[go: up one dir, main page]

SE533522C2 - Nanotrådsbaserad effektivmediumsolcell - Google Patents

Nanotrådsbaserad effektivmediumsolcell

Info

Publication number
SE533522C2
SE533522C2 SE0702072A SE0702072A SE533522C2 SE 533522 C2 SE533522 C2 SE 533522C2 SE 0702072 A SE0702072 A SE 0702072A SE 0702072 A SE0702072 A SE 0702072A SE 533522 C2 SE533522 C2 SE 533522C2
Authority
SE
Sweden
Prior art keywords
solar cell
nanowires
cell structure
nanowire
light
Prior art date
Application number
SE0702072A
Other languages
English (en)
Other versions
SE0702072L (sv
Inventor
Lars Samuelson
Federico Capasso
Original Assignee
Qunano Ab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qunano Ab filed Critical Qunano Ab
Priority to SE0702072A priority Critical patent/SE533522C2/sv
Priority to CN201610640931.7A priority patent/CN106206780B/zh
Priority to CN200880103566.XA priority patent/CN101803035B/zh
Priority to US12/452,175 priority patent/US20100186809A1/en
Priority to KR1020107001213A priority patent/KR101547711B1/ko
Priority to EP08767200.2A priority patent/EP2168167B1/en
Priority to PCT/SE2008/050734 priority patent/WO2008156421A2/en
Priority to AU2008264257A priority patent/AU2008264257A1/en
Publication of SE0702072L publication Critical patent/SE0702072L/sv
Publication of SE533522C2 publication Critical patent/SE533522C2/sv
Priority to US15/374,217 priority patent/US10128394B2/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • H01L31/02008
    • H01L31/035281
    • H01L31/09
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/16Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers
    • H10F10/161Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising multiple PN heterojunctions, e.g. tandem cells
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/16Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers
    • H10F10/163Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs/AlGaAs or InP/GaInAs photovoltaic cells
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/10Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices being sensitive to infrared radiation, visible or ultraviolet radiation, and having no potential barriers, e.g. photoresistors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H10F71/127The active layers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs or InP
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H10F71/127The active layers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs or InP
    • H10F71/1272The active layers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs or InP comprising at least three elements, e.g. GaAlAs or InGaAsP
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H10F71/127The active layers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs or InP
    • H10F71/1276The active layers comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs or InP comprising growth substrates not made of Group III-V materials
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10Semiconductor bodies
    • H10F77/12Active materials
    • H10F77/124Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10Semiconductor bodies
    • H10F77/12Active materials
    • H10F77/124Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs
    • H10F77/1248Active materials comprising only Group III-V materials, e.g. GaAs having three or more elements, e.g. GaAlAs, InGaAs or InGaAsP
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10Semiconductor bodies
    • H10F77/14Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
    • H10F77/147Shapes of bodies
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/10Semiconductor bodies
    • H10F77/14Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
    • H10F77/148Shapes of potential barriers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544Solar cells from Group III-V materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Description

533 522 2 rnanium är ett lämpligt substratmateriaP. Tillgången på Ge i jordskorpan är be- gränsad och dyr, och om sådana tandemsolceller med hög verkningsgrad skulle användas i stor skala på jorden, skulle detta bli en begränsning. Av denna anled- ning skulle utvecklingen av MJ -solceller baserade på kristallint Si eller ännu enkla- re substrat öppna nya möjligheter för applikationer på jorden, vilka utnyttjar förde- len med MJ-cellernas högre verkningsgrader och lägre kostnader och större tillgång på Si-substrat jämfört med Ge. En MJ PV-cell enligt teknikens ståndpunkt visas schematiskt i ñg. 2. Tvärsnittet visar gitteranpassad växning på Ge-substrat3 som når verkningsgrader på mer än 40% med koncentratorer.
Tekniska begränsningar för planara lll-V multipelövergångssolceller: Verkningsgrader på över 60% är mycket svåra att uppnå på grund av fysiska begränsningar och kräver mer än tre övergångselement.
Konventionella lll-V-material för multipelövergångsceller erfordrar perfekt git- teranpassning på stora substratytor för att undvika dislokationer.
God funktionalitet hos anordningen kommer även att kräva mycket hög grad av homogen sammansättning på en hel skiva.
Gitteranpassning för epitaxiell växning och / eller tjocka buffertlager är nöd- vändiga för att undvika defektbildning, vilket gör det svårt att tillverka an- ordningar med mer än några få övergångar.
Förutom ovannämnda tekniska utmaningar förknippade med SOA- multípelövergångscellen ger frågor rörande kostnader och skalning problem såsom: v Multipelövergångsceller växta på Ge- eller III-V-substrat år mycket dyra på grund av höga substratkostnader och skivor i små storlekar. v IIl-V-material är idag epitazriellt växta i höggradig MOCVD- eller till och med MBE-reaktorer med låg genornströmning.
Den höga kostnaden för dyrbara material gör användningen av optiska kon- centratorer nödvändig för att förbättra kostnadsförhållandet för utförande på systemnivå. 2 F. Dímroth, "High-efficiency solar cells from III-V compound serniconductors" Phys. Stat. Sol. (c) 3, 373 (2006) och http:Uwwwsgectrolab.com/com/news/news-detail.asp?id=l 72 3 Figurer med tillstånd av LL. Kazmerski, "Solar photovoltaics R&D at the tipping point: A 2005 technology overvievv" I Electr Spectr Rel Phen 150, 105 (2006) l5 20 25 30 533 522 3 ~ Även om kostnaden skulle kunna reduceras, skulle koncentratorer behöva uppnå en mättnadsspänning även under fullt solljus, vilket begränsar det maximala effektuttaget.
Redogörelse för uppfinningen Det är uppenbart att solcellsanordningar enligt teknikens ståndpunkt kan förbätt- ras för att uppnå de nämnda fördelarna, vilka avser verkningsgrad och produk- tionskostnad.
Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en solcellsstruktur som kan övervinna nackdelarna hos anordningar enligt teknikens ståndpunkt. Detta uppnås med hjälp av en solcellsstruktur såsom definierad i patentkrav l.
Solcellsstrukturen enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar ett flertal nanotrådar, vilka utgör den ljusabsorberande delen av solcellsstrukturen.
Nanotrådarna är tíllhandahållna i en matris på ett substrat, företrädesvis kisel, med en delning mellan intilliggande nanotrådar som är kortare än den ljusvåglängd som solcellstrukturen är designad att absorbera. Nanotrådarna bildar ett kvasi- kontinuerligt effektivmedium.
Solcellsstrukturen enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning innefattar en nanotråd, vilken utgör den ljusabsorberande delen av solcellsstrukturen, och en vågledare som omsluter åtminstone en del av nanotråden. Nanotråden är gjord i ett material med direkt bandgap och vågledaren är ord i ett material med ett stort och indirekt bandgap.
Ljusabsorptionen uppnås genom och begränsas till nanotråden genom tillhandahål- landet av ett segment i den nanoträd som utgör ett bandgap anpassat att absorbera en del av solspektrumet. Företrädesvis innefattar nanotråden ett flertal segment, där varje har individuella bandgap som motsvarar olika delar av solspektrumet.
Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning är segmenten separerade genom att vara kopplade i serier med hjälp av Esaki-dioder.
Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning är segmenten separerade genom kopplingar i serier med hjälp av metallsegment.
Tack vare föreliggande uppfinningen är det möjligt att producera solceller med hög verkningsgrad till rimliga kostnader. 10 15 20 25 533 522 4 En fördel med solcellsstrukturen enligt föreliggande uppfinning är att den uppfin- ningsenliga strukturen tillåter heterostrukturer som inte kräver gitteranpassning, vilket ger stor frihetsgrad med avseende på materialkombinationer. l princip finns det ingen begränsning av antalet olika bandgap, dvs. segment i nanotråden som ger möjlighet att absorbera hela eller en vald del av solspektrumet. Genom att placera nanotrådarna tillräckligt nära varandra på substratet kombineras fördelarna med att använda nanotrådar med en effektiv absorption av ljuset eftersom det infallande ljuset "ser" ett kontinuerligt effektivrnedium.
Tack vare den lilla växtarean för varje tråd behövs ingen extrem homogen växning på en hel skiva, vilket minskar kraven på växtsystem. Dessutom kan substratet, tack vare den lilla arean, vara polykristallint eller tunnñlmskisel eller ett ännu enk- lare material.
Utföringsformer av uppfinningen definieras i de oberoende patentkraven. Andra syf- ten rned, fördelar med, och nya särdrag hos uppfinningen kommer att bli tydliga av den följande detaljerade beskrivningen av uppfinningen, när den beaktas i samband med de tillhörande ritningarna och kraven.
Figurbeskrivníng Uppñnningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna, i vilka Fig. l visar schematiskt en del av AMLS-solspektrumet som kan användas teore- tiskt av en kiselsolcell jämfört med en GalnP/GaInAs/ Ge-solcell. Svagt skuggade områden visar verkningsgradsförluster till följd av termisk excitation av laddnings- bärare eller transmission av fotoner, Fig. 2 visar en MJPV-cell enligt teknikens ståndpunkt i en tvärsnittsvy där gitteran- passad växning på Ge-substrat4 når verkningsgrader på mer än 40% med koncen- tratorer, Fig. 3 visar schematiskt solcellsstrukturen enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, 4 Figurer med tillstånd av LL. Kazmerski, "Solar photovoltaics R&D at the tipping point: A 2005 technology overview" I Electr Spectr Rel Phen 150, 105 (2006) 10 20 25 30 533 522 5 Fig. 4 visar schematiskt utföringsformer av föreliggande uppfinning, där i fig. 4a nanotråden sträcker sig ovanför vågledaren och substratet tillhandahåller en diod och där i fig. 4b nanotråden slutar vid vågledarens övre ände, Fig. 5 visar schematiskt utföringsformer av föreliggande uppfinning, där i fig. 5a Esaki-dioder används och där i ñg. 5b metallsegment används för att sammankopp- la segmenten i nanotråden, Fig. 6 visar schematiskt en solcellsstruktur enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, Fig. 7 visar schematiskt en solcellstruktur enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, Fig. 8 visar schematiskt en solcellstruktur enligt en utföringsforrn av föreliggande uppfinning, och Fig. 9 a] visar schernatiskt en solcellstruktur enligt teknikens ståndpunkt, och b) visar schematiskt en solcellsstruktur enligt en utföringsform av föreliggande upp- finning Detaljerad beskrivning Solcellsstrukturen 300 enligt föreliggande uppfinning visas schematiskt i fig. 3, där den ljusabsorberande delen är en nanotråd 305, vilken åtminstone delvis är omslu- ten av en vågledare 305. Nanotråden 305 innefattar vanligtvis ett material med di- rekt bandgap. Vågledaren 3 10 består av ett material med stort och indirekt band- gap. Botten på strukturen står i kontakt med ett substrat 320. Nanotråden 305, vilken företrädesvis ligger i mitten av vågledaren 310, består av flera segment 315 med större bandgap närmare toppen, för att effektivt absorbera olika delar av sol- spektrumet. Segmenten är kopplade i serie med Esaki-dioder 316 eller korta me- tallsegrnent. Vågledaren 3 10 bör företrädesvis vara tillräckligt smal för att tillåta endast ljusutbredning i singelmode, och nanotråden bör vara jämförelsevis liten.
Strukturen kontaktas från bottnen av en bottenkontakt 325, t.ex. genom substratet 320 och uppifrån med hjälp av en toppkontakt, vilken kan vara ett metallgitter som kontakterar den övre tråden eller en transparent kontakt som täcker hela struktu- ren. Såsom visas i fig. 4a kan nanotråden 305 ha en övre del 340 som sträcker sig ovanför vågleclaren 310 för att underlätta kontakteringsegenskaperna. Dessutom 20 25 533 522 6 kan den del av nanotråden som sträcker sig över vågledaren vara dopad för att yt- terligare förbättra kontakteringsegenskaperna. I denna utföringsform täcker kon- takteringsmedlen företrädesvis endast nanotråden.
I en alternativ utföringsform, såsom visas i fig. 4b, slutar nanotråden vid vägleda- rens övre del. Möjligen, men inte nödvändigtvis, slutar nanotråden med en kopp 350 av den katalysatorpartikel som är vanlig i vissa växtmetoder för nanoträdar.
Anordningen är mest lärnplig för platta, företrädesvis transparenta kontakter.
Substratet kan antingen fungera endast som ett mekaniskt stöd och elektrisk kon- takt, såsom visas i fig. 3, eller kan det innefatta en eller flera elektriskt aktiva kom- ponenter, t.ex, en vanlig fotodíodstruktur. En utföringsform med en fotodiod utförd med ett p-dopat område 322 och påföljande n- dopat område 323 visas i fig. 4a.
Fig. 5a visar schematiskt en förstoring av nanotråden 305, med segmenten och Esaki-dioderna 316, och med ett p-typ- och n-typområde mellan segmenten. Fíg. 5b visar schematiskt en utföringsform av uppfinningen, varvid Esaki-dioderna är ut- bytta mot metallsegment 317. Detta är möjligt, eftersom den tunna nanotråden 305 i solcellsstrukturen enligt uppfinningen inte behöver vara transparent. Som alterna- tiv till metallsegmentet kan en degenerationsdopad halvledare istället användas.
På en solcellspanel är vanligen ett stort antal av de ovan beskrivna strukturerna tätt packade på skivan, för att täcka huvuddelen av ytan med vågledarna. Solcells- panelen kan innefatta en skiva, men även ett flertal sinsemellan sammankopplade skivor kan ge önskad energiproduktion.
Solcellsstrukturen enligt uppfinningen kan även användas som detektor.
Funktionen för solcellsstrukturen enligt uppfinningen är följande. Vid strukturens övre del riktas (sol)ljuset in i vågledaren. Eftersom vågledaren 310 är av ett material med ett indirekt stort bandgap kommer inget ljus att absorberas här, och eftersom vågledaren är singelmode är fältet starkast i kärnan, dvs. där nanotråden 305 är belägen. Då ljuset förflyttar sig nedåt, absorberas högre energier effektivare, samti- digt som fotoner med lägre energiinnehåll än bandgapet endast kommer att beröras av en transparent vågledare. Då energibanden är sekventiellt avskilda i nanotråden 305 ger fotonerna upphov till fotoelektricitet i varje segment 315, lika stort som bandgapet i det segmentet. Under idealiska förhållanden kommer strukturen att vara sä effektiv, att endast ljus med lågt energiinnehåll penetrerar substratet. Dock lO 20 25 533 522 7 kan substratet även innefatta en vanlig fotodiod för att samla spridda fotoner med högt energiinnehåll.
Utföringsforrner av solceller enligt uppfinningen uppvisar följande särdrag: Vågledaren riktar ljuset på ett regelbundet sätt genom områden av minskan- de bandgap, vilket möjliggör att ljuset samlas sekventiellt.
Tillåter heterostrukturer där det inte krävs gitteranpassning, vilket ger stor frihetsgrad med avseende på materialkombinationer.
I princip finns det ingen begränsning till antalet olika bandgap, dvs. segment i nanotråden.
Dessa strukturer kan möjligen växa i mycket enklare system än vanliga MOCVD.
Material som innehåller bandgap i hela solspektrumet kan införlivas i tråden, under idealiska förhållanden blir då substratet endast en stödstruktur.
Tack vare den lilla växtarean för varje tråd behövs ingen extrem homogen vaxning på en hel skiva, vilket minskar kraven på växtsystern.
Dessutom kan substratet, tack vare den lilla arean, vara polykristallint eller tunnñlmskisel eller ett ännu enklare material.
Vågledarstrukturen tillhandahåller en inneboende koncentration av fotoner till nanotråden, vilket ger en mättad spänning även under indirekta ljusför- hållanden.
Esaki-dioderna i planartandemceller kan bytas ut mot metalliska eller dege- nerationsdopade halvledarsegment, eftersom nanotråden inte behöver vara transparent.
Exempel på specifik utföringsform: En fotonisk vågledarutformning, som skapats med hjälp av radiell växning av ett helt transparent skal med högt brytningsindex, såsom AlN, fungerar som en hel všígledarstruktur på omkring 0,5 um diameter, varav omkring lOO nm år en multi- pel bandgapkärnestruktur. Den övre delen (ca 0,5 um) av nanotråden kommer, tack vare den täta "gräslika" anordníngen av långa nanotrådar, fånga det inkommande flödet, vilket sedan leds nedåt på så sätt, att komponenten med högt energiinnehåll lO 15 20 25 30 533 522 8 kommer att fångas i det övre segmentet, vilket ser ut som den helt transparenta vågledaren för all fotoenergi nedanför dess bandgap. Samma selektiva absorption och transmission kommer sedan att erbjudas av det nästa segmentet med dess läg- re bandgap etc. Ovanför det översta valda bandgapssegmentet finns ett långt, hårt n-dopat GaN-segment som används för kontaktering.
Bottensegmentet kan vara gjort av lnN och med ökande fraktioner av Ga upp till toppsegmentet och bestå av en sammansättning av ungefär GavlngN. Substratet kommer i detta fall endast att ge stöd och bottenkontakt, eftersom det minsta band- gapet kommer att vara i botten av nanotråden. Eftersom växning av olika samman- sättningar av GalnN i den axiella riktningen ännu inte är helt bevisad, kan använd- ningen av AlGalnAsP NW-systemet vara mer praktisk. 1 detta system ñnns material med direkt bandgap med värden på mellan 0,4 eV upp till 2,25 eV, som följaktligen mycket väl kan konkurrera med de bästa kända multipelövergångscellerna. I detta fall kan de tre bottensegmenten bestå av det väletablerade InAstxPx-systemet, och de två översta i t.ex. GaxlnLXP-systemet, med det övre segmentet av Ga-rikt (80%) GalnP som har ett direkt bandgap på 2,25 eV, kombinationer som inte har varit åtkomliga vid användning av konventionella metoder där gitteranpassning har krävts.
Eiilígt en utföringsform av föreliggande uppfinning, vilken visas schematiskt i ñg. 6, tillhandahålls en solcellsstruktur som innefattar nanotrådar med en vertikalt an- ordnad enkel pn-övergång. Substratet kan vara lll-V-skivor av p-typ, såsom exem- pelvis lnP- eller GaAS-substrat, vilka visas i figuren, men kiselsubstrat är i många fall ett föredraget val. För kontaktera de översta n-ledande områdena kommer en ledande transparent ñlm vara deponerad över hela strukturen eftersom områdena mellan de n-dopade nanotrådsområdena är täckta av en isolerande och ytpassive- rande mask, såsom exempelvis SiOz.
Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, vilken visas schematiskt i Fig. 7, tillhandahålls en solcellstruktur som innefattar nanotrådar med ett flertal verti- kalt anordnade pn-övergångar, varav de övre pn-Övergångarna bildar en sektion med stort bandgap och de nedre pn-övergångarna bildar en sektion med litet band- gap. Dessa sektioner är företrädesvis separerade av Esaki-tunneldioder. Exempel- vis kan tunneldiodlagren vara hårt dopade med AlGaAs, GaAsP eller GaInP. Denna kombination av material med olika gitterkonstanter skulle aldrig ha varit tillgängli- ga med hjälp av konventionella metoder där gitteranpassning krävs. Eftersom git- 10 20 25 533 522 9 teranpassning är av mindre betydelse (eftersom dettai annat fall hindrar denna typ av utveckling när traditionella planara epitaximetoder används) kan detta tillväga- gångssätt utökas till fler övergångar i framtiden. För en dubbelövergångssolcell bör bandgapet för den översta subcellen idealiskt vara området l,6-l,8 eV och den ne- dersta subcellen vara i området 0,9-1,1 eV. Dessa bandgapenergier kan uppnås genom att använda GaAsP, eller GaInP, för den översta cellen och GalnAs, eller lnAsP, för den nedersta cellen. Det totala energiområde som omfattas av dessa ma- terialkombinationer i syfte att samla energi täcker 0,4 eV (lnAs) till 2,24 eV (GaInP45). Pn-övergängarna kommer att vara omgivna av barriärlager med högre bandgapsenergi för att stänga in minoritetsladdningsbärare i nanotrådarna, och för att passivera nanotrådarnas yta.
Enligt en utföringsform tillhandahålls ett flertal pn-övergängar inuti en ljusled- ningskonstruktion. Fig. 8 visar en elektromotorisk tandem(sol}cell med inbäddade Esaki-ttiniieldioder och omgivande ljusledare. Genom att välja nanotrådarnas längd. tjocklek och densitet tillräckligt hög säkerställer denna geometri att all infal- lande strålning kommer att absorberas av nanotrådarna. Ovanpå dubbelövergången kan ett segment av indirekt material växas för att förbättra ljusabsorptionseffektivi- teten för ljusledartillvägagångssättet, på liknande sätt som ett "gräsfålt" ("grass~ ñeld"). Nanotrådsabsorptionen av fotoner med energier som överstiger bandgapet för det valda materialet kan vara hög och ett våglängdsberoende inträngningsdjup kan förväntas. Enligt en utföringsform, vilken beskrivs vidare nedan, är nanoträdarna växta i förutbestämda mönster med subvåglängdsdelning.
För förverkligande av elektrornotoriska multiövergångs(sol) celler baserade på nano- trådar krävs det att ljusabsorptionen sker i en korrekt sekvens. Följaktligen måste en slumpmässig absorption i de olika materialen undvikas. I de utföringsformer som beskrivits ovan åstadkommes den sekventiella absorptionen med hjälp av kår- næskal-strukturer. Därigenom leds ljuset från nanotrådarnas övre ände till deras nedre ände.
Ett annat tillvägagångssätt får att åstadkomma denna kontrollerad absorption, vil- ket representerar en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfinning, kan be- skrivas som ett "effektivmedium"-líknande koncept. Ett "effektivmedium" beskrivs vanligen som strukturer om innehåller olika material i längdskalor som väsentligen understiger det infallande ljusets våglängd. Detta koncept kan ses som en ersätt- ning för den vanligen använda absorptionen i kontinuerliga filmer genom de optiska lO 15 20 25 533 522 10 effekter absorption genom ett tätt arrangemang av parallella nanotrådar, med del- ning mellan trådarna som är väsentligen mindre än våglängden. Detta illustreras i Fig. 9a-b, där a) illustrerar en konventionell elektromotorisk multiövergångs(sol)cell där ett flertal lager 901, 902, 903, 904, 905, 906 formar segment som absorberar olika delar av det infallande ljuset, vilket indikeras av den tjocka pilen. Som beskri- vet i bakgrunden är det synnerligen svårt att forma sådana multilagerstrukturer med passande materialkombinationer och detta kräver användandet av Ill-V- substrat 911. Fíg. 9b visar schematiskt solcellstrukturen enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning, innefattande en matris av tätt packade nanotrådar 910, med en delning D mellan nanotrådarna som är mindre än den kortaste våglängd anordningen är anpassad att absorbera. Infallande fotoner kommer att "se" den täta arrayen som en följd av kvasi-kontinuerliga absorptionslager medan de genererade elektronerna och hålen strikt kommer att uppsamlas genom de vertikala nano- trådsstrukturerna. Detta tillvägagångssätt möjliggör standardgeometríer för belys- ning av elektromotoriska (sol)ce1ler, på så sätt säkerställande den sekventíella ab- sorptionskarakteristiken som krävs för de högsta elektromotoriska utbytena.
Delningen D mellan intilliggande nanotrådar är typiskt under 300 nm, företrädesvis under 200 nm och ännu hellre under 150 nm. Nanotrådarnas storlek i denna utfö- ringsform är typiskt i storleksordningen 100 nm. Substratet 920 är företrädesvis ett kiselsubstrat och nanotrådarna 910 är växta från substratet. Nanotrådarna kan till exempel ha den inre struktur som visas i figurerna 6-8. Även orn föreliggande uppfinning har beskrivits inom ramen för elektromotoriska multiövergångs(sobcellstíllärnpningar förväntas det att den kommer finna använd- ning inom andra områden inom optoelektroniken, såsom fotodetektorer. Fackman- nen inser att utföringsformerna av föreliggande uppfinning kan kombineras på olika sätt.
Lämpliga material för substratet innefattar, men är inte begränsat till: Si, GaAs, GaP, GaPzZn, GaAs, lnAs, lnP, GaN, AlgOg, SiC, Ge, GaSb, ZnO, lnSb, S01 (silicon- on-insulator), CdS, ZnSe, CdTe. Lämpliga material för nanotrådarna och nano- trådssegmeiiten innefattar, men är inte begränsat till: GaAs (p), lnAs, Ge, ZnO, InN, GalnN, GaN AlGalnN, BN, lnP, lnAsP, GalnP, InGaP:Si, lnGaPzZn, GaInAs, AlInP, GaAllnP, GaAlInAsP, GalnSb, lnSb, Si. Möjliga donatordopämnen är Si, Sn, Te, Se, S, etc, och acceptordopämnen är Zn, Fe, Mg, Be, Cd, etc. Det ska noteras att nano- strädsteknologin gör det möjligt att använda nitrider såsom GaN, InN och AIN.
'Ji 533 522 11 Andra kombinationer av intresse innefattar, men är inte begränsat till, GaAs, GaInP, GaAIInP och GaP system, Även om uppfinningen har beskrivits i anslutning till vad som för närvarande anses vara de mest praktiska och föredragna utföringsformerna ska det förstås att upp» finnirigeii inte är begränsad till de visade utföringsformerna. Tvärtom är den avsedd att täcka olika modifikationer och motsvarande arrangemang inom ramen för de bifogade kraven.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 533 522 lå PATENTKRAV En solcellsstruktur innefattande ett flertal nanotrådar (910) utgörande den ljusabsorberande delen av solcellsstrukturen, kännetecknat av att nanotrådarna (910) innefattar ett flertal segment (315), vart och ett anpassat att absorbera ljus i olika våglängdsområden; och nanotrådarna är anordnade vertikalt på ett substrat med en delning mellan intilliggande nanotrådar, vilken delning är kortare än våglängden för det ljus som solcellsstrukturen är avsedd att absorbera och mindre än den kortaste våglängden för våglängdsregionerna varvid nanotrådarna och mellanliggande material verkar som ett effektivmedium så att infallande ljus kommer att ledas sekventiellt genom nanotrådarna och de olika våglängdsområdena selektivt absorberas i respektive segment (315). Solcellsstruktur enligt krav 1, varvid delningen mellan intilliggande nanotrå- dar är mindre än 400 nm. Solcellsstruktur enligt krav 2, varvid delningen mellan intilliggande nanotrå- dar är mindre än 150 nm. Solcellsstruktur enligt något av föregående krav, varvid nanotråden (305) inne- fattar flera segment (315), där vaije segment är anpassat att absorbera en del av solspektrumet och anordnat så att segmentet med det största bandgapet är närmast den övre 'anden av solcellsstrukturen, dvs. motsatt ände av den ände som är kopplad till substratet. Solcellsstmktur enligt krav 4, varvid segmenten är kopplade i serie med hjälp av Esaki-dioder (3 16). Solcellsstruktur enligt något av föregående krav, varvid nanotrådarna (910) är växta på ett kiselsubstrat (920). En solcellspanel innefattande ett flertal solcellsstrukturer enligt något av före- gående krav.
SE0702072A 2007-06-19 2007-09-13 Nanotrådsbaserad effektivmediumsolcell SE533522C2 (sv)

Priority Applications (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0702072A SE533522C2 (sv) 2007-09-13 2007-09-13 Nanotrådsbaserad effektivmediumsolcell
CN201610640931.7A CN106206780B (zh) 2007-06-19 2008-06-19 基于纳米线的太阳能电池结构
CN200880103566.XA CN101803035B (zh) 2007-06-19 2008-06-19 基于纳米线的太阳能电池结构
US12/452,175 US20100186809A1 (en) 2007-06-19 2008-06-19 Nanowire- based solar cell structure
KR1020107001213A KR101547711B1 (ko) 2007-06-19 2008-06-19 나노와이어-기반 태양 전지 구조
EP08767200.2A EP2168167B1 (en) 2007-06-19 2008-06-19 Nanowire-based solar cell structure
PCT/SE2008/050734 WO2008156421A2 (en) 2007-06-19 2008-06-19 Nanowire-based solar cell structure
AU2008264257A AU2008264257A1 (en) 2007-06-19 2008-06-19 Nanowire-based solar cell structure
US15/374,217 US10128394B2 (en) 2007-06-19 2016-12-09 Nanowire-based solar cell structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0702072A SE533522C2 (sv) 2007-09-13 2007-09-13 Nanotrådsbaserad effektivmediumsolcell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
SE0702072L SE0702072L (sv) 2009-03-14
SE533522C2 true SE533522C2 (sv) 2010-10-12

Family

ID=40527214

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SE0702072A SE533522C2 (sv) 2007-06-19 2007-09-13 Nanotrådsbaserad effektivmediumsolcell

Country Status (1)

Country Link
SE (1) SE533522C2 (sv)

Also Published As

Publication number Publication date
SE0702072L (sv) 2009-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10128394B2 (en) Nanowire-based solar cell structure
US8952354B2 (en) Multi-junction photovoltaic cell with nanowires
US7629532B2 (en) Solar cell having active region with nanostructures having energy wells
US8530739B2 (en) Nanowire multijunction solar cell
US9293615B2 (en) Low-bandgap, monolithic, multi-bandgap, optoelectronic devices
TWI666785B (zh) 太陽能電池及形成太陽能電池的方法
US10263129B2 (en) Multijunction photovoltaic device having SiGe(Sn) and (In)GaAsNBi cells
US9214580B2 (en) Multi-junction solar cell with dilute nitride sub-cell having graded doping
JP2015073130A (ja) 2つの変性層を備えた4接合型反転変性多接合太陽電池
US20150179857A1 (en) Semiconductor epitaxial structures and semiconductor optoelectronic devices comprising the same
US20110278537A1 (en) Semiconductor epitaxial structures and semiconductor optoelectronic devices comprising the same
KR20240022562A (ko) 전자기 방사선을 전기 에너지로 변환하기 위한 적어도 하나의 광기전 전지의 제조 방법
SE533522C2 (sv) Nanotrådsbaserad effektivmediumsolcell

Legal Events

Date Code Title Description
NUG Patent has lapsed