105Β，與η型和ρ型區(qū)域中的另一者連接，在此實(shí)施例中與η型區(qū)域102Ν連接。第一和第二管144Α，144Β各自圍繞相應(yīng)的第一和第二導(dǎo)體105Α，105Β。所述圓柱形部分的P型區(qū)域102Ρ圍繞第一和第二管144Α，144Β。各個(gè)管144Α，144Β包括相應(yīng)的縱向延伸的狹縫146Α，146Β,它們延伸通過(guò)管144Α，144Β相應(yīng)的壁，使得所述第一和第二導(dǎo)體與芯102的相應(yīng)的η型和ρ型區(qū)域102Ν、102Ρ電連通。如前文所述，所述桿拉制工藝可以重復(fù)多次，制得次級(jí)桿。在此工藝中，可以在獨(dú)立的拉制操作中，用包含不同半導(dǎo)體材料，例如Si，Ge或者Si和Ge的組合的芯制得第一組的桿。也可以通過(guò)對(duì)外覆層坯件進(jìn)行成形，改變第一組桿的形狀?？梢詫⑦@些拉制操作形成的桿插入第二外覆層坯件中，以拉制第二組桿。所述多次拉制工藝在芯區(qū)段材料及其組成和形狀方面提供了很多的優(yōu)點(diǎn)。例如，芯區(qū)段可以包括相同半導(dǎo)體種類(lèi)的各種P-n結(jié)，或者不同半導(dǎo)體種類(lèi)的各種P-n結(jié)。另外，所述芯區(qū)段可以包括半導(dǎo)體以及光學(xué)透明的芯和空氣/真空區(qū)段的組合。這些工藝還可以適合制造結(jié)合眾所周知的光子帶隙光纖設(shè)計(jì)的光電子光纖和桿。由于坯件的形成有如此的靈活性，可以將各種尺寸和形狀的不同材料的管和棒組裝起來(lái)，進(jìn)行再拉制。例如，通過(guò)使用這樣的結(jié)構(gòu)和材料，可以在硅材料中包括P-n結(jié)，還可以在相同的坯件中包括Si-Ge材料。除了層疊起來(lái)以外，還可以使用空間隔開(kāi)的p-n 結(jié)，其中硅p-n結(jié)在芯的一個(gè)部分，Si-Ge或Ge p_n結(jié)在另一個(gè)部分。因此，各種橫截面形狀和再拉制工藝特征不僅允許多結(jié)電池，而且還可以采用空間分隔的多結(jié)電池，用于最優(yōu)化的太陽(yáng)能收集。一種示例性的制造光生伏打裝置IlOG的方法包括使用上文關(guān)于形成桿100F(圖 15A，16)所述部分或全部的技術(shù)，得到第一和第二管144A，144B，以及在芯102內(nèi)共軸的導(dǎo)體105A，105B。另外，可以采用上文關(guān)于形成裝置IlOA(圖6)所述的摻雜劑擴(kuò)散技術(shù)以及上文關(guān)于在管144A，144B上使用摻雜劑的摻雜劑擴(kuò)散技術(shù)，在芯102的外圍以及圍繞管144A， 144B形成圓柱形的η型或ρ型區(qū)域102Ν，102Ρ (從而形成p-η結(jié)106)。但是，需要注意，該實(shí)施方式的管144Α，144Β包括相應(yīng)的縱向延伸的凹槽。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，在加熱/拉制工藝之前，各個(gè)凹槽可以從管144的外表面向著中心徑向延伸，但是并未延伸通過(guò)管144的壁。如上文關(guān)于圖15Α、16所述，將具有凹槽的管144Α，144Β拉制成芯102。然后，可以對(duì)管 142進(jìn)行蝕刻，使得凹槽延伸通過(guò)管的壁，使得凹槽與相應(yīng)的η型和ρ型區(qū)域102Ν，102Ρ連通。然后，可以將金屬絲140或?qū)щ娦原h(huán)氧樹(shù)脂引入管144Α，144Β的孔142Α，142Β中，形成電極105Α，105Β，然后將其與芯102的η型區(qū)域和ρ型區(qū)域102Ν，102Ρ電連通。下面來(lái)看圖18-19，圖18-19是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)其他方面的光生伏打裝置/ 模塊110Η、110Ι的側(cè)視截面圖。圖18的光生伏打裝置IlOH包括支承結(jié)構(gòu)150以及與支承結(jié)構(gòu)150相連的多個(gè)光生伏打電池110j。各個(gè)電池IlOj是基本縱向延伸的，至少是半圓形的橫截面。一個(gè)或全部的電池IlOj可以包括關(guān)于以上所述的任意或全部實(shí)施方式所述的結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能、光生伏打和/或電學(xué)特征中的一種或多種。所示的裝置IlOH的實(shí)施方式中， P-n結(jié)106由圍繞η型材料102Ν的芯102的ρ型材料102Ρ的圓柱形區(qū)域形成(以上已經(jīng)討論了很多次)。各個(gè)電池的第一電極105Α通常在芯102之內(nèi)居中，與芯102為共軸關(guān)系。 第二電極105Β在全部的電池IlOj中共用(但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，所述第二電極 105Β可以很容易地分離，由各個(gè)電池IlOj獨(dú)立使用)。電池IlOj的外覆層104已經(jīng)除去， 至少在第二電極105Β的區(qū)域中是已經(jīng)除去的，使得各個(gè)電池IlOj的ρ型區(qū)域102Ρ可以與電極105Β電連通。所述光生伏打電池IlOj的第一和第二電極105Α，105Β中相應(yīng)的電極電連接起來(lái)，形成電壓和電流的整體化電源。在光生伏打裝置IlOH的這個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)光生伏打電池IlOj彼此相鄰地設(shè)置，使得給定電池IlOj的外覆層104與相鄰的電池IlOj的外覆層104緊鄰或相接觸。注意到上文討論的所有包括外覆層104的光生伏打裝置表現(xiàn)出所需的光引導(dǎo)性質(zhì)。事實(shí)上， 所述外覆層104的外側(cè)輪廓的曲率特征能夠改進(jìn)光向著外覆層104之內(nèi)的收集，射向p-n 結(jié)106，用于轉(zhuǎn)化為電能。在圖19中，已經(jīng)將光生伏打裝置1101的相鄰電池IlOj的側(cè)向的外覆層104除去，使得外覆層104的凸出邊緣能夠改進(jìn)光向著外覆層之內(nèi)的收集以及向著電池IlOj的p-n結(jié)106的收集。圓柱形裝置IIOj的長(zhǎng)軸可以為東西取向，使得當(dāng)太陽(yáng)在白天在地平線上移動(dòng)的時(shí)候，裝置IlOj的長(zhǎng)的長(zhǎng)度能夠俘獲太陽(yáng)輻射。對(duì)于低集中設(shè)計(jì)，即使由于季節(jié)變化的原因，太陽(yáng)在地平線上的位置導(dǎo)致光照不在軸上，外覆層104的高NA仍然能夠俘獲輻射而不發(fā)生顯著的效率降低。除了本文討論的實(shí)施方式以外，可以采用其它的光學(xué)機(jī)理提高太陽(yáng)能的吸收以及電能的產(chǎn)生。例如，可以使用一個(gè)或多個(gè)透鏡、棱鏡、反射器、散射表面等，使太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)向， 以便改進(jìn)光能在外覆層104內(nèi)的收集以及射向芯102。 盡管本文已結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些實(shí)施方式僅是用于說(shuō)明本發(fā)明的原理和應(yīng)用。因此，應(yīng)當(dāng)理解，在不背離所附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明精神和范圍的前提下，可以對(duì)列舉的實(shí)施方式進(jìn)行各種修改，并且可以作出其它安排。
權(quán)利要求
1.一種方法，該方法包括制備空心坯件，該空心坯件適合用于坯件再拉制工藝；將半導(dǎo)體材料引入所述坯件的空心部分；在再拉制爐內(nèi)對(duì)所述坯件和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加熱，使得所述坯件和半導(dǎo)體材料流動(dòng)；以及同時(shí)對(duì)所述坯件和半導(dǎo)體材料進(jìn)行拉制，使得半導(dǎo)體材料的芯在由所述空心坯件制得的外覆層內(nèi)共軸取向，從而形成桿。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟使得坯件和半導(dǎo)體材料的溫度高于半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)，但是低于坯件的熔點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述坯件和半導(dǎo)體材料的溫度比所述半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)高不到約300°C。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述坯件和半導(dǎo)體材料的溫度比所述半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)高約100-300°C。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料是硅，所述坯件和所述半導(dǎo)體材料的溫度比大約1400°C高大約100-300°C。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述坯件和半導(dǎo)體材料的溫度約為 1500-2100°C。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將半導(dǎo)體材料引入坯件的空心部分的步驟包括插入以下的一種或多種半導(dǎo)體棒、條、板、粉末、片、通過(guò)CVD、PECVD或漿液澆鑄工藝沉積的半導(dǎo)體材料的合適的厚層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括對(duì)所述坯件和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加熱，形成凝塊部分，由該凝塊部分拉制桿；對(duì)所述坯件和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加熱，使得在凝塊部分處，所述半導(dǎo)體材料至少部分地熔化；以及將半導(dǎo)體材料引入坯件的空心部分的步驟包括將所述半導(dǎo)體材料的未熔融部分設(shè)置在與桿拉制方向相反的方向上、遠(yuǎn)離凝塊部分的位置，使得在拉制桿的時(shí)候，半導(dǎo)體材料的未熔融部分被連續(xù)拉入熔融半導(dǎo)體材料，為凝塊部分的熔融半導(dǎo)體材料供料。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括至少一個(gè)以下特征所述半導(dǎo)體材料是以下材料中的至少一種無(wú)定形半導(dǎo)體材料、微晶或納米晶體半導(dǎo)體材料、多晶半導(dǎo)體材料、基本單晶的半導(dǎo)體材料以及有機(jī)半導(dǎo)體材料；所述半導(dǎo)體材料是以下的至少一種Si，GaAs, InP, SiGe, SiC, Ge, ZnO和Sil^e。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述坯件由玻璃、玻璃陶瓷和聚合物中的至少一種形成。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括由基于二氧化硅的玻璃組合物形成所述坯件；以及將一種或多種摻雜劑加入所述基于二氧化硅的玻璃組合物中，以實(shí)現(xiàn)以下效果中的至少一種(i)對(duì)熱膨脹系數(shù)和軟化溫度中的至少一種進(jìn)行改良，(ii)提供摻雜劑原子的來(lái)源，使其擴(kuò)散入半導(dǎo)體材料中。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述加入摻雜劑的步驟包括向基于二氧化硅的玻璃組合物中加入以下的至少一種硼，磷，鍺，鋁，氟以及鈦。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述基于二氧化硅的玻璃組合物是 B2O3-GeO2-SiO2 組合物。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述基于二氧化硅的玻璃組合物包含約 5-25 %的 B2O3 以及約 10-13% 的 GeO2。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使用制備、引入、加熱和拉制步驟形成多個(gè)獨(dú)立的桿；將所述多個(gè)桿引入另外的坯件的空心部分；在再拉制爐內(nèi)對(duì)所述另外的坯件以及多個(gè)桿進(jìn)行加熱，使得所述坯件以及多個(gè)桿的至少外覆層流動(dòng)；同時(shí)對(duì)所述坯件和多個(gè)桿進(jìn)行拉制，使得所述多個(gè)桿的芯在由所述另外的空心坯件制得的另外的外覆層內(nèi)共軸取向，從而形成多芯的桿。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將導(dǎo)電金屬絲與半導(dǎo)體材料一起引入所述坯件的空心部分；在再拉制爐內(nèi)對(duì)所述坯件、半導(dǎo)體材料和金屬絲進(jìn)行加熱，使得所述坯件和半導(dǎo)體材料流動(dòng)；以及同時(shí)對(duì)所述坯件、半導(dǎo)體材料和金屬絲進(jìn)行拉制，使得半導(dǎo)體材料的芯在由所述空心坯件制得的外覆層內(nèi)共軸取向，所述金屬絲在所述芯內(nèi)共軸取向，從而形成桿。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電金屬絲由以下的一種或多種形成鋁、銅、難熔金屬、鎢和鉬。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法還包括用一種材料涂覆所述導(dǎo)電金屬絲，所述材料用來(lái)在加熱和拉制工藝過(guò)程中保護(hù)金屬絲。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法還包括對(duì)所述導(dǎo)電金屬絲涂覆摻雜劑，所述摻雜劑用來(lái)提供摻雜劑原子的來(lái)源，用來(lái)在加熱和拉制工藝過(guò)程中使得摻雜劑原子擴(kuò)散入所述芯的半導(dǎo)體材料中。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述摻雜劑包括以下的至少一種硼、磷、 鍺、鋁和鈦。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的管與半導(dǎo)體材料一起引入所述坯件的空心部分；在再拉制爐內(nèi)對(duì)所述坯件、半導(dǎo)體材料和管進(jìn)行加熱，使得所述坯件和半導(dǎo)體材料流動(dòng)；以及同時(shí)對(duì)所述坯件、半導(dǎo)體材料和至少一個(gè)管進(jìn)行拉制，使得半導(dǎo)體材料的芯在由所述空心坯件制得的外覆層內(nèi)共軸取向，所述至少一個(gè)管在所述芯內(nèi)共軸取向，從而形成桿。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在已經(jīng)拉制桿之后，從所述芯內(nèi)除去所述至少一個(gè)管。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)管由玻璃材料形成，所述除去管的過(guò)程包括對(duì)玻璃進(jìn)行蝕刻和激光燒蝕中的至少一種。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法還包括對(duì)所述管涂覆摻雜劑，或者用摻雜劑形成所述管，所述摻雜劑用來(lái)提供摻雜劑原子的來(lái)源，用來(lái)在加熱和拉制工藝過(guò)程中使得摻雜劑原子擴(kuò)散入所述芯的半導(dǎo)體材料中。
25.如權(quán)利要求M所述的方法，其特征在于，所述摻雜劑包括以下的至少一種硼、磷、 鍺、鋁和鈦。
26.一種具有光學(xué)性質(zhì)的桿，所述桿包括 由半導(dǎo)體材料形成的芯；以及透明的外覆層，其由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成，圍繞所述芯共軸取向。
27.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，包括以下至少一個(gè)性質(zhì) 芯的直徑約為1-500微米；芯的直徑約為50-500微米； 外覆層的直徑約為1-8微米； 外覆層的直徑約為2-4微米；
28.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，所述芯由基本單晶的半導(dǎo)體材料形成。
29.如權(quán)利要求觀所述的桿，其特征在于，在芯之內(nèi)，在徑向方向上基本沒(méi)有晶粒邊界。
30.如權(quán)利要求觀所述的桿，其特征在于，在桿的軸向方向大約1毫米-10厘米的范圍內(nèi)，在芯內(nèi)基本沒(méi)有晶粒邊界。
31.如權(quán)利要求觀所述的桿，其特征在于，包括以下至少一個(gè)性質(zhì) 在桿的軸向方向大約10毫米-1厘米的范圍內(nèi)，在芯內(nèi)基本沒(méi)有晶粒邊界； 在桿的軸向方向大約5毫米-15毫米的范圍內(nèi)，在芯內(nèi)基本沒(méi)有晶粒邊界。
32.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，包括以下至少一個(gè)性質(zhì) 所述外覆層的軟化點(diǎn)高于所述芯的半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)；所述外覆層的軟化點(diǎn)比半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)高大約100-300°C ； 所述外覆層的軟化點(diǎn)約為1500-1700°C ； 所述芯的半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)約為1350-1450°C。
33.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，包括以下至少一個(gè)性質(zhì) 所述芯的熱膨脹系數(shù)基本與外覆層的熱膨脹系數(shù)相等；所述芯和外覆層的熱膨脹系數(shù)約為2. 0-2. 6ppm。
34.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，包括以下至少一個(gè)性質(zhì)所述芯的半導(dǎo)體材料是以下材料中的至少一種無(wú)定形半導(dǎo)體材料、微晶或納米晶體半導(dǎo)體材料、多晶半導(dǎo)體材料、基本單晶的半導(dǎo)體材料以及有機(jī)半導(dǎo)體材料；所述芯的半導(dǎo)體材料是以下的至少一種Si、GaAs、InP, SiGe, SiC、Ge、ZnO和SiTe。
35.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，所述外覆層包含一種或多種摻雜劑，所述摻雜劑包括以下的至少一種硼、磷、鍺、鋁、氟和鈦。
36.如權(quán)利要求35所述的桿，其特征在于，所述外覆層由基于二氧化硅的玻璃組合物形成，所述玻璃組合物包括&03-Ge02-Si02。
37.如權(quán)利要求36所述的桿，其特征在于，所述基于二氧化硅的玻璃組合物包含約 5-25%的化03以及約10-13%的GeO2。
38.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，還包括多個(gè)由半導(dǎo)體材料形成的芯，所述透明外覆層圍繞所述多個(gè)芯共軸取向。
39.如權(quán)利要求38所述的桿，其特征在于，滿足以下條件中的一種所述芯的直徑約為 0. 1-10微米；所述芯的直徑約為2-6微米；所述芯的直徑約為3-8微米；所述芯的直徑約為 5微米。
40.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，所述桿還包括在芯內(nèi)共軸取向的導(dǎo)電金屬絲。
41.如權(quán)利要求40所述的桿，其特征在于，所述導(dǎo)電金屬絲由以下的一種或多種形成 鋁、銅、難熔金屬、鎢和鉬。
42.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，所述桿還包括在芯內(nèi)共軸取向的至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的管。
43.如權(quán)利要求42所述的桿，其特征在于，所述至少一個(gè)管由玻璃材料形成。
44.如權(quán)利要求沈所述的桿，其特征在于，所述桿還包括在芯內(nèi)共軸取向的至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的縱向延伸的孔。
全文摘要
一種具有光學(xué)性質(zhì)的桿，其包括以下部分由半導(dǎo)體材料形成的芯；圍繞所述芯共軸取向的由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成的透明的外覆層，所述桿可以用來(lái)制造光生伏打裝置，該裝置包括半導(dǎo)體芯，該半導(dǎo)體芯包括至少一個(gè)p-n結(jié)，所述p-n結(jié)由相應(yīng)的n型和p型區(qū)域限定；與所述半導(dǎo)體芯成共軸關(guān)系的基本透明的外覆層，形成縱向取向的桿；第一電極和第二電極，各個(gè)電極與n型區(qū)域和p型區(qū)域中相應(yīng)的一種區(qū)域電連接。
文檔編號(hào)G02B6/42GK102318075SQ200980157284
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者D·J·麥克恩羅, 凡卡塔·A·巴哈嘎瓦圖拉 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司