[发明专利]纳米壁太阳能电池和光电子器件

说明书

相关申请

[0001]本申请与2006年11月15日提交的题为“梯度混杂无定形硅纳米线太阳能电池”的共同转让共同未决申请USSN 11/599,722和2006年11月15日提交的题为“无定形-结晶串列式纳米结构太阳能电池”的共同未决申请USSN 11/599,677相关。

技术领域

[0002]本申请一般地涉及太阳能电池和光电子器件，更具体地，涉及包含共形地组装在纳米壁结构上的光活性结的这类器件，其中纳米壁结构可以是光活性结的一部分。

背景技术

[0003]目前，硅(Si)是制造太阳能电池中最常用的材料，这类太阳能电池正在用来把阳光转化为电。为此，使用单-或多-结p-n太阳能电池，但其无一足以明显降低生产和应用这类技术中所包含的成本。因此，与传统电源的竞争阻碍了这类太阳能电池技术的广泛应用。

[0004]大多数电子和光电子器件都需形成结。例如，把一种导电型材料放置到与相反导电型的不同材料接触而形成异质结。或者，可以把单种材料制成的不同掺杂层配对而形成p-n结(或同质结)。在异质结处因导电类型的变化和/或带隙的变化而出现的突变能带弯曲可导致高密度界面状态，使载流子重新结合。制造期间在结处引进的缺陷还可起载流子重新结合点的作用，这会降低器件性能。

[0005]虽然太阳能转换器的理想热力学效率是～85％，但因下述事实而损失效率：不吸收太阳光谱中次带隙能量的光子。这种损失本身，当应用于黑体辐射时，就把单结电池的转换效率限制到约44％(所谓的极限效率)。进一步考虑规一化到黑体温度的太阳光谱、太阳能电池的温度、太阳能电池的形状、电池的折射率和二极管方程，Shockley和Queisser能证明，对于带隙为1.45电子伏特(eV)的优化电池并在1阳光照射下，单-结电池的性能被限制到略高于30％的效率，且对于最大浓度，仅略高于40％(Shockley和Queisser，“p-n结太阳能电池效率的细致平衡极限(Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction SolarCells)”，J.Appl.Phys.，1961，32(3)，pp.510-519)。更新近的计算已证明，该单结的“细致平衡极限效率”为29％(Kerr等，“结晶硅太阳能电池的极限寿命和效率(Lifetime and efficiency of limits of crystalline siliconsolar cells)”，Proc.29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，2002，pp.438-441)。此外，光生电子和半导体晶体内具有陷阱态的空穴的重新结合会进一步降低效率，所述空穴与点缺陷(间隙杂质)、金属团簇、线缺陷(位错)、面缺陷(堆垛层错)和/或晶粒间界相关。虽然后一类效率降低可通过使用具有适当性能(尤其光生载流子的长扩散程)的其它材料而得以克服，但仍然不能使该技术的成本达到与更传统的电源相当的水平。

[0006]因结构不完善或杂质原子所引起的缺陷态可常驻在单晶半导体的表面或本体内。此外，多晶半导体材料由具有晶粒间界的无序取向的晶粒构成，该晶粒间界包括大量本体和表面缺陷态。由于载流子可在缺陷处重新结合并因此而失去载流子，所以缺陷对电子和/或光电子器件如太阳能电池的操作或性能一般都具有不利影响。因此，在器件制造期间，单晶或多晶半导体衬底的表面常要经过钝化，以尽量减少表面缺陷的负面影响。表面钝化的一种方法是在单晶或多晶半导体衬底上形成一层本征(未掺杂)无定形半导体材料。这会减少载流子在衬底表面的重新结合并改进器件的性能。

[0007]制造PV器件的材料的吸收本领也可影响电池的效率。已描述过含有由可变带隙材料形成的i-型半导体吸收层的p-i-n薄膜太阳能电池，所述i-层位于p-型半导体层与n-型半导体层之间。见US专利5,252,142。可变带隙i-层吸收体有利于提高光电转换效率。