光伏電池的制作方法
【專利摘要】一種光伏結(jié)構(gòu)，其具有：半導(dǎo)體襯底；以及金屬顆粒，其接合到所述半導(dǎo)體襯底。所述光伏結(jié)構(gòu)充分薄而為半透明的。所述金屬顆粒是當(dāng)將金屬層沉積到所述半導(dǎo)體襯底上且加熱時(shí)產(chǎn)生的。所述光伏結(jié)構(gòu)能夠致使在暴露于紅外光譜、可見光譜或紫外光譜中的一者或一者以上內(nèi)的電磁輻射后即刻產(chǎn)生電流。
【專利說(shuō)明】光伏電池
[0001]相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案主張2011年I月14日申請(qǐng)的第61/433，185號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)權(quán)益。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明大體上涉及光伏電池，且更特定來(lái)說(shuō)(但非排他地)涉及生產(chǎn)高效且經(jīng)濟(jì)的薄膜光伏電池的制造。
【背景技術(shù)】
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供一種用于構(gòu)造光伏結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包含:通過(guò)濺鍍、氣相沉積或印刷中的一者或一者以上將第一金屬層沉積到半導(dǎo)體襯底上；以及在400攝氏度與1200攝氏度之間的范圍內(nèi)的溫度下加熱所述第一金屬層和所述半導(dǎo)體襯底以產(chǎn)生接合到所述半導(dǎo)體襯底的第一多個(gè)金屬顆粒，借此通過(guò)所述沉積和所述加熱產(chǎn)生的所述光伏結(jié)構(gòu)能夠致使在暴露于紅外光譜、可見光譜或紫外光譜中的一者或一者以上內(nèi)的電磁輻射后即刻產(chǎn)生電流。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種光伏結(jié)構(gòu)包括:半導(dǎo)體襯底；以及第一多個(gè)金屬顆粒，其接合到所述半導(dǎo)體襯底，借此所述光伏結(jié)構(gòu)能夠致使在暴露于紅外光譜、可見光譜或紫外光譜中的一者內(nèi)的電磁輻射后即刻產(chǎn)生電流。在一個(gè)實(shí)施例中，所述光伏結(jié)構(gòu)是半透明的。
[0006]另外，光伏電池提供改善的特性，所述光伏電池包含半導(dǎo)體襯底和顆粒表面，其中所述顆粒表面的厚度在0.001微米與100微米之間。
[0007]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)從以下對(duì)各種實(shí)施例的描述將明了本發(fā)明的其它和另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，以下實(shí)施例是僅為了說(shuō)明性和示范性目的提供的，且本發(fā)明的各種實(shí)施例的元件的許多組合是可能的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]參考附圖描述本發(fā)明的非限制性和非詳盡實(shí)施例。在圖中，在全部各圖中相同參考標(biāo)號(hào)指代相同部分，除非另外指定。
[0009]為了更好地理解本發(fā)明的實(shí)施例，參考以下【具體實(shí)施方式】，其應(yīng)結(jié)合附圖來(lái)閱讀，附圖中:
[0010]圖1描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光伏電池的側(cè)視圖；
[0011]圖2展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光伏電池的上部表面，其描繪顆粒表面；
[0012]圖3圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的沿著示范性光伏電池的上部表面的電極，用以測(cè)量1-V特性；[0013]圖4圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的經(jīng)配置以用于測(cè)試的示范性光伏電池的側(cè)視圖；
[0014]圖5圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示范性光伏電池特性；以及
[0015]圖6圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于制造光伏電池的過(guò)程的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下文參見附圖更完整地描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖形成本發(fā)明的一部分，且借助于圖解說(shuō)明而展示本發(fā)明可實(shí)踐的特定示范性實(shí)施例。然而本發(fā)明可以許多不同形式體現(xiàn)，且不應(yīng)解釋為限于本文陳述的實(shí)施例，而是提供這些實(shí)施例以使得本發(fā)明將為詳盡且完整的，且將本發(fā)明的范圍完全傳達(dá)給所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員。如本文使用，術(shù)語(yǔ)“或”是包含性“或”算子，且等效于術(shù)語(yǔ)“和/或”，除非上下文清楚地另外規(guī)定。術(shù)語(yǔ)“基于”不是排他的，且允許基于未描述的額外因素，除非上下文清楚地另外規(guī)定。另外，在整個(gè)說(shuō)明書中，“一”和“所述”的意義包含復(fù)數(shù)參考?！霸凇小钡囊饬x包含“在…中”和“在…上”。術(shù)語(yǔ)“耦合”暗示元件可直接連接在一起或可通過(guò)一個(gè)或一個(gè)以上介入元件而耦合。
[0017]圖1圖解說(shuō)明示范性光伏(PV)電池100的構(gòu)造。PV電池構(gòu)造于半導(dǎo)體襯底上。提供基底結(jié)構(gòu)，從半導(dǎo)體襯底110在所述基底結(jié)構(gòu)上構(gòu)成下部襯底。半導(dǎo)體襯底耦合到基底結(jié)構(gòu)的上部表面。鄰近于半導(dǎo)體襯底的上部表面的是制造的一系列顆粒120。所述顆?？捎蓡谓饘?、半金屬、半導(dǎo)體、合金金屬、金屬間化合物或以上全部的組合構(gòu)成。
[0018]半導(dǎo)體襯底可具有任意厚度。優(yōu)選地，半導(dǎo)體襯底厚度為10納米到500微米且優(yōu)選在幾百納米的范圍內(nèi)。雖然傳統(tǒng)上一些PV電池是由潛在有毒的化合物構(gòu)成，但本發(fā)明的實(shí)施例中不使用此些材料。而是，半導(dǎo)體由例如非晶硅、多晶硅、單晶硅或類似物等材料構(gòu)成。此外，雖然可使用摻雜來(lái)引入雜質(zhì)以改善效率，但對(duì)于本文揭示的實(shí)施例這不是必要的?？梢曰蚩梢圆淮嬖趽诫s。
[0019]引入到半導(dǎo)體襯底的上部表面的顆粒的大小可從0.001微米到50微米變化。在一實(shí)施例中，所述顆粒均勻分布于半導(dǎo)體襯底的上部表面上且以0.001微米到100微米間隔開。
[0020]隨后將電極放置于顆粒表面的上部表面上以收集能量。優(yōu)選地，PV電池的總厚度為100納米到500微米。因?yàn)镻V電池可經(jīng)構(gòu)造為與傳統(tǒng)電池相比非常薄，所以所構(gòu)造的PV電池幾乎是半透明的。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，PV電池構(gòu)造本質(zhì)上不是分層過(guò)程。將顆粒放置于半導(dǎo)體襯底的上部表面上。
[0022]圖2描繪示范性PV電池表面200。圖2中所示為PV電池200的表面的掃描電子顯微鏡照片。圖2展示基本襯底210，其為較暗表面，平坦表面，其本質(zhì)上是半導(dǎo)體襯底的表面。鄰近于半導(dǎo)體襯底210的上部表面的是一系列顆粒220。顆粒220彼此間隔開約幾微米，因此顆粒的分布是在微米級(jí)而不是納米級(jí)。顆粒的形狀和大小可變化，在一實(shí)施例中，顆粒的直徑在I微米到10微米之間。雖然優(yōu)選實(shí)施例可包括如本文指定的顆粒，但這既定不是對(duì)實(shí)施例的限制，且實(shí)施例的范圍內(nèi)預(yù)期其它顆粒形狀和大小。
[0023]對(duì)顆粒的分析展示所述顆粒優(yōu)選由金屬或合金構(gòu)成，如上所述。半導(dǎo)體襯底由常規(guī)材料、結(jié)晶無(wú)機(jī)固體(例如，硅和鎵)構(gòu)成。顆粒由金屬組分構(gòu)成，例如銀、金、鉬、銅、鈀、鉆、欽、鶴、鎮(zhèn)、絡(luò)和招。
[0024]一旦已構(gòu)造，則光伏電池便具有特定特性。使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)測(cè)量這些特性。圖3圖解說(shuō)明PV電池的測(cè)量方法300。如圖示，將光310施加于PV電池320的顆粒表面。使用電壓表330來(lái)測(cè)量PV電池中的電位差。將偏置電壓340施加于裝置且電流表350測(cè)量產(chǎn)生的電流。圖4描繪處于其測(cè)試條件中的PV電池400。所述PV電池具有半導(dǎo)體襯底410，具有鄰近于半導(dǎo)體襯底410的上部表面的顆粒420。為了測(cè)量光伏特定，除了已經(jīng)描述的電池夕卜，還將陰極430放置于顆粒420的上部表面上，且將陽(yáng)極440直接放置于半導(dǎo)體襯底410上。將電源(未圖示)施加于陰極430與陽(yáng)極440之間。
[0025]以常規(guī)方式執(zhí)行測(cè)試以便測(cè)量材料的光伏特性。在-2伏到+2伏的范圍內(nèi)施加電壓。由此獲得一系列電流測(cè)量值。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)將O伏施加于電池時(shí)，根據(jù)圖5產(chǎn)生電流。圖5描繪1-V數(shù)據(jù)圖表500。所述圖表展示PV電池的一個(gè)實(shí)施例的電流密度對(duì)所施加電壓。在一實(shí)施例中，初步測(cè)試結(jié)果指示光伏特性大約為20mA/cm2。
[0026]本文的光伏電池可以多種方式制造。圖6圖解說(shuō)明用于制造電池的一個(gè)過(guò)程600。所述過(guò)程以形成半導(dǎo)體襯底602開始。在半導(dǎo)體襯底602的頂部上沉積金屬(或合金等)層604。此沉積過(guò)程可通過(guò)若干方法實(shí)現(xiàn)，包含(但不限于)濺鍍、氣相沉積(VP)和印刷。隨后使用如上所述的類似方法在第一層604的頂部上沉積額外金屬(或合金等)606。在實(shí)施例的范圍內(nèi)預(yù)期，用于沉積的方法對(duì)于兩個(gè)層可為相同的，或可為不同的。在沉積第二層之后，對(duì)電池進(jìn)行烘焙608。烘焙過(guò)程或條件可取決于用來(lái)構(gòu)造電池的特定材料(半導(dǎo)體、金屬、合金、半金屬)而變化。烘焙溫度可從400攝氏度到1200攝氏度變化，且烘焙時(shí)間可從幾分鐘到幾小時(shí)變化，其也取決于所使用的材料。由于烘焙過(guò)程，所述層變?yōu)轭w粒610。在烘焙之后，放置電極612。
[0027]在一實(shí)施例中,在半導(dǎo)體襯底上沉積兩個(gè)材料層。第一層可為金屬(例如，鎳、鈷或銅)。第二沉積層可為第二金屬(例如，銀、金)。此層組合既定不是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的限制，且預(yù)期所述層可包括相同或不同材料且可為金屬或合金。在一實(shí)施例中，兩個(gè)層是使用標(biāo)準(zhǔn)濺鍍技術(shù)來(lái)制造，例如RF、DC或VP。每一層的厚度可變化，優(yōu)選地，第一層為5納米到20納米且第二層為20納米到200納米。雖然實(shí)施例可為本文指定的厚度，但這既定不是對(duì)實(shí)施例的限制且在實(shí)施例的范圍內(nèi)預(yù)期如上所述的其它厚度。
[0028]隨后執(zhí)行烘焙過(guò)程以在半導(dǎo)體襯底的頂部上制造顆粒。優(yōu)選地，烘焙溫度在600攝氏度與1100攝氏度之間，其取決于金屬組分，且烘焙時(shí)間是20分鐘到60分鐘，其取決于材料和初始層厚度。雖然實(shí)施例可如剛才描述那樣實(shí)行烘焙過(guò)程，但這既定不是對(duì)實(shí)施例的限制，且在實(shí)施例的范圍內(nèi)預(yù)期如上所述的其它烘焙溫度和時(shí)間。
[0029]隨后構(gòu)造電極，例如類似于陰極430和陽(yáng)極440的電極。位于顆粒的上部表面上的電極最佳是使用TCO(透明導(dǎo)電氧化物)或ITO(氧化銦錫)層來(lái)構(gòu)造。相對(duì)的電極可使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來(lái)構(gòu)造以在半導(dǎo)體襯底上制造歐姆觸點(diǎn)。在一實(shí)施例中，歐姆觸點(diǎn)是鋁。在另一實(shí)施例中，歐姆觸點(diǎn)是鎳。雖然歐姆觸點(diǎn)的實(shí)施例可包括本文指定的材料，但這既定不是對(duì)實(shí)施例的限制，且實(shí)施例的范圍內(nèi)預(yù)期其它材料。
[0030]本文描述的新穎PV電池具有優(yōu)于當(dāng)前可用PV電池的許多優(yōu)點(diǎn)，包含(但不限于)以下各項(xiàng)。
[0031]首先，由于本文描述的光伏電池的構(gòu)造中使用的所有材料是惰性的，因此不實(shí)施如常規(guī)PV電池中使用的有毒或致癌材料。這不同于當(dāng)今市場(chǎng)中的高效電池。
[0032]其次，由于構(gòu)造的性質(zhì)，PV電池可極薄，幾百納米或更小。由于此原因，非常容易控制光穿過(guò)材料的透射，因此電池可為半透明的。電池類似于可被看穿的不透明膜。此獨(dú)特特性允許將其應(yīng)用于多種表面，包含窗。因此，本發(fā)明的實(shí)施例允許例如在房屋上、汽車上或建筑物上的發(fā)電窗。可以用常規(guī)PV電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)的多種配置來(lái)應(yīng)用所述電池。
[0033]本文呈現(xiàn)的構(gòu)造的另一優(yōu)點(diǎn)和新穎性在于制造過(guò)程簡(jiǎn)單、直接且便宜。本文呈現(xiàn)的新穎過(guò)程估計(jì)比當(dāng)今市場(chǎng)上的同種PV電池的任何其它制造過(guò)程便宜多達(dá)10到100倍，這有助于其新穎性且使得其為革新的。
[0034]另外，所產(chǎn)生能量的量取決于電池的表面，即所述表面有多大或多小。在本發(fā)明的實(shí)施例的范圍內(nèi)預(yù)期表面區(qū)域可變化。而且，隨著PV電池的效率增加，預(yù)期可開發(fā)較小的表面區(qū)域。
[0035]在另一實(shí)施例中，PV電池不僅從可見光范圍中的光(在0.4微米波長(zhǎng)到約1.1微米之間)產(chǎn)生電，而且其也可從紅外光譜和從UV光產(chǎn)生電。
[0036]如先前所述，為了圖解說(shuō)明和描述的目的呈現(xiàn)特定實(shí)施例的以上描述。其既定不是詳盡的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式，且顯然鑒于以上教示的許多修改和變化是可能的，包含等效物。選擇和描述實(shí)施例以便闡釋本發(fā)明的原理及其實(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)而使所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠最佳地利用本發(fā)明及其適合于預(yù)期特定用途的各種實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種光伏結(jié)構(gòu)，其包括: 半導(dǎo)體襯底；以及 第一多個(gè)金屬顆粒，其接合到所述半導(dǎo)體襯底， 借此所述光伏結(jié)構(gòu)能夠致使在暴露于紅外光譜、可見光譜或紫外光譜中的一者或一者以上內(nèi)的電磁輻射后即刻產(chǎn)生電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述光伏結(jié)構(gòu)是半透明的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述第一多個(gè)金屬顆粒如下產(chǎn)生: 通過(guò)濺鍍、氣相沉積或印刷中的一者或一者以上將第一金屬層沉積到所述半導(dǎo)體襯底上；以及 在400攝氏度與1200攝氏度之間的范圍內(nèi)的溫度下加熱所述光伏結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述第一金屬層包括鎳、銅或鈷中的一者或一者以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述第一金屬層具有在5納米與20納米之間的范圍內(nèi)的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括第二多個(gè)金屬顆粒，其中所述第一多個(gè)金屬顆粒和所述第二多個(gè)金屬顆粒如下產(chǎn)生: 通過(guò)濺鍍、氣相沉積或印刷`中的一者或一者以上將第一金屬層沉積到所述半導(dǎo)體襯底上； 通過(guò)濺鍍、氣相沉積或印刷中的一者或一者以上將第二金屬層沉積到所述第一金屬層上；以及 在400攝氏度與1200攝氏度之間的范圍內(nèi)的溫度下加熱所述光伏結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述第一和所述第二多個(gè)金屬顆粒包括銀、金、怕、銅、鈕、鉆、欽、鶴、鎮(zhèn)、絡(luò)和招中的一者或一者以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述第一金屬層具有在5納米與20納米之間的范圍內(nèi)的厚度，且其中所述第二金屬層具有在20納米到200納米之間的范圍內(nèi)的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體襯底具有在10納米與500微米之間的范圍內(nèi)的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體襯底包括硅，包含非晶硅、多晶硅或單晶硅中的一者或一者以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述第一多個(gè)金屬顆粒中的所述顆粒中的任一者具有在0.001微米與50微米之間的范圍內(nèi)的大小。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述第一多個(gè)金屬顆粒均勻分布于所述襯底上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述第一多個(gè)金屬顆粒在顆粒之間具有在0.001微米到100微米的范圍內(nèi)的間距。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏結(jié)構(gòu)，其中所述光伏結(jié)構(gòu)具有在100納米與500微米之間的范圍內(nèi)的厚度。
15.—種用于制造光伏結(jié)構(gòu)的方法,其包括: 通過(guò)濺鍍、氣相沉積或印刷中的一者或一者以上將第一金屬層沉積到半導(dǎo)體襯底上；以及 在400攝氏度與1200攝氏度之間的范圍內(nèi)的溫度下加熱所述第一金屬層和所述半導(dǎo)體襯底以產(chǎn)生接合到所述半導(dǎo)體襯底的第一多個(gè)金屬顆粒， 借此通過(guò)所述沉積和所述加熱產(chǎn)生的所述光伏結(jié)構(gòu)能夠致使在暴露于紅外光譜、可見光譜或紫外光譜中的一者或一者以上內(nèi)的電磁輻射后即刻產(chǎn)生電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述光伏結(jié)構(gòu)是半透明的。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一金屬層包括鎳、銅或鈷中的一者或一者以上。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一金屬層具有在5納米與20納米之間的范圍內(nèi)的厚度。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其進(jìn)一步包括: 通過(guò)濺鍍、氣相沉積或印刷中的一者或一者以上將第二金屬層沉積到所述第一金屬層上；以及 所述加熱步驟進(jìn)一步包括在400攝氏度與1200攝氏度之間的范圍內(nèi)的溫度下加熱所述第二金屬層和所述半 導(dǎo)體襯底以產(chǎn)生接合到所述半導(dǎo)體襯底的第二多個(gè)金屬顆粒。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一金屬層具有在5納米與20納米之間的范圍內(nèi)的厚度，且其中所述第二金屬層具有在20納米到200納米之間的范圍內(nèi)的厚度。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底具有在10納米與500微米之間的范圍內(nèi)的厚度。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底包括硅，包含非晶硅、多晶硅或單晶硅中的一者或一者以上。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一多個(gè)金屬顆粒中的所述顆粒中的任一者具有在0.001微米與50微米之間的范圍內(nèi)的大小。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一多個(gè)金屬顆粒均勻分布于所述襯底上。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一多個(gè)金屬顆粒在顆粒之間具有在0.001微米到100微米的范圍內(nèi)的間距。
26.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述光伏結(jié)構(gòu)具有在100納米與500微米之間的范圍內(nèi)的厚度。
【文檔編號(hào)】H01L31/0352GK103534814SQ201280005285
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月14日
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