光伏线制造技术

提供一种光伏线，其中活性层包覆优选为铝的金属线。该活性层是电连接至金属线的掺杂硅纳米线的阵列，所述纳米线从线的表面延伸进入优选为聚苯胺的半导体聚合物层中。该聚合物的表面包覆有透明导体以实现光伏电路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光伏线本申请要求于2005年6月17日提出的美国专利No. 60/692026的 优先权，通过引用将其并入本文。本专利技术受到NASA给予的美国政府合同第4200093584号的部分支 持，并且部分本专利技术被缴清许可给美国政府。
技术介绍
和概迷本专利技术一般涉及纳米结构的光伏器件，该光伏器件可以形成为带、 线或丝(这里称为PV线)。这种器件在光到电能的转换中具有大量应 用。光伏或太阳能电池是一种直接从阳光产生电的装置。太阳能的利 用可能对替代当前化石燃料基能源的清洁、可再生能源的追求产生极 大的影响。PV线结构由具有从周边以鬃毛状方式伸出的基本为晶态的 硅纳米线的导电线芯(优选为铝)组成。这些纳米线进一步被导电聚 合物包覆。这种纳米线-聚合物结构形成许多PV结。这种构造使得能 够实现为材料的有效且经济使用而设计的轻质、柔性的太阳能电池平 台。这种器件使用有序的纳米线阵列，这些纳米线阵列具有跨全部太 阳光镨带的极强光吸收的优点。自从20世纪90年代前期以来，基于容易制造、低成本、可溶性 的导电聚合物的有机薄膜光伏器件得到了大量关注。例如，M. Granstrom, K. Petritsch, A C. Arias， A.LuxA, M.R. Andersson和 R.H. Friend描述了双层、薄膜聚合物光伏器件，Nature, 395:257-360 (1998)。尽管聚合物中的电荷产生是非常有效的，然而利用納米尺寸结 构的电荷分离和收集存在较多问题。基于纳米材料和共轭聚合物之间 的相互作用的一类新型器件通过提供大的施主-受主界面可以克服一些 困难。例如，Yu G， Gao J， J.C. Hummelen， F. Wudl， A丄Heeger在 Science 270: 1789-1791 (1995)中描述了使用纳米尺寸结构的电荷分离和收集。納米意指至少一个功能尺度小于约500纳米的任何形状 或形貌的结构和材料。在太阳能电池的效率和重量之间存在明显的权 衡，这对开发便携、使用端(pointofuse)太阳能电力系统非常重要。 除了提高光伏转换效率外，纳米尺寸结构的引入还可以改善光化学、 机械和环境稳定性。使用嵌入于有机聚合物中的混合纳米尺度无机结 构提供了基于纳米结构的尺度来调节光伏器件的光学和电学性能(例 如光吸收和带隙的参数)的工程能力。W. U. Huynh， J. J. Dittmer和 P. A， Alivasatos在Science, 295， 2425-2431 (2002)中，或者M. Gratzel 在Inorganic Chemistry, 44， 6841-6851 (2005)中对此进行了描述。当纳 米线阵列构造被制造在细的铝线上时，其可以具有比薄膜电池更高的 效率，同时仍保持低的重量。由于納米线阵列结构引起的固有陷光作 用，晶态Si纳米线中的高迁移率，阵列中纳米线的周期性，以及大的 光活性表面积，因此能够产生高的光电转换效率。本专利技术是一种新型的光伏器件设计，其中一个实施方案如附图说明图1中 所示。通过利用阳极的氧化铝(AAO)的自组织特性，将硅纳米线直 接产生在细铝线的表面上。纳米线阵列基本上垂直于线的局部表面生 长，并且它们的位置和横截面尺寸由AAO内的孔的位置和尺寸决定。 已经确定，当铝在酸性电解液中被阳极氧化时会形成多孔结构，其中 孔的直径为约5-500 nm,并以准六边形2-D栅格排列。孔的直径是阳 极氧化电压、电解液组成和浓度的函数，而孔的深度是阳极氧化时间 的线性函数。AAO充当最初的纳米线阵列形成的模版(template)。 纳米线阵列基本上垂直于内部线电极的表面生长，并且它们的位置和横截面尺寸由AAO内的孔的位置和直径决定。在优选的实施方案中，n型硅纳米线阵列最初直接籽晶形成(seed ) 于铝芯上，而每个纳米线的主体包含n型或名义上未掺杂的(本征或 者i型)硅。纳米线的长度伸出AAO的表面。在优选的实施方案中， 纳米线是晶体硅。使用半导体聚苯胺(PANI)层作为收集由入射光子 产生的电荷对的pn结的p型部分。还可以直接在纳米线上生长p型的 硅层以便进一步增强结区的电荷收集性能。优选地，p-n全硅结具有n型芯部，并具有径向向外生长的p型层。该嵌入纳米线设计形成与光伏技术芯部构成整体的大量pn结结构。向PANI施用透明的外部导体。 最后，施用透明、高电阻率(介电强度)的硅树脂、聚乙烯、聚四氟 乙烯、聚酰亚胺或类似的涂层来提高耐久性并且保护PV线免受磨损、 环境劣化和电弧放电。该结构的纵向截面的示意图如图2所示。尽管纳米线基PV的优选实施方案是线状基材，然而加工技术的多 样性提供了在几乎任何导电表面上产生PV活性纳米线结构的方法，可 以以电化学、蒸发或者其它方式在所述导电表面上产生具有孔阵列的 多孔氧化物的层。由于收集表面的纳米尺度抗反射紋理(texture)，本专利技术可以提 供与紋理化的晶体器件相当或者更好的光收集效率。纳米线阵列作为 抗反射的光陷阱，这可改善跨全部太阳光镨带的光吸收。该光陷阱的 显著特征是紋理化的纳米线顶部，以及由线阵列形成的高吸收结构。 通过设定纳米线的尺寸以便在某波长下共振，可以提高纳米线在希望 频率下的光吸收，此外，该阵列的深光子结构在阵列中产生多次内反 射，每次内反射都提高吸收。进入该结构并且从纳米线顶部反射的光 从非常宽的入射光线入射角范围被散射到器件平面中，如图8中所示。直接在线(丝)基材表面上制造纳米线的创新设计使得可以构建 大的二维和三维光伏纺织面板，其质量轻，可以保存在小的封壳 (enclosure)中，并且具有超过1000W/kg的高功率密度(比功率)。 纳米线光伏丝线技术的主要应用是提供清洁有效的使用端电力，包括 使用PV线来制造用于传感器网络、帐篷的光伏织物(纺织品)，用于 制服的供电块(power patch),用于长期空间探索的太阳帆，以及便 携电子设备。PV织物适用的其它场所包括避难所、屋顶、遮阳蓬、天 篷、衣服、塑料、便携电子设备、电池充电、无线设备、建筑、以及 汽车应用。可以将本专利技术结合到电器件封装(外壳)的表面上，以允 许便携电话、膝上型计算机、PDA和其它设备自充电。附图简述图1是光伏线器件的示意图，显示了分布在金属芯部周围的硅纳 米线。图2是光伏线的纵截面示意图。图3是特殊形状的阳极氧化阴极的一个实施方案的示意图。图4是显示铝线上的多孔AAO的SEM显微照片。图5是阻挡层去除之前的Al线上的多孔AAO的示意图。图6是显示A1线、金籽晶、AAO和硅纳米线的SEM显微照片。图7是在尖端具有金籽晶的硅納米线的SEM显微照片。图8示意显示了入射到纳米线阵列上的导致大的光吸收的光子路径。优选实施方案详述周边是指圆或者其它闭合曲线的边界、多边形的边界、物体的外 部边界或表面、以及某物与其内部区域或中心相区別的向外界限。阳极氧化是指为了用氧化物层包覆导体而以该导体作为阳极的电 解化学反应。本专利技术提供的光伏线是通过以下三个基本步骤产生(1)在金属 线或者其它基材表面上产生多孔的金属氧化物模版结构，(2)在氧化 物的孔中嵌入催化籽晶以引发p、 i (本征)或n型硅纳米线的形成， (3)使硅纳米线生长穿过氧化物孔，和本文档来自技高网...

【技术保护点】
光伏线，包含：多孔层，其基本上围绕第一导体的外周边，所述多孔层具有大量的孔，每个孔的底部基本上处在第一导体的表面并且开口在多孔层的外表面；半导体聚合物涂层，其基本上围绕着多孔层的周边；第二导体，其至少部分围绕半导体聚 合物层的周边；和大量半导体纳米线，每个半导体纳米线都具有两个端部，其中所述半导体纳米线中的至少一根穿过所述孔中的一个，其中所述至少一根半导体纳米线的第一端在孔的底部电连接到第一导体，且所述至少一根半导体纳米线的第二端基本上延伸越过孔 的开口进入到半导体聚合物层中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-6-17 60/692,0261.光伏线，包含多孔层，其基本上围绕第一导体的外周边，所述多孔层具有大量的孔，每个孔的底部基本上处在第一导体的表面并且开口在多孔层的外表面；半导体聚合物涂层，其基本上围绕着多孔层的周边；第二导体，其至少部分围绕半导体聚合物层的周边；和大量半导体纳米线，每个半导体纳米线都具有两个端部，其中所述半导体纳米线中的至少一根穿过所述孔中的一个，其中所述至少一根半导体纳米线的第一端在孔的底部电连接到第一导体，且所述至少一根半导体纳米线的第二端基本上延伸越过孔的开口进入到半导体聚合物层中。2. 依据权利要求l的光伏线，其中半导体纳米线包含硅。3. 依据权利要求2的光伏线，其中在半导体纳米线和半导体聚合 物之间基本上没有氧化物层。4. 依据权利要求1的光伏线，其中在孔底部和第一导体的表面之 间基本上没有阻挡层。5. 依据权利要求2的光伏线， 之间基本上没有阻挡层。6. 依据权利要求1的光伏线， 层的外表面约IO纳米-5微米。7. 依据权利要求6的光伏线，8. 依据权利要求7的光伏线， 物之间基本上没有氧化物层。9. 依据权利要求1的光伏线， 层的外表面约5微米_ 30微米。10. 依据权利要求9的光伏线，其中半导体纳米线包含硅。11. 依据权利要求10的光伏线，其中在半导体纳米线和半导体聚其中在孔的底部和第一导体的表面其中半导体纳米线延伸越过多孔涂其中半导体纳米线包含硅。 其中在半导体纳米线和半导体聚合其中半导体纳米线延伸越过多孔涂合物之间基本上没有氧化物层。12. 依据权利要求1的光伏线，其中半导体纳米线延伸越过多孔涂 层的外表面约30微米-200微米。13. 依据权利要求12的光伏线，其中半导体纳米线包含硅。14. 依据权利要求13的光伏线，其中在半导体纳米线和半导体聚 合物之间基本上没有氧化物层。15. 依据权利要求1的光伏线，其中所述大量半导体纳米线的中心至中心的间距为约io纳米-ioo纳米。16. 依据权利要求1的光伏线，其中所述大量的半导体纳米线中心 至中心的间距为约100纳米-500纳米。17. 依据权利要求1的光伏线，其中所述大量半导体纳米线的直径是约io纳米-ioo纳米。18. 依据权利要求l的光伏线，其中所述大量半导体纳米线的直径 是约100纳米-500纳米。19. 依据权利要求1的光伏线，其中所述大量半导体纳米线的密度 是约108cirr2 - 1012cm 2。20. 依据权利要求1的光伏线，其中多孔涂层的厚度是约50纳米 -500纳米。21. 依据权利要求1的光伏线，其中多孔涂层的厚度是约500纳米 -50微米。22. 依据权利要求l的光伏线，其中多孔涂层的厚度是至少约500 纳米。23. 依据权利要求l的光伏线，其中半导体纳米线是n型半导体， 并且半导体聚合物表现出p型电荷承载特性。24. 依据权利要求1的光伏线，其中半导体纳米线是p型半导体， 并且半导体聚合物表现出n型电荷承载特性。25. 依据权利要求1的光伏线，其中半导体纳米线从大致第一端的 尖部开始被ii型掺杂并沿其长度持续预定的距离，并且在整个剩余长 度上基本上是未掺杂的，并且半导体聚合物表现出p型电荷承载特性。26. 依据权利要求1的光伏线，其中多孔涂层是第一导体的氧化物。27. 依据权利要求l的光伏线，其中多孔涂层是氧化铝。28. 依据权利要求l的光伏线，其中多孔涂层是氧化钛、氧化硅、 氧化锌、氧化锆、氧化镧、氧化铌、氧化钨、氧化锡、氧化铟、铟锡 氧化物、氧化锶、氧化钒或氧化钼中的一种。29. 依据权利要求1的光伏线，其中在第一导体的轴向横截面周边 周围，多孔涂层的厚度基本上相同。30. 依据权利要求1的光伏线，其中在孔的底部和第一导体的表面 之间基本上没有阻挡层。31. 依据权利要求l的光伏线，其中半导体纳米线由Ge、 GaSb、 GaN、 GaAs、 1nP、 AlGaAs、 InGaSb、 InGaAsSb或GalnNAs中的一 种构成。32. 依据权利要求31的光伏线，其中在半导体纳米线和半导体聚 合物之间基本上没有氧化物层。33. 依据权利要求31的光伏线，其中在孔的底部和第一导体的表 面之间基本上没有阻挡层。34. 依据权利要求l的光伏线，其中半导体纳米线具有低的带隙。35. 依据权利要求34的光伏线，其中带隙小于约2电子伏特。36. 依据权利要求34的光伏线，其中带隙小于约1电子伏特。37. 依据权利要求l的光伏线，其中半导体聚合物是聚乙炔、聚噻 吩、聚(3-烷基)塞吩、聚吡咯、聚异^lt茚、聚乙烯二氧噻吩、聚对苯撑 亚乙烯、聚(2，5 二烷氧基)对苯撑、聚对苯撑、聚对苯撑硫醚、聚庚二 炔或者聚3-己基噻吩、聚(l，4-苯撑亚乙烯)、聚吡咯以及聚乙炔中的一 种。38. 依据权利要求37的光伏线，其中半导体聚合物被掺杂成具有 与半导体纳米线互补的电荷承载特性。39. 依据权利要求l的光伏线，其中半导体聚合物是聚苯胺。40. 依据权利要求39的光伏线，其中聚苯胺被掺杂成具有与半导体纳米线互补的电荷承栽特性。41. 依据权利要求39的光伏线，其中掺杂剂是十二烷基苯磺酸、 樟脑磺酸、对甲基苯磺酸、AsF3、 12、 CN中的一种。42. 依据权利要求l的光伏线，其中第二导电层是铟锡氧化物。43. 依据权利要求l的光伏线，其中第二导电层是Invisicon。44. 依据权利要求1的光伏线，其中第一导体的外部横截面尺寸小 于约IO微米。45. 依据权利要求1的光伏线，其中第一导体的外部横截面尺寸小 于约500微米。46. 依据权利要求1的光伏线，其中第一导体的外部横截面尺寸小 于约10毫米。47. 依据权利要求l的光伏线，其中第一导体是铝的一种。48. 依据权利要求1的光伏线，其中第一导体是内部芯材料之上的层。49. 光伏器件，包含两个同心电极， 一个是内...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y哈比波，J斯汀贝克，
申请(专利权)人：依路米尼克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]