[发明专利]太阳能电池结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及包括制造于具有直接带隙的半导体材料中的细长纳米线的阵列的太阳能电池结构。

背景技术

太阳能电池的市场当前由两种竞争性技术主导：基于硅的太阳能电池及薄膜太阳能电池。针对此申请案的目的，太阳能电池将被理解为经设计用于光电应用的包含其电气接触件及电流扩展层的单一二极管。

因吸引人的材料性质(尤其关于材料纯度及钝化)、改良且简单的工艺技术及原材料的低价，组合了相对高的效率与相对低的成本的基于硅的太阳能电池已长足发展。在结构上，基于Si的太阳能电池可显示一系列选项。举例来说，Si晶片可为约200μm厚，具有纹理化表面及抗反射涂层(举例来说，SiNx制成)。晶片经常为p型，具有面向太阳的浅发射极，且具有由Al或其它p型掺杂剂的内扩散产生的背面场。大量Si太阳能电池通常被串联连接以最小化因高电流而产生的电阻损失。基于硅(单晶或多晶)太阳能电池的晶片的主要缺点是在生产期间的相对高的能量及材料使用，从而产生长回收期。在此，术语单晶指示具有连续(即，未被打破的)晶格的硅，而术语多晶表示包括小硅晶体的材料。此外，在提升硅的效率，使其超过仅高出25％的当今最高能量效率纪录很多方面，尚无明朗的前景。

其它显著的市场份额由“薄膜”太阳能电池技术占据，迄今最成功的一种技术为碲化镉(CdTe)太阳能电池。在薄膜太阳能电池技术中，具有比硅强的光吸收特性的材料被沉积在低成本衬底(例如玻璃)上的平面膜中。膜的厚度约为常规基于Si的太阳能电池的厚度的1％。由于太阳能电池产生于通常(举例来说)通过化学气相沉积(CVD)或溅镀而沉积在衬底的顶部上的材料中而不是衬底本身，所以薄膜技术通常不受晶片形状因子限制而是可制造成大型薄片。此外，由于薄膜发射极通常比Si发射极的导电性低，所以须将透明导电氧化物(TCO)沉积在面向太阳的侧上。与基于Si的太阳能电池相比，薄膜技术提供成本利益(例如低材料消耗)及规模优势(由于可运用较大衬底)，但归因于较差的材料质量而遭受比基于Si的太阳能电池低的效率。

通过使用III-V族半导体材料实现光采集的太阳能电池显著地弥补了上文列举的缺点(尤其是生产期间的高能量及材料使用)。更特定来说，借助于由III-V族半导体(例如GaAs)的单晶薄膜制成的太阳能电池，获得与低材料使用量结合的较高转换效率。事实上，这些电池中的第一流电池的能量效率超过28％。

继续参看在太阳能电池应用中使用GaAs，由于其带隙及其高光子吸收的理想性质，GaAs为用于单结太阳能电池的精选材料。就生产考虑来说，由于其在氢氟酸中的低蚀刻率，GaAs为单结太阳能电池应用中的适合材料。GaAs也是用于高效串列太阳能电池(即，含有若干p-n结的太阳能电池，其中每一结被调谐到光的不同波长)的基础材料中的一者。这些太阳能电池通常基于Ge/GaAs/InGaP及有关材料，指示了用于使此技术达到远超40％的效率的途径。在此背景下，用于空间应用的大容量平面III-V族串列太阳能电池已经达到这些极高效率水平。

在运用III-V族半导体材料进行光采集的背景下，通过使用基于纳米线(细长的纳米尺度结构)的太阳能电池实现在改良太阳能电池的能量效率方面的进一步发展。举例来说，GaAs纳米线太阳能电池(优选地被聚集在阵列中)与在相同材料中的薄膜太阳能电池相比可将材料使用量减少几乎一个数量级。此类纳米线的直径经常为150到200nm且其长度在1到3μm之间。这些纳米线通常由GaAs制造，但也可由InP及具有直接带隙的其它适合化合物制造。值得注意的是，基于纳米线的太阳能电池为串列电池设计提供大量选项。尽管此技术相对不成熟，但暴露到直射阳光时在III-V族纳米线中观察到的强短路电流展示纳米线在相对于材料使用量的集光能力方面明显胜过平面膜。在瓦伦汀(Wallentin)等人的题为“InP纳米线阵列太阳能电池通过超过光线光学元件极限实现13.8％的效率(InP Nanowire Array Solar Cells Achieving 13.8％Efficiency by Exceeding the Ray Optics Limit)”的科技论文中公开此类纳米线的一个实例。