根据本发明专利技术的太阳能电池结构包含构成该太阳能电池结构的光吸收部分的纳米线(205)以及包围该纳米线(205)的至少一部分的钝化壳(209)。在本发明专利技术的第一方面，该钝化壳(209)包含光导壳(210)，其优选地具有高的且间接的带隙以提供光导特性。在本发明专利技术的第二方面，太阳能电池结构包含多根纳米线，以相邻纳米线之间的最大间距定位所述多根纳米线，该最大间距比所述太阳能电池结构打算要吸收的光的波长短，以便为光吸收提供有效介质。归功于本发明专利技术，有可能提供高效率的太阳能电池结构。
【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2008年6月19日、申请号为200880103566.X(PCT/SE2008/050734)、专利技术名称为“基于纳米线的太阳能电池结构”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及太阳能电池结构。具体而言，本专利技术涉及包含纳米线作为有源部件的太阳能电池结构。
技术介绍
对于太阳能电池技术的兴趣在最近几年中日益增加。持续增长的能源成本以及对环境的考虑是这种兴趣背后的因素。表示高效率太阳能电池大规模生产的可能性的技术突破也是重要的因素。最高效的现有太阳能电池由诸如GaInP或者GaInAs的III-V族半导体以具有若干层的多结电池的形式制成，其中每层吸收太阳光谱的不同部分。这种概念的优点由图1示出，图1显示了对比于GaInP/GaInAs/Ge叠层结构(tandem structure)典型的硅光伏(PV)电池可以转换成电能的太阳AM1.5光谱的部分，。基于单个半导体材料的太阳能电池的能量转换效率的理论极限为31％。对于双结太阳能电池，多结光伏电池(MJPV)可以将该极限提升到43％以及对于三结太阳能电池，多结光伏电池(MJPV)可以将其提升到49％。然而，所有的必须的不同材料组合(material combination)的制备是有挑战性的并且晶体的高材料质量对于实现高效率是必需的。许多进步已经出现并且2006年12月Boeing/Spectrolab宣布(http://www.spectrolab.com/com/news/news-detail.asp？id＝172)他们已经证明在400倍的聚集阳光(400x concentrated sunlight)下使用三结MJPV GaInP/GaInAs/Ge电池的40.7％的创记录的转换效率。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族化合物半导体制成的高效率太阳能电池)”中所提到的，该技术最初被开发用于空间应用，其中锗(Ge)是合适的衬底材料。地壳中的Ge的可获量是有限的并且其很昂贵，如果这种高效率叠层太阳能电池在世界上大量被使用，这可能是个限制。由于这个原因，利用与Ge相比Si衬底的更高的多结效率、更低的成本以及更高的可获量，基于晶体Si或者甚至基于更普通的衬底的多结太阳能电池的发展将为地面应用敞开新的机会。现有技术的包含生长在Ge衬底上的晶格匹配层的多结光伏电池在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(处于转折点的太阳能光伏研发：2005技术综述)”中被论述。在使用聚光器(concentrator)的情况下，这种MJPV电池达到超过40％的效率。然而，可以确定平面型III-V族多结太阳能电池的技术障碍。由于物理限制，高于50％的效率将非常难以达到。用于多结太阳能电池的常规III-V族材料要求在大的衬底面积上完美的晶格匹配以避免位错。良好的设备功能性也将要求整个晶圆(wafer)上非常高程度的组成均匀性(compositional homogeneity)。这使得对大面积的衬底的按比例放大(up-scaling)非常有挑战性，即使这样的衬底可以合理的价钱获得。即使可以克服这些问题，既具有合适的带隙又或多或少晶格匹配的材料的有限数量使在平面型太阳能电池中生产多于三个结非常困难，而这对于达到非常高的效率是必须的。除了上述与现有技术的多结电池相关联的技术挑战，成本和按比例缩放(scaling)两者都提出难题。举例来说，由于高的衬底成本以及小的晶圆尺寸，生长在Ge或III-V族衬底上的多结电池非常昂贵。另外，III-V族材料如今在高级的MOCVD中或者甚至MBE反应器中外延地(epitaxially)生长而具有低生产率并且珍贵的原始材料的高成本使得必须使用聚光器以提高系统层面上的性价比。即使成本可以被减少，甚至在全日光强(full sunlight)下聚光器对于得到饱和电压仍然是必须的。
技术实现思路
现有技术的太阳能电池设备需要被改进以得到所期望的或者“理论上的”关于效率和生产成本的优点。本专利技术的目的是克服现有技术的缺陷。通过如独立权利要求所定义的太阳能电池结构和太阳能电池模块来实现该目的。根据本专利技术的太阳能电池结构包含构成该太阳能电池结构的光吸收部分的纳米线以及包围该纳米线的至少一部分的钝化壳。优选地，该纳米线从衬底突出。在本专利技术的第一方面，太阳能电池结构的钝化壳包含与纳米线相邻的光导壳。优选地，该光导壳由具有比纳米线高的带隙的材料制成并且优选地该光导壳也具有间接带隙。在本专利技术的第二方面，太阳能电池结构包含多根纳米线，以相邻纳米线之间的最大间距定位该多根纳米线，该最大间距比该太阳能电池结构打算要吸收的光的波长短。因此，入射的光将经历由该多根纳米线定义的所谓“有效介质”。在本专利技术的一个实施例中，纳米线包含形成适用于吸收太阳光谱的波长范围中的光的带隙的至少一个段。太阳能电池结构也可以被装备有多个段，其中每个段适用于吸收太阳光谱的不同波长范围中的光。多个段优选地被布置为使得每个段的带隙在远离预计入射的光并且沿所述纳米线(205)的纵轴的方向上降低。该多个段可以通过江崎二极管(Esaki diode)或者金属段串联连接。归功于本专利技术，有可能以可接受的成本生产高效率的太阳能电池。本专利技术的一个优点是该太阳能电池允许异质结构而不需要晶格匹配，从而允许在材料组合的选择方面大的自由度。原则上，对于不同带隙，即纳米线中的段的数量没有限制，从而给予吸收太阳光谱的所有的有用部分或者所选择的部分的可能性。由于用于每根单独的线的小的生长面积，不需要在整个晶圆上极端均匀的生长，这放松了对于生长系统的要求。同样地，由于小面积，衬底可以是多晶或者薄膜硅，等等。根据本专利技术第一方面的太阳能电池结构的一个优点是光导壳以有序的方式指引光通过由递减的带隙构成的区域，从而允许顺序的光采集。另外，光导结构提供光子到纳米线的本征集中(intrinsic concentration)，从而甚至在漫射光的条件下也给予饱和电压。本专利技术提供的更进一步的优点是使用金属段来连接纳米线的段的可能性。由于金属层是不透明的，这在现有技术的平面型设备中是不可能的。然而，在本专利技术中，由于被光导壳包围的窄的光吸收纳米线，不透明性将具有有限的负面影响。根据本专利技术的第二方面通过将纳米线足够靠近地放置在衬底上，由于入射的光将密集组装的(closely packed)纳米线“看作”连续的有效介质，使用纳米线的优点被与光的有效吸收相结合。在从属权利要求中定义本专利技术的实施例。在结合附图和权利要求考虑时，本专利技术的其他目的、优点以及新颖的特征将从下面对本专利技术的详细描述中变得显而易见。附图说明现在将参考附图来描述本专利技术的优选实施例，其中：图1示意性地示出理论上可以分别被基于硅的太阳能电池和基于GaInP/GaInA本文档来自技高网...
【技术保护点】
位于衬底(220)上的太阳能电池结构，包括包含多个纳米线(205)的层，该多个纳米线(205)构成所述太阳能电池结构的光吸收部分，该多个纳米线(205)垂直于所述衬底(220)的表面定向并且包括在纳米线(205)中的至少一个PN结，其中，所述衬底(220)包括光电二极管结构，所述光电二极管结构由衬底(220)中位于所述纳米线(205)下方的反向掺杂区域(222，223)形成，并且至少一部分的入射的光被引导至所述光电二极管结构并被所述光电二极管结构吸收。
【技术特征摘要】
2007.06.19 SE 0701513-4;2007.09.13 SE 0702072-01.位于衬底(220)上的太阳能电池结构，包括包含多个纳米线(205)的层，该多个纳米线(205)构成所述太阳能电池结构的光吸收部分，该多个纳米线(205)垂直于所述衬底(220)的表面定向并且包括在纳米线(205)中的至少一个PN结，其中，所述衬底(220)包括光电二极管结构，所述光电二极管结构由衬底(220)中位于所述纳米线(205)下方的反向掺杂区域(222，223)形成，并且至少一部分的入射的光被引导至所述光电二极管结构并被所...
【专利技术属性】
技术研发人员：L萨穆尔森，M马格努森，F卡帕索，
申请(专利权)人：昆南诺股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE
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