具有光伏直立物的三维超颖材料装置的制造方法
【专利说明】具有光伏直立物的H维超颖材料装置
[0001] 巧关申请案
[0002] 本申请案主张2013年1月28日申请的第13/751，914号美国申请案和2013年2 月8日申请的第13/763, 073号美国申请案的优先权。申请案13/751，914及13/763, 073 的全部内容W引用方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本申请案大体上设及光伏装置，且更具体来说设及W大量光伏直立物为特征的光 伏电池。
【背景技术】
[0004] 太阳能是流行的清洁能源，但其一般比其碳基竞品（例如，石油、煤炭及天然气） 及其它传统非碳基能源（例如，水力发电）更昂贵。通常，太阳能还因为具有平面配置的传 统光伏电池通常具有较低的总效率而相对昂贵。总效率是基于当太阳飞越天空时在一整天 中从太阳能电池产生的总电力。总效率不同于将W零入射角（例如，当太阳在太阳能电池 正上方的瞬间）照射光伏电池的给定量的光能转换成电的理论效率。
【发明内容】
阳〇化]各种实施例的系统、方法及装置提供一种光伏电池，所述光伏电池的特征为由多 个光伏直立物化ristle)形成的超颖材料，所述光伏直立物的光伏及导电材料经配置W展 现高光子吸收及内反射概率。由于高光子吸收及内光子反射概率，光伏直立物的超颖材料 展现出将光能转换成电能的较高总效率。实施例光伏电池的高总效率可导致提高的效率及 自光伏电池产生更多电力。
[0006] 各种实施例还包含结构特征，所述结构特征在暴露于足W产生电势的光时可导致 对电流的减小的电阻。此增强的导电性可增进效率及从光伏电池产生的净电力（在某些操 作条件下）。
【附图说明】
[0007] 并入本文中且构成本说明书的部分的【附图说明】本发明的示范性实施例，且与上文 给出的一般描述及下文给出的详细描述一起用于解释本发明的特征。
[0008] 图IA为根据实施例的从衬底延伸W形成超颖材料的若干光伏直立物的透视图。 阳009] 图IB为图IA中说明的光伏直立物的俯视图。
[0010] 图IC为说明光子的波前的常规光伏装置的横截面图。
[0011] 图ID为说明当光伏直立物阵列的轴与入射光子成某个角度定向时的光子相互作 用的光伏直立物的透视图。
[0012] 图2A为其中光伏直立物具有导电忍体及两个吸收体子层或区域的实施例的区段 的横截面俯视图。
[0013] 图2B为图2A中说明的光伏直立物的横截面侧视图。
[0014] 图2C为图2A中说明的光伏直立物中的一者的横截面俯视图。
[0015] 图2D为图2A中说明的光伏直立物中的一者的横截面侧视图。
[0016] 图沈为说明与圆形横截面光伏直立物相互作用的光子波的斜角元素的图式。
[0017] 图3A为其中光伏直立物具有导电忍体及=个吸收体子层或区域的实施例的区段 的横截面俯视图。
[0018] 图3B为图3A中说明的光伏直立物的横截面侧视图。
[0019] 图3C为图3A中说明的光伏直立物中的一者的横截面俯视图。
[0020] 图3D为图3A中说明的光伏电池的一个光伏直立物的横截面侧视图。
[0021] 图4A为其中光伏直立物具有分层导电忍体及两个吸收体子层或区域的实施例的 区段的横截面俯视图。
[0022] 图4B为图4A中说明的光伏直立物的横截面侧视图。
[0023] 图4C为图4A中说明的光伏直立物中的一者的横截面俯视图。
[0024] 图4D为图4A中说明的光伏直立物中的一者的横截面侧视图。
[00巧]图5A为其中光伏直立物具有分层导电忍体及=个吸收体子层或区域的实施例的 区段的横截面俯视图。 阳0%] 图5B为图5A中说明的光伏直立物的横截面侧视图。
[0027] 图5C为图5A中说明的光伏直立物中的一者的横截面俯视图。
[0028] 图抓为图5A中说明的光伏直立物中的一者的横截面侧视图。
[0029] 图6A为其中光伏直立物具有半导体忍体及一个吸收体子层的实施例的区段的横 截面俯视图。
[0030] 图6B为图6A中说明的光伏直立物的横截面侧视图。
[0031] 图6C为图6A中说明的光伏直立物中的一者的横截面俯视图。
[0032] 图抓为图6A中说明的光伏直立物中的一者的横截面侧视图。
[0033] 图7A为其中光伏直立物具有渗杂半导体忍体及两个吸收体子层或区域的实施例 的区段的横截面俯视图。
[0034] 图7B为图7A中说明的光伏直立物的横截面侧视图。
[0035] 图7C为图7A中说明的光伏直立物中的一者的横截面俯视图。
[0036] 图7D为图7A中说明的光伏直立物中的一者的横截面侧视图。
[0037] 图8说明用于制造根据各种实施例的光伏电池的实施例方法。
[0038] 图9为说明结构不连续处的电荷集中的光伏直立物阵列的横截面侧视图，所述电 荷集中可在所述阵列暴露于光时发生。
[0039] 图IOA到IOD说明包含多个子层的外导电层的实施例。
[0040] 图11为与电磁场强度图表叠加的光伏直立物阵列的横截面图，所述电磁场强度 图表说明与光伏直立物的吸收层的光子相互作用的电动力学分析的结果。
【具体实施方式】
[0041] 将参考附图详细描述各种实施例。只要有可能，相同参考数字将贯穿图式用于指 代相同或类似部件。术语"实例"、"示范性"或任何类似术语在本文中用于表示用作实例、 例子或说明。对参考特定实例及实施方案的参考是出于说明目的，且不意在限制本发明或 权利要求书的范围。本文中描述为"实例"的任何实施方案不一定理解为比另一实施方案 优选或有利。
[0042] 如本文中使用，术语"光伏直立物"是指具有近似等于1到100微米的高度、近似 0. 2到50微米的直径的近似圆柱形的=维结构，所述=维结构包含夹置在导电内层或忍体 与透明外导电层之间的至少一个光伏活性半导体层。使用术语"直立物"仅仅是因为所述 结构具有大于其直径的长度，所述结构具有大体上（平均）圆形横截面且所述结构的总尺 寸为次微米到数十微米的尺寸。在本文中说明的实施例中，光伏直立物具有近似圆柱形，近 似圆柱形表示所述结构的外表面的实质部分具有近似圆形或楠圆形（其中两个半径近似 共存）的横截面。归因于制造可变性，没有一个光伏直立物的轮廓可为完全圆柱形的，但当 考虑大量光伏直立物时，平均轮廓是圆柱形的。在另一实施例中，光伏直立物可具有如可促 进制造的非圆形横截面，例如六边形、八边形、楠圆形等等。
[0043] 当实施例光伏直立物W有序或无序阵列布置在衬底上时，所得结构可形成超颖材 料结构。如本文中使用，术语"超颖材料"或"超颖材料衬底"是指衬底上的光伏直立物的阵 列。如本文中使用的超颖材料为经工程设计而具有金属或聚合物的人造材料，其W特定结 构化或非结构化图案布置，导致不同于组成材料的材料性质（包含光吸收及折射性质）。可 通过控制组成如本文中描述的超颖材料的直立物的形状、几何结构、大小、定向、材料性质、 材料厚度及布置来影响光与光伏直立物的阵列相互作用的累积效应。
[0044] 传统的平面光伏电池是平坦的。在传统平面光伏电池中，在任何给定时间点有限 数目的光子被吸收。光子吸收的发生贯穿传统平面光伏电池的厚度（例如，从上到下）从 光子进入点直到光子被转换成电能为止。当光子与光伏层相互作用时，传统平面光伏电池 将光子转换成电能。然而，一些光子在没有产生电子空穴对的情况下穿过光伏层，且因此表 示损失的能量。虽然可通过将光伏层制造得更厚来增大被吸收的光子的数目，但增大厚度 增大了重组从而将其电势转换成热量的电子空穴对的分率。此外，较厚的光伏膜展现导致 光子转换下降的指数衰减损失。由于此原因，传统平面光伏电池强调了薄光伏层，从而为了 取得电子空穴对到电流的增加的转换及减少的发热而接受降低的光子吸收率。因此，传统 平面光伏电池的理论峰值效率W及总效率受到平面几何结构及可在贯穿光伏层的最大化 光学路径长度中吸收的光子的未衰减分率的限制。 W45] 常规平面光伏电池还遭受静态部署（即，无太阳跟踪设备）的低总效率，运是因为 当太阳不在头顶正上方时（即，在正午之前及之后），常规平面光伏电池的瞬时电力转换效 率显著下降。传统平面光伏电池的峰值效率受到其相对于太阳的定向的影响，所述定向可 取决于一天的时间及季节而改变。用于计算太阳能电池的峰值效率的标准测试条件是基于 最佳条件，例如在正午时或在光源处在电池正上方的情况下测试光伏电池。如果光与表面 成锐角（即，不同于垂直于所述表面）照射传统光伏电池，那么瞬时电力转换效率比峰值效 率低得多。北半球的传统平面光伏电池通常朝向南方倾斜基于缔度的角度W便提高其效 率。虽然此类固定角度可考虑到归因于缔度的正午太阳角度，但光伏电池在上午及下午期 间（目P，一天的大部分时间）W某个角度接收太阳光。因此，当在单个时刻W外测量时，传 统平面光伏电池实际上导致低的总效率及低的总电力产生。
[0046] 各种实施例包含展现来自光伏直立物的规则或不规则阵列的超颖材料特性的光 伏电池，所述光伏直立物经配置使得光到电的转换在所述光伏直立物的层内发生。因为光 伏直立物在衬底的表面上方延伸且间隔开，所W所述阵列向各种实施例的光伏电池提供体 积光子吸收性质，所述体积光子吸收性质导致超过使用传统平面光伏电池可实现的水平的 能量转换性能。所述体积光子吸收性质使得各种实施例的光伏电池可比具有相同占据面积 的传统平面光伏电池产生更多的电力。归因于光伏直立物的较小的大小，每一直立物内的 光伏活性层相对薄，从而最小化归因于电子空穴重组的电力损失。所述薄光伏活性层帮助 减少通常存在于较厚光伏膜中的衰减损失，运是因为光伏直立物包含薄的径向吸收深度及 相对较厚的垂直吸收深度，从而最大化光子吸收及电力产生。当在衬底上或衬底内的阵列 中组合个别光伏直立物时，可形成超颖材料结构，所述超颖材料结构展现导致增大的能量 转换效率及电力产生的高光子吸收及内反射概率。各种实施例结构还提供额外性能增强益 处，如将在下文更详细描述。
[0047] 各种实施例包含用于将光伏直立物定位在衬底上的配置，其中直立物之间的间隔 取决于每一直立物的尺寸，其权衡遮蔽及光子吸收机会W便增大能量转换性能。可基于特 定尺寸来确定运些实施例配置，从而实现取决于光伏直立物的高度及直径的一系列光伏电 池配置。归因于光伏直立物的较小大小及直立物之间的相对短距离，结果可为与常规光伏 电池发生的情况相比光波（即，当将光子作为波而非粒子来评估时）展现与光伏直立物的 材料相互作用且被光伏直立物的材料吸收的更高概率的超颖材料。此外，光伏直立物的= 维结构增大了超颖材料装置的光学厚度。所有运些因素增大了被吸收到光伏直立物的光伏 活性层中的光子的数目，且因此增大了可用于转换成电的光能的量。
[0048] 各种实施例还包含每一光伏直立物内的导电层及光伏活性层在厚度及折射率方 面的配置，其通过内部折射在所述直立物内吸收的光子来提供增强的电力转换性能。如下 文更详细描述，光子可本质上围绕光伏直立物的吸收环反射且传播，由此产生均衡驻波。组 成驻波的光子将被吸收且被转换成电子空穴对。此圆形内反射光子路径及所得驻波对于各 种实施例是唯一的，且为无法在常规平面光伏电池中发生的现象。
[0049] 可通过定位实施例光伏电池使得光伏直立物与入射光子成某个角度来获得进一 步性能增强。运可归因于光子与每一光伏直立物上的外导电层之间的波相互作用而提高光 子被吸收到光伏直立物中的概率。与入射光子成某个角度来定向实施例光伏电池还增大了 光伏直立物暴露于光的光学深度，运是因为在此定向中，光子照射直立物的侧面而不仅仅 是顶部。光伏直立物的离轴光子吸收特性还使得实施例光伏电池能够展