專利名稱：用于光伏電池的電極及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及用于光伏電池的電極及其制造方法。特別地，本公開涉及具有可以用于光伏電池的柱狀結(jié)構(gòu)的電極。
背景技術(shù)：
光伏系統(tǒng)將光轉(zhuǎn)變成電以用于各種用途。光伏系統(tǒng)通常稱為“太陽能電池”，這是由其可從太陽光產(chǎn)生電的能力而得名。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的能量和其它發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)點為低的工作成本、高的可靠性、模塊性、低的構(gòu)造成本、以及環(huán)保優(yōu)點。
通過利用半導(dǎo)體結(jié)處存在的光伏效應(yīng)，太陽能電池將光轉(zhuǎn)變成電。因此，太陽能電池通常包含產(chǎn)生電流的半導(dǎo)體層。這些半導(dǎo)體層吸收入射光線以產(chǎn)生受激電子。除了半導(dǎo)體層之外，太陽能電池通常包含透明覆蓋或其它密封材料、抗反射層、允許電子進(jìn)入電路的前接觸襯底、以及允許當(dāng)由于光照射使受激電子注入半導(dǎo)體層時允許電子完成該電路的背接觸襯底。
近年來，已經(jīng)在有機和無機-有機混合太陽能電池的開發(fā)中取得進(jìn)展?？梢砸韵鄬Φ偷某杀局圃爝@些類型的太陽能電池。一種低成本的太陽能電池為染料敏化太陽能電池。染料敏化太陽能電池通常使用有機染料吸收入射光線以產(chǎn)生受激電子。染料敏化太陽能電池通常包含以夾層結(jié)構(gòu)排列的兩個平面導(dǎo)電襯底。涂敷染料的半導(dǎo)體薄膜將這兩個襯底分隔開。該半導(dǎo)體薄膜為多孔的并且表面積大，由此允許足夠的染料作為分子單層粘附到其表面上，從而有助于高效的光吸收。襯底之間剩余的居中空間以及半導(dǎo)體薄膜(用作海綿)的孔填充了含有諸如三碘化物/碘化物的氧化/還原對的有機電解質(zhì)溶液。
然而，染料敏化薄膜存在幾個技術(shù)上的缺點。一個技術(shù)缺點在于，大的傳輸距離導(dǎo)致大量的復(fù)合或逆反應(yīng)。當(dāng)從染料排出的電子和氧化的吸收體復(fù)合時，發(fā)生復(fù)合。當(dāng)排入空穴傳輸體中的空穴接觸排入電子傳輸體中的電子而不是傳輸經(jīng)過外部電路時，發(fā)生逆反應(yīng)。
此外，由電子排出形成的氧化染料通常會被光伏電池中被還原的物質(zhì)的電子傳輸所還原。被還原的物質(zhì)通常存在于電解液中，其在該電解液中反過來又變成被氧化的物質(zhì)(放棄電子后)。該被氧化的物質(zhì)必須通過同樣長且痛苦的擴散路徑朝對置襯底遷移。該被氧化的反應(yīng)物通過從該襯底接收電子被還原而完成該電路。
在電子向襯底的隨機行進(jìn)期間，電子可能行經(jīng)非常遠(yuǎn)的距離，且該電子可能通過和電解液溶液的成分組合而損失掉。這也稱為“復(fù)合”。在太陽光輻照下，半導(dǎo)體中電子的密度可能非常高，使得這種損耗大幅降低了太陽能電池可獲得的最大電壓并因此降低了效率。用于減小電子的行進(jìn)距離的一種技術(shù)是減小半導(dǎo)體薄膜的厚度，由此減小電子到達(dá)襯底所需行進(jìn)的距離。不利的是，由于染料裝填水平降低，半導(dǎo)體厚度的減小可能降低光吸收，由此降低了太陽能電池的效率。
當(dāng)前的染料敏化太陽能電池的另一個技術(shù)缺點在于包含隨機互連的納米顆粒的TiO2薄膜的電子傳導(dǎo)差。TiO2薄膜通常用作太陽能電池中的電子傳輸體。此外，在太陽能電池(光伏電池)中，難以最大化TiO2電子傳輸體的界面面積以實現(xiàn)染料的最佳裝填。另外的一個缺點則來自形成該薄膜的TiO2顆粒的隨機性。盡管非常小的孔可防止染料分子與/或空穴傳輸體分子進(jìn)入該孔中，非常大的孔并不提供高的表面/體積比。染料分子與/或空穴傳輸體分子無法進(jìn)入該孔，會引起復(fù)合與/或逆反應(yīng)增加。類似地，缺乏高的表面與體積之比會促進(jìn)復(fù)合與/或逆反應(yīng)的增加。該增加的復(fù)合與/或逆反應(yīng)會導(dǎo)致光子產(chǎn)生的電流損失。
因此，有利的是通過減小電子的行進(jìn)路徑而由此減少電子擴散到襯底所需的時間長度并同時減小空穴到另一個襯底的傳輸距離，由此最小化復(fù)合和逆反應(yīng)。因此需要開發(fā)出這樣的太陽能電池或光伏電池其電荷傳輸距離已被減小并最小化或防止復(fù)合和逆反應(yīng)，且其可容易地進(jìn)行量產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在此公開了包含襯底及柱狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其中該柱狀結(jié)構(gòu)包含半導(dǎo)體，且以下述方式置于該襯底上該柱狀結(jié)構(gòu)的縱軸基本上垂直于該襯底。
在此公開了包含其上置有電子傳輸涂層的襯底的電極，其中該電子傳輸涂層包含柱狀結(jié)構(gòu)。
在此公開了包括將襯底與擴展熱等離子體發(fā)生器中的等離子體接觸的方法，其中腔壓為約30毫托至約300毫托，且其中該等離子體包含反應(yīng)物和氧；該方法還包括將半導(dǎo)體的涂層置于該襯底上，其中該半導(dǎo)體的涂層包含柱狀微結(jié)構(gòu)。


圖1示出了包含位于襯底12上的電子傳輸涂層的電極10的截面的一個示例實施例；圖2為示出了置于襯底12上的氧化鈦涂層的掃描電子顯微照片；圖3為置于襯底12上的柱狀結(jié)構(gòu)的示意性描述；圖4示出了用于形成電子傳輸涂層14的系統(tǒng)100的示例；以及圖5示出了包含電極10的光伏電池的截面的一個示例實施例，其中電極10包含置于襯底12上的電子傳輸涂層。
具體實施例方式
在此公開了含有涂層的產(chǎn)品，該涂層具有柱狀結(jié)構(gòu)。該涂層可有利地轉(zhuǎn)換成用于光伏電池的電子傳輸涂層。該涂層還可用作光伏電池的電極。這種電極通常包含一襯底，在該襯底上置有具有柱狀結(jié)構(gòu)的電子傳輸涂層。該柱狀結(jié)構(gòu)置于襯底上，其縱軸基本上垂直于襯底表面。將在下文中詳細(xì)解釋，該縱軸平行于和襯底表面垂直的z方向。該結(jié)構(gòu)有利地允許電子快速傳輸，由此最小化光伏電池中的電子復(fù)合。在一個實施例中，通過采用約30至約300毫托(mT)的壓強的擴展熱等離子體(ETP)工藝，可在襯底上產(chǎn)生該柱狀結(jié)構(gòu)。
圖1示出了包含有襯底12上的電子傳輸涂層的電極10的截面圖的一個示例實施例。電極10根據(jù)其用途可選擇性地包含設(shè)在襯底12和電子傳輸涂層14之間的夾層16?？蛇x擇性地預(yù)處理襯底12以在表面上形成可選的疏水夾層16。在一個實施例中，夾層16可以是導(dǎo)電層。使用諸如硅或鈦的醇鹽的粘附促進(jìn)劑，可以增強襯底12的表面性能，這些粘附促進(jìn)劑有助于改善粘合表面之間的粘附和結(jié)合。因此夾層16用作襯底12和電子傳輸涂層14之間的粘附層以促進(jìn)這些層之間的粘附，或者其用作減小襯底12和包括電子傳輸涂層14的上覆各層之間的應(yīng)力。夾層16可選擇地包含子層，其中一個子層的作用是減小襯底12和電子傳輸涂層14之間的應(yīng)力，另一個子層的作用是促進(jìn)襯底12和電子傳輸涂層14之間的粘附。可替換地，夾層16可同時提供粘附層以及減小應(yīng)力的功能。
該電子傳輸涂層可包含金屬氧化物、半導(dǎo)體、碳納米管等。示例的電子傳輸涂層包含半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的適當(dāng)例子為金屬氧化物。適當(dāng)?shù)慕饘傺趸锏睦訛檠趸?SiOx)、二氧化硅(SiO2)、氧化鈦(TiOx)、二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯(Zr2O3)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)等，或者為包含至少一種前述金屬氧化物的組合。如前所述，金屬氧化物成分可以是化學(xué)計量的。金屬氧化物成分也可以是非化學(xué)計量的。在另一個實施例中，金屬氧化物中的部分氧可以用諸如氮的其它陰離子代替。其結(jié)果為，該柱狀結(jié)構(gòu)還包含氧氮化物(oxynitride)。氧氮化物的一個示例為金屬氧氮化物。氧氮化物的示例為氧氮化硅、氧氮化鈦等，或者至少包含一種前述氧氮化物的組合。
在一個實施例中，采用氧化鈦涂層時，TiOx涂層可包含化學(xué)計量的TiO2涂層、其中x不等于2的非化學(xué)計量的TiOx涂層、或者這兩種的組合。在另一個實施例中，適當(dāng)?shù)碾娮觽鬏斖繉涌砂趸伜脱趸喌慕M合。
可用于覆蓋襯底的適當(dāng)n型半導(dǎo)體的示例為摻雜的硅或鍺。硅所用的摻雜劑為砷、磷、或銻。碳納米管的示例為單壁碳納米管、多壁碳納米管、以及氣相生長的碳纖維。
包含柱狀結(jié)構(gòu)的電子傳輸涂層的示例為包含二氧化鈦(TiO2)的電子傳輸涂層。圖2示出了掃描電子顯微鏡中看到的二氧化鈦的柱狀結(jié)構(gòu)的電子顯微照片。從該顯微照片可以看出，二氧化鈦柱狀結(jié)構(gòu)基本上垂直于襯底的表面放置。圖2所示的結(jié)構(gòu)是有序的。
圖3為示出置于該襯底上的柱狀結(jié)構(gòu)的示意圖。柱的截面區(qū)域可以是諸如圓柱形、矩形、方形、或多邊形的任意幾何圖形。在圖3中，該示例示意圖具有矩形截面。
在圖3中，x軸和y軸平行于接觸該柱狀結(jié)構(gòu)的襯底的表面。該柱狀結(jié)構(gòu)因此沿著z軸從襯底的表面向上延伸。通常理想的是x-y平面內(nèi)的最小尺寸大于或等于約5nm。當(dāng)該柱狀結(jié)構(gòu)為方形或矩形時，通常理想的是柱狀結(jié)構(gòu)的寬度(沿x方向測量時)大于或等于約25nm。在一個實施例中，理想的是該柱狀結(jié)構(gòu)的寬度大于或等于約50nm。通常理想的是該柱狀結(jié)構(gòu)的廣度(沿y方向測量時)大于或等于約5nm。在一個實施例中，通常理想的是該柱狀結(jié)構(gòu)的廣度大于或等于約25nm。在另一個實施例中，通常理想的是該柱狀結(jié)構(gòu)的廣度大于或等于約50nm。通常理想的是該柱狀結(jié)構(gòu)的長度(沿z方向測量時)大于或等于約5納米。在一個實施例中，理想的是該柱狀結(jié)構(gòu)的長度大于或等于約15納米。在另一個實施例中，理想的是該柱狀結(jié)構(gòu)的長度大于或等于約50納米。在又一個實施例中，理想的是該柱狀結(jié)構(gòu)的長度大于或等于約100納米。
單個柱狀結(jié)構(gòu)可在沿其長度的任何一點處相互接觸，或者可以和其它柱狀結(jié)構(gòu)相互隔離。在一個實施例中，當(dāng)這些柱狀結(jié)構(gòu)被隔離開時，相鄰的兩個柱狀結(jié)構(gòu)之間的間隔大于或等于約5nm。在另一個實施例中，相鄰的兩個柱狀結(jié)構(gòu)之間的間隔大于或等于約50nm。在又一個實施例中，相鄰的兩個柱狀結(jié)構(gòu)之間的間隔大于或等于約100nm。在又一個實施例中，相鄰的兩個柱狀結(jié)構(gòu)之間的間隔大于或等于約500nm。
該柱狀結(jié)構(gòu)的縱橫比大于或等于約2。在此該縱橫比定義為柱狀結(jié)構(gòu)的長度和該微結(jié)構(gòu)的最小表面尺寸之比。在一個實施例中，該柱狀結(jié)構(gòu)的縱橫比大于或等于約5。在另一個實施例中，該柱狀結(jié)構(gòu)的縱橫比大于或等于約10。在又一個實施例中，該柱狀結(jié)構(gòu)的縱橫比大于或等于約100。
理想的是該柱狀結(jié)構(gòu)具有各種多孔結(jié)構(gòu)。該柱狀結(jié)構(gòu)可具有多納米孔的(nanoporous)部分，其中孔的尺寸為約1至約10nm。這里提及的孔的尺寸是指孔直徑。該柱狀結(jié)構(gòu)也可具有多孔部分，其具有大于10nm的孔。如果需要，特定的柱狀結(jié)構(gòu)可具有交替的多孔和多納米孔的部分。例如在圖3中，可將厚度達(dá)到約0.2微米的柱狀結(jié)構(gòu)的第一部分9(沿z軸測量)制成多納米孔的。置于該第一垂直部分之上的第二部分11可以具有多孔結(jié)構(gòu)(孔的尺寸大于10nm)，該第二部分厚度達(dá)到約0.2微米。這樣，該柱狀結(jié)構(gòu)的整個長度可具有交替的多納米孔和多孔結(jié)構(gòu)。在一個實施例(未示出)中，如果需要，可將連續(xù)交替的柱制成多納米孔或多孔的。在另一個實施例中，如果需要，可將襯底一部分中的多個柱制成多納米孔的，而將該襯底的毗鄰部分中的多個柱制成孔尺寸大于10nm的多孔的。
二氧化鈦包含結(jié)晶的銳鈦相、板鈦相、金紅石相、或者包括包含至少一種前述結(jié)晶相的組合，并且二氧化鈦具有大于或等于約5平方米每克(m2/gm)的大的表面積。在一個實施例中，該柱狀結(jié)構(gòu)的表面積大于或等于約100m2/gm。在另一個實施例中，該柱狀結(jié)構(gòu)的表面積大于或等于約200m2/gm。在又一個實施例中，該柱狀結(jié)構(gòu)的表面積大于或等于約500m2/gm。在再一個實施例中，該柱狀結(jié)構(gòu)的表面積大于或等于約1000m2/gm。
理想的是該電子傳輸涂層的厚度為約5納米至約1毫米。在一個實施例中，該電子傳輸涂層的厚度為約100納米至約0.5毫米。示例性涂層的厚度約為10微米。
襯底12可包含為柔性或剛性的任何材料。示例襯底12為柔性襯底。柔性襯底通常在室溫下彈性模量小于或等于約105千兆帕斯卡(GPa)。如果需要，襯底12可以是光學(xué)透明的。在一個實施例中，如果需要，該襯底還可以是導(dǎo)電的。在另一個實施例中，該襯底可以是電絕緣的，但該襯底可覆蓋有導(dǎo)電的夾層。
當(dāng)該襯底是導(dǎo)電的時，理想的是該襯底的容積電阻率小于或等于約1012歐姆-厘米。在另一個實施例中，該襯底的容積電阻率小于或等于約108歐姆-厘米。在另一個實施例中，該襯底的容積電阻率小于或等于約105歐姆-厘米。
在一個實施例中，該襯底的表面電阻率小于或等于約1000歐姆/平方。在另一個實施例中，該襯底的表面電阻率小于或等于約500歐姆/平方。在又一個實施例中，該襯底的表面電阻率小于或等于約100歐姆/平方。
在另一個實施例中，該襯底也可以是多孔的。該襯底的孔隙率為約10體積百分比至約90體積百分比。理想的是襯底12及置于其上的任意夾層能夠承受沉積該電子傳輸涂層的過程中涉及的溫度?？梢杂米⒛３尚?、擠壓成形、冷成形、真空成形、吹塑、壓塑、轉(zhuǎn)移模塑、熱成形、溶劑澆注等來形成襯底12。
襯底適用材料的示例為玻璃、聚合物、金屬箔等、或者是包含至少一種前述材料的組合。適用的玻璃的示例為硅石、氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦、氧氮化硅、氧氮化鈦等。適用的聚合物的示例為熱塑性聚合物、熱固性聚合物、或者包含至少一種前述聚合物的組合。適用的熱塑性聚合物的示例為聚碳酸酯、聚(甲基)丙烯酸脂、聚苯乙烯、聚烯烴、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺等、或者包含至少一種前述熱塑性聚合物的組合。適用的熱固性聚合物的示例為聚氨基甲酸酯、聚硅氧烷、環(huán)氧樹脂、酚醛塑料等、或者包含至少一種前述熱固性聚合物的組合。
通常理想的是使用金屬箔作為襯底。理想的是該箔具有有利于該金屬氧化物沉積的熱膨脹系數(shù)。適用的箔的示例為由鋁、鈦、銀、鉑、鋅、鉬、鉭等、或其組合制成的金屬箔。適用的合金的示例為鋼、不銹鋼、殷鋼等。
優(yōu)選采用擴展熱等離子體工藝(ETP)制作電子傳輸涂層14，將在下文中更加詳細(xì)地描述這一點。圖4示出了用于形成電子傳輸涂層14的系統(tǒng)100的示例。系統(tǒng)100包含等離子體發(fā)生腔110和沉積腔111。沉積腔111包含安裝在溫度受控的支撐122上的襯底12。襯底12可以是玻璃襯底、聚合物襯底、或者箔襯底，該襯底例如覆蓋有可選的夾層16，如圖1所示。沉積腔111還包含用于載入或卸載襯底12的門(未示出)以及連接到泵的出口123。支撐122可放置在沉積腔111的體積121中的任何位置?？蓪⒁r底12置于和等離子體發(fā)生器的陽極119距離10至50cm，通常約為25.5cm的位置。
沉積腔111還可選擇地包含可伸縮擋板124。例如可由手柄125或計算機控制的定位機構(gòu)定位該擋板。擋板124還包含用于控制從等離子體發(fā)生腔110朝向襯底12發(fā)射的等離子體的直徑的圓孔。沉積腔111還可選擇地包含毗鄰腔壁以引導(dǎo)等離子體流的磁體或磁場發(fā)生線圈(未示出)。
沉積腔111還可包含可選的噴嘴118。噴嘴118改善了對要沉積到襯底12上的反應(yīng)物的注入、電離、及反應(yīng)的控制。噴嘴118為在襯底12上沉積諸如電子傳輸涂層的材料而提供，并最小化或者甚至防止粉狀反應(yīng)沉積物在襯底12上形成。優(yōu)選地，如果使用噴嘴，則該噴嘴118呈圓錐形，其發(fā)散角約為40度，長度約為10至80cm，優(yōu)選約為16cm。
然而，噴嘴118可替換地具有可變的截面，例如圓錐形-圓柱形-圓錐形或圓錐形-圓柱形。此外，噴嘴118的發(fā)散角可以不是40度，長度可以不是16厘米。也可以完全省略該噴嘴。在省略該噴嘴的情形中，進(jìn)料管112和114注入到注入環(huán)。
沉積腔111還含有至少一個反應(yīng)物供給線。反應(yīng)物供給線的數(shù)目可以是例如兩個或三個。例如，沉積腔111可包含第一反應(yīng)物供給線112和第二反應(yīng)物供給線114，用于將電子傳輸涂層薄膜沉積到襯底12上。供給線112和114優(yōu)選地與噴嘴118相連通，并將反應(yīng)物供應(yīng)至流過該噴嘴的等離子體中。沉積腔111通常還含有用于抽空腔111的真空泵(未示出)。
等離子體發(fā)生腔110含有至少一個陰極113、等離子體氣體供給線117、以及陽極119。等離子體發(fā)生腔110通常包含三個陰極113，可以使用該三個陰極中的任何一個。陰極113可包含例如摻釷或鑭的鎢針尖。示例的針尖為摻鑭的鎢針尖。使用鑭可將針尖的溫度維持低于鎢的熔點，因此避免等離子體被鎢原子污染并減輕該針尖的幾何變形。
等離子體發(fā)生腔110通常包含至少一條等離子體氣體供給線117。為了在等離子體發(fā)生腔110內(nèi)形成等離子體，通過等離子體氣體供給線117供應(yīng)等離子體氣體。該等離子體氣體可適當(dāng)?shù)匕T如氬氣或氦氣的惰性氣體，或者諸如氮氣、氨氣、二氧化碳或氫氣、或其任意混合物的反應(yīng)氣體。如果有不止一種等離子體氣體，則在需要時通過多個供給線供應(yīng)其它氣體。優(yōu)選地，對于TiOx沉積，等離子體氣體包含氬氣。等離子體發(fā)生腔110中的等離子體氣體被維持在比沉積腔111中壓強高的壓強下，其中用泵連續(xù)對沉積腔111進(jìn)行抽氣。隨后在該一個或多個陰極113和陽極119之間施加電弧電壓，從而在等離子體發(fā)生腔110內(nèi)產(chǎn)生等離子體。由于腔110和111之間的壓強差，等離子體隨后延伸穿過陽極119的孔到達(dá)沉積腔111內(nèi)。通過供給線112和114將反應(yīng)物供應(yīng)到該等離子體中。
在一個實施例中，在制造電極10的一種方法中，襯底12可包含例如低溫聚碳酸酯襯底，在該聚碳酸酯上形成可選擇的夾層。在圖4的系統(tǒng)100的沉積腔11內(nèi)提供該襯底。使用由等離子體氣體線117供應(yīng)的等離子體氣體產(chǎn)生等離子體。該等離子體氣體可以是例如惰性氣體。在一個實施例中，該等離子體氣體為氬氣。
用于在襯底上形成TiOx膜的適當(dāng)?shù)那绑w為四氯化鈦(TiCl4)、異丙氧化鈦、丁氧化鈦、二異丙氧化鈦雙(2，4戊二酸酯)(titaniumdi-isopropoxide bis(2，4pentanedionate))、乙氧化鈦(IV)、2-乙基六氧化鈦(IV)、異丁氧化鈦(IV)(titanium(IV)isobutoxide)、甲氧化鈦(IV)等、或者包含至少一種前述前體的組合。適當(dāng)?shù)难趸瘎檠?、一氧化二氮、過氧化氫、臭氧、或水。
在一個示例實施例中，在襯底上制造含有TiOx的電子傳輸涂層的一種方法中，含有鈦的第一反應(yīng)物和含有氧氣的第二反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)。該第一反應(yīng)物包含四氯化鈦(TiCl4)，而第二反應(yīng)物包含氧氣。該第一和第二反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)以在襯底上形成TiOx膜。TiCl4反應(yīng)物的流量為約0.1至約1標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(slm)，而氧氣的流量為約0.4至約10slm。沉積TiOx涂層的示例性功率為約20至約5000瓦特直流功率。示例性電流為約1至約100安培，而示例性電壓為約20至約50伏特。以大于或等于約1微米每分鐘的速度可以沉積高質(zhì)量的TiOx膜。
在一個示例實施例中，在擴展熱等離子體工藝期間，可以使用約30毫托(mT)至約300mT的腔壓。在另一個實施例中，在該工藝期間的腔壓可以為約35至約200mT。在又一個實施例中，在該工藝期間的腔壓可以為約45至約100mT。
如前所述，該電極可有利的用于光伏電池。在圖5的示意圖(未按比例繪制)所描述的一個示例實施例中，光伏電池300包含第一電極10和第二電極310。第二電極被稱為對電極(counter electrode)，其可選擇地用于光伏電池用途。在這些電極的相對面之間設(shè)有吸收體318、電子傳輸涂層14、以及空穴傳輸體312。吸收體318分別和電子傳輸涂層14及空穴傳輸體312電連通。該吸收體通常是這樣的染料其可以吸收電磁輻射，并且可以將電子排入電子傳輸涂層14，并同時將空穴排入空穴傳輸體312。
在一個實施例中，這兩個電極具有至少一個導(dǎo)電表面，或者具有和電子傳輸涂層14或空穴傳輸體312電連通的夾層。在一個實施例中，第一電極10包含第一襯底12以及和電子傳輸涂層14電連通的第一導(dǎo)電表面(也稱為夾層)16，而第二電極310包含第二襯底322以及和空穴傳輸體312連通的第二導(dǎo)電表面(或夾層)324。襯底12優(yōu)選地用作導(dǎo)電表面16的機械支撐。
再次參考圖5的光伏電池300，當(dāng)光線入射到吸收體318上時，吸收體318吸收入射輻射并排出電子。如圖5所示，電子被排入電子傳輸涂層14中并前進(jìn)到第一電極10?？昭ㄍ瑫r被排入空穴傳輸體312并前進(jìn)到第二電極310。電子隨后傳播通過外部電路24并和空穴復(fù)合而產(chǎn)生電。這里所指的外部電路24是指與這兩個電極電連通但不連接該光伏電池的內(nèi)部組成部分的元件，該內(nèi)部組成部分例如為吸收分子、電子和空穴傳輸體、絕緣分子、電荷隔離體、或離子摻雜劑。
在一個實施例中，圖5的光伏電池可具有包含透明與/或柔性襯底12的第一電極10，而電子傳輸涂層14包含含有二氧化鈦的柱狀結(jié)構(gòu)以及含有柔性和/或透明襯底322的第二電極310，其中襯底322和第一電極中所使用的襯底相同或不同。在一個實施例中，第二電極310包含導(dǎo)電表面324。在另一個實施例中，第二電極310包含含有垂直于第二電極的襯底表面對準(zhǔn)的柱狀結(jié)構(gòu)的電子傳輸涂層。第二電極310中使用的柱狀結(jié)構(gòu)可包含金屬氧化物或?qū)щ姷奶技{米管。
在另一個實施例中，圖5的光伏電池300可具有含有襯底12的第一電極10。在襯底12的表面上設(shè)有導(dǎo)電夾層16。導(dǎo)電夾層16置于襯底12和電子傳輸涂層14之間。該導(dǎo)電夾層因此接觸該柱狀結(jié)構(gòu)。該導(dǎo)電夾層包含氧化銦錫、摻F的透明氧化物、導(dǎo)電聚合物、金屬薄膜、金屬箔、或包含至少一種前述導(dǎo)電涂層的組合。該導(dǎo)電夾層可選擇地接觸外部電路24。襯底12可以是透明的，并且可以是柔性或剛性的。
在襯底12或?qū)щ妸A層16上沉積TiO2的柱狀結(jié)構(gòu)之后，對其進(jìn)行燒結(jié)。進(jìn)行燒結(jié)的溫度為約300至約500℃，時間長度為10分鐘至1小時?？稍谡婵栈驓怏w覆蓋層(gaseous blanket)下進(jìn)行燒結(jié)。適當(dāng)?shù)臍怏w覆蓋層為氧氣。該燒結(jié)有助于將柱狀結(jié)構(gòu)從非晶形式轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶形式。示例的結(jié)晶形式為銳鈦相、金紅石相、板鈦相、或者包含至少一種前述結(jié)形式的組合。燒結(jié)之后，該柱狀結(jié)構(gòu)仍包含少量的非晶相。
在一個實施例中，包含由此處所公開的方法制造的電極的光伏電池可產(chǎn)生大于或等于約5毫安/cm2的電流密度。單位為平方厘米的表面積是指電池的平坦表面。在另一個實施例中，包含由此處所公開的方法制造的電極的光伏電池可產(chǎn)生大于或等于約10毫安/cm2的電流密度。在又一個實施例中，包含由此處所公開的方法制造的電極的光伏電池可產(chǎn)生大于或等于約20毫安/cm2的電流密度。可調(diào)整該柱狀結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生大于或等于約50毫安/cm2的電流密度。
包含由此處所公開的方法制造的電極的光伏電池的效率大于或等于約5％。在另一個實施例中，包含由此處所公開的方法制造的電極的光伏電池的效率大于或等于約10％。在又一個實施例中，包含由此處所公開的方法制造的電極的光伏電池的效率大于或等于約15％。
旨在作為示例而非限制的下述實例闡述了此處所描述的光伏電池的電極的各種制造方法及其組分。
實例下述實例1至3用于論證當(dāng)擴展熱等離子體反應(yīng)腔中的壓強從約45毫托變化至約100毫托(mT)時，在玻璃襯底上制作二氧化鈦的柱狀結(jié)構(gòu)。所使用的二氧化鈦的前體為氯化鈦或異丙氧化鈦。向擴展熱等離子體發(fā)生器中注入氬氣。在距離陽極約3厘米的位置處向該反應(yīng)腔注入氧氣以及這些前體。沉積時襯底的溫度可以從約100℃變化至約150℃。在這些例子中，襯底維持在約150℃的溫度。反應(yīng)腔內(nèi)的壓強維持在45mT或100mT。所沉積的材料本質(zhì)上是非晶的，當(dāng)在450℃的溫度下進(jìn)一步燒結(jié)時轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兴蟮幕瘜W(xué)計量的所需材料，由此形成包含銳鈦礦的結(jié)晶柱狀結(jié)構(gòu)。燒結(jié)時間為30分鐘。進(jìn)行如此退火而得到的柱狀結(jié)構(gòu)通常完全是結(jié)晶的。在一些情形中，該柱狀結(jié)構(gòu)含有少量的非晶相。
該襯底經(jīng)過各種反應(yīng)條件以形成二氧化鈦層，將在各個下述示例中描述它們。在光伏電池中測試這些襯底以及柱狀結(jié)構(gòu)，并記錄了其效率。該電池的制作如下。
燒結(jié)在其上置有該柱狀結(jié)構(gòu)的玻璃襯底。用Ru染料(N3)在40℃下對玻璃板染色1小時。使用40微米的PRIMACOR墊圈構(gòu)造該電池。使用乙腈作為電池中的電解質(zhì)。覆蓋有鉑的玻璃用作對電極，并在壓力下將這兩個板作成夾層而構(gòu)造該電池。該壓力為2.8kg/cm2，溫度為90℃。在太陽激勵器中，在由NREL認(rèn)證的硅標(biāo)準(zhǔn)所指定的標(biāo)準(zhǔn)測試條件下測試這些電池。
示例1在該示例中，在玻璃襯底上沉積二氧化鈦柱狀結(jié)構(gòu)。在下面的表1中示出了其條件。樣品是移動的。
表1

所沉積的涂層本質(zhì)上是非晶的，在450℃的溫度下進(jìn)一步燒結(jié)30分鐘后轉(zhuǎn)變成包含銳鈦礦的結(jié)晶柱狀結(jié)構(gòu)。燒結(jié)后的涂層厚度為約8.1至約8.6微米。由此被涂敷的玻璃板被用于光伏電池，并且該電池的效率確定為6％。如上所述地制作該光伏電池。
示例2在該示例中，在玻璃襯底上沉積二氧化鈦。該玻璃襯底在表2中所示的條件下靜止沉積4分鐘。
表2

和上面的示例1相同，所沉積的涂層本質(zhì)上是非晶的，在450℃的溫度下進(jìn)一步燒結(jié)后轉(zhuǎn)變成包含銳鈦礦的結(jié)晶柱狀結(jié)構(gòu)。燒結(jié)后的平均涂層厚度為12.0微米。由此被涂敷的玻璃襯底被用于光伏電池。如上所述地制作該光伏電池。該電池的效率為7.2％。
示例3在該示例中，在玻璃襯底上沉積二氧化鈦。通過將該襯底停放在電弧前而首先預(yù)加熱該玻璃襯底，隨后在表3中所示的條件下靜止沉積4分鐘。
表3

和上面的示例1與2相同，所沉積的涂層本質(zhì)上是非晶的，在450℃的溫度下進(jìn)一步燒結(jié)后轉(zhuǎn)變成包含銳鈦礦TiO2的結(jié)晶柱狀結(jié)構(gòu)。燒結(jié)后的涂層厚度為約6.9微米至約7.2微米。由此被涂敷的玻璃襯底被用于光伏電池。如上所述地制作該光伏電池。該電池的效率小于2％。
示例4在該示例中，在玻璃襯底上沉積二氧化鈦。該示例和示例3相似，不同之處在于沒有預(yù)加熱該玻璃襯底。該玻璃板在表4中所示的條件下靜止沉積4分鐘。
表4

和上面的示例1與2相同，所沉積的涂層本質(zhì)上是非晶的，在450℃的溫度下進(jìn)一步燒結(jié)后轉(zhuǎn)變成包含銳鈦礦TiO2的結(jié)晶柱狀結(jié)構(gòu)。燒結(jié)后的涂層厚度為約6.15微米至約6.4微米。由此被涂敷的玻璃襯底被用于光伏電池。如上所述地制作該光伏電池。該電池的效率為4.7％。
示例5該示例示范了在玻璃襯底上形成氧化鋅(ZnO)結(jié)構(gòu)。反應(yīng)前體為二甲基鋅。二甲基鋅以溶于庚烷的1.0M的溶液的形式被引入反應(yīng)腔。在反應(yīng)腔內(nèi)沉積ZnO 10分鐘。沉積條件如表5所示。
表5

燒結(jié)之前的平均涂層厚度約為12.6微米。如前所詳述地?zé)Y(jié)該樣品并制作光伏電池。測量得到該光伏電池的效率為0.3％。
示例6該示例示范了在鈦箔襯底上沉積二氧化鈦涂層。鈦箔穿過該反應(yīng)腔25次，每次穿過之間的暫停約為1分鐘。鈦箔每次穿過該腔的速度為2.5厘米每秒。反應(yīng)條件如表6所示。
表6

燒結(jié)之后的涂層厚度為約8至約10微米。
示例7該示例示范了光伏電池中使用燒結(jié)電極和未燒結(jié)電極時光伏電池特性之間的差異。燒結(jié)電極和未燒結(jié)電極都包含含有二氧化鈦柱狀結(jié)構(gòu)的電子傳輸涂層。該二氧化鈦電極傳輸涂層在燒結(jié)之后的平均厚度約為10微米。該襯底包含玻璃。
在光伏電池中測試兩個光伏電池，其中一個具有經(jīng)過燒結(jié)的電子傳輸涂層，另一個含有未經(jīng)過燒結(jié)的涂層。如前所述地在450℃下進(jìn)行燒結(jié)，并使非晶二氧化鈦轉(zhuǎn)變成結(jié)晶(銳鈦礦)二氧化鈦。已經(jīng)在上面的示例2中描述了已燒結(jié)電池的電子傳輸涂層的沉積。如前所述地制作這些電池。下表7中示出了這些電池的結(jié)果。
表7

填充因子＝最大輸出功率/(短路電流×開路電壓)從表7可以看出，具有結(jié)晶電子傳輸涂層的已燒結(jié)電池的效率7.2％遠(yuǎn)大于未燒結(jié)電池僅為0.4％的效率。還可以觀察到，已燒結(jié)電池的電流密度為21毫安每平方厘米(mA/cm2)。
從上述示例可以看出，擴展熱等離子體工藝可以有利地用于制作具有有利于提高光伏電池效率的柱狀結(jié)構(gòu)的電極。結(jié)晶后的該柱狀結(jié)構(gòu)減小了光伏電池中的電子復(fù)合。也可有利地在低溫下沉積該電子傳輸涂層。
盡管參考示例性實施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解到，在不離開本發(fā)明范圍的情況下，可進(jìn)行各種改變并對其元件進(jìn)行等效替換。此外，可在不離開本發(fā)明本質(zhì)范圍的情況下對其教導(dǎo)進(jìn)行許多調(diào)整，使其適用于特殊情況或材料。因此，本發(fā)明不應(yīng)受限于所公開的被認(rèn)為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式，相反地本發(fā)明將包含落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。
部件列表電極 10襯底 12電子傳輸涂層 14
夾層 16多納米孔部分(第一部分) 9多孔部分(第二部分) 11擴展熱等離子體系統(tǒng) 100等離子體發(fā)生腔 110沉積腔 111進(jìn)料管 112、114陰極 113等離子體氣體供給線 117可選的噴嘴 118陽極 119體積 121支撐 122出口 123可伸縮擋板 124手柄 125光伏電池 300電極 310空穴傳輸體 312吸收體 318襯底 322導(dǎo)電夾層 32權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)品，包含襯底(12)；以及柱狀結(jié)構(gòu)，其中該柱狀結(jié)構(gòu)包含半導(dǎo)體并以下述方式置于襯底(12)上其中該柱狀結(jié)構(gòu)的縱軸基本上垂直于襯底(12)。
2.權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中襯底(12)是光學(xué)透明的、多孔的、且/或?qū)щ姷摹?br> 3.權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中襯底(12)是光學(xué)透明的、非多孔的、且/或?qū)щ姷摹?br> 4.權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中襯底(12)包含玻璃、聚合物、金屬箔片、或其組合。
5.權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中該半導(dǎo)體為金屬氧化物，且其中該金屬氧化物為非化學(xué)計量或化學(xué)計量的。
6.權(quán)利要求1的產(chǎn)品，其中該半導(dǎo)體為氧化鈦，且其中該氧化鈦為非化學(xué)計量的或化學(xué)計量的。
7.一種電極(10)，包含其上置有電子傳輸涂層(14)的導(dǎo)電襯底(12)，其中該電子傳輸涂層包含柱狀結(jié)構(gòu)。
8.權(quán)利要求7的電極(10)，其中電子傳輸涂層(14)具有包含半導(dǎo)體、導(dǎo)體、或其組合的柱狀結(jié)構(gòu)。
9.權(quán)利要求8的電極(10)，其中該半導(dǎo)體包含金屬氧化物且其中該導(dǎo)體包含碳納米管。
10.權(quán)利要求9的電極(10)，其中該金屬氧化物為氧化鈦，且其中該氧化鈦為非化學(xué)計量的或化學(xué)計量的。
11.權(quán)利要求7的電極(10)，其中在擴展熱等離子體中形成該柱狀結(jié)構(gòu)。
12.權(quán)利要求7的電極(10)，其中該導(dǎo)電襯底(12)包含支撐部分和導(dǎo)電部分，其中該導(dǎo)電部分接觸該柱狀結(jié)構(gòu)。
13.權(quán)利要求7的電極(10)，其中該導(dǎo)電部分為包含氧化銦錫、摻F的透明氧化物、導(dǎo)電聚合物、金屬薄膜、金屬箔、或者含有至少一種前述材料的組合的涂層。
14.包含根據(jù)權(quán)利要求7至13中的任意一項的電極(10)的光伏電池(300)。
15.包含根據(jù)權(quán)利要求7至13中的任意一項的電極(10)的燃料電池。
16.一種方法，包含將襯底(12)與擴展熱等離子體發(fā)生器中的等離子體接觸，其中該發(fā)生器的壓強為約30毫托至約300毫托，且其中該等離子體包含反應(yīng)物及氧；以及將半導(dǎo)體的涂層置于襯底(12)上，其中該半導(dǎo)體涂層包含柱狀微結(jié)構(gòu)。
17.權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包含在約300至約500℃的溫度下燒結(jié)襯底(12)。
全文摘要
本說明書公開了一種包含襯底(12)和柱狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其中該柱狀結(jié)構(gòu)包含半導(dǎo)體，且該柱狀結(jié)構(gòu)以下述方式置于襯底(12)上其中該柱狀結(jié)構(gòu)的縱軸基本上垂直于襯底(12)。在此公開了包含其上設(shè)有電子傳輸涂層(14)的襯底(12)的電極(10)，其中該電子傳輸涂層(14)包含柱狀結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L31/18GK1797788SQ20051012725
公開日2006年7月5日 申請日期2005年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者V·馬尼文南, J·Y·桂, C·D·亞科文格洛, W·A·莫里森 申請人:通用電氣公司