CN103534814A - 光伏电池 - Google Patents
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Abstract
一种光伏结构，其具有：半导体衬底；以及金属颗粒，其接合到所述半导体衬底。所述光伏结构充分薄而为半透明的。所述金属颗粒是当将金属层沉积到所述半导体衬底上且加热时产生的。所述光伏结构能够致使在暴露于红外光谱、可见光谱或紫外光谱中的一者或一者以上内的电磁辐射后即刻产生电流。
Description
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2011年1月14日申请的第61/433,185号美国临时专利申请案的优先权权益。
技术领域
本发明大体上涉及光伏电池，且更特定来说(但非排他地)涉及生产高效且经济的薄膜光伏电池的制造。
背景技术
发明内容
根据本发明的实施例，提供一种用于构造光伏结构的方法，所述方法包含：通过溅镀、气相沉积或印刷中的一者或一者以上将第一金属层沉积到半导体衬底上；以及在400摄氏度与1200摄氏度之间的范围内的温度下加热所述第一金属层和所述半导体衬底以产生接合到所述半导体衬底的第一多个金属颗粒，借此通过所述沉积和所述加热产生的所述光伏结构能够致使在暴露于红外光谱、可见光谱或紫外光谱中的一者或一者以上内的电磁辐射后即刻产生电流。
根据本发明的实施例，一种光伏结构包括：半导体衬底；以及第一多个金属颗粒，其接合到所述半导体衬底，借此所述光伏结构能够致使在暴露于红外光谱、可见光谱或紫外光谱中的一者内的电磁辐射后即刻产生电流。在一个实施例中，所述光伏结构是半透明的。
另外，光伏电池提供改善的特性，所述光伏电池包含半导体衬底和颗粒表面，其中所述颗粒表面的厚度在0.001微米与100微米之间。
当结合附图阅读时从以下对各种实施例的描述将明了本发明的其它和另外的特征和优点。所属领域的技术人员将了解，以下实施例是仅为了说明性和示范性目的提供的，且本发明的各种实施例的元件的许多组合是可能的。
附图说明
参考附图描述本发明的非限制性和非详尽实施例。在图中，在全部各图中相同参考标号指代相同部分，除非另外指定。
为了更好地理解本发明的实施例，参考以下具体实施方式，其应结合附图来阅读，附图中：
图1描绘根据本发明的实施例的光伏电池的侧视图；
图2展示根据本发明的实施例的光伏电池的上部表面，其描绘颗粒表面；
图3图解说明根据本发明的实施例的沿着示范性光伏电池的上部表面的电极，用以测量I-V特性；
图4图解说明根据本发明的实施例的经配置以用于测试的示范性光伏电池的侧视图；
图5图解说明根据本发明的实施例的示范性光伏电池特性；以及
图6图解说明根据本发明的实施例的用于制造光伏电池的过程的实施例。
具体实施方式
下文参见附图更完整地描述本发明的实施例，附图形成本发明的一部分，且借助于图解说明而展示本发明可实践的特定示范性实施例。然而本发明可以许多不同形式体现，且不应解释为限于本文陈述的实施例，而是提供这些实施例以使得本发明将为详尽且完整的，且将本发明的范围完全传达给所属领域的技术人员。如本文使用，术语“或”是包含性“或”算子，且等效于术语“和/或”，除非上下文清楚地另外规定。术语“基于”不是排他的，且允许基于未描述的额外因素，除非上下文清楚地另外规定。另外，在整个说明书中，“一”和“所述”的意义包含复数参考。“在…中”的意义包含“在…中”和“在…上”。术语“耦合”暗示元件可直接连接在一起或可通过一个或一个以上介入元件而耦合。
图1图解说明示范性光伏(PV)电池100的构造。PV电池构造于半导体衬底上。提供基底结构，从半导体衬底110在所述基底结构上构成下部衬底。半导体衬底耦合到基底结构的上部表面。邻近于半导体衬底的上部表面的是制造的一系列颗粒120。所述颗粒可由单金属、半金属、半导体、合金金属、金属间化合物或以上全部的组合构成。
半导体衬底可具有任意厚度。优选地，半导体衬底厚度为10纳米到500微米且优选在几百纳米的范围内。虽然传统上一些PV电池是由潜在有毒的化合物构成，但本发明的实施例中不使用此些材料。而是，半导体由例如非晶硅、多晶硅、单晶硅或类似物等材料构成。此外，虽然可使用掺杂来引入杂质以改善效率，但对于本文揭示的实施例这不是必要的。可以或可以不存在掺杂。
引入到半导体衬底的上部表面的颗粒的大小可从0.001微米到50微米变化。在一实施例中，所述颗粒均匀分布于半导体衬底的上部表面上且以0.001微米到100微米间隔开。
随后将电极放置于颗粒表面的上部表面上以收集能量。优选地，PV电池的总厚度为100纳米到500微米。因为PV电池可经构造为与传统电池相比非常薄，所以所构造的PV电池几乎是半透明的。
根据本发明的实施例，PV电池构造本质上不是分层过程。将颗粒放置于半导体衬底的上部表面上。
图2描绘示范性PV电池表面200。图2中所示为PV电池200的表面的扫描电子显微镜照片。图2展示基本衬底210，其为较暗表面，平坦表面，其本质上是半导体衬底的表面。邻近于半导体衬底210的上部表面的是一系列颗粒220。颗粒220彼此间隔开约几微米，因此颗粒的分布是在微米级而不是纳米级。颗粒的形状和大小可变化，在一实施例中，颗粒的直径在1微米到10微米之间。虽然优选实施例可包括如本文指定的颗粒，但这既定不是对实施例的限制，且实施例的范围内预期其它颗粒形状和大小。
对颗粒的分析展示所述颗粒优选由金属或合金构成，如上所述。半导体衬底由常规材料、结晶无机固体(例如，硅和镓)构成。颗粒由金属组分构成，例如银、金、铂、铜、钯、钴、钛、钨、镍、铬和铝。
一旦已构造，则光伏电池便具有特定特性。使用标准技术测量这些特性。图3图解说明PV电池的测量方法300。如图示，将光310施加于PV电池320的颗粒表面。使用电压表330来测量PV电池中的电位差。将偏置电压340施加于装置且电流表350测量产生的电流。图4描绘处于其测试条件中的PV电池400。所述PV电池具有半导体衬底410，具有邻近于半导体衬底410的上部表面的颗粒420。为了测量光伏特定，除了已经描述的电池外，还将阴极430放置于颗粒420的上部表面上，且将阳极440直接放置于半导体衬底410上。将电源(未图示)施加于阴极430与阳极440之间。
以常规方式执行测试以便测量材料的光伏特性。在-2伏到+2伏的范围内施加电压。由此获得一系列电流测量值。举例来说，当将0伏施加于电池时，根据图5产生电流。图5描绘I-V数据图表500。所述图表展示PV电池的一个实施例的电流密度对所施加电压。在一实施例中，初步测试结果指示光伏特性大约为20mA/cm2。
本文的光伏电池可以多种方式制造。图6图解说明用于制造电池的一个过程600。所述过程以形成半导体衬底602开始。在半导体衬底602的顶部上沉积金属(或合金等)层604。此沉积过程可通过若干方法实现，包含(但不限于)溅镀、气相沉积(VP)和印刷。随后使用如上所述的类似方法在第一层604的顶部上沉积额外金属(或合金等)606。在实施例的范围内预期，用于沉积的方法对于两个层可为相同的，或可为不同的。在沉积第二层之后，对电池进行烘焙608。烘焙过程或条件可取决于用来构造电池的特定材料(半导体、金属、合金、半金属)而变化。烘焙温度可从400摄氏度到1200摄氏度变化，且烘焙时间可从几分钟到几小时变化，其也取决于所使用的材料。由于烘焙过程，所述层变为颗粒610。在烘焙之后，放置电极612。
在一实施例中，在半导体衬底上沉积两个材料层。第一层可为金属(例如，镍、钴或铜)。第二沉积层可为第二金属(例如，银、金)。此层组合既定不是对本发明的实施例的限制，且预期所述层可包括相同或不同材料且可为金属或合金。在一实施例中，两个层是使用标准溅镀技术来制造，例如RF、DC或VP。每一层的厚度可变化，优选地，第一层为5纳米到20纳米且第二层为20纳米到200纳米。虽然实施例可为本文指定的厚度，但这既定不是对实施例的限制且在实施例的范围内预期如上所述的其它厚度。
随后执行烘焙过程以在半导体衬底的顶部上制造颗粒。优选地，烘焙温度在600摄氏度与1100摄氏度之间，其取决于金属组分，且烘焙时间是20分钟到60分钟，其取决于材料和初始层厚度。虽然实施例可如刚才描述那样实行烘焙过程，但这既定不是对实施例的限制，且在实施例的范围内预期如上所述的其它烘焙温度和时间。
随后构造电极，例如类似于阴极430和阳极440的电极。位于颗粒的上部表面上的电极最佳是使用TCO(透明导电氧化物)或ITO(氧化铟锡)层来构造。相对的电极可使用标准技术来构造以在半导体衬底上制造欧姆触点。在一实施例中，欧姆触点是铝。在另一实施例中，欧姆触点是镍。虽然欧姆触点的实施例可包括本文指定的材料，但这既定不是对实施例的限制，且实施例的范围内预期其它材料。
本文描述的新颖PV电池具有优于当前可用PV电池的许多优点，包含(但不限于)以下各项。
首先，由于本文描述的光伏电池的构造中使用的所有材料是惰性的，因此不实施如常规PV电池中使用的有毒或致癌材料。这不同于当今市场中的高效电池。
其次，由于构造的性质，PV电池可极薄，几百纳米或更小。由于此原因，非常容易控制光穿过材料的透射，因此电池可为半透明的。电池类似于可被看穿的不透明膜。此独特特性允许将其应用于多种表面，包含窗。因此，本发明的实施例允许例如在房屋上、汽车上或建筑物上的发电窗。可以用常规PV电池无法实现的多种配置来应用所述电池。
本文呈现的构造的另一优点和新颖性在于制造过程简单、直接且便宜。本文呈现的新颖过程估计比当今市场上的同种PV电池的任何其它制造过程便宜多达10到100倍，这有助于其新颖性且使得其为革新的。
另外，所产生能量的量取决于电池的表面，即所述表面有多大或多小。在本发明的实施例的范围内预期表面区域可变化。而且，随着PV电池的效率增加，预期可开发较小的表面区域。
在另一实施例中，PV电池不仅从可见光范围中的光(在0.4微米波长到约1.1微米之间)产生电，而且其也可从红外光谱和从UV光产生电。
如先前所述，为了图解说明和描述的目的呈现特定实施例的以上描述。其既定不是详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式，且显然鉴于以上教示的许多修改和变化是可能的，包含等效物。选择和描述实施例以便阐释本发明的原理及其实践应用，进而使所属领域的技术人员能够最佳地利用本发明及其适合于预期特定用途的各种实施例。
Claims (26)
1.一种光伏结构，其包括：
半导体衬底；以及
第一多个金属颗粒，其接合到所述半导体衬底，
借此所述光伏结构能够致使在暴露于红外光谱、可见光谱或紫外光谱中的一者或一者以上内的电磁辐射后即刻产生电流。
2.根据权利要求1所述的光伏结构，其中所述光伏结构是半透明的。
3.根据权利要求1所述的光伏结构，其中所述第一多个金属颗粒如下产生：
通过溅镀、气相沉积或印刷中的一者或一者以上将第一金属层沉积到所述半导体衬底上；以及
在400摄氏度与1200摄氏度之间的范围内的温度下加热所述光伏结构。
4.根据权利要求3所述的光伏结构，其中所述第一金属层包括镍、铜或钴中的一者或一者以上。
5.根据权利要求3所述的光伏结构，其中所述第一金属层具有在5纳米与20纳米之间的范围内的厚度。
6.根据权利要求1所述的光伏结构，其进一步包括第二多个金属颗粒，其中所述第一多个金属颗粒和所述第二多个金属颗粒如下产生：
通过溅镀、气相沉积或印刷中的一者或一者以上将第一金属层沉积到所述半导体衬底上；
通过溅镀、气相沉积或印刷中的一者或一者以上将第二金属层沉积到所述第一金属层上；以及
在400摄氏度与1200摄氏度之间的范围内的温度下加热所述光伏结构。
7.根据权利要求6所述的光伏结构，其中所述第一和所述第二多个金属颗粒包括银、金、铂、铜、钯、钴、钛、钨、镍、铬和铝中的一者或一者以上。
8.根据权利要求6所述的光伏结构，其中所述第一金属层具有在5纳米与20纳米之间的范围内的厚度，且其中所述第二金属层具有在20纳米到200纳米之间的范围内的厚度。
9.根据权利要求1所述的光伏结构，其中所述半导体衬底具有在10纳米与500微米之间的范围内的厚度。
10.根据权利要求1所述的光伏结构，其中所述半导体衬底包括硅，包含非晶硅、多晶硅或单晶硅中的一者或一者以上。
11.根据权利要求1所述的光伏结构，其中所述第一多个金属颗粒中的所述颗粒中的任一者具有在0.001微米与50微米之间的范围内的大小。
12.根据权利要求1所述的光伏结构，其中所述第一多个金属颗粒均匀分布于所述衬底上。
13.根据权利要求1所述的光伏结构，其中所述第一多个金属颗粒在颗粒之间具有在0.001微米到100微米的范围内的间距。
14.根据权利要求1所述的光伏结构，其中所述光伏结构具有在100纳米与500微米之间的范围内的厚度。
15.一种用于制造光伏结构的方法，其包括：
通过溅镀、气相沉积或印刷中的一者或一者以上将第一金属层沉积到半导体衬底上；以及
在400摄氏度与1200摄氏度之间的范围内的温度下加热所述第一金属层和所述半导体衬底以产生接合到所述半导体衬底的第一多个金属颗粒，
借此通过所述沉积和所述加热产生的所述光伏结构能够致使在暴露于红外光谱、可见光谱或紫外光谱中的一者或一者以上内的电磁辐射后即刻产生电流。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述光伏结构是半透明的。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一金属层包括镍、铜或钴中的一者或一者以上。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一金属层具有在5纳米与20纳米之间的范围内的厚度。
19.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：
通过溅镀、气相沉积或印刷中的一者或一者以上将第二金属层沉积到所述第一金属层上；以及
所述加热步骤进一步包括在400摄氏度与1200摄氏度之间的范围内的温度下加热所述第二金属层和所述半导体衬底以产生接合到所述半导体衬底的第二多个金属颗粒。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一金属层具有在5纳米与20纳米之间的范围内的厚度，且其中所述第二金属层具有在20纳米到200纳米之间的范围内的厚度。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述半导体衬底具有在10纳米与500微米之间的范围内的厚度。
22.根据权利要求15所述的方法，其中所述半导体衬底包括硅，包含非晶硅、多晶硅或单晶硅中的一者或一者以上。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一多个金属颗粒中的所述颗粒中的任一者具有在0.001微米与50微米之间的范围内的大小。
24.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一多个金属颗粒均匀分布于所述衬底上。
25.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一多个金属颗粒在颗粒之间具有在0.001微米到100微米的范围内的间距。
26.根据权利要求15所述的方法，其中所述光伏结构具有在100纳米与500微米之间的范围内的厚度。
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