專利名稱:基于碳納米管的太陽能電池及形成其的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型大體上關(guān)于太陽能電池，更具體而言，是關(guān)于包含碳納米管的太陽能電池。
背景技術(shù)：
太陽能電池包含吸收層，在此處，光子被吸收并且產(chǎn)生電子空穴對(duì)。平面薄膜太陽 能電池的吸收層需要厚得足以使多數(shù)入射的光子被捕捉，但不至于厚得讓所有由光子吸收而產(chǎn)生的電荷載流子在他們抵達(dá)太陽能電池電極且產(chǎn)生光電流之前要么復(fù)合要么被捕集。該結(jié)果在該二個(gè)相對(duì)效應(yīng)之間難以具有折衷方案，且此類電池的效能無法最佳化。
吸收層可包含以下材料，諸如硅(微晶硅及非晶硅)、其他硅基材料(諸如SiGe及碳摻雜微晶硅)、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)、Cu(In, Ga) (S，Se) 2 (CISSe)及各種二六族二元化合物及三元化合物。然而吸收層經(jīng)常是具有嚴(yán)重影響太陽能裝置效能的復(fù)合位置密度的缺陷材料。需要減少電子空穴對(duì)的復(fù)合(在此亦指電荷載流子的衰減)以提供更有效能的太陽能電池。
再者，對(duì)非晶硅太陽能電池而言，存在一種額外的問題,稱作Staebler-Wronski效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)是在一段時(shí)間內(nèi)性能的退化，且該退化對(duì)于愈厚的非晶硅膜而言會(huì)愈大。例如，300nm的非晶硅膜可于電池效能中產(chǎn)生10-12%的光誘導(dǎo)退化，更甚者，隨著膜厚度增力口，退化會(huì)以指數(shù)式增加至約30%。然而，基于非晶硅的太陽能電池的光誘導(dǎo)退化不僅視厚度而定，亦視非晶硅的生長速率、沉積參數(shù)等而定。而微晶硅膜即使在結(jié)晶度比例低時(shí)，仍產(chǎn)生較少(1-2%)的光誘導(dǎo)退化。
已藉由產(chǎn)生三維太陽能電池結(jié)構(gòu)而實(shí)行改良太陽能電池，在該結(jié)構(gòu)中，吸收層形成于非平面的表面上，諸如具有抬升的微米尺度的柱狀物或脊?fàn)钗锏谋砻?。此配置容許相較于平面配置，在給定的吸收層厚度上具有較大的光吸收度。雖已獲得此大有可為的結(jié)果以用于此類太陽能電池結(jié)構(gòu)，然而這些電池的制造難以用于工業(yè)規(guī)模上。在此需要更可制造的高效能太陽能電池及用于形成該電池的方法及設(shè)備。

實(shí)用新型內(nèi)容

大體而言，本實(shí)用新型的實(shí)施例提供一種具有碳納米管(CNT)的太陽能電池，這些碳納米管用于界定太陽能電池的微米/次微米幾何尺寸；及/或做為電荷傳輸體，以有效地從吸收層移除電荷載流子以減少吸收層中的電子空穴復(fù)合速率。CNT的密度可受控制且CNT可圖案化成例如為束狀物。
本實(shí)用新型的方法可包括(但不限于)將CNT結(jié)合進(jìn)入吸收材料以有效移除空穴，其中該吸收材料可為諸如娃(微晶娃及非晶娃)、其他娃基材料(諸如SiGe及碳慘雜微晶硅)、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)、Cu (In，Ga) (S，Se)2 (CISSe)及各種二六族二元化合物及三元化合物。再者，CNT的密度及對(duì)準(zhǔn)情況可受控制以最佳化太陽能電池效能，包括改善光吸收層中的光捕集。本實(shí)用新型的概念不限于使用CNT，而可應(yīng)用至大體上具有電荷傳導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)(諸如對(duì)準(zhǔn)及非對(duì)準(zhǔn)的納米棒及納米線)的太陽能電池吸收層。再者，本實(shí)用新型的概念可應(yīng)用至太陽能電池，其大體上包括多結(jié)太陽能電池。
根據(jù)本實(shí)用新型的多個(gè)方面，一種太陽能電池包含導(dǎo)電層；多個(gè)金屬催化劑粒子，附著于該導(dǎo)電層；多個(gè)碳納米管，形成于這些金屬催化劑粒子上；以及光活性吸收層，其形成于該導(dǎo)電層上，該光活性吸收層包覆這些碳納米管，其中這些碳納米管提供導(dǎo)電路徑以供產(chǎn)生在該吸收層中的電荷載流子流出該吸收層。碳納米管可呈垂直對(duì)準(zhǔn)，而垂直于該導(dǎo)電層。碳納米管的密度可在每平方米IO11至IO16個(gè)的范圍內(nèi)一大體上在任何給定面積中，碳納米管覆蓋率僅2-13%。碳納米管可滲透吸收層達(dá)5%至95%的吸收層厚度，且在某
些實(shí)施例中，對(duì)吸收層的滲透達(dá)吸收層厚度的50%至80%。碳納米管可為單壁、雙壁或多壁碳納米管。電荷載流子可為空穴。
根據(jù)本實(shí)用新型的其它方面，一種形成太陽能電池的方法包含提供導(dǎo)電層；形成多個(gè)金屬催化劑納米粒子于該導(dǎo)電層的表面上；生長多個(gè)碳納米管于該金屬催化劑納米粒子上；以及沉積光活性吸收材料于這些碳納米管上，其中該光活性吸收材料形成包覆這些碳納米管的吸收層。這些碳納米管可藉由低溫(300-550° C)生長處理沉積，這些處理例如等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、低壓CVD或熱燈絲CVD (HWCVD)等技術(shù)。金屬催化劑納米粒子可藉由低壓CVD、原子層沉積(ALD)或等離子體及UV誘導(dǎo)ALD等技術(shù)沉積。
本實(shí)用新型的方法可包括使用形成于基材表面上的多個(gè)碳納米管束狀物界定太陽能電池的微米/次微米幾何尺寸，其中這些束狀物可具有微米尺度的高度及平均間距。光活性太陽能電池層沉積于這些束狀物上，以致該層連續(xù)，且于某些實(shí)施例中，與這些束狀物共形。光活性太陽能電池層可包含非晶硅p/i/n薄膜；然而，本實(shí)用新型的概念亦可應(yīng)用至具有微晶硅、SiGe、碳摻雜微晶硅、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)、Cu (In, Ga)(S，Se)2 (CISSe)以及各種p型二六族二元化合物(諸如CdTe)，以及三元與四元化合物(諸如Cu2ZnSnS4)的吸收層的太陽能電池。
根據(jù)本實(shí)用新型的多個(gè)方面，一種太陽能電池包含基材；多個(gè)在該基材的表面上的金屬催化劑的區(qū)域；多個(gè)碳納米管束狀物，形成于該多個(gè)金屬催化劑的區(qū)域上，每一束狀物包括大略垂直于該基材的該表面而對(duì)準(zhǔn)的碳納米管；以及光活性太陽能電池層，形成于這些碳納米管束狀物及該基材的暴露表面上，其中該太陽能電池層在這些碳納米管束狀物上及該基材的該暴露表面上為連續(xù)的。該基材可包括在該基材的該表面處的導(dǎo)電層；或者，在基材表面上可以有導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層與這些碳納米管束狀物一起電連接。再者，該薄膜太陽能電池層可與這些碳納米管束狀物的這些表面共形。再者，這些碳納米管束狀物可被結(jié)構(gòu)性強(qiáng)化，例如，以電化學(xué)沉積金屬或來自氣體前驅(qū)物的催化性沉積材料強(qiáng)化。
較佳地，在上述的太陽能電池中，進(jìn)一步包含第二光活性太陽能電池層，該第二光活性太陽能電池層在該第一光活性太陽能電池層上是連續(xù)的。
較佳地，在上述的用于形成太陽能電池的設(shè)備中，所述第二系統(tǒng)包括用于生長所述碳納米管束狀物的熱燈絲化學(xué)氣相沉積工具。[0016]較佳地，在上述的用于形成太陽能電池的設(shè)備中，所述第二系統(tǒng)包括用于在沉積所述連續(xù)光活性太陽能電池層之前在每個(gè)所述碳納米管束狀物上選擇性地沉積強(qiáng)化材料的工具。
較佳地，在上述的用于形成太陽能電池的設(shè)備中，所述第二系統(tǒng)包括用于從氣相中催化地沉積所述強(qiáng)化材料的工具。
較佳地，在上述的用于形成太陽能電池的設(shè)備中，第二系統(tǒng)包括用于沉積所述強(qiáng)化材料的電沉積工具。
較佳地，在上述的用于形成太陽能電池的設(shè)備中，所述第三系統(tǒng)包括用于沉積所述連續(xù)光活性太陽能電池層的熱燈絲化學(xué)氣相沉積工具。
根據(jù)本實(shí)用新型的其它方面，一種形成太陽能電池的方法包含提供基材；形成多個(gè)金屬催化劑納米粒子的分布于該基材上；生長多個(gè)碳納米管束狀物于該金屬催化劑納米粒子上；以及沉積一連續(xù)太陽能電池層于這些碳納米管束狀物上。該太陽能電池層可與這些碳納米管束狀物共形。形成多個(gè)金屬催化劑納米粒子的分布的步驟除了其他處理之外可包括沉積多個(gè)球體于該基材上；沉積金屬催化劑于這些球體上；以及移除這些球體。再者，形成多個(gè)金屬催化劑納米粒子的分布的步驟可包括沉積金屬催化劑的薄膜；退火該薄膜以形成這些金屬催化劑納米粒子；以及視情況任選蝕刻這些納米粒子以增加這些納米粒子之間的平均間距。


在瀏覽本實(shí)用新型的詳細(xì)說明書內(nèi)容與伴隨的附圖之后，熟習(xí)此技藝者可更明了本實(shí)用新型的這些及其他方面與特征，這些附圖中
圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施例的具有CNT電荷傳輸體的太陽能電池的示意圖；
圖2是根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施例的制造具有CNT電荷傳輸體的太陽能電池的處理流程；
圖3是根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施例的基于CNT束狀物的太陽能電池的示意圖；
圖4是根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施例的制造基于CNT束狀物的太陽能電池的第一處理流程；
圖5是根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施例的制造基于CNT束狀物的太陽能電池的第二處理流程；
圖6A及6B顯示根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的以球體涂布的基材的示意視圖，這是用于制造基于CNT束狀物的太陽能電池的處理的一部份；
圖7顯示根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的于球體上沉積金屬催化劑及移除球體后圖6A的基材的示意圖，這是用于制造基于CNT束狀物的太陽能電池的處理的一部份；
圖8顯示根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的退火以形成催化劑金屬的納米粒子后圖7的基材的示意圖，這是用于制造基于CNT束狀物的太陽能電池的處理的一部份；
圖9顯示根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的生長CNT后圖8的基材的剖面示意圖，這是用于制造基于CNT束狀物的太陽能電池的處理的一部份；[0031]圖10顯示根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的沉積太陽能電池層后圖9的基材的剖面示意圖，這是用于制造基于CNT束狀物的太陽能電池的處理的一部份；
圖11顯示根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例用于制造太陽能電池(諸如圖1的太陽能電池)的設(shè)備概略圖；
圖12顯示根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例用于制造太陽能電池(諸如圖3及圖10的太陽能電池)的設(shè)備概略圖；以及
圖13顯示具有多個(gè)結(jié)的基于CNT束狀物的太陽能電池的剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)將參考附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，這些附圖是供以做為本實(shí)用新型的說明范例，以使熟習(xí)此技藝者能操作本實(shí)用新型。值得注意的是，下文中的附圖及范例并非·將本實(shí)用新型的范疇限制于單一實(shí)施例，而是，其他實(shí)施例可藉由交換所描述的或所繪示的一些或所有元件的方式實(shí)行。再者，本實(shí)用新型的某些元件可部份或全部使用已知部件實(shí)施，僅有那些為能使人明了本實(shí)用新型的必要已知部件的部份會(huì)加以描述，而已知部件的其他部份的詳細(xì)描述將會(huì)省略以免混淆本實(shí)用新型。在本說明書中，顯示單一部件的實(shí)施例不應(yīng)視為限制；相反地，除非在此以其他方式明確聲明，否則本實(shí)用新型意欲涵蓋其他包括多個(gè)相同部件的實(shí)施例，且反之亦然。再者，申請(qǐng)人不欲將說明書中的任何項(xiàng)目歸于非一般或特殊意義，除非在此明確提出。進(jìn)一步而言，本實(shí)用新型涵蓋當(dāng)前及未來已知的、與在此由說明方式所指的已知部件的等效物。
在太陽能電池中，光子可被吸收于光活性吸收層中，并且產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在傳統(tǒng)CIGS太陽能電池中，透過光活性吸收層的電荷分離及傳輸?shù)淖璧K路徑容許在電荷分離及傳輸離開之前透過復(fù)合而達(dá)成一些電荷衰減。復(fù)合將太陽能電池效能從理論最大值降低。在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，CNT及其他空穴傳輸納米棒、納米線、納米管等可被配置成為有效路徑以引導(dǎo)空穴離開并且因此減少在光活性吸收層中會(huì)發(fā)生的復(fù)合。見圖1。
在此大體上描述太陽能電池，并且提供太陽能電池的特定范例。然而，本實(shí)用新型的概念不限于非晶硅或銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池，而可應(yīng)用于大體上包含以下材料的吸收層的太陽能電池，這些材料包括微晶硅、其他硅基材料(如SiGe與碳摻雜微晶硅)、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)、Cu (In，Ga) (S，Se)2 (CISSe)以及各種P型二六族二元、三元與四元化合物(諸如CdTe)。再者，本實(shí)用新型的概念不限于具有對(duì)準(zhǔn)的CNT的太陽能電池，而可應(yīng)用至大體上包括具有電荷傳導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)(諸如對(duì)準(zhǔn)及非對(duì)準(zhǔn)的納米棒及納米線)的太陽能電池吸收層的太陽能電池。
碳納米管(CNT )具有電性質(zhì)以及機(jī)械性質(zhì)，使得他們?cè)诩芍猎S多電子元件(包括太陽能裝置)的方面，是備受矚目的。碳納米管為納米等級(jí)的圓柱體，具有由石墨烯形成的壁一單一原子厚的石墨薄片。納米管可為單壁(由單一片石墨烯構(gòu)成的圓柱壁，稱為SWNT)亦可為多壁(由多片石墨烯構(gòu)成的圓柱壁，稱為MWNT)。對(duì)SWNT而言，納米管可具有一個(gè)納米般小的直徑，且長度對(duì)直徑比率為IO2至IO5數(shù)量級(jí)。碳納米管可具有金屬電性質(zhì)或可具有半導(dǎo)體電性質(zhì)，使它們適合集成進(jìn)入各種元件，諸如太陽能電池。CNT于升高的溫度下從碳?xì)淝膀?qū)物氣體選擇性沉積于某些金屬上。適合的金屬可包括鐵、鎳、鈷、銅、鑰及前述的金屬合金，可具有或不具有諸如Al、Al203、Mo、Ta及W的下層一所列的金屬能催化那些用于生長CNT的反應(yīng)。注意到，這些下層及諸如S1、石英、SiO2, T1、SiC等的基材影響生長處理且對(duì)CNT的種類及性質(zhì)具有極大影響。
圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施例的太陽能電池100的示意圖。太陽能電池100包含基材101?；?01可為玻璃基材或金屬可撓基材等。導(dǎo)電層102—般以600nm厚度覆蓋基材101。層102可為Mo、Fe、TiN或Cu層，所有上述層的功 函數(shù)大約為4. 6eV。層102亦可包含頂表面上的Al薄層，一般為5nm厚。對(duì)準(zhǔn)的 碳納米管110電連接至層102。鐵催化劑納米粒子111 (尺寸從0. 5nm變化至IOnm)位于層102頂部上的CNTllO的基部。亦可使用其他諸如鎳、鈷、銅、鑰及前述金屬的合金，前述金屬具有或不具有諸如Al、A1203、Mo、Ta及W的下層。CNT可為SWNT或MWNT。CNT可呈垂直對(duì)準(zhǔn)，在各個(gè)碳納米管之間具規(guī)律的間隔，如圖1中所呈現(xiàn)。碳納米管的垂直對(duì)準(zhǔn)可助于在吸收層103內(nèi)捕集光線。當(dāng)生長時(shí)，CNT為有效的介質(zhì)以傳輸在吸收層中生成的空穴至下層102。CNT的長度可為IOOnm至2. Oiim長，而直徑范圍為0.5至15nm。吸收層103環(huán)繞CNT。吸收層及CNT—般可被配置以致CNT延伸進(jìn)入吸收層達(dá)吸收層厚度的5%至95%，而在一些實(shí)施例中，較佳為滲透達(dá)50%至80%的吸收層厚度。吸收層可為CIS、CIGS等。一般CIGS層的厚度從1. Oiim變化至2. Oii m。緩沖層104、105與透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層106位于吸收層的頂部上，如圖1所示。緩沖層可為CdS及ZnO，且TCO層可為例如銦錫氧化物(ITO)。緩沖層和TCO層必須至少是部份光學(xué)上透明，以容許充分的光線抵達(dá)光活性吸收層103。接觸墊107形成于TCO層106上。接觸墊可為鋁或鎳合金等。太陽能電池藉由在層102及接觸墊107之間完成電路而致動(dòng)。
或者，太陽能電池可裝設(shè)以由非晶硅的p-1-n層、微晶硅的p-1-n層等形成的吸收層103，且使用適當(dāng)?shù)碾姌O材料。舉例而言，層102可為由透明導(dǎo)電氧化物或其他透明導(dǎo)電材料制成的透明電極；而層104-106可以被諸如銀及鋁或合金的金屬制成的反射電極替換。
CNT可呈垂直對(duì)準(zhǔn)且彼此平行。平均上，此對(duì)準(zhǔn)提供最短的路徑供空穴從吸收層透過CNT引出。CNT的近似垂直與平行對(duì)準(zhǔn)是有益的。吸收層中CNT的密度可以是在吸收層內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)的效能與從吸收層中引出空穴的效能之間的折衷方案。期望的CNT密度可為每平方米IO11至IO16的量級(jí)。
吸收層可為連續(xù)薄膜，形成于CNT周圍。在包含納米粒子的吸收層上，連續(xù)薄膜是有益的，理由如下(I)連續(xù)薄膜提供橫跨從紫外線(UV)到近紅外線(IR)的光譜的更高的光吸收系數(shù)；以及(2)連續(xù)薄膜的導(dǎo)電度更高，特別是當(dāng)納米粒子的表面被覆蓋于介面活性劑中時(shí)。再者，更高的光吸收系數(shù)容許吸收層厚度尺度降低，從大約2至0. 2微米，這提供改良的太陽能電池特性，諸如電池能量轉(zhuǎn)換效能H、開路電壓(/。)、填充系數(shù)斤 )、以及標(biāo)準(zhǔn)化短路電流(Js。)。
用于制造如圖1的太陽能電池的基本方法顯示于圖2中的處理流程200中。制造過程包括提供具有導(dǎo)電層的基材(210);形成金屬催化劑納米粒子于該導(dǎo)電層的表面上(220);生長碳納米管于這些金屬催化劑納米粒子上(230);沉積光活性吸收材料于這些碳納米管上，其中該光活性吸收材料形成包覆這些碳納米管的吸收層(240);以及沉積太陽能電池的頂部導(dǎo)電層以及接觸墊(250 )。或者，導(dǎo)電層可于生長碳納米管之后沉積。
用于依循如圖2的方法、制造如圖1中的太陽能電池的設(shè)備顯示于圖11。圖11的設(shè)備包含系統(tǒng)1101，配置成沉積導(dǎo)電層；系統(tǒng)1102，被配置成形成金屬催化劑納米粒子于導(dǎo)電層的表面上；系統(tǒng)1103，被配置成生長碳納米管于金屬催化劑納米粒子上；系統(tǒng)1104，被配置成沉積光活性吸收材料于碳納米管上，其中該光活性吸收材料形成包覆這些碳納米管的吸收層；以及系統(tǒng)1105，被配置成沉積頂部導(dǎo)電層于光活性吸收層上以及沉積接觸墊。該設(shè)備的系統(tǒng)為概略顯示，這些系統(tǒng)可排列成線性設(shè)備、一個(gè)以上的群集工具或其他變化形式。這些系統(tǒng)可為PVD、CVD、ALD、PECVD、HWCVD等，如參考圖1于下文所述。
現(xiàn)將參考圖1而詳細(xì)描述制造過程的特定范例。提供基材101。導(dǎo)電層102是使用已知的沉積技術(shù)沉積于基材101的頂部上。鋁薄層(一般為5nm厚)是藉由PVD濺鍍技術(shù)沉積于層102上，隨后，鐵薄層(<2nm)以鐵納米粒子111的形式形成于連續(xù)鋁層的表面上。鐵納米粒子的直徑將決定CNT的直徑?？山逵蒔VD、低壓熱CVD、ALD、PECVD, HWCVD或等離子體及UV誘導(dǎo)ALD技術(shù)沉積鐵。金屬催化劑納米粒子可藉由低壓CVD、ALD或等離子體及UV誘導(dǎo)ALD技術(shù)沉積。
對(duì)準(zhǔn)碳納米管110隨后形成于鐵納米粒子111上。CNT可藉由標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)生長，這 些技術(shù)包括等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、熱燈絲CVD (HWCVD)以及熱CVD。CNT可生長以致相對(duì)均等地間隔并且呈垂直對(duì)準(zhǔn)(垂直于層102的表面)。再者，CNT生長可受控制以達(dá)成每平方米IO11至IO16個(gè)CNT的期望密度。注意鐵催化劑納米粒子111會(huì)留于CNT的基部。CNT生長后，鋁層可留于或可不留下成為連續(xù)膜。一旦CNT生長，吸收層103可藉由已知技術(shù)沉積，這些技術(shù)包括熱沉積(包括HWCVD)、電沉積以及溶凝膠技術(shù)。在沉積吸收層103期間添加熱能可改良CNT與吸收層材料(例如CIGS)之間的接觸。一旦吸收層103沉積，隨后，使用已知技術(shù)沉積留下的層(緩沖層104、105及TCO層106)。最終，使用已知沉積與圖案化技術(shù)沉積接觸墊107。
在本實(shí)用新型的一些實(shí)施例中，CNTllO不呈對(duì)準(zhǔn)，亦可使用諸如電弧放電或激光剝蝕之類的CNT生長技術(shù)。
盡管本實(shí)用新型的實(shí)施例已描述配置成透過CNT移除空穴的太陽能電池，本實(shí)用新型的概念可應(yīng)用至其他透過CNT從元件層移除空穴可能是有益的元件上。
本實(shí)用新型的方法可包括使用形成于基材表面上的CNT束狀物界定太陽能電池的微米/次微米幾何尺寸，其中這些束狀物可具有微米尺度的高度及平均間距。光活性太陽能電池層沉積于這些束狀物上，以致該層為連續(xù)，且在一些實(shí)施例中該層與這些束狀物共形。光活性太陽能電池層可包含非晶硅p/i/n薄膜；但是，本實(shí)用新型的概念亦可應(yīng)用至具以下材料的吸收層的太陽能電池，這些材料為SiGe、碳摻雜微晶硅、銅銦硒(CIS)、銅銦鎵硒(CIGS)、Cu (In，Ga) (S，Se)2 (CISSe)以及各種P型二六族二元化合物(諸如CdTe)，以及三元與四元化合物(諸如Cu2ZnSnS4 )。
圖3是基于CNT束狀物的太陽能電池300的示意圖。太陽能電池300包含具有導(dǎo)電層320的基材310?；?10可為玻璃基材、或金屬可撓基材等。導(dǎo)電層320可為金屬或透明導(dǎo)電氧化物(TC0)，諸如ΙΤ0。CNT330形成于金屬催化劑326的區(qū)域上。金屬催化劑可為鐵、鎳、鈷或一些或全部的任何前述元素的合金。需注意到，在金屬催化劑的每一區(qū)域上可有多重CNT，這視催化劑的區(qū)域尺寸與CNT生長條件而定。CNT330顯示為被分組到四個(gè)束狀物中；但是，每一束狀物可包含在金屬催化劑的單一區(qū)域上的CNT，或者在金屬催化劑的許多區(qū)域上的CNT。在顯示于圖3的特殊實(shí)施例中，導(dǎo)電層320在催化劑粒子326及生長CNT330之后沉積，因此催化劑粒子直接坐落于基材310的表面上；于其他實(shí)施例中，可首先沉積導(dǎo)電層，之后沉積催化劑粒子326，在此實(shí)例中，催化劑粒子326坐落于導(dǎo)電層320上，見后文的圖10。在圖3中，CNT330顯示為以材料340強(qiáng)化的四個(gè)束狀物，這可以是例如電沉積金屬或從氣相催化式沉積的材料。CNT束狀物可為約I至3微米高，直徑O.1至O. 3微米，且以平均為約I至2微米的中心對(duì)中心間距分隔開。光活性吸收層350為覆蓋CNT束狀物的連續(xù)層。光活性吸收層350被頂部電極360所覆蓋。倘若太陽能電池300透過基材310被照明，則基材310與導(dǎo)電層320必須為透明，具有在波長從250nm至1.1 μ m范圍內(nèi)的良好的透光性。倘若太陽能電池300透過頂部電極360被照明，則頂部電極360必須為透明，具有在波長從250nm至1. Ιμπι范圍內(nèi)的良好的透光性。[0051]使用對(duì)熟習(xí)此技藝者為已知的處理技術(shù)于圖3的太陽能電池的上部及下部電極(360、320)制做電接觸。舉例而言，可藉由包括穿過上層的激光切割以暴露電極320區(qū)域的處理，對(duì)下部電極320制做電接觸。亦可使用光刻技術(shù)。
由圖3可顯而易見光活性吸收層350的配置允許絕大多數(shù)入射光子被捕捉，但層350不至于厚得使由光子吸收產(chǎn)生的電荷載流子在他們抵達(dá)太陽能電池電極并且產(chǎn)生光電流之前會(huì)復(fù)合或被捕集。此配置允許在光收集效能及電池光電流生成之間具有比平面光吸收層更佳的折衷方案。再者，太陽能電池300可使用有效的、適合放大制造規(guī)模的處理制造。
制造如圖3中的太陽能電池的基本方法包括提供一基材；形成金屬催化劑納米粒子的分布于該基材上；生長碳納米管束狀物于該金屬催化劑納米粒子上；以及沉積連續(xù)光活性太陽能電池層于這些碳納米管束狀物上。更詳細(xì)的制造如圖3中的太陽能電池的方法的范例顯示于圖4中的處理流程400中。制造過程包括提供在基材表面具有導(dǎo)電層的基材(410);沉積球體于基材表面(420);沉積金屬催化劑于球體覆蓋的基材上(430);移除球體，留下金屬催化劑島狀物于基材上(440);生長碳納米管于金屬催化劑島狀物上，形成CNT束狀物(450);以及，沉積連續(xù)光活性吸收層于碳納米管束狀物以及暴露的基材表面上(460)。圖5顯示替代性處理流程500。該制造過程500包括提供基材(510);沉積金屬催化劑薄膜于基材表面上(520);退火催化劑薄膜以形成金屬催化劑納米粒子于基材上(530);視情況任選，如需要，則蝕刻納米粒子以增加納米粒子的間距(540);生長CNT于金屬催化劑納米粒子上，形成CNT束狀物(550);形成導(dǎo)電層于基材表面以電連接CNT束狀物(560);以及沉積連續(xù)光活性吸收層于CNT及暴露的導(dǎo)電層表面上(570)。處理流程400及500僅是可用于形成本實(shí)用新型的太陽能電池的許多處理流程的范例。在閱讀過本說明書后，熟習(xí)此技藝者將認(rèn)知到存在許多能用以制造諸如圖3及圖10所示的太陽能電池的處理流程400及500的變化形式。例如，處理流程500可易于修改以適于在基材表面具導(dǎo)電層、而非于CNT沉積后形成導(dǎo)電層的基材。再者，處理流程400能易于修改以包括退火及/或蝕刻金屬催化劑島狀物以增加CNT束狀物的間距。
用于創(chuàng)造金屬催化物粒子的分布的方法包括圖案化處理。這些圖案化處理可分為三個(gè)廣泛的分類自組織圖案化、使用表面改性的圖案化，以及基于標(biāo)準(zhǔn)光刻法的圖案化技術(shù)(諸如光刻且隨后蝕刻以及光刻且隨后進(jìn)行金屬沉積與剝離)。參考圖4及圖5的上述的球體處理以及退火處理為自組織處理的范例；進(jìn)一步的自組織處理的范例為以立體空間上穩(wěn)定的納米粒子涂布或印刷的基材/電極。立體空間上穩(wěn)定的納米粒子為由長鏈或短鏈聚合物的層覆蓋的粒子，其中聚合物的尾端助于使粒子可溶，且亦防止納米粒子免于彼此太靠近且聚集。使用表面改性的圖案化為改性表面使得金屬催化劑的納米粒子將只粘于改性的區(qū)域上，或僅粘于非改性的區(qū)域上。表面改性的范例包括納米印刷微影術(shù)；全息術(shù)；以及噴墨印刷。標(biāo)準(zhǔn)光刻法的處理流程范例包括(I)金屬沉積，隨后抗蝕劑沉積、光刻，然后為蝕刻；以及(2)抗蝕劑沉積，隨后光刻、金屬沉積，然后剝離。
圖6A、6B及7繪示圖4所示的處理步驟420、430及440的多個(gè)方面。圖6A及圖6B顯示在頂表面上由導(dǎo)電層320所覆蓋的基材310，而導(dǎo)電層為球體322所覆蓋。球體322可包含苯乙烯且具有微米尺度的直徑，例如，選自5至10微米的范圍內(nèi)的直徑。催化劑金屬的薄層沉積于球體322上，覆蓋球體322以及導(dǎo)電層320的暴露區(qū)域。使用適合的溶劑及/或超音波浴移除球體，于導(dǎo)電層320的表面上留下催化劑金屬的島狀物324，如圖7所
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圖8提供圖7中的金屬島狀物324如何藉由退火及/或蝕刻轉(zhuǎn)換的代表圖。每一島狀物324已轉(zhuǎn)換成多重納米粒子326。再者，倘若每一島狀物324界定CNT束狀物，且每一等效納米粒子326的群組亦界定了 CNT束狀物，然后束狀物的平均間距將會(huì)增加。
圖9顯示圖8的基材的剖面圖，CNT已生長于該基材上。CNT 330僅生長于催化劑金屬納米粒子326上。CNT生長條件經(jīng)選擇以提供大略垂直于基材表面的CNT330。CNT在從350。C變化至800° C的基材溫度、從IOTorr變化至300Torr的壓力下生長。一般碳前驅(qū)物為甲烷，而其他類似乙烯及二甲苯的碳前驅(qū)物亦可用于沉積CNT。
圖10顯示圖9的基材，在該基材上已沉積光活性吸收層350。沉積條件將可最佳化以于CNT束狀物上提供連續(xù)膜；在某些實(shí)施例中，吸收層350將會(huì)與束狀物及導(dǎo)電層320的暴露區(qū)域共形。導(dǎo)電層的連續(xù)且共形的膜(諸如N1、Al、銦錫氧化物(IT0)、Zn0、以及摻雜鋁的ZnO(AZO))可藉由熱蒸鍍、濺鍍、PECVD或ALD處理沉積。為了完成太陽能電池，將沉積頂部電極而將制做電連接至頂部及底部電極二者。
圖3與圖10的比較顯示本實(shí)用新型的太陽能電池的配置中的一些差異。舉例而言，圖3顯示在CNT生長后沉積的導(dǎo)電層320，而圖10顯示在沉積金屬催化劑前在基材頂部沉積的導(dǎo)電層。再者，圖3的太陽能電池具有由強(qiáng)化材料340強(qiáng)化的CNT束狀物，然而圖10的太陽能電池?zé)oCNT束狀物強(qiáng)化性一光活性吸收層350直接沉積于CNT束狀物上。
為了改良CNT的電性質(zhì)以及改良CNT與光活性吸收層之間的電介面，可用硼摻雜CNT。硼的摻雜可在CNT生長期間或者在生長之后使用離子注入技術(shù)達(dá)成。再者，為避免等離子體損傷CNT，非等離子體沉積技術(shù)(諸如HWCVD)可用于沉積(I)包覆碳納米管的光活性吸收層；以及(2)碳納米管束狀物上的連續(xù)光活性太陽能電池層。
依循如圖4或圖5中的方法或等效方法制造如圖3或圖10中的太陽能電池的設(shè)備顯示于圖12。圖12的設(shè)備包含系統(tǒng)1201，配置成形成金屬催化劑納米粒子的分布于基材上；系統(tǒng)1202，被配置成生長碳納米管束狀物于金屬催化劑納米粒子的分布上；系統(tǒng)1203，被配置成沉積連續(xù)光活性太陽能電池層于碳納米管束狀物上。在基材于基材表面不具有導(dǎo)電層的實(shí)施例中，可添加被配置成沉積導(dǎo)電層于碳納米管束狀物上的系統(tǒng)1204，如圖12所示。該設(shè)備的系統(tǒng)為概略顯示，這些系統(tǒng)可排列成線性設(shè)備、一個(gè)以上的群集工具或其他變化形式。這些系統(tǒng)可為PVD、CVD、ALD、PECVD、HWCVD等，如上文所指示。
本實(shí)用新型的概念不限于單結(jié)太陽能電池，而可應(yīng) 用至多結(jié)太陽能電池，即包含兩個(gè)以上結(jié)的太陽能電池。舉例而言，圖13顯示穿過具有多結(jié)的基于CNT束狀物的太陽能電池的剖面圖。在圖13中，太陽能電池可包含透明基材1310、透明導(dǎo)電層1320、金屬催化劑區(qū)域326、CNT330、第一光活性太陽能電池層1352、第二光活性太陽能電池層1354以及電極1360。第一光活性太陽能電池層1352可包含非晶娃p-1-n或n_i_p結(jié),而第二光活性太陽能電池層1354可包含微晶型p-1-n或n-1-p結(jié)。再者，第一及第二光活性太陽能電池亦可選自其他硅基薄膜太陽能電池，諸如SiGe及碳摻雜微晶硅。已參考本實(shí)用新型知某些實(shí)施例而詳加描述本實(shí)用新型，此技藝中具一般技術(shù)者應(yīng)易于明了可不背離本實(shí)用新型的精神與范疇制做型式與細(xì)節(jié)中的變更與修改。其欲附加的權(quán)利要求
書涵蓋此變更與修改。隨后的權(quán)利要求
書借定本實(shí)用新型。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電池，包含 基材； 在該基材的表面上的多個(gè)金屬催化劑的區(qū)域； 多個(gè)碳納米管束狀物，形成于多個(gè)金屬催化劑的區(qū)域上，每一束狀物包括多個(gè)大略垂直于該基材的表面而對(duì)準(zhǔn)的碳納米管；以及 第一光活性太陽能電池層，形成于這些碳納米管束狀物上及該基材的暴露表面上，其中該第一光活性太陽能電池層在這些碳納米管束狀物上及該基材的暴露表面上是連續(xù)的。
2.如權(quán)利要求
1所述的太陽能電池，其中每一個(gè)束狀物是由選擇性地沉積在每個(gè)這些碳納米管上的材料來強(qiáng)化的，該第一光活性太陽能電池層是形成于該多個(gè)經(jīng)強(qiáng)化的碳納米管束狀物上。
3.如權(quán)利要求
2所述的太陽能電池，其中所述材料是電沉積的金屬。
4.如權(quán)利要求
2所述的太陽能電池，其中所述材料是從氣相中催化地沉積的。
5.如權(quán)利要求
1所述的太陽能電池，其中該基材包括位于該基材的表面處的導(dǎo)電層。
6.如權(quán)利要求
1所述的太陽能電池，進(jìn)一步包含 導(dǎo)電層，位于該基材的表面上，該導(dǎo)電層與該多個(gè)碳納米管束狀物電連接在一起。
7.如權(quán)利要求
1所述的太陽能電池，其中該光活性太陽能電池層與這些碳納米管束狀物共形。
8.如權(quán)利要求
1所述的太陽能電池，其中該第一光活性太陽能電池層包括P型、本征型、及η型的非晶硅的薄膜。
9.如權(quán)利要求
1所述的太陽能電池，其中該第一光活性太陽能電池層包括P型、本征型、及η型的微晶硅的薄膜。
10.如權(quán)利要求
1所述的太陽能電池，其中該第一光活性太陽能電池層包括選自硒化銅銦，硒化銅銦鎵，以及碲化鎘構(gòu)成的組的材料。
11.如權(quán)利要求
1所述的太陽能電池，其中該多個(gè)碳納米管束狀物是彼此分開的，且分開的平均距離介于I和2微米之間。
12.如權(quán)利要求
1所述的太陽能電池，進(jìn)一步包含 第二光活性太陽能電池層，該第二光活性太陽能電池層在該第一光活性太陽能電池層上是連續(xù)的。
13.一種用于形成太陽能電池的設(shè)備，包含 第一系統(tǒng)，被配置成形成多個(gè)金屬催化劑的區(qū)域于基材的表面上； 第二系統(tǒng)，被配置成生長多個(gè)碳納米管束狀物于所述多個(gè)金屬催化劑的區(qū)域上，每一束狀物包括多個(gè)大略垂直于該基材的表面而對(duì)準(zhǔn)的碳納米管；以及 第三系統(tǒng)，被配置成沉積連續(xù)光活性太陽能電池層于所述多個(gè)碳納米管束狀物上。
14.如權(quán)利要求
13所述的設(shè)備，其中所述第一系統(tǒng)被配置成沉積多個(gè)球體于所述基材表面上；沉積金屬催化劑于基材表面上所覆蓋的這些球體上；以及移除這些球體，從而使金屬催化劑島狀物留在所述基材表面上。
15.如權(quán)利要求
13所述的設(shè)備，其中所述第一系統(tǒng)被配置成沉積金屬催化劑薄膜于所述基材表面上；以及退火該金屬催化劑薄膜以在所述基材表面上形成金屬催化劑納米粒子。
16.如權(quán)利要求
13所述的設(shè)備，其中所述第二系統(tǒng)包括用于生長所述碳納米管束狀物的熱燈絲化學(xué)氣相沉積工具。
17.如權(quán)利要求
13所述的設(shè)備，其中所述第二系統(tǒng)包括用于在沉積所述連續(xù)光活性太陽能電池層之前在每個(gè)所述碳納米管束狀物上選擇性地沉積強(qiáng)化材料的工具。
18.如權(quán)利要求
17所述的設(shè)備，其中所述第二系統(tǒng)包括用于從氣相中催化地沉積所述強(qiáng)化材料的工具。
19.如權(quán)利要求
17所述的設(shè)備，其中所述第二系統(tǒng)包括用于沉積所述強(qiáng)化材料的電沉積工具。
20.如權(quán)利要求
13所述的設(shè)備，其中所述第三系統(tǒng)包括用于沉積所述連續(xù)光活性太陽能電池層的熱燈絲化學(xué)氣相沉積工具。
專利摘要
本實(shí)用新型涉及基于碳納米管的太陽能電池及形成其的設(shè)備。太陽能電池中設(shè)有碳納米管(CNT)，這些碳納米管用于界定太陽能電池的微米/次微米幾何尺寸；及/或做為電荷傳輸體，以有效地從吸收層移除電荷載流子以減少吸收層中的電子空穴復(fù)合速率。太陽能電池可包含基材；多個(gè)在該基材的該表面上的金屬催化劑的區(qū)域；多個(gè)碳納米管束狀物，形成于該多個(gè)金屬催化劑的區(qū)域上，每一束狀物包括大略垂直于該基材的該表面而呈對(duì)準(zhǔn)的碳納米管；以及光活性太陽能電池層，形成于這些碳納米管束狀物及該基材的暴露表面上，其中該光活性太陽能電池層在這些碳納米管束狀物上及該基材的該暴露表面上為連續(xù)的。光活性太陽能電池層可包含非晶硅p/i/n薄膜；然而，本實(shí)用新型的概念亦可應(yīng)用至具有微晶硅、SiGe、碳摻雜微晶硅、CIS、CIGS、CISSe以及各種p型二六族二元化合物以及三元與四元化合物的吸收層的太陽能電池。
文檔編號(hào)H01L31/042GKCN202839630SQ201090000947
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2010年6月9日
發(fā)明者O·那拉瑪蘇, C·蓋伊, V·L·普施帕拉吉, K·K·辛格, R·J·維瑟, M·A·孚德, R·霍夫曼 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan