技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太陽能電池結(jié)構(gòu)。具體而言，本發(fā)明涉及包含納米線作為有源部件的太陽能電池結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

對于太陽能電池技術(shù)的興趣在最近幾年中日益增加。持續(xù)增長的能源成本以及對環(huán)境的考慮是這種興趣背后的因素。表示高效率太陽能電池大規(guī)模生產(chǎn)的可能性的技術(shù)突破也是重要的因素。

最高效的現(xiàn)有太陽能電池由諸如GaInP或者GaInAs的III-V族半導(dǎo)體以具有若干層的多結(jié)電池的形式制成，其中每層吸收太陽光譜的不同部分。這種概念的優(yōu)點(diǎn)由圖1示出，圖1顯示了對比于GaInP/GaInAs/Ge疊層結(jié)構(gòu)(tandem structure)典型的硅光伏(PV)電池可以轉(zhuǎn)換成電能的太陽AM1.5光譜的部分，。

基于單個(gè)半導(dǎo)體材料的太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率的理論極限為31％。對于雙結(jié)太陽能電池，多結(jié)光伏電池(MJPV)可以將該極限提升到43％以及對于三結(jié)太陽能電池，多結(jié)光伏電池(MJPV)可以將其提升到49％。然而，所有的必須的不同材料組合(material combination)的制備是有挑戰(zhàn)性的并且晶體的高材料質(zhì)量對于實(shí)現(xiàn)高效率是必需的。

許多進(jìn)步已經(jīng)出現(xiàn)并且2006年12月Boeing/Spectrolab宣布(http://www.spectrolab.com/com/news/news-detail.asp？id＝172)他們已經(jīng)證明在400倍的聚集陽光(400x concentrated sunlight)下使用三結(jié)MJPV GaInP/GaInAs/Ge電池的40.7％的創(chuàng)記錄的轉(zhuǎn)換效率。如在Phys.Sat.Sol(c)3,373(2006)中F.Dimroth的“High-efficiency solar cells from III-V compound semiconductors(由III-V族化合物半導(dǎo)體制成的高效率太陽能電池)”中所提到的，該技術(shù)最初被開發(fā)用于空間應(yīng)用，其中鍺(Ge)是合適的襯底材料。地殼中的Ge的可獲量是有限的并且其很昂貴，如果這種高效率疊層太陽能電池在世界上大量被使用，這可能是個(gè)限制。由于這個(gè)原因，利用與Ge相比Si襯底的更高的多結(jié)效率、更低的成本以及更高的可獲量，基于晶體Si或者甚至基于更普通的襯底的多結(jié)太陽能電池的發(fā)展將為地面應(yīng)用敞開新的機(jī)會?，F(xiàn)有技術(shù)的包含生長在Ge襯底上的晶格匹配層的多結(jié)光伏電池在J Electr Spectr Rel Phen 150,105(2006)中L.L.Kazmerski的“Solar photovoltaics R&D at the tipping point:A 2005 technology overview(處于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的太陽能光伏研發(fā)：2005技術(shù)綜述)”中被論述。在使用聚光器(concentrator)的情況下，這種MJPV電池達(dá)到超過40％的效率。

然而，可以確定平面型III-V族多結(jié)太陽能電池的技術(shù)障礙。由于物理限制，高于50％的效率將非常難以達(dá)到。用于多結(jié)太陽能電池的常規(guī)III-V族材料要求在大的襯底面積上完美的晶格匹配以避免位錯(cuò)。良好的設(shè)備功能性也將要求整個(gè)晶圓(wafer)上非常高程度的組成均勻性(compositional homogeneity)。這使得對大面積的襯底的按比例放大(up-scaling)非常有挑戰(zhàn)性，即使這樣的襯底可以合理的價(jià)錢獲得。即使可以克服這些問題，既具有合適的帶隙又或多或少晶格匹配的材料的有限數(shù)量使在平面型太陽能電池中生產(chǎn)多于三個(gè)結(jié)非常困難，而這對于達(dá)到非常高的效率是必須的。

除了上述與現(xiàn)有技術(shù)的多結(jié)電池相關(guān)聯(lián)的技術(shù)挑戰(zhàn)，成本和按比例縮放(scaling)兩者都提出難題。舉例來說，由于高的襯底成本以及小的晶圓尺寸，生長在Ge或III-V族襯底上的多結(jié)電池非常昂貴。另外，III-V族材料如今在高級的MOCVD中或者甚至MBE反應(yīng)器中外延地(epitaxially)生長而具有低生產(chǎn)率并且珍貴的原始材料的高成本使得必須使用聚光器以提高系統(tǒng)層面上的性價(jià)比。即使成本可以被減少，甚至在全日光強(qiáng)(full sunlight)下聚光器對于得到飽和電壓仍然是必須的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)有技術(shù)的太陽能電池設(shè)備需要被改進(jìn)以得到所期望的或者“理論上的”關(guān)于效率和生產(chǎn)成本的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。通過如獨(dú)立權(quán)利要求所定義的太陽能電池結(jié)構(gòu)和太陽能電池模塊來實(shí)現(xiàn)該目的。

根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)包含構(gòu)成該太陽能電池結(jié)構(gòu)的光吸收部分的納米線以及包圍該納米線的至少一部分的鈍化殼。優(yōu)選地，該納米線從襯底突出。

在本發(fā)明的第一方面，太陽能電池結(jié)構(gòu)的鈍化殼包含與納米線相鄰的光導(dǎo)殼。優(yōu)選地，該光導(dǎo)殼由具有比納米線高的帶隙的材料制成并且優(yōu)選地該光導(dǎo)殼也具有間接帶隙。

在本發(fā)明的第二方面，太陽能電池結(jié)構(gòu)包含多根納米線，以相鄰納米線之間的最大間距定位該多根納米線，該最大間距比該太陽能電池結(jié)構(gòu)打算要吸收的光的波長短。因此，入射的光將經(jīng)歷由該多根納米線定義的所謂“有效介質(zhì)”。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，納米線包含形成適用于吸收太陽光譜的波長范圍中的光的帶隙的至少一個(gè)段。太陽能電池結(jié)構(gòu)也可以被裝備有多個(gè)段，其中每個(gè)段適用于吸收太陽光譜的不同波長范圍中的光。多個(gè)段優(yōu)選地被布置為使得每個(gè)段的帶隙在遠(yuǎn)離預(yù)計(jì)入射的光并且沿所述納米線(205)的縱軸的方向上降低。

該多個(gè)段可以通過江崎二極管(Esaki diode)或者金屬段串聯(lián)連接。

歸功于本發(fā)明，有可能以可接受的成本生產(chǎn)高效率的太陽能電池。

本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該太陽能電池允許異質(zhì)結(jié)構(gòu)而不需要晶格匹配，從而允許在材料組合的選擇方面大的自由度。原則上，對于不同帶隙，即納米線中的段的數(shù)量沒有限制，從而給予吸收太陽光譜的所有的有用部分或者所選擇的部分的可能性。

由于用于每根單獨(dú)的線的小的生長面積，不需要在整個(gè)晶圓上極端均勻的生長，這放松了對于生長系統(tǒng)的要求。同樣地，由于小面積，襯底可以是多晶或者薄膜硅，等等。

根據(jù)本發(fā)明第一方面的太陽能電池結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是光導(dǎo)殼以有序的方式指引光通過由遞減的帶隙構(gòu)成的區(qū)域，從而允許順序的光采集。

另外，光導(dǎo)結(jié)構(gòu)提供光子到納米線的本征集中(intrinsic concentration)，從而甚至在漫射光的條件下也給予飽和電壓。

本發(fā)明提供的更進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是使用金屬段來連接納米線的段的可能性。由于金屬層是不透明的，這在現(xiàn)有技術(shù)的平面型設(shè)備中是不可能的。然而，在本發(fā)明中，由于被光導(dǎo)殼包圍的窄的光吸收納米線，不透明性將具有有限的負(fù)面影響。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面通過將納米線足夠靠近地放置在襯底上，由于入射的光將密集組裝的(closely packed)納米線“看作”連續(xù)的有效介質(zhì)，使用納米線的優(yōu)點(diǎn)被與光的有效吸收相結(jié)合。

在從屬權(quán)利要求中定義本發(fā)明的實(shí)施例。在結(jié)合附圖和權(quán)利要求考慮時(shí)，本發(fā)明的其他目的、優(yōu)點(diǎn)以及新穎的特征將從下面對本發(fā)明的詳細(xì)描述中變得顯而易見。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中：

圖1示意性地示出理論上可以分別被基于硅的太陽能電池和基于GaInP/GaInAs/Ge的太陽能電池使用的AM1.5太陽光譜的部分，其中黑色區(qū)域表示由于載流子(charge carrier)熱能化(thermalisation)或者光子傳輸?shù)男蕮p耗；

圖2a示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的太陽能電池結(jié)構(gòu)；

圖2b示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包含具有多個(gè)段的納米線的太陽能電池結(jié)構(gòu)；

圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)，其中納米線的頂部從光導(dǎo)殼向外突出；

圖4a-b示意性地示出本發(fā)明的實(shí)施例，其中在4a中，襯底被裝備有二極管，而在4b中，納米線在光導(dǎo)殼的頂端終止。

圖5a-b示意性地示出本發(fā)明的實(shí)施例，其中在5a中江崎二極管以及在5b中金屬段被用來使納米線的各段相互連接。

圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包含多根納米線的太陽能結(jié)構(gòu)，每根納米線包含多個(gè)pn結(jié)；

圖7示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的具有緊密間隔(with closely spaced)的納米線的太陽能電池結(jié)構(gòu)，其適用于以有效介質(zhì)的方式吸收光；

圖8示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包含單個(gè)pn結(jié)的太陽能電池結(jié)構(gòu)；

圖9示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的包含多個(gè)pn結(jié)的太陽能電池結(jié)構(gòu)，以及

圖10示意性地示出包含被緊密地放置在一起的多根納米線的太陽能電池結(jié)構(gòu)，其中以高的且間接的帶隙的材料包圍每根納米線。

具體實(shí)施方式

圖2a示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例。納米線205構(gòu)成太陽能電池結(jié)構(gòu)的光吸收部分并且鈍化殼209包圍納米線205的至少一部分。優(yōu)選地，納米線從襯底220突出。納米線可以基本上垂直于襯底220或者成角度地突出。

入射的(太陽)光201被耦合進(jìn)入太陽能電池結(jié)構(gòu)的納米線205。入射的光生成電子空穴對并且優(yōu)選地太陽能電池結(jié)構(gòu)的光吸收部分，即納米線205，被配置為pn結(jié)以建立電場，該電場推動(promote)電流僅在一個(gè)方向上流過前端接觸部203和后端接觸部202之間的納米線205。舉例來說，前端接觸部203和后端接觸部202，如圖2a示意性地所示，分別電連接到納米線205的頂部和底部，并且光201被耦合進(jìn)入納米線205的頂部。

根據(jù)本發(fā)明鈍化殼209的一個(gè)目的是要減少納米線205的圓周表面上的中間間隙表面狀態(tài)(mid-gap surface state)的數(shù)量。通過使用鈍化殼，可以將表面狀態(tài)從導(dǎo)電的納米線上除去。另一個(gè)目的是要使納米線205與周圍絕緣。另外，在一些結(jié)構(gòu)中鈍化殼可以在太陽能電池結(jié)構(gòu)中起更積極的作用。由于壓縮應(yīng)變或者拉伸應(yīng)變，帶隙可以被提高或者降低或者帶可以被彎曲以將空穴與電子徑向地分開。鈍化殼209的功能以及上述目的在太陽能電池結(jié)構(gòu)的各種結(jié)構(gòu)中或多或少是重要的或者相關(guān)的。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，鈍化殼209包含與納米線205的圓周表面相鄰的光導(dǎo)殼。優(yōu)選地，納米線205由直接帶隙材料制成并且光導(dǎo)殼210由具有高的且間接的帶隙的材料制成。光導(dǎo)殼可以構(gòu)成整個(gè)的鈍化殼210或者可以是以被外部殼圍繞的內(nèi)部殼的形式，該外部殼具有上文所描述的特性。由于光導(dǎo)殼由間接的高帶隙材料制成，沒有光將在該殼中被吸收并且光導(dǎo)殼指引光沿著納米線205。

參考圖2b，在包含半導(dǎo)體材料的納米線205中，具有比半導(dǎo)體材料的帶隙大的能量的光子可以被吸收。然而，具有基本上超過帶隙的能量的光子不但將生成電子空穴對而且將生成熱量，這引起熱能化損耗并且因而對太陽能電池的效率有負(fù)面影響。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池的納米線205的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以包含一個(gè)或多個(gè)段215，其每個(gè)形成適用于吸收太陽光譜的預(yù)先確定的波長范圍中的光的帶隙。光的高能量部分則將在段215中被吸收，該段215形成適用于吸收包括該高能量部分的預(yù)先確定的波長范圍中的光的帶隙，而具有比那個(gè)段的帶隙低的能量的光子將如經(jīng)歷透明波導(dǎo)那樣經(jīng)歷那個(gè)段。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，太陽能電池結(jié)構(gòu)包含吸收光的納米線205，該納米線205具有沿納米線205分布的多個(gè)段215，其中每個(gè)段215適用于吸收太陽光譜的不同波長范圍中的光。入射的光被用于被耦合進(jìn)入納米線205的頂部。多個(gè)段215被布置為使得每個(gè)段215的帶隙在從納米線205的頂部朝納米線205的底部的方向上降低。以這種方式實(shí)現(xiàn)光的階梯式選擇性吸收和傳輸，其中具有比多個(gè)段215中的一個(gè)的帶隙高的能量的光被吸收并且具有較低能量的光被傳送到下一個(gè)段215。然后下一個(gè)段將以其較低帶隙來提供相同的選擇性吸收和傳輸，等等。因此，太陽能電池譜的大部分可以被有效地利用，具有有限的熱能化損耗，這給予了高效率。

圖2b示意性地示出本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例，該太陽能電池結(jié)構(gòu)包含構(gòu)成太陽能電池結(jié)構(gòu)的光吸收部分的納米線205以及包圍該納米線205的至少一部分的光導(dǎo)殼210。優(yōu)選地，納米線205從襯底220突出?？蛇x地，納米線205從襯底220突出并且包含沿納米線205分布的多個(gè)段215，其中每個(gè)段215適用于吸收太陽光譜的不同波長范圍中的光。前端接觸部224和后端接觸部分別被電連接到納米線的頂部和底部。如圖2b所示，前端接觸部224可以包圍納米線205的頂部并且后端接觸部225可以被布置于在納米線205的相對側(cè)的襯底220上。為了有效地吸收在頂部處被耦合進(jìn)入太陽能電池結(jié)構(gòu)的光，多個(gè)段215被布置為使得每個(gè)段215的帶隙在從納米線205的頂部朝納米線205的底部的方向上降低。光導(dǎo)殼210由具有比納米線205的光吸收部分高的帶隙的材料制成，并且優(yōu)選地該帶隙是間接的。因而，光導(dǎo)殼210以從納米線205的頂部到底部的方向引導(dǎo)入射的光而不在其中吸收。因此，具有越來越長的波長的入射的光相繼在每個(gè)段215中被吸收?？蛇x地，太陽能電池結(jié)構(gòu)包含以圍繞納米線205的底部的卷繞結(jié)構(gòu)覆蓋襯底表面的介電層。此外，在圖2b中示出的太陽能電池結(jié)構(gòu)可以包含具有鈍化和絕緣特性的外部殼層，如上文所述，該外部殼層包圍光導(dǎo)殼210。因而，光導(dǎo)殼和該外部殼層一起構(gòu)成太陽能電池結(jié)構(gòu)的鈍化殼。

圖3示意性地示出本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例，其中光吸收部分為納米線205，該納米線205從襯底220突出并且被光導(dǎo)殼210部分地包圍。納米線205的頂部240從光導(dǎo)殼209向外延伸。前端接觸部224和后端接觸部225分別被電連接到納米線205的頂部240和底部。如圖3b所示，后端接觸部225可以被布置于在納米線205的相對側(cè)的襯底220上并且前端接觸部224包圍頂部240。前端接觸部224可以是接觸納米線205的頂部240的金屬網(wǎng)格(metal grid)或者覆蓋整個(gè)太陽能電池結(jié)構(gòu)的透明接觸部。另外，在光導(dǎo)殼210上延伸的納米線205的頂部240可以被摻雜以進(jìn)一步增強(qiáng)接觸特性。優(yōu)選地，納米線205包含直接帶隙材料并且光導(dǎo)殼210由具有比納米線205的直接帶隙材料高的帶隙的至少一個(gè)間接帶隙材料制成以從光導(dǎo)殼210獲得光導(dǎo)功能。納米線205包含多個(gè)段215，每個(gè)段形成適用于吸收太陽光譜的預(yù)先確定的波長范圍中的光的帶隙。優(yōu)選地，多個(gè)段215被布置為使得由段215形成的帶隙在從襯底220的頂部240并且沿納米線205朝底部的方向上相繼降低。在使用中，入射的光被耦合進(jìn)入太陽能電池結(jié)構(gòu)并且首先高能量光子被吸收，接著具有相繼更低能量的光子在它們朝納米線205的底部傳播時(shí)在段215中被相繼吸收。由于光被光導(dǎo)殼210引導(dǎo)，納米線可以部分不透明。段215可以通過例如江崎二極管216或者短的金屬段被串聯(lián)連接。

納米線技術(shù)允許異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成，諸如由多個(gè)段215形成的納米線205的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不需要晶格匹配，這給予材料組合方面大的自由度。因而可以在納米線205中實(shí)現(xiàn)幾乎吸收太陽光譜的任何波長范圍的帶隙(這不能通過使用現(xiàn)有技術(shù)的平面技術(shù)容易地獲得)。原則上，對于根據(jù)本發(fā)明的納米線205的段215的不同帶隙的數(shù)量沒有限制并且因而來自大部分的太陽能電池光譜的光可以被吸收。

優(yōu)選地，通過光導(dǎo)殼到納米線205上的徑向生長，光導(dǎo)殼210外延地連接到納米線205。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，太陽能電池結(jié)構(gòu)包含納米線205，其優(yōu)選地在光導(dǎo)殼210的中心。光導(dǎo)殼210由間接高帶隙材料制成并且足夠窄以僅允許單模的光傳播，并且比較起來納米線小。根據(jù)該實(shí)施例的太陽能電池結(jié)構(gòu)的功能如下：在納米線205的頂部240處光被耦合進(jìn)入太陽能電池結(jié)構(gòu)。由于光導(dǎo)殼210是間接高帶隙材料，在此將沒有光被吸收，并且由于光導(dǎo)殼是單模的，場在核心處最強(qiáng)，即在納米線205的位置處。當(dāng)光向下傳播時(shí)，更高的能量被有效地吸收，而具有比帶隙低的能量的光子將僅僅經(jīng)歷透明的波導(dǎo)。由于能量帶在納米線205中被順序地去掉，光子在每個(gè)段215中產(chǎn)生光電壓，該光電壓等于那個(gè)段中的帶隙。理想地，該結(jié)構(gòu)將如此有效以至于只有低能量的光穿透到襯底。然而，襯底也可以包含標(biāo)準(zhǔn)的光電二極管以收集零散的較高能量的光子并且生成光電壓。

本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)的襯底220可以僅起機(jī)械支承和電接觸部的作用，如圖3所示，或者其也可以含有一個(gè)或多個(gè)電性有源部件，例如標(biāo)準(zhǔn)的光電二極管結(jié)構(gòu)。具有光電二極管的這種太陽能電池結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例在圖4a中示意性地示出，該光電二極管由襯底220中的反向摻雜區(qū)域222、223來實(shí)現(xiàn)，例如p摻雜區(qū)域222和隨后的n摻雜區(qū)域。

圖4b示出根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施例，其中納米線205在光導(dǎo)殼210的頂端處或者接近光導(dǎo)殼210的頂端處結(jié)束?？赡艿?，但不是必須地，納米線210以由催化粒子(catalytic particle)構(gòu)成的罩250結(jié)束，這對于一些納米線生長方法是典型的。這種布局最適合用在平的，優(yōu)選地為透明的前端接觸部上。

光導(dǎo)殼210可以看作波導(dǎo)，盡管其不被限于作為單模波導(dǎo)操作。光導(dǎo)殼210以有序的方式指引或者引導(dǎo)光通過由遞減的帶隙構(gòu)成的區(qū)域，這實(shí)現(xiàn)了順序的光采集。而且，光導(dǎo)殼210防止由在納米線205的圓周表面處的吸收以及由從太陽能電池結(jié)構(gòu)中出來的光引起的損耗。

圖5a示意性地示出納米線205的放大，顯示段215和江崎二極管216，在段內(nèi)有p型和n型區(qū)域。圖5b示意性地示出本發(fā)明的實(shí)施例，其中通常被用在現(xiàn)有技術(shù)的平面型串聯(lián)電池中的江崎二極管被換為金屬段217。由于在根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)中減少了對納米線205的透明性的需要，這是有可能的。

根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池模塊或者太陽能電池板典型地包含多個(gè)上述太陽能電池結(jié)構(gòu)，其優(yōu)選地被密集地組裝在襯底或者晶圓上，以覆蓋襯底或者晶圓表面的實(shí)質(zhì)部分(substantial part)。太陽能電池模塊可以包含一個(gè)晶圓，但是多個(gè)晶圓相互連接以給予所要求的電能產(chǎn)量也是有可能的。

根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)與使用平面技術(shù)制備的現(xiàn)有技術(shù)的太陽能電池相比的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為這些結(jié)構(gòu)可以在比通常的MOCVD簡單得多的系統(tǒng)中生長。此外，原則上具有遍及全部太陽光譜的帶隙的材料可以被并入納米線。因而，襯底可以被僅用作支承結(jié)構(gòu)。由于每個(gè)納米線205要求小的生長面積，不需要整個(gè)晶圓上極端均勻的生長，這放松了對于生長系統(tǒng)的要求。同樣地，由于小面積，襯底可以是多晶或者薄膜硅，或者更簡單的一些材料。

光導(dǎo)殼布局提供光子到核心中的本征集中，甚至在漫射光的條件下其也可以給予飽和電壓。

參考圖6，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供包含具有多個(gè)垂直pn結(jié)的納米線205的太陽能電池結(jié)構(gòu)，其中上面的pn結(jié)形成高帶隙部分而下面的pn結(jié)形成較低帶隙部分。優(yōu)選地用江崎隧道二極管將這些部分分開。光導(dǎo)殼210包圍納米線205并且鈍化和絕緣材料優(yōu)選地填滿納米線之間的體積(volumn)。舉例來說，隧道二極管層可以是重?fù)诫sAlGaAs、GaAsP或者GaInP。

使用平面技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)具有不同晶格常數(shù)的材料組合，在平面技術(shù)中要求晶格匹配。由于在本發(fā)明中，晶格匹配無關(guān)緊要(由于否則在使用常規(guī)的平面外延生長方法時(shí)其將妨礙這種類型的發(fā)展)，該方法在將來可以被拓展到更多的結(jié)。對于雙結(jié)太陽能電池，頂端段的帶隙(子電池)理想地應(yīng)當(dāng)在1.6-1.8eV的范圍中并且底端段的帶隙(子電池)在0.9-1.1eV的范圍中?？梢酝ㄟ^將GaAsP或者GaInP用于頂端段以及將GaInAs或者InAsP用于底端段而達(dá)到這些帶隙能量。用于能量采集的這些材料組合所跨越的整個(gè)能量范圍覆蓋0.4eV(InAs)到2.24eV(GaInP)。

在根據(jù)本發(fā)明的光導(dǎo)布局中，光導(dǎo)殼的寬度d，如圖6所示，大于波長λ除以其折射率n。優(yōu)選地，寬度d大于500nm。光導(dǎo)殼209通過反射指引光沿著納米線。如圖所示，鈍化殼209可以是填滿納米線之間的體積的基質(zhì)(matrix)。

根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)的特定實(shí)施例的一個(gè)例子具有光子光導(dǎo)設(shè)計(jì)，經(jīng)完全透明的高折射率殼(如A1N)的徑向生長而產(chǎn)生，其起具有大約0.5微米的直徑的完全光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的作用，具有大約100納米的光導(dǎo)結(jié)構(gòu)是多帶隙核心結(jié)構(gòu)。由于延長的納米線的密集布局，納米線205的頂部(大約0.5微米)將捕獲入射的光通量，接著以使得高能量部分將在頂端段中被捕獲的方式被向下傳輸該光通量，該頂端段對于低于其帶隙的所有光子能而言看起來就像是完全透明的波導(dǎo)。相同的選擇性吸收和傳輸則將由下一個(gè)段用其較低的帶隙來提供，等等。在頂端以上，所選擇的帶隙段是被用于接觸的、長的n型重?fù)诫sGaN段。底端段可以由InN制成并且中間段包含逐漸增長的Ga份額直到具有大約Ga_0.7In_0.3N的組合物(composition)的頂端段。在這種情況下，由于最低的帶隙將位于納米線的底端，襯底將提供支承和后端接觸部。可能的其他材料組合是AlGaInAsP。在這個(gè)材料系統(tǒng)中，存在具有在0.4eV直到2.25eV之間的值的直接帶隙材料，因而完全比得上多結(jié)電池的技術(shù)發(fā)展水平。在這種情況下，下面的段可以在沿用已久的InAs_1-xP_x系統(tǒng)中形成，并且上面的段例如可以在Ga_xIn_1-xP系統(tǒng)中形成，由富含Ga(70％)的GaInP構(gòu)成的頂端段具有2.25eV的直接帶隙。這些是使用在其中要求晶格匹配的常規(guī)平面技術(shù)還無法得到的材料組合。

使用根據(jù)本發(fā)明的基于納米線的太陽能電池結(jié)構(gòu)控制(太陽)光的吸收也可以用其他方式獲得，該其他方式可以是被稱為類似于“有效介質(zhì)”的概念?！坝行Ы橘|(zhì)”通常被描述為含有在長度尺度(length-scale)上大大地小于入射光的波長的不同材料的結(jié)構(gòu)。這個(gè)概念可以被看作通過吸收的光學(xué)效應(yīng)用以基本上小于入射光(打算要將其吸收)的波長的距離間隔的、優(yōu)選地為平行的納米線的密集布局替代通常的在連續(xù)膜中所使用的吸收(this concept can be seen as a replacement of the commonly used absorption in continuous films by the optical effects of absorption by a dense arrangement of preferably parallel nanowires,spaced by distances substantially smaller than the wavelength of the incident light(that is intended to be absorbed))。

根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例包含構(gòu)成太陽能電池結(jié)構(gòu)的光吸收部分的多根納米線。納米線可選地從襯底突出并且被以相鄰納米線之間的最大間距來提供，該最大間距小于太陽能電池結(jié)構(gòu)打算要吸收的光的波長，以獲得“有效介質(zhì)”效果。優(yōu)選地，由具有高的且間接的帶隙的材料構(gòu)成的鈍化殼包含該納米線的至少一部分。鈍化殼可以完全填滿納米線之間的間距。

納米線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以包含一個(gè)或多個(gè)段，每個(gè)段形成適用于吸收太陽光譜的預(yù)先確定的波長范圍中的光的帶隙。通過提供具有不同帶隙的段，每個(gè)段適用于吸收太陽光譜的不同波長范圍中的光。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，太陽能電池結(jié)構(gòu)包含多根納米線，在襯底上以相鄰納米線之間的比所述不同波長范圍的最短波長短的最大間距提供該多根納米線。

圖7示意性地示出“有效介質(zhì)”概念，其中a)示意性地示出通過使用平面技術(shù)制備的常規(guī)多結(jié)光伏設(shè)備，其中多個(gè)層741、742、743、744、745、746形成吸收入射的光的不同部分的段，用粗箭頭指示。如在背景技術(shù)中所描述的，用合適的材料組合形成這種多層結(jié)構(gòu)是相當(dāng)困難的并且要求使用昂貴的III-V族襯底720。圖7b示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的太陽能電池結(jié)構(gòu)，其包含由密集組裝的納米線705構(gòu)成的矩陣(matrix)，具有最大納米線間距D，即中心到中心距離，其比設(shè)備設(shè)計(jì)用來吸收的最短波長小。入射的光子將把密集的陣列“看作”擬連續(xù)(quasi-continuous)的吸收層的序列，而生成的電子和空穴將通過垂直的納米線結(jié)構(gòu)被精確地收集。這種方式允許用于PV電池光照(illumination)的標(biāo)準(zhǔn)幾何構(gòu)造，確保最高PV效率所要求的順序吸收特征。

相鄰的納米線之間的最大間距D小于400納米，優(yōu)選地小于200納米以及甚至更優(yōu)選地小于150納米。在該實(shí)施例中的納米線寬度典型地為大約100納米。最大間距D也可以與光的波長λ和納米線材料的有效折射率n_eff相關(guān)。優(yōu)選地，最大間距D小于λ/n_eff。襯底720優(yōu)選地為硅襯底，并且納米線705優(yōu)選地從襯底生長。

參考圖8，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，包含具有垂直單個(gè)pn結(jié)的納米線705的太陽能電池結(jié)構(gòu)被提供。襯底720可以是諸如InP或者GaAs襯底的p型III-V族晶圓，如圖中示意性地所示，但是硅襯底在許多情況中是優(yōu)先的選擇。為了接觸上方頂端的n導(dǎo)電(n-conducting)區(qū)域，導(dǎo)電的透明膜可以被沉積在整個(gè)結(jié)構(gòu)上，由于n摻雜納米線區(qū)域之間的區(qū)域被絕緣和表面鈍化介電掩膜(例如SiO₂)覆蓋，其構(gòu)成包圍納米線705的鈍化殼709。

參考圖9，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，以有效介質(zhì)構(gòu)架的形式提供形成段715的多個(gè)pn結(jié)。該圖示意性地示出具有嵌入的江崎隧道二極管716和包圍的鈍化殼709的串聯(lián)光伏電池。通過將納米線705的長度、寬度(直徑)和密度選擇為足夠高，該幾何構(gòu)造將保證基本上所有入射的輻射將被納米線705吸收。在雙結(jié)的頂端，可以生長間接帶隙材料構(gòu)成的段以增強(qiáng)光導(dǎo)方法的光吸收效率。具有超過所選擇的材料的帶隙的能量的光子的納米線吸收可以是高的并且可以預(yù)期取決于波長的穿透深度。

基于有效介質(zhì)概念的實(shí)施例中鈍化殼709主要用于鈍化和絕緣。然而，該鈍化殼709可以包含光導(dǎo)殼，如在本說明書的其他實(shí)施例中所描述的那樣。圖10示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例，該太陽能電池結(jié)構(gòu)包含從襯底720突出的多根納米線705。納米線705包含被江崎隧道二極管716分開的多個(gè)pn結(jié)形成段715。納米線705被密集地組裝，即以納米線之間比該太陽能電池結(jié)構(gòu)打算要吸收的光的波長短的的最大間距D來組裝。優(yōu)選地，納米線的頂部740包含高度摻雜段以便對于于前端接觸部來說獲得低接觸部電阻。如上所述，完全填滿納米線之間的體積的鈍化殼709包含光導(dǎo)殼709。

為了基于納米線的高效率多結(jié)光伏電池的實(shí)現(xiàn)，提供光吸收以恰當(dāng)?shù)捻樞虬l(fā)生，因而應(yīng)當(dāng)避免在不同材料部分中的隨機(jī)吸收。在上文所描述的實(shí)施例中，該順序吸收通過使用核心-殼結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，通過該核心-殼結(jié)構(gòu)將光從納米線的頂端引導(dǎo)到納米線的底端。

盡管本發(fā)明的太陽能電池結(jié)構(gòu)已經(jīng)被描述為適用于光通過前端接觸部或者頂部耦合進(jìn)入納米線，本發(fā)明并不局限于此。入射光也可以通過襯底被傳送進(jìn)入納米線。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)以將段布置為吸收最高能量的段最接近襯底。此外，可以做薄或者甚至去除襯底。

包含多個(gè)段215、715的實(shí)施例不限于段215、715，其中每個(gè)適用于吸收太陽光譜的不同波長范圍中的光。太陽能電池結(jié)構(gòu)的納米線205、705可以包含兩個(gè)或者更多的段215、715，其適用于吸收太陽光譜的相同的預(yù)先確定的波長范圍中的光。這可以被用于逐步增加太陽能電池結(jié)構(gòu)的電壓輸出。

雖然在多結(jié)PV應(yīng)用的背景下描述本發(fā)明，所期望的是發(fā)現(xiàn)在其他光電子領(lǐng)域中的應(yīng)用，諸如用于光檢測器。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的那樣，在本文中描述的本發(fā)明的實(shí)施例可以各種方式組合。

用于襯底的合適的材料包括，但不限于：Si、GaAs、GaP、GaP:Zn、InAs、InP、GaN、Al₂O₃、SiC、Ge、GaSb、ZnO、InSb、SOI(絕緣體上硅,silicon-on-insulator)、CdS、ZnSe、CdTe。用于納米線和納米線的段的材料包括，但不限于：GaAs、InAs、Ge、ZnO、InN、GaInN、GaN AlGaInN、BN、InP、InAsP、GaP、GaAsP、GaInP、GaInAs、AlInP、GaAlInP、GaAlInAsP、GaInSb、InSb、Si?？赡艿氖┲鲹诫s物為Si、Sn、Te、Se、S等等，并且受主摻雜物為Zn、Fe、Mg、Be、Cd等等。用于鈍化和光導(dǎo)的殼的合適的材料包括，但不限于：AlN、GaN、InN、AlGaInN、BN、SiC、GaP、GaAsP、AlAs、AlP、AlSb、AlAsP、GaAlAs、GaAlAsP、AlInP、SiO₂、Al₂O₃、ZnO、SiN、HfO₂、ZrO₂、ZnCdTeSeS、玻璃、有機(jī)聚合物等等。應(yīng)當(dāng)注意到的是使用在本文中所描述的納米線技術(shù)使得使用諸如GaN、InN和AlN的氮化物成為可能。

雖然已經(jīng)結(jié)合那些當(dāng)前被認(rèn)為是最實(shí)際的并且優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例，相反地，其旨在于覆蓋隨附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)各種變形和等效布局。