基于碳纳米管的太阳能电池及形成其的设备的制作方法.docx

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专利名称:基于碳纳米管的太阳能电池及形成其的设备的制作方法
技术领域:
本实用新型大体上关于太阳能电池,更具体而言,是关于包含碳纳米管的太阳能电池。
背景技术:
太阳能电池包含吸收层,在此处,光子被吸收并且产生电子空穴对。平面薄膜太阳能电池的吸收层需要厚得足以使多数入射的光子被捕捉,但不至于厚得让所有由光子吸收而产生的电荷载流子在他们抵达太阳能电池电极且产生光电流之前要么复合要么被捕集。该结果在该二个相对效应之间难以具有折衷方案,且此类电池的效能无法最佳化。
吸收层可包含以下材料,诸如硅(微晶硅及非晶硅)、其他硅基材料(诸如SiGe及碳掺杂微晶硅)、铜铟硒(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)、Cu(In,Ga)(S,Se)2(CISSe)及各种二六族二元化合物及三元化合物。然而吸收层经常是具有严重影响太阳能装置效能的复合位置密度的缺陷材料。需要减少电子空穴对的复合(在此亦指电荷载流子的衰减)以提供更有效能的太阳能电池。
再者,对非晶硅太阳能电池而言,存在一种额外的问题,称作Staebler-Wronski效应,这个效应是在一段时间内性能的退化,且该退化对于愈厚的非晶硅膜而言会愈大。例如,
300nm的非晶硅膜可于电池效能中产生10-12%的光诱导退化,更甚者,随着膜厚度增力口,退化会以指数式增加至约30%。然而,基于非晶硅的太阳能电池的光诱导退化不仅视厚度而定,亦视非晶硅的生长速率、沉积参数等而定。而微晶硅膜即使在结晶度比例低时,仍产生较少(1-2%)的光诱导退化。
已藉由产生三维太阳能电池结构而实行改良太阳能电池,在该结构中,吸收层形成于非平面的表面上,诸如具有抬升的微米尺度的柱状物或脊状物的表面。此配置容许相较于平面配置,在给定的吸收层厚度上具有较大的光吸收度。虽已获得此大有可为的结果以用于此类太阳能电池结构,然而这些电池的制造难以用于工业规模上。在此需要更可制造的高效能太阳能电池及用于形成该电池的方法及设备。
实用新型内容
大体而言,本实用新型的实施例提供一种具有碳纳米管(CNT)的太阳能电池,这些碳纳米管用于界定太阳能电池的微米/次微米几何尺寸;及/或做为电荷传输体,以有效地从吸收层移除电荷载流子以减少吸收层中的电子空穴复合速率。CNT的密度可受控制且CNT可图案化成例如为束状物。
本实用新型的方法可包括(但不限于)将CNT结合进入吸收材料以有效移除空穴,其中该吸收材料可为诸如娃(微晶娃及非晶娃
)、其他娃基材料(诸如SiGe及碳惨杂微晶硅)、铜铟硒(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)、Cu(In,Ga)(S,Se)2(CISSe)及各种二六族二元化合物及三元化合物。再者,CNT的密度及对准情况可受控制以最佳化太阳能电池效能,包括改善光吸收层中的光捕集。本实用新型的概念不限于使用CNT,而可应用至大体上具有电荷传导纳米结构(诸如对准及非对准的纳米棒及纳米线)的太阳能电池吸收层。再者,本实用新型的概念可应用至太阳能电池,其大体上包括多结太阳能电池。
根据本实用新型的多个方面,一种太阳能电池包含导电层;多个金属催化剂粒子,附着于该导电层;多个碳纳米管,形成于这些金属催化剂粒子上;以及光活性吸收层,其形成于该导电层上,该光活性吸收层包覆这些碳纳米管,其中这些碳纳米管提供导电路径以供产生在该吸收层中的电荷载流子流出该吸收层。碳纳米管可呈垂直对准,而垂直于该导电层。碳纳米管的密度可在每平方米IO11至IO16个的范围内一大体上在任何给定面积中,碳纳米管覆盖率仅2-13%。碳纳米管可渗透吸收层达5%至95%的吸收层厚度,且在某
些实施例中,对吸收层的渗透达吸收层厚度的50%至80%。碳纳米管可为单壁、双壁或多壁碳纳米管。电荷载流子可为空穴。
根据本实用新型的其它方面,一种形成太阳能电池的方法包含提供导电层;形成多个金属催化剂纳米粒子于该导电层的表面上;生长多个碳纳米管于该金属催化剂纳米粒子上;以及沉积光活性吸收材料于这些碳纳米管上,其中该光活性
吸收材料形成包覆这些碳纳米管的吸收层。这些碳纳米管可藉由低温(300-550°C)生长处理沉积,这些处理例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、低压CVD或热灯丝CVD(HWCVD)等技术。金属催化剂纳米粒子可藉由低压CVD、原子层沉积(ALD)或等离子体及UV诱导ALD等技术沉积。
本实用新型的方法可包括使用形成于基材表面上的多个碳纳米管束状物界定太阳能电池的微米/次微米几何尺寸,其中这些束状物可具有微米尺度的高度及平均间距。光活性太阳能电池层沉积于这些束状物上,以致该层连续,且于某些实施例中,与这些束状物共形。光活性太阳能电池层可包含非晶硅p/i/n薄膜;然而,本实用新型的概念亦可应用至具有微晶硅、SiGe、碳掺杂微晶硅、铜铟硒(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)、Cu(In,Ga)(S,Se)2(CISSe)以及各种p型二六族二元化合物(诸如CdTe),以及三元与四元化合物(诸如Cu2ZnSnS4)的吸收层的太阳能电池。
根据本实用新型的多个方面,一种太阳能电池包含基材;多个在该基材的表面上的金属催化剂的区域;多个碳纳米管束状物,形成于该多个金属催化剂的区域上,每一束状物包括大略垂直于该基材的该表面而对准的碳纳米管;以及光活性太阳能电池层,形成于这些碳纳米管束状物及该基材的暴露表面上,其中该太阳能电池层在这些碳纳米管束状物上及该基材的该暴露表面上为连续的。该基材可包括在该基材的该表面处的导电层;或者,在基材表面上可以有导电层,该导电层与这些碳纳米管束状物一起电连接。再者,该薄膜太阳能电池层可与这些碳纳米管束状物的这些表面共形。再者,这些碳纳米管束状物可被结构性强化,例如,以电化学沉积金属或来自气体前驱物的催化性沉积材料强化。
较佳地,在上述的太阳能电池中,进一步包含第二光活性太阳能电池层,该第二光活性太阳能电池层在该第一光活性太阳能电池层上是连续的。
较佳地,在上述的用于形成太阳能电池的设备中,所述第二系统包括用于生长所述碳纳米管束状物的热灯丝化学气相沉积工具。[0016]较佳地,在上述的用于形成太阳能电池的设备中,所述第二系统包括用于在沉积所述连续光活性太阳能电池层之前在每个所述碳纳米管束状物上选择性地沉积强化材料的工具。
较佳地,在上述的用于形成太阳能电池的设备中,所述第二系统包括用于从气相中催化地沉积所述强化材料的工具。
较佳地,在上述的用于形成太阳能电池的设备中,第二系统包括用于沉积所述强化材料的电沉积工具。
较佳地,在上述的用于形成太阳能电池的设备中,所述第三系统包括用于沉积所述连续光活性太阳能电池层的热灯丝化学气相沉积工具。
根据本实用新型的其它方面,一种形成太阳能电池的方法包含提供基材;形成多个金属催化剂纳米粒子的分布于该基材上;生长多个碳纳米管束状物于该金属催化剂纳米粒子上;以及沉积一连续太阳能电池层于这些碳纳米管束状物上。该太阳能电池层可与这些碳纳米管束状物共形。形成多个金属催化剂纳米粒子的分布的步骤除了其他处理之外可包括沉积多个球体于该基材上;沉积金属催化剂于这些球体上;以及移除这些球体。再者,形成多个金属催化剂纳米粒子的分布的步骤可包括沉积金属催化剂的薄膜;退火该薄膜以形成这些金属催化剂纳米粒子;以及视情况任选蚀刻这些纳米粒子以增加这些纳米粒子之间的平均间距。
在浏览本实用新型的详细说明书内容与伴随的附图之后,熟****此技艺者可更明了本实用新型的这些及其他方面与特征,这些附图中
图1是根据本实用新型的一些实施例的具有CNT电荷传输体的太阳能电池的示意图;
图2是根据本实用新型的一些实施例的制造具有CNT电荷传输体的太阳能电池的处理流程;
图3是根据本实用新型的一些实施例的基于CNT束状物的太阳能电池的示意图;
图4是根据本实用新型的一些实施例的制造基于CNT束状物的太阳能电池的第一处理流程;
图5是根据本实用新型的一些实施例的制造基于CNT束状物的太阳能电池的第二处理流程;
图6A及6B显示根据本实用新型的实施例的以球体涂布的基材的示意视图,这是用于制造基于CNT束状物的太阳能电池的处理的一部份;
图7显示根据本实用新型的实施例的于球体上沉积金属催化剂及移除球体后图6A的基材的示意图,这是用于制造基于CNT束状物的太阳能电池的处理的一部份;
图8显示根据本实用新型的实施例的退火以形成催化剂金属的纳米粒子后图7的基材的示意图,这是用于制造基于CNT束状物的太阳能电池的处理的一部份;
图9显示根据本实用新型的实施例的生长CNT后图8的基材的剖面示意图,这是用于制造基于CNT束状物的太阳能电池的处理的一部份;[0031]图10显示根据本实用新型的实施例的沉积太阳能电池层后图9的基材的剖面示意图,这是用于制造基于CNT束状物的太阳能电池的处理的一部份;
图11显示根据本实用新型的实施例用于制造太阳能电池(诸如图1的太阳能电池)的设备概略图;
图12显示根据本实用新型的实施例用于制造太阳能电池(诸如图3及图10的太阳能电池)的设备概略图;以及
图13显示具有多个结的基于CNT束状物的太阳能电池的剖面示意图。
具体实施方式
现将参考附图详细描述本实用新型的实施例,这些附图是供以做为本实用新型的说明范例,以使熟****此技艺者能操作本实用新型。值得注意的是,下文中的附图及范例并非·将本实用新型的范畴限制于单一实施例,而是,其他实施例可藉由交换所描述的或所绘示的一些或所有元件的方式实行。再者,本实用新型的某些元件可部份或全部使用已知部件实施,仅有那些为能使人明了本实用新型的必要已知部件的部份会加以描述,而已知部件的其他部份的详细描述将会省略以免混淆本实用新型。在本说明书中,显示单一部件的实施例不应视为限制;相反地,除非在此以其他方式明确声明,否则本实用新型意欲涵盖其他包括多个相同部件的实施例,且反之亦然。再者,申请人不欲将说明书中的任何项目归于非一般或特殊意义,除非在此明确提出。进一步而言,本实用新型涵盖当前及未来已知的、与在此由说明方式所指的已知部件的等效物。
在太阳能电池中,光子可被吸收于光活性吸收层中,并且产生电子空穴对。在传统CIGS太阳能电池中,透过光活性吸收层的电荷分离及传输的阻碍路径容许在电荷分离及传输离开之前透过复合而达成一些电荷衰减。复合将太阳能电池效能从理论最大值降低。在本实用新型的实施例中,
CNT及其他空穴传输纳米棒、纳米线、纳米管等可被配置成为有效路径以引导空穴离开并且因此减少在光活性吸收层中会发生的复合。见图1。
在此大体上描述太阳能电池,并且提供太阳能电池的特定范例。然而,本实用新型的概念不限于非晶硅或铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池,而可应用于大体上包含以下材料的吸收层的太阳能电池,这些材料包括微晶硅、其他硅基材料(如SiGe与碳掺杂微晶硅)、铜铟硒(CIS)、铜铟镓硒(CIGS)、Cu(In,Ga)(S,Se)2(CISSe)以及各种P型二六族二元、三元与四元化合物(诸如CdTe)。再者,本实用新型的概念不限于具有对准的CNT的太阳能电池,而可应用至大体上包括具有电荷传导纳米结构(诸如对准及非对准的纳米棒及纳米线)的太阳能电池吸收层的太阳能电池。
碳纳米管(CNT)具有电性质以及机械性质,使得他们在集成至许多电子元件(包括太阳能装置)的方面,是备受瞩目的。碳纳米管为纳米等级的圆柱体,具有由石墨烯形成的壁一单一原子厚的石墨薄片。纳米管可为单壁(由单一片石墨烯构成的圆柱壁,称为SWNT)亦可为多壁(由多片石墨烯构成的圆柱壁,称为MWNT)。对SWNT而言,纳米管可具有一个纳米般小的直径,且长度对直径比率为IO2至IO5数量级。碳纳米管可具有金属电性质或可具有半导体电性质,使它们适合集成进入各种元件,诸如太阳能电池。
CNT于升高的温度下从碳氢前驱物气体选择性沉积于某些金属上。适合的金属可包括铁、镍、钴、铜、钥及前述的金属合金,可具有或不具有诸如Al、Al203、Mo、Ta及W的下层一所列的金属能催化那些用于生长CNT的反应。注意到,这些下层及诸如S1、石英、SiO2,T1、SiC等的基材影响生长处理且对CNT的种类及性质具有极大影响。
图1是根据本实用新型的一些实施例的太阳能电池100的示意图。太阳能电池100包含基材101。基材101可为玻璃基材或金属可挠基材等。导电层102—般以600nm厚度覆盖基材101。层102可为Mo、Fe、TiN或Cu层,。层102亦可包含顶表面上的Al薄层,一般为5nm厚。对准的碳纳米管110电连接至层102。铁催化剂纳米粒子111()位于层102顶部上的CNTllO的基部。亦可使用其他诸如镍、钴、铜、钥及前述金属的合金,前述金属具有或不具有诸如Al、A1203、Mo、Ta及W的下层。CNT可为SWNT或MWNT。CNT可呈垂直对准,在各个碳纳米管之间具规律的间隔,如图1中所呈现。碳纳米管的垂直对准可助于在吸收层103内捕集光线。当生长时,CNT为有效的介质以传输在吸收层中生成的空穴至下层102。,。吸收层103环绕CNT。吸收层及CNT—