[发明专利]活性区域带有具有能量阱的纳米结构的太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池设计。特定来说，本发明的实施例涉及太阳能电池的具有 能量阱的活性区域。

背景技术

部分由于迫在眉睫的传统能源短缺(例如，原油及天然气)且由于对“绿色技术” 好处的认识增加，太阳能电池技术当前随时准备在大规模利用方面取得显著进步。尽 管从太阳捕获“免费”能量，但太阳能电池技术比较昂贵，每瓦特所有权成本($/W) 远远超过由电效用提供的$/W。最近在$5/W下，很大程度上由于所使用半导体材料的 费用，太阳能面板的投资回收期差不多是其寿命的50％。持续高的$/W数字已引发关 于成本降低的想法，其一实例是聚集光伏技术(CPV)。在CPV中，太阳的能量被数 百次地聚集到太阳能电池上。然而，由于因聚集而产生的高热量，CPV要求太阳能电 池要非常热强健。幸运的是，具有更强健的热性质及更好地适合于太阳的光谱的带隙 能量的新材料的出现通过CPV再次使太阳能技术具有吸引力。

直到最近，硅(Si)已处于太阳能电池技术的核心。然而，最好的基于单结Si 的电池的效率仅达到约22％。最近，多结太阳能电池设计已实现远远超过单结装置的 效率。在多结设计中，通常每一结由不同的材料形成。举例来说，已一起使用III-V化 合物半导体(例如，InGaAs、InGaP)及IV族材料(例如，Ge)来制作多结太阳能电 池。这些多结太阳能电池针对每一结通常使用不同的材料。已声称在使用三种所提及 半导体的三结设计中实现高达40.7％的实验室效率。

然而，由于材料成本以及制造复杂性，这些基于III-V化合物半导体的太阳能电 池比单结Si装置昂贵。因此，在纯粹的大小要求意味着高昂成本的传统太阳能面板生 意中已将这些装置排除在外。然而，太空及其它利基应用维持对基于III-V化合物半导 体的更昂贵但更高效且更强健的太阳能电池的特殊兴趣。

因此，尽管已作出对太阳能电池效率的改善，但仍需要进一步改善效率。另外需 要降低太阳能电池的每瓦特所有权成本。

此部分中说明的方法是可推行的方法，但未必是先前已构思或推行的方法。因此， 除非另外指示，否则不应假设这部分中说明的任何方法如现有技术仅由其在此部分中 的包括来限定。

附图说明

本文以举例方式而非限定方式在附图的各图式中图解说明本发明，且在附图中相 同的参考编号指代类似的元件，附图中：

图1是根据本发明实施例的实例性单结太阳能电池。

图2描绘根据本发明实施例的单个纳米结构的物理结构及对应的传导能带图。

图3A、图3B、图3C、图3D及图3E是根据本发明实施例的不同能量阱配置的 传导能带图。

图4图解说明根据本发明实施例的实例性三结太阳能电池。

图5图解说明根据本发明实施例的实例性两结太阳能电池。

图6图解说明根据本发明实施例的其中生长衬底已被蚀刻掉的实例性太阳能电 池。

具体实施方式

在以下说明中，为便于进行解释，列举了许多具体细节以提供对本发明的透彻理 解。然而，应明了，不需要这些具体细节也可以实践本发明。在其它例示中，本文以 框图形式显示众所周知的结构及装置，以避免对本发明造成不必要的遮蔽。

综览

本文揭示一种具有带有能量阱的光活性区域(“活性区域”)的光伏电池(“太 阳能电池”)。所述能量阱可以是量子阱，但对此不作要求。所述能量阱可以是渐变 的，由此意指所述能量阱彼此具有不同的带隙，通常从一个阱向另一个阱单调增加或 减小。所述太阳能电池容许电池辐射穿过之物将称作所述太阳能电池的“窗口”。一 般来说，远离所述窗口的能量阱具有比接近所述窗口的能量阱低的带隙。

在一个实施例中，所述活性区域包含纳米结构。所述纳米结构可以是纳米柱、纳 米导线、纳米杆、纳米管等。所述纳米结构由包含III-V化合物半导体及改变所述III-V 化合物半导体的带隙的元素的材料形成。举例来说，所述III-V化合物半导体可以是氮 化镓(GaN)，其具有约3.4eV的带隙。作为实例，所述“带隙改变元素”可以是铟 (In)。当In并入到GaN中且取代Ga时，所得InGaN的带隙低于GaN的带隙。并 入的In越多(且因此被取代的Ga越多)，那么InGaN的带隙越低。如果所有的Ga 被In取代，产生InN，那么带隙为约0.7eV。可将显著量的In并入到InGaN纳米结 构中，其中所述纳米结构大致无缺陷及应变。