基于碳納米管的太陽能電池及形成其的設備制造技術

本實用新型專利技術涉及基于碳納米管的太陽能電池及形成其的設備。太陽能電池中設有碳納米管(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合速率。太陽能電池可包含：基材；多個在該基材的該表面上的金屬催化劑的區域；多個碳納米管束狀物，形成于該多個金屬催化劑的區域上，每一束狀物包括大略垂直于該基材的該表面而呈對準的碳納米管；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，本實用新型專利技術的概念亦可應用至具有微晶硅、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。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本技術大體上關于太陽能電池，更具體而言，是關于包含碳納米管的太陽能電池。
技術介紹
太陽能電池包含吸收層，在此處，光子被吸收并且產生電子空穴對。平面薄膜太陽 能電池的吸收層需要厚得足以使多數入射的光子被捕捉，但不至于厚得讓所有由光子吸收而產生的電荷載流子在他們抵達太陽能電池電極且產生光電流之前要么復合要么被捕集。該結果在該二個相對效應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。然而吸收層經常是具有嚴重影響太陽能裝置效能的復合位置密度的缺陷材料。需要減少電子空穴對的復合(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，這個效應是在一段時間內性能的退化，且該退化對于愈厚的非晶硅膜而言會愈大。例如，300nm的非晶硅膜可于電池效能中產生10-12%的光誘導退化，更甚者，隨著膜厚度增力口，退化會以指數式增加至約30%。然而，基于非晶硅的太陽能電池的光誘導退化不僅視厚度而定，亦視非晶硅的生長速率、沉積參數等而定。而微晶硅膜即使在結晶度比例低時，仍產生較少(1-2%)的光誘導退化。已藉由產生三維太陽能電池結構而實行改良太陽能電池，在該結構中，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狀物的表面。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果以用于此類太陽能電池結構，然而這些電池的制造難以用于工業規模上。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備。
技術實現思路
大體而言，本技術的實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。本技術的方法可包括(但不限于)將CNT結合進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的密度及對準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。本技術的概念不限于使用CNT，而可應用至大體上具有電荷傳導納米結構(諸如對準及非對準的納米棒及納米線)的太陽能電池吸收層。再者，本技術的概念可應用至太陽能電池，其大體上包括多結太陽能電池。根據本技術的多個方面，一種太陽能電池包含導電層；多個金屬催化劑粒子，附著于該導電層；多個碳納米管，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電路徑以供產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準，而垂直于該導電層。碳納米管的密度可在每平方米IO11至IO16個的范圍內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5%至95%的吸收層厚度，且在某些實施例中，對吸收層的滲透達吸收層厚度的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。根據本技術的其它方面，一種形成太陽能電池的方法包含提供導電層；形成多個金屬催化劑納米粒子于該導電層的表面上；生長多個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化學氣相沉積(PECVD)、低壓CVD或熱燈絲CVD (HWCVD)等技術。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ALD等技術沉積。本技術的方法可包括使用形成于基材表面上的多個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，且于某些實施例中，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，本技術的概念亦可應用至具有微晶硅、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。根據本技術的多個方面，一種太陽能電池包含基材；多個在該基材的表面上的金屬催化劑的區域；多個碳納米管束狀物，形成于該多個金屬催化劑的區域上，每一束狀物包括大略垂直于該基材的該表面而對準的碳納米管；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的。該基材可包括在該基材的該表面處的導電層；或者，在基材表面上可以有導電層，該導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構性強化，例如，以電化學沉積金屬或來自氣體前驅物的催化性沉積材料強化。較佳地，在上述的太陽能電池中，進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的。較佳地，在上述的用于形成太陽能電池的設備中，所述第二系統包括用于生長所述碳納米管束狀物的熱燈絲化學氣相沉積工具。較佳地，在上述的用于形成太陽能電池的設備中，所述第二系統包括用于在沉積所述連續光活性太陽能電池層之前在每個所述碳納米管束狀物上選擇性地沉積強化材料的工具。較佳地，在上述的用于形成太陽能電池的設備中，所述第二系統包括用于從氣相中催化地沉積所述強化材料的工具。較佳地，在上述的用于形成太陽能電池的設備中，第二系統包括用于沉積所述強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備中，所述第三系統包括用于沉積所述連續光活性太陽能電池層的熱燈絲化學氣相沉積工具。根據本技術的其它方面，一種形成太陽能電池的方法包含提供基材；形成多個金屬催化劑納米粒子的分布于該基材上；生長多個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。附圖說明在瀏覽本技術的詳細說明書內容與伴隨的附圖之后，熟習本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2009.06.10 US 61/185,928;2010.02.11 US 61/303,617書涵蓋此變更與修改。隨后的權利要求書借定本實用新型。權利要求1.一種太陽能電池，包含 基材； 在該基材的表面上的多個金屬催化劑的區域； 多個碳納米管束狀物，形成于多個金屬催化劑的區域上，每一束狀物包括多個大略垂直于該基材的表面而對準的碳納米管；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的。2.如權利要求1所述的太陽能電池，其中每一個束狀物是由選擇性地沉積在每個這些碳納米管上的材料來強化的，該第一光活性太陽能電池層是形成于該多個經強化的碳納米管束狀物上。3.如權利要求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電層。6.如權利要求1所述的太陽能電池，進一步包含 導電層，位于該基材的表面上，該導電層與該多個碳納米管束狀物電連接在一起。7.如權利要求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...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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(專利權)人：應用材料公司，
類型：
國別省市：