太阳能电池结构及其制造方法技术

一种太阳能电池结构(1)及其制造方法，所述结构包括制造于具有直接带隙的半导体材料中的细长的纳米线(2)的阵列。每一纳米线(2)具有至少第一区段(3)及第二区段(4)。所述结构包括：第一电极层(7)，其实现与每一第一区段(3)的至少一个部分的欧姆接触；第二光学透明电极层(8)，其实现与每一第二区段的至少一个部分的接触。每一纳米线(2)包括少数载流子屏障元件(6)以用于在与所述第二电极层(8)的所述接触处最小化少数载流子的复合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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(InPNanowireArraySolarCellsAchieving13.8％EfficiencybyExceedingtheRayOpticsLimit)”的科技论文中公开此类纳米线的一个实例。在结构上，可基于pn结的位置区分用于太阳能电池应用的至少两种不同类型的纳米线，且这不管所运用的材料是什么都成立。第一类型为具有轴向地提供的pn结的纳米线，即，pn结经配置使得跨越pn结的电流流动的主要方向与纳米线的轴向方向一致。第二类型为具有径向地提供的pn结的纳米线，即，pn结经配置使得跨越所述结的电流流动的至少一部分垂直于纳米线的轴向方向，且使得对应于电流流动的所述部分的结的区域大于结的其它部分的区域。此外，所述结具有本质上径向对称性。结合上文且至少当谈到GaAs时，具有径向地提供的pn结的纳米线更普遍。用于太阳能电池中的目前工艺水平的半导体纳米线通常从昂贵的衬底(经常称为晶片)生长，其后在此衬底上集成太阳能电池的剩余组件，因此使此技术非常昂贵，尤其在III-V族晶片(例如GaAs)的情况下。与其结合，最常见的情况是，纳米线材料相同于或类似于其生长于且被集成到的衬底。GaAs纳米线(例如)常常生长在GaAs晶片上。此外，且为了减少制造成本，III-V族纳米线(举例来说，InP或GaAs)可生长在为常规硅晶片的衬底上。此处值得注意的是，通常也生长在硅晶片上的基于硅的半导体纳米线在所属领域中为众所周知的，但迄今获取的关于其制造及集成到太阳能电池中的知识并不容易转移到III-V族材料及其它材料的半导体纳米线领域。根据上文背景且为了减少制造成本，已提出在纳米线已被移除之后重复利用衬底的各种方案。关于基于晶片的太阳能电池技术(硅与GaAs晶片两者)的另一缺点是，晶片区域本身界定电池区域，而电池区域又与电流电平有关。因此，可能需要额外金属化以最小化在传导扩散层(例如发射极或透明导体)中的电阻损失。与其相结合且如上文简要论述，在基于薄膜的太阳能电池技术中，最终衬底通常为钝化的且非导电的(举例来说，玻璃)，使得允许将薄膜分段以便减小电流电平。此将所使用的衬底的物理大小与在太阳能电池中达到的电流电平分离，从而导致若干优点，例如，产生规模经济性，及有可能定制电流电平以便分别最小化发射极或透明导电层中的电阻损失。此外，可消除对金属化栅格的需要。集成到半导体衬底上的基于纳米线的太阳能电池的另一问题是，传输穿过纳米线阵列的光被作为热浪费掉(一旦光被吸收到半导体衬底中)，除非在衬底本身中制造单独的、经不同地调谐的太阳能电池，考虑到在集成不同材料方面的已知困难，这是一个相当大的挑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能电池结构，其包括：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，其中每一纳米线具有至少第一及第二区段，第一电极层，其实现在每一纳米线的底端处与每一第一区段的至少一个部分的欧姆接触，第二光学透明电极层，其实现在每一纳米线的顶端处与每一第二区段的至少一个部分的接触，特征在于：每一纳米线包括少数载流子保护元件以用于在与所述第二电极层的所述接触处最小化少数载流子的复合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.05 SE 1350687-81.一种太阳能电池结构，其包括：
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，其中
每一纳米线具有至少第一及第二区段，
第一电极层，其实现在每一纳米线的底端处与每一第一区段的至少一个部分的欧姆接
触，
第二光学透明电极层，其实现在每一纳米线的顶端处与每一第二区段的至少一个部分
的接触，特征在于：每一纳米线包括少数载流子保护元件以用于在与所述第二电极层的所
述接触处最小化少数载流子的复合。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池结构，其中所述第一电极层的上部面具有多个凹
处且所述纳米线被定位在这些凹处中。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池结构，其中所述第一电极层的下部面也具有多个
凹处，与所述第一电极层的所述上部面及所述下部面相关联的所述凹处均匀且交替分布。
4.根据权利要求2或3所述的太阳能电池结构，其中所述凹处的深度为至少100nm。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所述少数载流子保
护元件包括邻近每一纳米线的顶表面、至少在所述纳米线的纵向方向上延伸的耗尽区域，
其中所述纳米线的所述顶表面与所述耗尽区域的上部边界之间的距离低于180nm。
6.根据前述权利要求1到4中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所述少数载流
子保护元件包括从与所述第二电极层的所述接触处的较高掺杂剂含量到接近所述第一区
段处的较低掺杂剂含量的所述第二区段的渐次的掺杂剂轮廓。
7.根据前述权利要求1到4中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所述少数载流
子保护元件包括经配置以反射少数载流子同时允许多数载流子通过的异质结屏障。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池结构，其中所述异质结屏障包括半导体屏障。
9.根据权利要求7所述的太阳能电池结构，其中所述异质结屏障包括电介质屏障。
10.根据前述权利要求1到4中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所述少数载
流子保护元件包括与所述第二电极层形成接触的肖特基结。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所述第二电极层
与每一第二区段的所述至少一个部分之间的所述接触为欧姆接触。
12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中每一纳米线具有
被布置到所述第一与第二区段之间的第三区段，其中所述第一区段与所述第二区段具有互
补极性，且其中所述第一区段及所述第二区段的掺杂度超过1*1018/cm3，且所述第三区段的
掺杂度低于所述第一及第二区段的掺杂度。
13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其包括电分离所述第
一电极层与所述第二电极层的绝缘层。
14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所述纳米线实质
上仅在所述轴向方向上延伸。
15.根据前述权利要求1到13中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所述纳米线
实质上在所述轴向方向与径向方向两者上延伸。
16.根据权利要求5所述的太阳能电池结构，其中所述第二区段的长度低于180nm，且所
述第一区段的长度超过所述第二区段的所述长度。
17.根据前述权利要求中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所述纳米线由径
向钝化层环绕。
18.根据前述权利要求中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所述第一及第二
区段中的至少一者包括产生异质结的两种不同半导体材料。
19.根据前述权利要求中任一权利要求所述的太阳能电池结构，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：英瓦尔·奥贝里，约纳斯·奥尔松，达米尔·阿索利，尼克拉斯·安图，
申请(专利权)人：索尔伏打电流公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE