CN101136444A - 薄膜硅太阳能电池中的纳米线 - Google Patents

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Abstract

在有些实施方案中，本发明涉及包含硅(Si)纳米线101为活性PV元件的光伏(PV)器件100、200和1400，在其中，这类器件一般都是薄膜Si太阳能电池。这类太阳能电池一般都具有p－i－n型并能制成前面和/或背面(即上和/或下)照明的。此外，本发明的目标还在于制造和应用这类器件的方法以及使用这类器件的体系和模块(例如，太阳能电池板)。

Description

薄膜硅太阳能电池中的纳米线
技术领域
本发明一般地涉及薄膜光伏器件，具体地说，涉及这类在器件内包含细长硅纳米结构为活性元件的光伏器件。
背景技术
目前，硅(Si)是制造太阳能电池中使用最普遍的材料，这类太阳能电池用来把阳光转化为电。为此，使用单-和多结p-n太阳能电池，但效率都不足以把生产和应用这种技术中所包含的成本降下来。因此，与传统电源的竞争阻碍了这类太阳能技术的广泛应用。
在现有太阳能电池中，主要的损耗过程发生在光激电子因与称为声子的晶格振动相互作用而迅速损失其超过带隙的能量，从而增加重新结合速率时。仅该项损耗就把标准电池的转换效率限制在约44％。此外，发光电子和空穴与半导体晶体中与点缺陷(填隙杂质)、金属原子团、线缺陷(位错)、面缺陷(堆砌缺陷)和/或晶粒边界相关的陷阱态的重新结合会进一步降低效率。虽然后者的效率降低可以通过使用具有适当性能，特别是光生载流子长扩散距离的其它材料而得以克服，但仍不能使该技术的成本与更传统的电源相当。其它损耗起因于以下事实：半导体不吸收能量低于所用材料带隙的光。考虑了所有的光伏损耗后，Shockley和Queisser已能证明，对于带隙为1.3电子伏特(eV)的最佳电池，单结电池的性能被限于略高于30％(Shockley和Queisser，“Detailed Balance Limitof Efficiency of p-n Junction Solar Cells”，J.Appl.Phys.，1961，32(3)，pp.510-519)。更近期的计算已证明，单结的这一“极限效率”是29％(Kerr等，“Lifetime and efficiency of limits of crystalline silicon solarcells”，Proc.29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference，2002，pp.438-441)。
基于无定形硅的薄膜太阳能电池的主要问题在于载流子的迁移率很低一尤其空穴的迁移率。这类空穴迁移率是无定形硅薄膜太阳能电池的限制因素。虽然可以把这类太阳能电池的本征层制得更薄，从而增加空穴到达电池前面的机会，但仍存在可观的吸收损耗。为了克服该项损耗，可以用串联或三联结，但这就大大复杂化了。
在有关p-n结二极管阵列中已描述过硅纳米线(Peng等，“Fabricationof large-Area Silicon Nanowire p-n Junction Diode Arrays”，Adv，Mater.，2004，vol.16，pp.73-76)。但这类阵列并非为用于光伏器件而设计，也未提出这类阵列如何能起提高太阳能电池效率的作用。
在有关太阳能电池器件中已描述过硅纳米结构(Ji等，“SiliconNanostructures by Metal Induced Growth(MIG) for Solar Cell Emitters，”Proc.IEEE，2002，pp.1314-1317)。在这类器件中，Si纳米线能通过在镍(Ni)预型层上溅射Si而形成、包埋在微晶Si薄膜内，其厚度决定Si纳米线是否在膜内生长。但是，这类纳米线不是活性光伏(PV)元件；它们仅起防反射的作用。
在2005年3月16日提交的共同转让未决US专利申请系列号11/081，967中，已描述过包含硅纳米结构的太阳能电池，其中所述纳米结构是活性PV元件。在该具体申请中，电荷分离结(charge separating junction)主要包含在纳米结构本身内，在这类纳米结构的合成期间一般要求掺杂变化。
鉴于上述原因，对这类技术的任何改进，尤其导致便于制造并使效率与更传统的电源相当的加进纳米量级材料和器件的改进，将是完全有益的。
发明内容
在有些实施方案中，本发明涉及包含细长硅(Si)纳米结构(例如，纳米线、纳米棒等)为活性PV元件的光伏(PV)器件，其中，这类器件一般是薄膜Si太阳能电池。这类太阳能电池一般为p-i-n型。此外，本发明的目标还在于制造和应用这类器件的方法，以及使用这类器件的体系和模块(如太阳能电池板)。在有些这类实施方案中，细长纳米结构靠下述机理来提高传统薄膜太阳能电池的性能：因纳米尺度接近于电荷分离薄膜而增加了电荷收集量。在有些这类实施方案中，光主要被吸收在薄膜材料内，而不是在纳米结构内，以及电池一般设计到使大部分光被吸收在薄膜电池的本征层内。
在有些这类实施方案中，本发明涉及包含下列元件的光伏器件：(a)以基本垂直的取向沉积在基底上的许多Si纳米线(典型的细长纳米结构)，该Si纳米线具有第一类掺杂(p或n)；(b)共形地(conformally)沉积在许多Si纳米线周围且(任选地)基本占据许多纳米线之间所有空隙的无定形(或纳米晶)本征硅(intrinsic silicon)的第一共形Si层，从而使第一共形Si层有效地吸收大部分入射到光伏器件上的光；(c)共形地沉积在第一共形Si层周围的半导体材料的第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂(p或n，但不同于Si纳米线的掺杂类型)，从而形成电荷分离结；(d)沉积在第二共形Si层上的导电材料层；和(e)可供连接该器件与外电路操作的上、下接触(基底可包含下接触)，其中下接触与许多纳米线电接触，而上接触与第二共形Si层电接触。在有些这类实施方案中，光伏器件还包含驻留在基底上或与基底成整体的纳米多孔模板，且Si纳米线发射自该模板。
在有些实施方案中，本发明涉及包含下列元件的光伏器件：(a)以基本垂直的取向沉积在基底上的许多Si纳米线，该Si纳米线具有第一类掺杂(p或n)；(b)共形地沉积在许多Si纳米线周围并基本占据许多纳米线之间所有空隙的无定形(或纳米晶)本征硅的第一共形Si层，从而使第一共形Si层有效地吸收大部分入射在光伏器件上的光；(c)共形地沉积在第一共形Si层周围的半导体材料的第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂(p或n，但不同于Si纳米线的掺杂类型)，从而形成电荷分离结；(d)沉积在第二共形Si层上的导电透明材料；和(e)可供连接该器件与外电路操作的上、下接触，其中下接触与许多纳米线电接触，而上接触与第二共形Si层电接触。在有些这类实施方案中，光伏器件还包含驻留在基底上或与基底成整体的纳米多孔模板，且Si纳米线发射自该模板。
在有些其它实施方案中，本发明涉及包含下列元件的光伏器件：(a)以基本垂直的取向沉积在透明导电基底上的许多Si纳米线，该Si纳米线具有第一类掺杂(p或n)；(b)共形地沉积在许多Si纳米线周围并基本占有许多纳米线之间所有空隙的无定形(或纳米晶)本征硅的第一共形Si层，从而使第一共形Si层有效地吸收大部分入射在光伏器件上的光；(c)共形地沉积在第一共形Si层周围的半导体材料的第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂(p或n，但不同于Si纳米线的掺杂类型)，从而形成电荷分离结；(d)沉积在第二共形Si层上的导电材料层(如金属)，使透明导电基底和导电材料层形成器件的上、下电接触。这类器件一般都可供背面照明(即通过基底)操作。
在有些实施方案中，本发明涉及制造光伏器件的方法，该方法包括下列步骤：(a)在基底上形成Si纳米线，其中Si纳米线基本垂直于表平面取向，以及其中Si纳米线具有第一类掺杂；(b)在许多纳米线周围共形地沉积本征硅的第一共形Si层，使Si纳米线之间的空间基本被充满；(c)在第一共形Si层周围沉积第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂，从而与Si纳米线和第一共形Si层一起形成电荷分离结；(d)在第二共形Si层上沉积导电透明材料；和(e)形成可供连接器件与外电路操作的上、下接触，其中下接触与许多Si纳米线电接触，而上接触与第二共形Si层电接触。
在有些或其它实施方案中，本发明涉及制造光伏器件的方法，该方法包括下列步骤：(a)在透明导电基底上形成Si纳米线，其中Si纳米线基本垂直于表平面取向，以及其中Si纳米线具有第一类掺杂；(b)在许多纳米线周围共形地沉积本征硅的第一共形Si层，使Si纳米线之间的所有空隙基本被充满；(c)在第一共形Si层周围沉积第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂，从而与Si纳米线和第一共形Si层一起形成电荷分离结；和(d)在第二共形Si层上沉积导电材料层；其中透明导电基底和导电材料层可供适用于连接器件与外电路的上、下接触操作，其中下接触是与许多Si纳米线电接触的透明导电基底，而上接触是与第二共形Si层电接触的导电材料层。
在有些实施方案中，本发明涉及光伏器件或太阳能电池的组件(以模块或太阳能电池板的形式)以及这类组件在建筑屋顶上的应用，其中这类组件可通过变换器与电网连接。
以上相当宽泛地概括了本发明的特点，以便可以更好地理解下面的发明详述。本发明的其它特点和优点将在下面描述，它们形成本发明权利要求的要点。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，下面将结合附图参考以下详述，在附图中：
图1示意按照本发明有些实施方案包含硅(Si)纳米线的薄膜光伏(PV)电池；
图2示意按照本发明有些实施方案包含硅(Si)纳米线的薄膜光伏(PV)电池；该电池可供通过基底的照明操作；
图3示意按照本发明有些实施方案包含多层的基底；
图4以逐步形式说明按照本发明有些实施方案制造包含Si纳米线的薄膜光伏电池的方法；
图5以逐步形式说明按照本发明有些实施方案制造包含Si纳米线的薄膜光伏电池的方法；该电池可供通过透明基底的照明操作；
图6是在由刻蚀技术在Si纳米线阵列上所形成的共形无定形Si层的扫描电镜照片(SEM)；
图7是图6中所示局部区域的高倍放大照片；
图8是在由化学蒸气沉积(CVD)法在Si纳米线阵列上所形成的共形无定形Si层的扫描电镜照片；
图9是图8中所示区域的高倍放大照片；
图10是平面型太阳能电池(A)和纳米线太阳能电池(B)的光学照片，各边长度为1cm，纳米线太阳能电池因反射较少而显得更黑；
图11示意平面型太阳能电池(■)、低密度纳米线太阳能电池(◆)和高密度纳米线太阳能电池(▲)的镜面反射率与波长的关系；
图12是按照本发明有些实施方案包含Si纳米线的薄膜太阳能电池的侧视扫描电镜照片；
图13是按照本发明有些实施方案包含Si纳米线的薄膜太阳能电池的面视扫描电镜照片；
图14示意图1和2中所示共形涂层的变型。
具体实施方式
在有些实施方案中，本发明涉及包含硅(Si)纳米线(或其它细长纳米结构)为活性PV元件的光伏(PV)器件，在其中，这类器件一般都是薄膜Si太阳能电池。这类太阳能电池一般都具有p-i-n型而且能制成前面和/或背面(即上和/或下)照明的。此外，本发明的目标还在于制造和应用这类器件的方法，以及使用这类器件的体系和模块(例如，太阳能电池)。
在以下的叙述中，给出了具体细节，如具体的量、尺寸等，以便深入理解本发明的实施方案。但是，对于本领域的技术人员来说，显然本发明可以在无这类具体细节的前提下实践。在很多情况下，有关这类考虑的细节均已略去，因为这些细节对获得对本发明的完全理解并非必要，而且也在相关领域一般技术人员的技术范围之内。
参考所有附图，将会理解，本说明的目的是描述本发明的具体实施方案，而无意把本发明限于此。
虽然本文所用的大多数术语对本领域的技术人员来说都是可公认的，但为了有助于理解本发明，给出了下面的定义。但应理解，当无明确定义时，应采用本领域技术人员目前所接受的意思来解释术语。
“薄膜太阳能电池”，如本文所定义，是指包含厚度小于约20μm的光吸收层的一类太阳能电池。
“细长纳米结构”，如本文所定义，是在至少2个方向上为纳米量级的纳米结构。这类细长纳米结构的实例包括，但不限于，纳米线、纳米棒、纳米管等等。
“纳米线”，如本文所定义，一般是在至少2个方向上具有亚微米(<1μm)尺寸并具有基本圆柱形的细长纳米结构。
“共形的”，如本文所定义，与涂层有关，这些涂层基本上采取(吻合)它们所涂布结构的形状或结构。但该术语应广义地解释，允许基本充满被涂布结构之间的空隙一至少在有些实施方案中。
“电荷分离结”，如本文所定义，包含不同类型(例如，不同掺杂剂和/或本体组成(bulk composition))材料之间允许电子和空穴分离的边界。
“p-i-n光伏器件”，如本文所定义，是3种材料的层叠，一层经p型掺杂(主要是空穴导体)，一层未掺杂(即本征导电)以及另一层经n型掺杂(主要是电子导电)。
“纳米模板”，如本文所定义，是包含纳米量级尺寸的孔或柱阵列的无机或有机薄膜。
在有些实施方案中，本发明的目标一般在于包含下列元件的光伏器件：(a)以基本垂直的取向沉积在基底上的许多Si纳米线，该Si纳米线具有第一类掺杂(p或n)；(b)共形地沉积在许多Si纳米线周围并基本占据许多纳米线之间所有空隙的无定形(或纳米晶)本征硅的第一共形Si层，从而使第一共形Si层有效地吸收大部分入射在光伏器件上的光；(c)共形地沉积在第一共形Si层周围的半导体材料的第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂(p或n，但不同于Si纳米线的掺杂类型)，从而形成电荷分离结；(d)沉积在第二共形Si层上的导电材料层；和(e)可供连接该器件与外电路操作的上、下接触，其中下接触与许多纳米线电接触，而上接触与第二共形Si层电接触。在有些这类实施方案中，光伏器件还包含驻留在基底上或与基底成整体的纳米多孔模板，且Si纳米线发射自该模板。
参考图1，在有些实施方案中，本发明涉及包含下列元件的光伏器件100：(a)以基本垂直的取向沉积在基底102上的许多Si纳米线101，该Si纳米线具有第一类掺杂；(b)共形地沉积在许多Si纳米线101周围并基本占据许多纳米线之间所有空隙的本征硅的第一共形Si层103，从而使第一共形Si层有效地吸收大部分入射在光伏器件上的光；(c)共形地沉积在第一共形Si层103周围的半导体材料的第二共形Si层104，该第二共形Si层具有第二类掺杂，从而形成电荷分离结；(d)沉积在第二共形Si层104上的导电透明材料105；和(e)可供连接该器件与外电路操作的上(106)、下接触(见图3，见下文)，其中下接触与许多Si纳米线101电接触，而上接触与第二共形Si层104电接触。需指出的是，如本文所用，参考接触的位置，术语“上”和“下”是指附图中所示部件的相互关系，且不必与这类器件应用中器件接受光照的方向一致。
现在参考图2，在这些或其它实施方案中，本发明涉及包含下列元件的光伏器件200：(a)以基本垂直的取向沉积在透明导电基底102上的许多Si纳米线101，该Si纳米线具有第一类掺杂(p或n型)；(b)共形地沉积在许多Si纳米线周围且基本占据许多纳米线之间所有空隙的无定形(或纳米晶)本征硅的第一共形Si层103，从而使第一共形Si层有效地吸收大部分入射到光伏器件上的光；(c)共形地沉积在第一共形Si层周围的半导体材料的第二共形Si层104，该第二共形Si层具有第二类掺杂(p或n型，但不同于Si纳米线的掺杂类型)，从而形成电荷分离结；(d)沉积在第二共形Si层上的导电材料层205(如金属)，使透明导电基底和导电材料为器件提供上、下电接触。这类器件一般可供背面照明(即通过基底)操作。在有些这类实施方案中，导电层205是反射性的。
在有些以上器件的实施方案中，基底102包含次元件。参考图3，在有些实施方案中，纳米线101发射自纳米多孔模板102c。在有些实施方案中，导电层102b(可作为下接触操作)沉积在非导电层102a上。在有些包含非导电下层102a的这类实施方案中，在活性层中可存在通路以便于与下接触(例如，102b)电连接。
按照本发明，基本垂直是指大部分Si纳米线位于基底上的方式使它们的长度与基底表面形成45°～90°的夹角。但需注意，纳米线的取向可相当无序，主要判据是它们在很大程度上伸进第一共形层103，从而起载流子收集器的作用以及共形层103能共形地涂布纳米线。
如图3中可见，在有些以上器件的实施方案中，上述光伏器件还包含纳米多孔模板102c，它驻留在基底上或与基底成整体，且Si纳米线发射自该模板。适用的这类模板包括，但不限于，阳极化氧化铝(AAO)、氧化硅、氮化硅、氮化硼等等。
Si纳米线101的直径一般为约5nm～约1μm，长度约100nm～约100μm。Si纳米线一般是高度结晶的，但也可以由无定形和/或纳米晶Si组成。Si纳米线一般经p-掺杂，但也可以考虑Si纳米线是经n-掺杂的其它实施方案。
在有些实施方案中，Si纳米线101的直径小到足以使它们变成量子限制的以及它们的带隙在某一阈值(典型值约5nm)以下随直径而增加。较高带隙的优点可以倍增：(1)光吸收较少(因此损耗较少)，(2)器件有较高的电位Voc，和(3)带隙能被更优化地调节到无定形材料的带隙，导致较少的能带弯曲。这些优点能导致效率提高。
在有些以上器件的实施方案中，基底102包含选自下列一组的材料：无定形Si、无定形SiGe、无定形SiC等等。在其它实施方案中，基底材料不受特别限制。一般而言，基底可以是导电或非导电和透明或不透明的任意组合。在有些实施方案中，基底包含透明导电氧化物材料。在有些这类实施方案中，透明导电氧化物材料是铟-锡-氧化物(ITO)。
在有些以上器件的实施方案中，上接触106包含铝或金，以钛作为粘结剂层，即光伏工业中常用的金属糊，或其它适用接触材料的组合。
下接触一般包含导电材料。在有些实施方案中，下接触包含在非导电基底上有选自下列一组的金属薄膜：Au、Ti、W、Co、Ta2N或TiN。在有些实施方案中，下接触包含透明材料，从而提供背面照明。在有些这样的实施方案中，构成下接触的材料是导电且透明的，如经掺杂的ZnO。在有些实施方案中，该材料是基底102(例如，在用金属箔基底的实施方案中)，在其它实施方案中，它是基底的成层部份(例如，导电层102b)。
如上所述，第一共形层103一般都是本征Si。该层一般能包含无定形或纳米晶Si。第一共形层103的厚度一般为约50nm～约1μm。
第二共形层104一般都经n-掺杂。但已考虑了第二共形层是经p-掺杂的实施方案(在纳米结构是n-掺杂的情况下)。但是，为了形成电荷分离结，重要的是，当纳米线是p-掺杂的时，第二共形层应是n-掺杂的，反之亦然。该层一般能包含无定形或纳米晶Si。第二共形层104的厚度一般为约5nm～约100nm。
在有些实施方案中，导电透明材料105是透明导电氧化物。在有些这类实施方案中，透明导电氧化物是铟-锡-氧化物(ITO)或ZnO或其它TCO，如本领域所知且已应用的。导电透明材料的厚度一般为约50nm～约1μm。
关于含有透明导电基底和导电材料层205的器件实施方案，在有些这类实施方案中，导电材料层205包含金属，例如，但不限于，Mo、Al、Cu、Ag、Ti等等。导电材料205的厚度一般为约100nm～约5μm。材料的反射率一般是该层的重要判据。
参考图4，在有些实施方案中，本发明涉及制造光伏器件的方法，该方法包含下列步骤：(步骤401)在基底上形成Si纳米线，其中Si纳米线基本垂直于表平面取向，以及其中Si纳米线具有第一类掺杂；(步骤402)在许多纳米线周围共形地沉积本征硅的第一共形Si层，使Si纳米线之间的所有空隙基本被充满；(步骤403)在第一共形Si层周围沉积第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂，从而与Si纳米线和第一共形Si层一起形成电荷分离结；(步骤404)在第二共形Si层上沉积导电透明材料；和(步骤405)形成可供连接器件与外电路操作的上、下接触，其中下接触与许多Si纳米线电接触，而上接触与第二共形Si层电接触。
参考图5，在有些或其它实施方案中，本发明涉及制造光伏器件的方法，该方法包含下列步骤：(步骤501)在透明导电基底上形成Si纳米线，其中Si纳米线基本垂直于表平面取向，以及其中Si纳米线具有第一类掺杂；(步骤502)在许多纳米线周围共形地沉积本征硅的第一共形Si层使Si纳米线之间的所有空隙基本被充满；(步骤503)在第一共形硅层周围沉积第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂，从而与Si纳米线和第一共形Si层一起形成电荷分离结；和(步骤504)在第二共形Si层上沉积一层导电材料(导电材料层)；其中透明导电基底和导电材料层可供建立适合于连接该器件与外电路的上、下接触操作，其中下接触是与许多Si纳米线电接触的透明导电基底，而上接触是与第二共形Si层电接触的导电材料层。
在有些实施方案中，纳米线用选自下列一组的方法生长：化学蒸气沉积(CVD)、金属-有机化学蒸气沉积(MOCVD)、等离子体增强化学蒸气沉积(PECVD)、热丝化学蒸气沉积(HWCVD)、临界点溶液沉积、原子层沉积、电化学沉积、溶液化学沉积以及它们的组合。
在有些实施方案中，Si纳米线生长自纳米多孔模板如AAO(见前面)。在有些这类实施方案中，在生长之后，用蚀刻步骤来腐蚀或完全除去模板。纳米线在AAO模板内的CVD生长已描述在Bogart等所著的“用纳米孔氧化铝膜直径-控制合成硅纳米线(Diameter-controlled synthesisof silicon nanowires using nanoporous alumina membrane)”，Adv.Mater.，17，114(2005)。纳米线在AAO模板内的电化学生长已一般地描述在2005年5月27日提交的共同转让未决US专利申请系列号11/141,613中。关于产生这类细长纳米结构的其它方法，见Zhang等，“有序单晶硅纳米线阵列的合成(Synthesis of Ordered Single Crystal Silicon NanowireArrays)”，Adv.Mater.，2001，13(16)，pp.1238-1241；Cheng等，“单晶GaN纳米线在阳极氧化铝膜内的高度有序纳米结构(Highly orderednanostructures of single crystalline GaN nanowires in anodic alumlnamembranes)”，Mater.Sci.& Eng.，2000，A286，pp.165-168；以及Zhang等，“用电沉积法在多孔阳极氧化铝膜内制造高度有序的InSb纳米线阵列(Fabrication of Highly Ordered InSb Nanowire arrays by Electrodepositionin Porous Anodic Alumina Membranes)”，J.Electrochem.Soc.，2005，152(10)，pp.C664-C668。
在有些实施方案中，纳米线催化地生长自金属纳米颗粒和/或金属薄膜。在有些这类实施方案中，金属纳米颗粒驻留在纳米多孔模板内。在有些这类实施方案中，金属纳米颗粒包含选自下列一组的金属：金(Au)、铟(In)、镓(Ga)、铁(Fe)以及它们的组合。
纳米线(以及第二共形层)的掺杂一般是通过在生长期间引进适当的气体或液体来实现(例如，对于p-型掺杂，引进三甲基硼B(CH3)3或乙硼烷(B2H6)，对于n-型掺杂，引进膦(PH3))。
在有些实施方案中，第一和/或第二共形Si层用选自下列一组的方法沉积：CVD、MOCVD、PECVD、HWCVD、溅射、电化学沉积、蒸发以及它们的组合。
在有些实施方案中，导电透明材料用选自下列一组的方法沉积：CVD、MOCVD、PECVD、HWCVD、溅射、蒸发以及它们的组合。导电材料层205也能用这些或其它类似于这些的方法沉积。
在有些实施方案中，本发明涉及包含上述光伏器件100和/或200的体系或组件。例如，器件100和/或200可集成进太阳能电池板。取决于器件的尺寸和计划用途，可以用任意数目的单个PV器件～串联或并联的多个这类器件。
在有些实施方案中，光伏器件100和/或200可实用于应用，包括，但不限于，把含有所述光伏器件100和/或200的PV模块放在屋顶上的工业建筑集成PV体系、乡村PV体系、把含有所述光伏器件100和/或200的PV模块放在屋顶上的网络连接家用PV体系、工业和/或军用电子设备的动力体系，等等。
包括下面的实施例是为了说明本发明的具体实施方案。本领域的技术人员应理解，下面实施例中所公开的方法仅代表本发明的典型实施方案。但是，本领域的技术人员应理解，根据本公开，在所述的具体实施方案中，能在不偏离本发明的精神和范围内作许多改变而仍获得相当或类似的结果。
实施例1
本实施例用来说明按照本发明有些实施方案在结晶Si纳米线(用湿蚀法形成)上形成无定形Si的共形层。
用标准冶金粘结法把硅晶片粘结到一片金属箔或金属化玻璃薄片上。然后在氢氟酸、乙酸和硝酸混合物之类的标准Si蚀刻剂内把该晶片薄化到所要求的厚度。一旦达到所要求的厚度，一般是5μm～20μm，就用浸在硝酸银/氢氟酸溶液内的方法，在硅内形成纳米线(典型的细长纳米结构)。共形i-n结用等离子体-增强化学蒸气沉积(PECVD)法，接着沉积透明导电氧化物面层(TCO)而形成。背面接触的通路和最终的上、下接触用荫罩式沉积法形成。图6和7是已由这类腐蚀技术在Si纳米线阵列上所形成的共形无定形Si层的扫描电镜照片，图7是图6中局部区域的高倍放大。
实施例2
本实施例用来说明按照本发明有些实施方案在CVD-生长的结晶Si纳米线上形成无定形Si的共形层。
在不锈钢箔之类的导电基底材料或涂有掺杂ZnO的玻璃薄片上，在沉积了适当的催化剂薄膜或纳米颗粒层后，生长硅纳米线。在一个这样的实施方案中，首先用阳极化法在背接触材料的上表面形成纳米多孔模板，然后用电化学方法在模板孔内放进催化剂。一旦生长了纳米线，就用等离子体增强化学蒸气沉积(PE-CVD)，接着沉积透明导电氧化物(TCO)表面层来形成共形i-n结。沉积在CVD-生长的Si纳米线上的厚无定形硅层的实例示于图8和9。图8和9是已由这类CVD技术在Si纳米线阵列上所形成的共形无定形Si层的扫描电镜照片，图9是图8中局部区域的高倍放大。背面接触的通道和最终的上、下接触用荫罩式沉积法形成。
实施例3
本实施例用来说明按照本发明有些实施方案包含光伏器件100的典型体系。
光伏器件100和/或200能包装在光伏模块内，以使它们与环境物理隔离。模块前表面由玻璃制成，以允许阳光透过，以及在背面形成导柱，以便结合进PV动力体系。在一个实施方案中，光伏器件100/200生长在带有中间掺杂ZnO层的大玻璃基底上，使玻璃基底变成PV模块的保护玻璃，这时纳米线的起始生长层就成为“前接触”(就其受照明的方向而论)。然后在细长纳米结构层的原上表面形成相应的“背接触”。
实施例4
本实施例用来说明按照本发明实施方案纳米线太阳能电池怎样减少光反射，从而使太阳能电池变得更有效(相对于传统平面型太阳能电池)。
图10示意传统平面型太阳能电池(A)和纳米线太阳能电池(B)的光学照片。纳米线太阳能电池看起来反射较少。图11量化了在300～1100nm范围内这种镜面反射随波长的变化。
图12是按照本发明有些实施方案在简并掺杂的Si基底(如图10(B)中可见)上包含Si纳米线和ITO涂层的薄膜纳米线太阳能电池的侧视扫描电镜照片。图13是同一薄膜太阳能电池的面视扫描电镜照片。
实施例5
本实施例用来说明按照本发明有些实施方案在其中可使用光伏器件100和/或200的典型应用。
含光伏器件100和/或200的光伏模块一般都安装在房顶上用于网络连接发电。模块用几种方法安装以产生功能和美观质量。模块提供动力，动力可储存起来或返销回电力公司以盈利，正如目前用标准住宅太阳能电池模块所做的那样。太阳能电池能切割成标准尺寸，装在模块框内并用标准焊接-基互连线路串联起来，在有些情况下，用旁路二极管来尽量减少阴影效应。在纳米线生长在透明材料上的情况下，可以把整块玻璃基底直接用于带框模块，或者，也可以层合玻璃并用作模块而无需框架。在这种情况下，可以用本领域内一般都知的激光刻线法使前面和背面接触与串联的太阳能电池段互连起来。
变型
虽然在示意共形层材料基本充满相邻纳米线之间的空隙的图1和2中已说明了共形涂层，但这类共形涂层也可以象图14中所示那些，在其中，部分构成的器件1400包含在基底102上的纳米线101和沉积在纳米线上的第一共形层(涂层)1403和第二共形层1404。
虽然Si纳米线已用于上述许多实施方案中，但它们只不过是更大类半导体-基细长纳米结构的典型代表。因此，正如本领域技术人员所公认，许多上述实施方案可加以改变，以包括包含硅以外材料的细长纳米结构。这类变型实施方案会相应地含有不同(于硅)的共形层。此外，对于有些上述实施方案，包含本征材料的共形层能包括A-SiGe:H。
总结
总之，本发明涉及包含硅(Si)纳米线为活性PV元件的光伏(PV)器件，在其中，这类器件一般都是薄膜太阳能电池。这类太阳能电池一般都具有p-i-n型。此外，本发明的目标还在于制造和应用这类器件的方法，以及还在于使用这类器件的体系。通过在无定形Si基体内生成结晶Si纳米线，大大缩短了空穴的路程，因而增加了空穴的收集和相应的器件效率。本文所述的实施方案建立在现有技术无定形硅太阳能电池基础上，但在纳米线内为载流子提供了有效路径，同时提供了更好的光学性能。
应理解，某些上述结构、功能和上述实施方案的操作对实践本发明并非必要，把它们包括在本说明书中只是为了一个或多个典型实施方案的完整性。此外，将会理解，在上述参考专利和出版物中所列举的具体结构、功能和操作都能与本发明结合起来实践，但它们对其实践并非必不可少。因此，应理解，本发明可以在实际上不偏离所附权利要求中所定义的本发明的精神和范围内，以不同于具体描述的方式进行实践。
零件表
100—光伏器件
101—Si纳米线
102—基底
102a—非导电基底层
102b—基底下接触
102c—纳米多孔模板
103—第一共形Si层
104—第二共形Si层
105—导电透明材料
106—上(电)接触
200—光伏器件
205—导电材料层
1400—光伏器件
1403—第一共形层(涂层)
1404—第二共形层

Claims (10)

1.包含下列元件的光伏器件：
a)以基本垂直的取向沉积在基底上的许多Si纳米线，该Si纳米线具有第一类掺杂；
b)共形地沉积在许多Si纳米线上的无定形本征硅的第一共形Si层，使第一共形Si层有效地吸收大部分入射到光伏器件上的光；
c)共形地沉积在第一共形Si层上的第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂，从而形成电荷分离结；
d)沉积在第二共形Si层上的导电材料层；和
e)可供连接该器件与外电路操作的上、下接触，其中下接触与许多纳米线电接触，而上接触与第二共形Si层电接触。
2.权利要求1的光伏器件，还包含纳米多孔模板，驻留在基底上或与基底成整体，而且Si纳米线发射自该模板。
3.权利要求1的光伏器件，其中基底是透明的。
4.权利要求1的光伏器件，其中Si纳米线是p-掺杂的。
5.权利要求1的光伏器件，其中第二共形Si层是n-掺杂的。
6.权利要求1的光伏器件，其中导电材料层是金属，以及其中导电材料层的厚度为约50nm～约2μm。
7.权利要求1的光伏器件，其中导电材料层是透明的，以及其中导电材料层的厚度为约50nm～约200nm。
8.权利要求1的光伏器件，其中导电材料层提供上接触。
9.制造光伏器件的方法，该方法包括下列步骤：
a)在基底上形成Si纳米线，其中Si纳米线基本垂直于表平面取向，以及其中Si纳米线具有第一类掺杂。
b)在许多纳米线上共形地沉积本征硅的第一共形Si层；
c)在第一共形硅层周围沉积第二共形Si层，该第二共形Si层具有第二类掺杂，因而与Si纳米线和第一共形Si层一起形成电荷分离结；
d)在第二共形Si层上沉积导电透明材料；和
e)形成可供连接器件与外电路操作的上、下接触，其中下接触与许多Si纳米线电接触，而上接触与第二共形Si层电接触。
10.包含至少一个权利要求1的光伏器件的太阳能电池板，其中所述太阳能电池板把这类器件与它们周围的大气环境隔开并能发电。
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