专利名称：半导体芯, 整体化纤维状光生伏打装置的制作方法
半导体芯，整体化纤维状光生伏打装置本申请要求2008年12月18日提交的美国专利申请第12/338，195号的优先权。
背景技术：
本发明涉及用来提供光电子或光生伏打装置的方法和设备，所述装置是例如其中半导体光敏性芯在一个或多个外覆层内整体化，从而制得光电子或光生伏打结构的装置。光生伏打太阳能电池产生电能的机理非常地吸引人，因为它们不会以副产物的形式产生温室气体。常规的覆材(superstate)或基材型光生伏打装置包括平坦的基材，平坦的半导体材料与该基材连接。所述半导体材料(可以是晶体硅)包含p-n结，其具有以下特征当光通过该结的时候，能够产生自由电荷(电子和空穴)，在成对导体上产生电压 V。常规的太阳能电池方法的主要问题是太阳能电池制造相关的成本、效率以及波形因子。为了解决覆材或基材型装置中的这些问题，人们开发了各种单晶或薄膜工艺。单晶太阳能电池可以具有高的效率，但是此种工艺价格非常昂贵。薄膜半导体制造技术可能较为廉价，但是能量转化效率通常非常低。出于以上的原因以及其它的原因，太阳能的成本比常规高压输电网能量贵大约 2-3倍。在一些太阳能领域中，例如居家、公寓综合建筑、工业园的屋顶用途或者不易获得高压输电网能量的应用，低的重量以及波形因子可以是显著的优点。因此，本领域需要一种新的提供光生伏打太阳能电池的方法，其具有以下特征低成本，高效率，重量轻以及低波形因子。发明概述需要注意，在本发明一个或多个实施方式和讨论中涉及到了与光纤制造和设计相关的现有技术。关于这一点，光“纤”和“杆”结构相关的结构和应用的含义之间有很大的差异。例如，通常认为光纤是挠性的，外径约为125-500微米，主要用于光通信应用。而另一方面杆结构则比光纤更硬，外径约为1-5毫米，可以用于太阳能转化用途。根据本发明的一个或多个实施方式，具有光学和/或光电子性质的杆包括由半导体材料形成的芯；围绕所述芯共轴取向的由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成的透明的外覆层。所述杆可以通过以下方式制造制造空心坯件，该坯件适合用于坯件再拉制工艺； 将半导体材料引入所述坯件的空心部分之内；在再拉制炉中对所述坯件和半导体材料进行加热，使得所述坯件和半导体材料流动；同时对所述坯件和所述半导体材料进行拉制，使得半导体材料的芯在由所述空心坯件制得的外覆层之内共轴取向，从而形成杆。可以用上述结构和技术制造光生伏打装置，包括半导体芯，该半导体芯包括至少一个P-n结，所述p-n结由相应的η型和ρ型区域限定；与所述半导体芯成共轴关系的基本透明的外覆层，形成纵向取向的杆；第一电极和第二电极，各个电极与η型区域和ρ型区域中相应的一种区域电连接。本领域技术人员在结合附图阅读本发明说明后，将清楚地了解本发明的其它方面、特征、优点等。附图简要说明为说明本发明的各方面的目的，在附图中示出优选形式，但是，应理解，本发明不限于所示的精确排列和设施。图IA是根据本发明一个或多个方面的半导体-芯杆的截面图。图IB是根据本发明一个或多个方面，使用图IA的半导体-芯杆形成的光生伏打装置的截面示意图；图2是用来制造图IA的半导体芯杆的制造装置和工艺的示意图；图3是图IA所示种类的半导体芯杆样品的衍射图；图4是根据本发明一个或多个方面的多芯杆的截面图；图5是用来制造图4的半导体芯杆的制造装置和工艺的示意图；图6是根据本发明一个或多个方面的一种光生伏打装置的截面图，该装置使用图 IA所示的半导体-芯杆形成，包括电极连接的例子；图7A、7B是根据本发明一个或多个方面的另一种光生伏打装置的截面图，该装置使用图IA所示的半导体-芯杆形成，包括另外的电极连接的例子；图8-9是根据本发明一个或多个另外的方面，使用透明杆形成的另一种光生伏打装置的截面图；
图10-11是根据本发明一个或多个另外的方面，使用透明杆形成的另一种光生伏打装置的截面图；图12是根据本发明一个或多个方面，包括中心导体的半导体-芯杆的截面图；图13是用来制造图6的半导体芯杆的制造装置和工艺的示意图；图14是根据本发明一个或多个方面的一种光生伏打装置的截面图，该装置使用图13所示类型的半导体-芯杆形成，包括电极连接的例子；图15A是根据本发明一个或多个方面，包括用于制造导体的中心管的半导体-芯杆的截面图；图15B是根据本发明的一个或多个方面，将图15A的半导体-芯杆的中心管蚀刻掉，留下用来接受导体的孔的截面图；图16是用来制造图15A-15B的半导体-芯杆的制造装置和工艺的示意图；图17是根据本发明一个或多个方面的一种光生伏打装置的截面图，该装置使用图15A-15B所示的半导体-芯杆形成，包括电极连接的例子；图18是根据本发明的一个或多个方面，使用一个或多个半导体-芯杆结构形成的光生伏打装置/模块的截面图；图19是根据本发明的一个或多个另外的方面，使用一个或多个半导体-芯杆结构形成的另一种光生伏打装置/模块的截面图。发明详述参见附图，其中，相同的附图标记表示相同的元件，图IA中示出按照本发明的一个或多个方面的半导体-芯杆(或简称杆)100A的截面图。所述杆100A包括由半导体材料形成的中央的芯102，该芯102与外覆层或鞘(sheath) 104为共轴关系。所述鞘104优选是透明的，例如是玻璃材料、玻璃-陶瓷或聚合物。在下文中将会更详细地讨论，所述半导体芯102和外覆层104可以用于很多种用途，例如用于太阳能转化的光电子或光生伏打装置。在本文所述的一个或多个实施方式中，所述半导体芯102可以由无定形、微晶或纳米晶体、多晶或基本单晶的半导体材料形成。在描述半导体芯102时所用的术语“基本上”是考虑到半导体材料通常含有至少一些固有的或有目的加入的内部缺陷或表面缺陷的事实，如晶格缺陷或少量晶粒边界。该术语“基本上”还反映了以下事实，特定的掺杂剂可以扭曲或者影响半导体材料的晶体结构。为便于讨论的目的，假设半导体芯102是由硅形成的。上文所述的特征(以及下文所述的那些)可以使用其他的无机半导体材料施加， 例如III-V类半导体材料GaAs，二硒化铜铟镓，InP等。可以使用其它的半导体材料，例如 IV-IV (即SiGe, SiC)，元素材料(即Ge)，或者II-VI (即ZnO, ZnTe等)。在适当考虑的情况下，也可以使用有机半导体。当半导体芯102和外覆层104用于光生伏打装置的时候，可以选择一些用于半导体芯102的材料，涵盖宽的波长范围，从而有效地吸收太阳能光谱。例如，可以包括单晶半导体材料，多晶硅，无定形硅，以及/或者其它的材料，一些合适的材料包括Si，Si-Ge, Ge, GaAs等。另外，还可以将晶体半导体材料与聚合物半导体材料相结合。随着太阳光波长的变化，特别是在接近谱带边缘的时候，太阳能吸光系数从很大的值变化到很小的值。例如， 对于单晶硅，所涉及的波长范围约为350-1100纳米。单晶硅在400纳米处的吸光系数约为 8. 89E+04厘米Λ与之相反，单晶硅在900纳米处的吸光系数仅为2. 15Ε+02厘米Λ所述基本透明的外覆层104可以由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成。对于外覆层104由氧化物玻璃或者氧化物玻璃-陶瓷形成的情况，合适的组合物包括康宁有限公司玻璃组合物熔融二氧化硅(CORNING INCORPORATED GLASS COMPOSITION fused silica), Vycor ，其它的外部气相沉积组合物，或者由原料熔融并且由常规技术形成的其他组合物。为了在热条件循环操作过程中的可靠性，所述外覆层104可以具有与半导体芯102类似的热膨胀系数。例如，所述芯102和外覆层104的热膨胀系数可以约为 2. 0-3. Oppm，例如2. 6ppm(假定芯102的半导体材料是硅)。出于制造杆100A的目的(这将在下文中进行讨论)，希望用来形成外覆层104的材料(例如玻璃)的软化点接近但是高于半导体芯102材料的熔点。例如，用来形成外覆层104的材料的软化点可以比芯102的半导体材料的熔点高大约100-300°C。假定芯102 的半导体材料是单晶硅，则该材料的熔点约为1410°C。因此，外覆层104的合适的组合物的软化点可以约为1500-1700°C，例如约为1550-1600°C。同时考虑热膨胀问题和制造问题，用于外覆层104的合适匹配的组合物的软化点可以约为巧50-1600°C，热膨胀系数约为2. 6ppm(再次假定芯102的半导体材料是单晶硅)。对于由硅形成的芯102，玻璃组合物外覆层104可以是包含一种或多种加入的掺杂剂的二氧化硅基材料，所述掺杂剂是例如硼、磷、锗、铝、钛、氟等。所述掺杂剂可以用来改良玻璃外覆层104的热膨胀系数和软化温度。在下文中将会讨论到，作为替代或补充， 所述掺杂剂可以用来提供离子源，用来扩散入芯102的半导体材料中，从而获得某些应用所需的电性质，例如用于太阳能用途。适合用来形成玻璃基外覆层104的组合物的例子是 B2O3-GeO2-SiO2玻璃，其中包含5-25%的化03和10-13%的Ge02。这些玻璃可以采用气相沉积法，或者其他众所周知的技术，制造成管状或坯件的形式，并成形或拉制成所需的尺寸。从尺寸上来说，根据采用的制造工艺，所述杆100A的长度可以是很多米。所述芯 102的直径可以约为l_500um，例如约为50_500um，例如约为lOOum。在本文所述的一些实施方式中，单独的半导体芯的直径可以小得多，例如约为0. 1-lOum，例如约为5um。对于光电子光纤的应用，特别是具有多个实心(solid)芯和空气区域的光子带隙光纤设计中，芯中的特征尺寸也可以是亚微米级的。外覆层104的直径可以约为1-10毫米；或者约为1-5 毫米，例如约为2-4毫米。通过阅读本说明书，本领域技术人员能够理解，杆100A的具体应用可能规定使用特定尺寸的芯102和外覆层104，其中一些可能是很重要的。对于光生伏打应用，上文特别描述的芯102的尺寸可能允许实际上完全吸收即使是长波长的太阳光辐射，可能不需要光线多次通过芯102。该光学特征有益于高光-电池效率。所述芯102的尺寸还可以最大程度减少半导体材料的用量，从而控制制造成本。在一些实施方式中，例如上文所述的光生伏打应用中，可以优选由基本单晶的半导体材料形成芯102，在制造杆的过程中以及在该过程之后，尽可能保证其接近为单晶材料。较佳的是，在芯102之内，沿着杆100A的径向方向上基本上没有晶粒边界。作为附加或替代，优选在杆100A的径向方向(页面向里和向外)上大约1毫米至10厘米的范围内， 在芯102内基本没有晶粒边界。作为附加或替代，优选在杆的轴向上大约10毫米至1厘米的范围内，在芯102内基本上没有晶粒边界，例如在轴向上大约5毫米至15毫米的范围内， 在芯102内优选基本上没有晶粒边界。由于能够获得具有高轴向和径向应力的长的、较小直径的杆100A，可能有助于形成长的单晶或多晶的芯102。在沿着轴向的几毫米至一或几厘米的长度上，沿着芯102的径向上的少数晶粒边界(或不存在晶粒边界)可能非常有利于实现高的太阳能转化效率，特别是在电荷收集电极沿着径向设置的情况下，在此情况下，俘获带电颗粒的晶粒边界很少或没有(将在下文中进行讨论)。需要注意，尽管图中显示芯102和外覆层104的横截面是圆形的，而且圆形是优选的，但是也可以采用其它的横截面。在下文将会更进一步探讨，透明的外覆层104可以产生多种有益的功能。外覆层 104可以为半导体芯102提供支承，保护芯102不受环境影响。在光生伏打应用中，外覆层 104可以作为掺杂剂源，用来在制造过程中形成p-n结。在光生伏打应用中，沿着与杆的长轴横交的方向将杆照亮(illuminate)，其中圆柱形的透明外覆层可以作为整体化会聚透镜。该会聚作用允许将更大面积的太阳光辐射集中到半导体结的小得多的面积上。可以通过将半导体芯设置在更靠近圆柱形外覆层透镜的焦点的位置，对会聚进行最优化。图2是用来制造图IA的半导体-芯杆100A的再拉制炉200A和工艺的示意图。在该方法的初始步骤中，制造了玻璃或玻璃陶瓷的预成形件(或坯件)202，由此在炉200A中从预成形件202拉制形成外覆层104和半导体芯102。为了进行讨论，可以假定所述坯件202由玻璃或玻璃陶瓷形成。所述坯件202优选是空心的，适用于坯件再拉制工艺。用来制造玻璃坯件202的工艺可以源自己知的制造烟炱光纤预成形件的方法。可以通过以下方式形成玻璃坯件202 在正在旋转和平移的玻璃心轴或饵棒外部沉积含二氧化硅的烟炱。该方法被称作外部气相沉积(OVD)法。但是应当理解，也可以采用其它的技术，使用熔融的原料，通过常规技术进行成形。通过以下方式形成烟炱向燃烧器的火焰提供气态形式的玻璃前体，从而氧化玻璃前体。向该燃烧器提供燃料(例如甲烷(CH4))和支持燃烧的气体(例如氧气)，并引燃，从而产生火焰。质量流量控制器计量合适量的适当掺杂剂化合物，二氧化硅玻璃前体，燃料和支持燃烧的气体，将其送入燃烧器。烟炱预成形件可以在固结炉内固结，形成空心的固结的坯件202。该坯件 202还可以根据需要通过研磨之类的工艺成形，从而获得所需的截面形状。另一种管Q02 坯件)制造工艺可以包括挤出玻璃管，对玻璃/玻璃陶瓷棒进行芯部钻孔，或者通过在模具中浇铸而对玻璃/玻璃陶瓷进行成形。将半导体材料206引入坯件202的空心部分中。所述半导体材料206可以是以下的一种或多种形式半导体棒，条，板，粉末，片和粉末。还可以采用CVD、PECVD工艺或浆液浇铸工艺将所述半导体材料沉积成厚层。为了控制拉制速率的合理变化以及所需的尺寸容差(以及电学和光学特征)，可优选采用半导体棒或条。所述半导体材料206的棒或条具有合适的尺寸(长度和直径)，决定并控制坯件202的中央空心的尺寸，使得在再拉制之后，芯 102直径在优选的范围和容差之内。所述半导体材料206可以由以下的至少一种形成无定形半导体材料、微晶或纳米晶体半导体材料、多晶半导体材料、基本单晶的半导体材料，以及有机半导体材料，例如 Si, GaAs, InP, SiGe, SiC, Ge, ZnO 禾口 ZnTe0所述制造工艺还包括在再拉制炉200A中通过加热元件204对坯件202和半导体材料206进行加热，使得坯件202和半导体材料206流动。应当从坯件202排出任意的氧气或空气，以防半导体材料206发生任意的氧化或反应，这可能会降低芯102所需的性质。 同时，将坯件202和半导体材料206从炉200A中拉出，使得半导体材料的芯102在外覆层 104内共轴取向。所述加热步骤可以使得坯件202和半导体材料206的温度高于半导体材料206的熔点，但是低于坯件202的熔点。例如，所述坯件202和半导体材料206的温度比半导体材料206的熔点高不到约3000C (例如约100-3000C )。例如，当半导体材料206是硅的时候， 坯件202和半导体材料206的温度可以比1400°C高大约100-300°C。由此，再拉制温度约为 1500-1700°C。还可以对用来形成坯件202的材料进行控制，使得其热膨胀系数基本上与半导体材料206的热膨胀系数相匹配。例如，所述坯件202的热膨胀系数可以约为2. 0-3. Oppm(例如2. 6ppm)，从而与硅的热膨胀系数相匹配。当坯件202由基于二氧化硅的玻璃组合物形成的时候，可以在所述基于二氧化硅的玻璃组合物中加入一种或多种掺杂剂，对热膨胀系数和软化温度中的至少一种进行改良。所述掺杂剂包括以下的至少一种硼，磷，锗，铝，氟和钛等。例如，所述基于二氧化硅的玻璃组合物可以是IO3-GeO2-SW2组合物，例如包含大约5-25 %的化03以及大约10-13 %的 Ge02。在下文将会讨论到，可以为了与芯102的半导体材料的电学性质相关的其他原因，加入掺杂剂。上文讨论的IO3-GeO2-SW2组合物可能非常适合用来形成玻璃坯件202，这是因为所得的软化点将接近但是高于用来形成芯102的硅半导体材料的熔点(例如再拉制温度约为1650-1700°C )，所得的热膨胀系数约为2. 0-2. 6ppm。在上述温度下，所述玻璃坯件202软化，在其底部形成倾斜的根部部分。所述半导体材料206还会熔化并流到玻璃坯件202的根部部分。所述坯件202和半导体材料206 优选形成“凝块部分”，由此凝块部分拉制杆200A，此时所述坯件202是软的(但是没有熔融)，所述半导体材料206至少是部分熔融的206A。优选要加以小心，使得半导体材料206(例如棒或条)位于略高于玻璃坯件202的初始凝块部分的位置。这有助于形成平滑的根部部分，以及令人满意的芯102的形成。换句话说，在坯件202的空心部分中引入半导体材料206的操作包括沿着与杆100A的拉制方向相反的方向，将半导体材料206的未熔融部分设置在远离凝块部分的位置。在拉制过程中，接近热区的根部部分的半导体材料206A被熔化，未熔融的半导体材料206 (特别是棒的形成)连续向下输送，保持与熔融半导体材料206A接触。尽管本发明不希望被任意操作理论限制，但是认为上述熔融半导体材料206A，连续输送的未熔融材料206，以及将玻璃坯件 202和半导体材料206拉制成长的较小直径的杆100A会得到高的轴向和径向应力，这会导致在芯102之内形成长的单晶或者多晶半导体结构。通过使用本文所述的制造方法，坯件202的初始外径，坯件的空心的内径，半导材料206(例如棒)的直径，以及最终的再拉制直径(以及再拉制的其他变量)规定了芯102 的尺寸和半导体使用率。对于这一点，在加热的同时，对坯件202和半导体材料206进行拉制，使得半导体材料206的芯102在外覆层104内共轴取向。控制系统(图中未显示)通过适当控制输送到拉张机械装置208 (图中显示为两个牵拉轮)的控制信号，改变对杆100A 施加的张力，所述拉张机械装置208以合适的速度和张力将杆100A向下拉。通过这种方式， 可以产生一定长度的芯杆100A，该芯杆具有芯102所需的内径，以及外覆层104所需的外径。例如，如上文所讨论，在光生伏打应用中，将杆100A的芯102的直径控制在大约1-500 微米，例如大约50-500微米，例如大约100微米将会是相当有益的。在一些其它的应用中 (例如单个外覆层中的多杆结构，这将在下文中进行讨论)，需要较小直径的芯102，例如约为0. 1-10微米，3-8微米，例如约为5微米。在包括具有光子带隙设计的光电子光纤装置的应用中，芯102中多个区段内的特征尺寸可以小于1微米。在将杆100A向下拉到炉下方的过程中进行冷却，用非接触式传感器测量其最终直径。可以用本领域已知的合适的涂覆设备和方法施加一个或多个涂层并进行固化。合适的涂层的具体种类取决于杆100A预期的应用。如果杆的直径足够小，可以用进料头将杆 100A缠绕在储存卷轴上，也即是说，可以将光纤缠绕在卷轴上。如果杆的直径过大，无法进行该缠绕，可以将杆切割成所需的长度进行储存。通常直径小于150微米的杆可以进行缠绕。尽管可以对直径最高达350微米的杆进行缠绕，但是卷轴的直径必须增大。优选对上述制造过程的参数进行调节和控制，以实现杆100A的芯102的进一步的结构特征。具体来说，半导体材料206可以由基本单晶的材料形成，可以在上文所述的杆 100A制造过程中和之后，尽可能保持接近为单晶材料。图3是与图IA所示的杆100A的种类类似的半导体_芯杆样品的衍射图。纵轴表示强度，单位为CPS，横轴表示2 θ角，单位为度。线条10Α，IOB表示芯材料102的X射线衍射强度-角度图，而线条12A，12B，12C等表示随机取向的半导体晶体(例如硅晶体)的预期的X射线衍射效率。线条12B是单晶硅<220>预期的X射线衍射效率。数据证明，即便采取了上文所述的制备工艺，如上文关于杆100A所述形成的杆在<220>取向上，芯102具有高质量单晶结构。为了获得高效率的太阳能电池应用，这些高质量的单晶再成形/成形的半导体，例如硅芯杆100A是有利的。参见图4-5，本发明另外的实施方式可以包括一个或多个多芯杆100B。所述杆 100B包括由半导体材料形成的多个芯102A，102B, 102C等，以及围绕所述芯102共轴取向的由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成的透明外覆层104。所述芯的一个或多个直径可以约为 1-10微米；约为2-6微米；约为3-8微米；以及/或者约5微米。在包括具有光子带隙设计的光电子光纤装置的应用中，芯中多个区段内的特征尺寸可以小于1微米。在一些实施方式中，单独的芯102可以分别包括子外覆层104A，104B, 104C。该方法可以包括如以上图2所示以及相关的实施方式所述，采用制备、引入、加热和拉制步骤， 形成多个独立的杆100A-1，100A-2,100A-3等。所述多个杆100A-1，100A-2,100A_3(加上或减去任意合理数量的所述杆)一旦形成，可以引入另外的坯件222的空心部分中。然后可以在再拉制炉内对所述另外的坯件222和多个杆100A-1 100A-2,100A-3进行加热，使得坯件222以及可能的多个杆100A-1 100A-2,100A-3的子外覆层流动。所述坯件222和多个杆100A-1 100A-2,100A-3在加热过程中同时拉制，使得多个杆100A-1 100A-2,100A-3的芯102在由另外的空心坯件222制得的另外的外覆层104内共轴取向。所述多个杆100A-1 等可以由相同种类的材料或不同种类的材料的半导体芯102组成。这些坯件可以制得包括空间上分隔的p-n结的多结PV装置。另外，它们还可以是包括用于芯和外覆层的光传输材料的光纤杆。所述杆100A-1可以设计并成形，使得存在用于光子带隙光纤设计的适当设计的空腔间隙。例如，所述杆100B还可以包括在多个芯102中的至少一个中设置的至少一个纵向取向的空腔(图中未显示)。尽管如果杆100Α-1，100Α-2，100Α-3等的直径足够小，可以对杆进行卷绕，但是所述材料并不总是可以卷绕的光纤的形式。在大多数情况下，插入管中的多重杆100A-1， 100A-2，100A-3的尺寸为直径几毫米，无法进行卷绕。当杆100A-1，100A-2,100A-3的直径使其无法进行卷绕的时候，在使用相同的拉制法预先制造之后，将杆插入坯件222中。这些杆100Α-1，100Α-2，100Α-3可以在坯件222之内叠置，再拉制成最终的结构100B。作为附加/替代的步骤，可以对杆100A-1，100A-2，100A-3的外径进行机械加工，使其适合放入外部坯件222中。尽管图IA的半导体芯杆100A可以用于大量的应用，但是本文中进一步展开的对象是光生伏打装置(或太阳能电池)。图IB是可以使用图IA所示种类的半导体-芯杆100A 形成的光生伏打装置110的截面示意图。需要注意，为了介绍装置进行讨论的目的，所述光生伏打装置110的一些具体结构是示意性显示的(而不是实际的蓝图)。所述光生伏打装置110包括基本透明的外覆层104，例如与半导体芯102(例如硅)成共轴关系的玻璃外覆层。构建成的芯102中存在至少一个光敏性p-n结106。所述 P-n结106的一侧可以通过芯102的η掺杂区域102Α形成，而p-η结106的另一侧可以通过芯102的ρ掺杂区域102Β形成。至少一个电极105Α，105Β为p-n结106的各对应侧提供电连接。应当理解所述光敏性p-n结106的结构和电学细节较为复杂，但在本领域中是众所周知并且已经领会的。在太阳能电池技术中，在半导体材料中形成P-n结，从而将太阳辐射转化为电流。这些P-n结将由于吸收了辐射而产生的电子-空穴对分离，产生可用于外界负荷的电流。在现有技术中，根据所用的半导体材料和方法，开发出了各种太阳能电池设计。一些是简单的p-n结，而其它的更复杂，通过最优化获得较高的效率。更复杂的结包括 p-i-n结。在一些情况中，为p-n结和/或p-i-n结添加ρ+层和η+层，用来改进电荷收集以及电极/太阳能电池制造。在此应用中，当提到P-n结的时候，其可以包括上述各种结中的任何结，包括现有文献已知的其它的结，以及/或者今后开发的结。注意到所述光生伏打装置110的外覆层104表现出所需的光引导性质。事实上， 所述外覆层104的外侧轮廓的曲率特征能够改进光向着外覆层104之内的收集，射向p-n 结106，用于转化为电能。在可以用来制造光生伏打装置110的方法中，优选采用以上结合图2讨论的再拉制方法的一种或多种改进形式。在一种方法中，可以在拉制杆100A的时候形成p-n结106， 这可以看作原位P-n结形成。该方法将前体材料用于坯件202，所述坯件202包含掺杂剂， 例如硼、磷、锗、铝、钛等。所述掺杂剂可以用来提供离子源，用来在拉制过程中，使得离子从坯件202扩散入芯102的半导体材料中，从而在芯102中形成所需的电学性质，例如形成 p-n 结 106。例如，对于在硅芯102中形成的p-n结106，硼将是适合用来扩散入硅芯102并形成P型半导体区域的掺杂剂。另一方面，磷是合适的掺杂剂，适合扩散入硅芯102中，形成η 型区域。通过将掺杂剂包含在坯件202的前体材料(例如玻璃)中，可以在杆拉制过程中使得掺杂剂扩散入芯102中。所述拉制的高温将导致掺杂剂扩散入半导体材料(例如硅) 中，形成p-n结106。参见图2，原位p-n结形成工艺可以包括由包含至少一种掺杂剂的材料形成空心坯件202，所述掺杂剂用来提供掺杂剂原子的来源，用来扩散入另外的材料中，例如扩散入芯102的半导体材料中。将半导体材料206引入坯件202的空心部分中，在再拉制炉200A 中对坯件202和半导体材料206进行加热，使得坯件202和半导体材料206流动。然后对坯件202和半导体材料206进行拉制，使得(i)由半导体材料206形成的芯102在由坯件 202形成的外覆层104内共轴取向，(ii)原子从掺杂剂扩散入芯102的半导体材料中，形成 p-n 结 106。适合用来形成包含所需掺杂剂的坯件202的组合物的例子是IO3-GeO2-SiO2玻璃， 其中包含5-25%的化03和10-13%的Ge02。这种p-n结106的原位形成可能是非常节约成本的工艺。如果无法对杆100A的快速的低成本再拉制进行最优化而原位形成P-n结106，则可以在炉内对杆100A进行进一步的热处理，以使得掺杂剂进一步从外覆层104扩散入芯102中，以便对p-n结106的特性最优化。可以通过在合适的烘箱或加热炉内将大量杆100A叠置起来，对此分批工艺进行规模放大，从而实现高效的生产。用来实施该工艺的设备不需要非常昂贵，这是因为芯102的半导体周围的较厚的(毫米级)玻璃外覆层104提供了天然的保护，使其免受污染、氧化等影响。由此可以在无需采用昂贵的气氛控制、高纯度设备或控制的前提下，保持P-n结106 的高纯度。在另一个实施方式中，可以使用图4所示的具有两个、三个或更多个芯102的杆 100B来制造光生伏打装置，其与图IB的装置110类似，区别在于包括多个芯102。在此实施方式中，芯102可以属于相同的半导体种类，(例如硅、锗等)，或者一个或多个芯102可以属于不同的半导体种类。
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在另一个实施方式中，图4的芯100B，包括两个、三个或更多个芯102，可以用来制造光电子光纤装置。例如，在双芯结构中，一个芯可以包括半导体芯102，另一个芯102B可以是具有一定折射率的透明材料，由此芯102B和外覆层104形成光纤。因此，例如芯102A， 102B之间的横向间距可以使得沿着芯102B(特别是对于单模光纤的构型)传输的时候，与芯102A的p-n结相互作用。该技术可以用来形成光子带隙设计和/或包括空气/空腔的设计。通过使用上文所述的技术和结构，除了本文进一步的讨论和描述以外，本领域技术人员能够了解，本发明的各个方面可以用于许多不同的太阳能应用。对于图6，图中显示了另外的光生伏打装置IlOA的一个例子，其适合用于例如将太阳能转化为电能。图6是该光生伏打装置IlOA的截面示意图，其可以使用图IA所示种类的半导体-芯杆100A形成。 另外，需要注意，为了介绍装置进行讨论的目的，所述光生伏打装置IlOA的一些具体结构是示意性显示的(而不是实际的蓝图)。所述光生伏打装置IlOA包括基本透明的外覆层104，例如与半导体芯102(例如硅)成共轴关系的玻璃外覆层。所述芯102包括至少一个光敏性p-n结106。在此实施例中，所述装置IlOA包括由ρ型材料形成的ρ型硅芯102P。所述p-n结106由位于芯102的 P型材料周围的大体圆柱形的η型材料区域102Ν形成。所述η型材料102Ν可以使用上文结合图IB所述的原位法形成，或者采用任意其它的已知的或者以下所述开发的方法形成。 例如，可以通过以下方式形成所述芯102Ρ的ρ型材料将ρ型半导体材料放置在空心玻璃坯件中(所述坯件包括磷掺杂剂)，对杆进行拉制，所述杆与杆100Α类似。所述磷掺杂剂可以(在拉制过程中以及/或者拉制之后)扩散入所述P型硅芯102中，形成η型区域102Ν。所述光生伏打装置1IOA可以包括沿着外覆层104纵向延伸的第一通道120Α，使得其至少一部分与所述芯102的η型区域102Ν相邻，并与该η型区域102Ν连通。所述光生伏打装置1IOA可以包括沿着外覆层104纵向延伸的第二通道102Β，使得其至少一部分与所述芯102的ρ型区域102Ρ相邻，并与该ρ型区域102Ρ连通。在一个或多个结构中，如图6 的实施方式所示，所述装置IlOA包括位于外覆层104外表面上的至少一个狭缝122。所述狭缝122沿着外覆层104的长度方向延伸，并且沿着径向延伸，但是并未延伸到芯102。所述狭缝122提供了到达外覆层104的内部区域的通路，从而制备通道120Α，120Β (在下文中进行讨论)。相应的η+和ρ+部分，102Ν+和102Ρ+设置在第一和第二通道120Α，120Β的各自的端部，从而促进与芯102的相应的η型区域102Ν和ρ型区域102Ρ的电连接。可以将第一导电材料，例如导电糊料或环氧树脂、金属化操作、金属丝等设置在所述第一通道120Α内， 形成第一电极105Α ；可以将第二导电材料设置在第二通道120Β内，形成第二电极105Β。在一种或多种结构中，可以用导电环氧树脂将金属丝保留在给定的通道120中。对通道120Α， 120Β, η+和ρ+部分，102Ν+和102Ρ+，以及第一和第二电极105Α，105Β进行定位、尺寸设计和形状设计，使得P-n结106产生的电压和电流可以到达外覆层104以外。可以采用很多种制造工艺制造装置110A。根据本发明的一个或多个方面，可以通过以下方式制造装置IlOA 由一种外表面上包括至少一个狭缝的材料制备坯件202。所述狭缝沿着坯件202的长度方向延伸，并且沿着径向延伸，但是并未延伸到坯件202的空心。 对所述坯件202和半导体材料206进行拉制，使得狭缝122沿着外覆层104纵向延伸，在径向朝向芯102延伸。所述第一和第二通道120A，120B可以通过蚀刻或激光烧蚀法在狭缝122内形成， 使得通道102沿着外覆层104的狭缝122纵向延伸，使得各自的至少一部分与芯102的η 型和ρ型区域102Ν，102Ρ中的一个相应的区域相邻，并与之连通。可以用氟化氢铵、氢氟酸或任意其他合适的蚀刻剂进行蚀刻。通过使用这些酸，可以对蚀刻过程进行精确的控制，以制备通道120。激光烧蚀也是一种吸引人的形成通道120的方法。具体来说，CO2激光器可能是优选的，因为其加热和烧蚀玻璃材料，但是芯102的硅半导体材料不会吸收激光。该特征可以提供自发限制的通道形成，一旦全部的玻璃均被烧蚀，半导体暴露出来，形成电接触，烧蚀便会停止。然后可以将导电材料引入通道120中，从而形成电极105Α，105Β。在一个或多个实施方式中，可以将旋涂掺杂剂或其他类似的液体引入通道120Α，120Β，从而形成η+和ρ+部分，102Ν+和102Ρ+。例如，ρ+部分102Ρ+可以通过以下方式制造将含硼的旋涂掺杂剂凝胶引入通道120Β中，与芯102的ρ型区域102Ρ接触。然后可以进行热处理，使得过量的ρ 型离子扩散入P型区域102Ρ，由此形成ρ+部分102Ρ+。η+部分102Ν+可以通过以下方式制造将含磷的旋涂掺杂剂凝胶引入通道120Α中，与芯102的η型区域102Ν接触。然后可以进行热处理，使得过量的η型离子扩散入η型区域102Ν，由此形成η+部分102Ν+。参见图7Α，图7Α是根据本发明一个或多个方面的另一种光生伏打装置IlOB的截面图，该装置使用图IA所示的半导体-芯杆100Α形成，包括另外的电极连接的例子。所述光生伏打装置IlOB包括基本透明的外覆层104，例如与半导体芯102(例如硅)成共轴关系的玻璃外覆层。所述芯102包括至少一个光敏性p-n结106。在此实施例中，所述装置 IlOB包括由ρ型材料形成的ρ型硅芯102P。所述p-n结106由与芯102的ρ型材料102Ρ 的外围连通的η型材料区域102Ν形成。所述η型材料102Ν可以使用上文结合图IB所述的原位法形成，或者采用任意其它的已知的或者以下所述开发的方法形成。例如，可以通过以下方式形成所述芯102Ρ的ρ型材料将ρ型半导体材料放置在空心玻璃坯件中(所述坯件包括磷掺杂剂)，对杆进行拉制，所述杆与杆100Α类似。所述磷掺杂剂可以(在拉制过程中以及/或者拉制之后)扩散入所述P型硅芯102中，形成η型区域102Ν。在此实施例中，所述装置IlOB包括基本纵向取向的表面124(在截面图中显示)， 其上芯的η型区域102Ν和ρ型区域102Ρ的相应的部分暴露出来。所述基本纵向取向的表面124限定了基本平坦的区域，特征是半圆形横截面中的芯102和外覆层104。例如，所述半圆形横截面的表面积大于其完整圆形横截面的大约50%。材料的第一导电层126Α设置在表面IM上，与η型区域102Ν电连接，形成第一电极。材料的第二导电层126Β设置在表面1 上(与层126Α相邻)，与ρ型区域102Ρ电连接，形成第二电极。所述层U6A，126Β 可以由导电糊料、环氧树脂、沉积的金属化材料等形成，可以通过任意已知的或以后开发的方法沉积在表面1 上。参见图7Β，图中显示了另一种光生伏打装置IlOC的截面图。同样，可以使用图IA 所示种类的半导体芯杆100Α形成装置110C。在此实施例中，所述装置IlOC具有一些与图 7Α的装置IlOB明显类似的特征，包括所述芯102具有至少一个光敏性p-n结106。但是， 不同之处包括芯102的中心部分由η型半导体材料102N (例如硅)形成。所述p-η结106 由位于芯102的η型材料102Ν周围的大体圆柱形的ρ型材料区域102Ρ形成。所述ρ型材料102P可以使用上文结合图IB所述的原位法形成，或者采用任意其它的已知的或者以后开发的方法形成。例如，可以通过以下方式形成所述芯102N的η型材料将η型半导体材料放置在空心玻璃坯件中(所述坯件包括硼掺杂剂)，对杆进行拉制，所述杆与杆100Α类似。所述硼掺杂剂可以(在拉制过程中以及/或者拉制之后)扩散入所述η型硅芯102Ν 中，形成P型区域102Ρ。在此实施例中，所述装置IlOC还包括基本纵向取向的表面124(在截面图中显示)，其上芯102的η型区域102Ν和ρ型区域102Ρ的相应的部分暴露出来。材料的第一导电层126Α设置在表面IM上，与η型区域102Ν电连接，形成第一电极。一层氧化物1 (例如SiO2)阻止导电材料126A和ρ型区域102P之间的电连接。材料的第二导电层126B设置在表面IM上(与层126A相邻)，与ρ型区域102P电连接，形成第二电极。尽管可以有很多方法用来制造沿着纵向取向的表面124，但是出于本发明一个或多个实施方式的目的，希望对表面1 进行抛光，磨入外覆层104中，使得芯102的η型区域120Ν和ρ型区域120Ρ的相应的部分裸露出来。然后，可以将第一和第二导电层U6A、 126Β设置在表面IM上，使得它们与相应的η型区域102Ν以及ρ型区域102Ρ电连接。例如，可以通过真空沉积法形成导电层126A，U6B。下面参考图8-11，图中显示了根据本发明一个或多个方面，使用另一种杆结构形成的另一种光生伏打装置110D，110E的截面图。所述光生伏打装置IlOD (图8-9)包括透明的杆100C，所述透明的杆具有细长的长度以及圆形的横截面。所述杆100C可以由玻璃、玻璃-陶瓷、聚合物等形成。所述杆100C 包括沿着其长度纵向延伸的至少一个通道130A。在此实施例中，所述通道130A具有基本呈 V形的截面。在所述通道130A中设置一种η型半导体板132Ν，例如对着通道130Α的相反表面中的一个。在所述通道130Α中设置一种ρ型半导体板132Ρ，例如对着通道130Α的相反表面中的一个。所述η型和ρ型半导体板132Ν，132Ρ的相应的外围边缘互相接触，互相电连通，形成至少一个ρ-η结106。填塞件IOlA填充了通道130Α的剩余空间，所述填塞件可以由与透明杆100C相同的材料形成。将第一和第二电极105Α，105Β设置在相应的空腔中，所述电极各自与相应的η型和ρ型板132Ν，132Ρ电连接。对通道130Α，板132Ν，132Ρ， 以及第一和第二电极105Α，105Β进行定位、尺寸设计和形状设计，使得ρ-η结106产生的电压和电流可以到达杆100C以外。所述光生伏打装置IlOE (图10-11)还包括透明的杆100D，所述透明的杆具有细长的长度以及圆形的横截面。所述杆100D可以由玻璃、玻璃-陶瓷、聚合物等形成。所述杆 100D包括沿着其长度纵向延伸的至少一个通道130Β。在此实施例中，所述通道130Β具有基本矩形的截面。在所述通道130Β中设置一种η型半导体板132Ν，例如对着通道130Β的底表面。将P型半导体板132Ρ设置在通道130中，相对于板132Ν重叠取向设置，使得η型半导体板和P型半导体板132Ν，132Ρ相应的主表面互相接触，形成至少一个ρ-η结106。应当注意，在另外的实施方式中，板132Ν，132Ρ可以颠倒。填塞件IOlB填充了通道130Β的剩余空间，所述填塞件可以由与透明杆100D相同的材料形成。将第一和第二电极105Α，105Β设置在相应的空腔中，所述电极各自与相应的η型和ρ型板132Ν，132Ρ电连接。对通道130Β， 板132Ν，132Ρ，以及第一和第二电极105Α，105Β进行定位、尺寸设计和形状设计，使得ρ-η结 106产生的电压和电流可以到达杆100D以外。
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可以通过很多的方法制造图8-11的光生伏打装置110D，IlOE0 一种示例性的制造方法包括形成沿着玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物坯件的长度纵向延伸的通道。尽管所述坯件应当适合用于坯件再拉制工艺，但是不一定是空心的。所述通道可以是V形的，从而能够制造装置110D，其可以是矩形的，从而能够制造装置110E，或者可以是本领域技术人员显而易见的任意其他合适的形状。所述η型和ρ型半导体板132Ν，132Ρ可以设置在通道内，使得它们互相电连通，例如在图8-11中所示的取向中的一种，或者本领域技术人员显而易见的任何其他取向。可以将填塞件101插入通道任意剩余的空腔中(但是不一定要将空腔完全填充)。然后在再拉制炉中对坯件、半导体板132Ν，132Ρ和填塞件101进行加热，同时进行拉制，使得半导体板132Ν，132Ρ设置在杆100C和/或100D之内，横截面大体为圆形。然后， 可以除去杆100C和/或100D的一些材料(如果需要的话，例如通过蚀刻、激光烧蚀或抛光除去材料)，使得半导体板132Ν、132Ρ的至少一些部分裸露出来。然后可以将相应的电极材料，例如导电糊料、环氧树脂、金属丝、金属化材料等设置在杆100C和/或100D之内或之上，与各个半导体板132Ν、132Ρ电连通，使得ρ-η结106产生的电压和电流可以到达杆100C 和/或100D以外。下面来看图12-13，图12显示了根据本发明一个或多个另外的方面的另一种杆 100Ε的截面图，图13显示了用来制造杆100Ε的拉制炉200C的视图。杆100Ε包括上文讨论的杆100Α的一些结构元件。例如，所述杆100Ε包括中央的芯102以及透明的外覆层或鞘104，所述中央的芯102由半导体材料形成，与透明的外覆层或鞘104共轴，所述外覆层或鞘104是例如玻璃材料、玻璃-陶瓷或聚合物。另外，所述芯102包含导体，例如在芯102 之内共轴取向的金属丝140。所述金属丝140可以由高电导率金属(例如铝、铜)或难熔金属(例如钨、钼等)形成。所述杆100Ε可以用于很多的应用，但是一种例子是用于光生伏打应用。在此应用中，需要用两个电极收集电池的Ρ-η结产生的电荷。对于上文所示的一个或多个实施方式 (如图IB所示)，一个电极与ρ型材料连接，另一个电极与η型材料连接。在杆100Ε中，导电金属丝140可以作为一个电极，其嵌入半导体芯102之内。参见图13，在一个实施方式中，用来制造杆100Ε的方法可以包括采用就图2以及相关实施方式所述的制备、引入、加热和拉制步骤的制造技术。但是，另外将导电金属丝140 和半导体材料206 —起引入坯件202的空心部分中。在所述再拉制炉200C中对坯件202、 半导体材料206和金属丝140进行加热，使得坯件202和半导体材料206流动。可以首先对导电金属丝140涂覆一些材料，然后将其引入坯件202中，以便在加热和拉制过程中保护金属丝104。在加热的同时，对坯件202，半导体材料206以及金属丝140进行拉制，使得半导体材料206的芯102在由空心坯件202制造的外覆层104内共轴取向，所述金属丝140 在所述芯102内共轴取向，从而形成杆100Ε。使用导电金属丝140(例如W(钨)或Al(铝)金属丝)的优点在于，这些金属丝具有高度导电性，提供极少的内部电阻或者没有内部电阻，即使在1米长的杆型太阳能电池中也是如此。由此可以改进电荷收集以及太阳能电池的效率。另外，与使用真空沉积法沉积金属化材料用于电极的做法相比，所述金属丝相对廉价。另外，对金属丝结构进行共拉制的一个优点在于，将电极形成步骤与半导体芯形成相结合，该方法非常节约成本。
本领域技术人员通过阅读本发明可以看出，所述杆100E可以用来形成光生伏打装置(其具体例子在下文中讨论)。关于这一点，希望在加热和拉制过程中，在杆100E内原位形成p-n结106。该过程可以通过以下方式实现对导电金属丝140涂覆掺杂剂，用来提供掺杂剂原子的来源，用来在加热和拉制过程中扩散入芯102的半导体材料中，形成p-n 结。例如，所述掺杂剂可以包括以下的至少一种硼，磷，锗，铝，和钛。例如，对于在硅芯102 内形成的P-n结，硼将是适合用来扩散入硅芯102并形成ρ型半导体区域的掺杂剂。另一方面，磷是合适的掺杂剂，适合扩散入硅芯102中，形成η型区域。通过将掺杂剂设置在金属丝140上，可以在杆拉制工艺过程中使得掺杂剂扩散入芯102中，形成p-n结106。下面来看图14，图14是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置杆IlOF的截面图。所述装置IlOF包括中央的芯102以及透明的外覆层或鞘104，所述中央的芯102由半导体材料形成，与透明的外覆层或鞘104共轴，所述外覆层或鞘104是例如玻璃材料、玻璃-陶瓷或聚合物。所述芯102包括在芯102内共轴取向的导电金属丝，该导电金属丝用作第一电极105A。所述芯102包括至少一个p-n结106，该p-n结由相应的η型和ρ型区域限定。在此实施例中，所述芯102由η型材料102Ν形成，所述导电金属丝(电极 105Α)共轴地设置在芯102的η型材料120Ν之内，与芯102的η型材料120Ν电接触。第二电极105Β与芯102的η型区域和ρ型区域中的另一者电连接，在此实施例中，电极105Β与芯102的ρ型区域102Ρ连接。所述ρ型区域102Ρ是位于芯102的最外部的圆柱形部分。 在此实施方式中，狭缝122沿着外覆层104纵向延伸，从外覆层104的外表面向着芯102径向延伸。所述狭缝122可以与芯102的η型区域和ρ型区域102Ν，102Ρ中的至少一种连通； 在此实施例中，狭缝122与ρ型区域102Ρ连通。第二电极105Β设置在狭缝22中，与芯102 的P型区域102Ρ电连接。可以有很多种用来制造光生伏打装置IlOF的方法。一种示例性的制造方法包括使用上文所述的用来形成杆100Ε的一部分或者所有的技术(图12-1 ，从而制得在芯102 内共轴的第一电极105A。另外，可以用以上用来形成装置IlOA(图6)的掺杂剂扩散技术在芯102的外围获得圆柱形的η型或ρ型区域102Ν，102Ρ(从而形成p-η结)。可以使用上文讨论的用来形成装置110Α(图6)的一些技术，在外覆层104中形成狭缝122。另外， 可以对狭缝122进行蚀刻(或者通过激光烧蚀等形成)，使其与η型区域和ρ型区域102Ν， 102Ρ中的一种连通(在此例中与ρ型区域连通)。然后，可以将导电材料(例如糊料，环氧树脂，金属化材料等)设置在狭缝122之内，形成第二电极105Β。在一些情况下，根据制造工艺的加热温度和拉制温度，导电金属丝140可能无法耐受高的工艺温度。在一些情况下，对金属丝140的加热以及/或者离子从金属丝140的扩散可能会污染芯102的半导体材料。如上文所讨论，可以将涂层施加于金属丝140以改善这些问题。但是，另一种方法是形成芯102，使得在对杆进行拉制之后，将导电金属丝140 “插入”其中。这可以在室温下进行，或者在较低温度的工艺中进行，不会导致上文所述的一些问题。关于这一点，参照图15Α-15Β，图中显示了杆100F的截面图，其包括通过芯102的至少一个纵向的孔142，适合用来在拉制工艺完成之后，插入金属丝140或导电材料。在此实施例中，存在两个孔142Α，142Β，但是可以根据本发明的各种实施方式得到任意实用数量的孔 142。参见图16，可以使用图2以及相关实施方式所述的制备、引入、加热和拉制步骤形成孔142A，142B。但是，另外可以将一对管(例如玻璃管)144A，144B与半导体材料206 — 起引入所述坯件202的空心部分中。在所述再拉制炉200D中对坯件202、半导体材料206 和管144A，144B进行加热，使得坯件202和半导体材料206流动。在加热的同时，对坯件 202，半导体材料206以及管144A，144B进行拉制，使得半导体材料206的芯102在由空心坯件202制造的外覆层104内共轴取向，所述管144A，144B在所述芯102内共轴取向，从而形成杆100F。例如，所述管144A，144B可以由维克(vycor)玻璃组合物(例如B2O3-SiO2) 形成。通过使用与上文形成用于光生伏打应用的p-n结106类似的技术，可以对所述一个或多个管144A，144B涂覆掺杂剂，或者用掺杂剂形成所述管，掺杂剂提供掺杂剂原子的来源，由此在加热和拉制工艺过程中，使得掺杂剂原子扩散入芯102的半导体材料中。另外，所述掺杂剂可以包括以下的一种或多种硼，磷，锗，招，钛等。如图15B所示，可以用蚀刻法除去管144A，144B的玻璃材料，仅留下孔142A， 142B (具有略大的直径)。然后，可以在显著低于拉制工艺温度的较低处理温度下，将金属丝140或导电环氧树脂引入所述孔142A，142B之内。下面来看图17，图17是根据本发明一个或多个其他方面的另一种光生伏打装置 IlOG的截面图。在此实施方式中，以上关于图15A讨论的管144A，144B不会作为制造光生伏打装置IlOG的方法的一部分除去，可以省去蚀刻工艺，因此是有益的。所述光生伏打装置IlOG包括中央的芯102以及透明的外覆层或鞘104，所述中央的芯102由半导体材料形成，与透明的外覆层或鞘104共轴，所述外覆层或鞘104是例如玻璃材料、玻璃-陶瓷或聚合物。所述半导体芯102包括至少一个p-n结106，该p-η结由相应的η型和ρ型区域102Ν， 102Ρ限定。尽管所述的实施例包括位于中央区域的η型区域102Ν以及位于外围的ρ型区域102Ρ，但是本领域技术人员能够理解，该设置方式可以颠倒。所述ρ型区域102Ρ是位于芯102的最外部的圆柱形部分。将第一导体设置成在芯102之内共轴的形式，作为第一电极105Α，与η型和ρ型区域中的一者连接，在此实施例中与P型区域102Ρ连接。将第二导体设置成在芯102之内共轴的形式，作为第二电极105Β，与η型和ρ型区域中的另一者连接，在此实施例中与η型区域102Ν连接。第一和第二管144Α，144Β各自围绕相应的第一和第二导体105Α，105Β。所述圆柱形部分的P型区域102Ρ围绕第一和第二管144Α，144Β。各个管144Α，144Β包括相应的纵向延伸的狭缝146Α，146Β,它们延伸通过管144Α，144Β相应的壁，使得所述第一和第二导体与芯102的相应的η型和ρ型区域102Ν、102Ρ电连通。如前文所述，所述杆拉制工艺可以重复多次，制得次级杆。在此工艺中，可以在独立的拉制操作中，用包含不同半导体材料，例如Si，Ge或者Si和Ge的组合的芯制得第一组的杆。也可以通过对外覆层坯件进行成形，改变第一组杆的形状。可以将这些拉制操作形成的杆插入第二外覆层坯件中，以拉制第二组杆。所述多次拉制工艺在芯区段材料及其组成和形状方面提供了很多的优点。例如，芯区段可以包括相同半导体种类的各种P-n结，或者不同半导体种类的各种P-n结。另外，所述芯区段可以包括半导体以及光学透明的芯和空气/真空区段的组合。这些工艺还可以适合制造结合众所周知的光子带隙光纤设计的光电子光纤和杆。由于坯件的形成有如此的灵活性，可以将各种尺寸和形状的不同材料的管和棒组装起来，进行再拉制。例如，通过使用这样的结构和材料，可以在硅材料中包括P-n结，还可以在相同的坯件中包括Si-Ge材料。除了层叠起来以外，还可以使用空间隔开的p-n 结，其中硅p-n结在芯的一个部分，Si-Ge或Ge p_n结在另一个部分。因此，各种横截面形状和再拉制工艺特征不仅允许多结电池，而且还可以采用空间分隔的多结电池，用于最优化的太阳能收集。一种示例性的制造光生伏打装置IlOG的方法包括使用上文关于形成杆100F(图 15A，16)所述部分或全部的技术，得到第一和第二管144A，144B，以及在芯102内共轴的导体105A，105B。另外，可以采用上文关于形成装置IlOA(图6)所述的掺杂剂扩散技术以及上文关于在管144A，144B上使用掺杂剂的掺杂剂扩散技术，在芯102的外围以及围绕管144A， 144B形成圆柱形的η型或ρ型区域102Ν，102Ρ (从而形成p-η结106)。但是，需要注意，该实施方式的管144Α，144Β包括相应的纵向延伸的凹槽。根据一个实施方式，在加热/拉制工艺之前，各个凹槽可以从管144的外表面向着中心径向延伸，但是并未延伸通过管144的壁。如上文关于图15Α、16所述，将具有凹槽的管144Α，144Β拉制成芯102。然后，可以对管 142进行蚀刻，使得凹槽延伸通过管的壁，使得凹槽与相应的η型和ρ型区域102Ν，102Ρ连通。然后，可以将金属丝140或导电性环氧树脂引入管144Α，144Β的孔142Α，142Β中，形成电极105Α，105Β，然后将其与芯102的η型区域和ρ型区域102Ν，102Ρ电连通。下面来看图18-19，图18-19是根据本发明一个或多个其他方面的光生伏打装置/ 模块110Η、110Ι的侧视截面图。图18的光生伏打装置IlOH包括支承结构150以及与支承结构150相连的多个光生伏打电池110j。各个电池IlOj是基本纵向延伸的，至少是半圆形的横截面。一个或全部的电池IlOj可以包括关于以上所述的任意或全部实施方式所述的结构、太阳能、光生伏打和/或电学特征中的一种或多种。所示的装置IlOH的实施方式中， P-n结106由围绕η型材料102Ν的芯102的ρ型材料102Ρ的圆柱形区域形成(以上已经讨论了很多次)。各个电池的第一电极105Α通常在芯102之内居中，与芯102为共轴关系。 第二电极105Β在全部的电池IlOj中共用(但是本领域技术人员能够理解，所述第二电极 105Β可以很容易地分离，由各个电池IlOj独立使用)。电池IlOj的外覆层104已经除去， 至少在第二电极105Β的区域中是已经除去的，使得各个电池IlOj的ρ型区域102Ρ可以与电极105Β电连通。所述光生伏打电池IlOj的第一和第二电极105Α，105Β中相应的电极电连接起来，形成电压和电流的整体化电源。在光生伏打装置IlOH的这个实施例中，所述多个光生伏打电池IlOj彼此相邻地设置，使得给定电池IlOj的外覆层104与相邻的电池IlOj的外覆层104紧邻或相接触。注意到上文讨论的所有包括外覆层104的光生伏打装置表现出所需的光引导性质。事实上， 所述外覆层104的外侧轮廓的曲率特征能够改进光向着外覆层104之内的收集，射向p-n 结106，用于转化为电能。在图19中，已经将光生伏打装置1101的相邻电池IlOj的侧向的外覆层104除去，使得外覆层104的凸出边缘能够改进光向着外覆层之内的收集以及向着电池IlOj的p-n结106的收集。圆柱形装置IIOj的长轴可以为东西取向，使得当太阳在白天在地平线上移动的时候，装置IlOj的长的长度能够俘获太阳辐射。对于低集中设计，即使由于季节变化的原因，太阳在地平线上的位置导致光照不在轴上，外覆层104的高NA仍然能够俘获辐射而不发生显著的效率降低。除了本文讨论的实施方式以外，可以采用其它的光学机理提高太阳能的吸收以及电能的产生。例如，可以使用一个或多个透镜、棱镜、反射器、散射表面等，使太阳辐射转向， 以便改进光能在外覆层104内的收集以及射向芯102。 尽管本文已结合具体实施方式
对本发明进行了描述，但是应当理解，这些实施方式仅是用于说明本发明的原理和应用。因此，应当理解，在不背离所附权利要求书所限定的本发明精神和范围的前提下，可以对列举的实施方式进行各种修改，并且可以作出其它安排。
权利要求
1.一种方法，该方法包括制备空心坯件，该空心坯件适合用于坯件再拉制工艺；将半导体材料引入所述坯件的空心部分；在再拉制炉内对所述坯件和半导体材料进行加热，使得所述坯件和半导体材料流动；以及同时对所述坯件和半导体材料进行拉制，使得半导体材料的芯在由所述空心坯件制得的外覆层内共轴取向，从而形成杆。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热步骤使得坯件和半导体材料的温度高于半导体材料的熔点，但是低于坯件的熔点。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述坯件和半导体材料的温度比所述半导体材料的熔点高不到约300°C。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述坯件和半导体材料的温度比所述半导体材料的熔点高约100-300°C。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述半导体材料是硅，所述坯件和所述半导体材料的温度比大约1400°C高大约100-300°C。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述坯件和半导体材料的温度约为 1500-2100°C。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将半导体材料引入坯件的空心部分的步骤包括插入以下的一种或多种半导体棒、条、板、粉末、片、通过CVD、PECVD或浆液浇铸工艺沉积的半导体材料的合适的厚层。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述坯件和半导体材料进行加热，形成凝块部分，由该凝块部分拉制杆；对所述坯件和半导体材料进行加热，使得在凝块部分处，所述半导体材料至少部分地熔化；以及将半导体材料引入坯件的空心部分的步骤包括将所述半导体材料的未熔融部分设置在与杆拉制方向相反的方向上、远离凝块部分的位置，使得在拉制杆的时候，半导体材料的未熔融部分被连续拉入熔融半导体材料，为凝块部分的熔融半导体材料供料。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括至少一个以下特征所述半导体材料是以下材料中的至少一种无定形半导体材料、微晶或纳米晶体半导体材料、多晶半导体材料、基本单晶的半导体材料以及有机半导体材料；所述半导体材料是以下的至少一种Si，GaAs, InP, SiGe, SiC, Ge, ZnO和Sil^e。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述坯件由玻璃、玻璃陶瓷和聚合物中的至少一种形成。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由基于二氧化硅的玻璃组合物形成所述坯件；以及将一种或多种掺杂剂加入所述基于二氧化硅的玻璃组合物中，以实现以下效果中的至少一种(i)对热膨胀系数和软化温度中的至少一种进行改良，(ii)提供掺杂剂原子的来源，使其扩散入半导体材料中。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述加入掺杂剂的步骤包括向基于二氧化硅的玻璃组合物中加入以下的至少一种硼，磷，锗，铝，氟以及钛。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述基于二氧化硅的玻璃组合物是 B2O3-GeO2-SiO2 组合物。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述基于二氧化硅的玻璃组合物包含约 5-25 %的 B2O3 以及约 10-13% 的 GeO2。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使用制备、引入、加热和拉制步骤形成多个独立的杆；将所述多个杆引入另外的坯件的空心部分；在再拉制炉内对所述另外的坯件以及多个杆进行加热，使得所述坯件以及多个杆的至少外覆层流动；同时对所述坯件和多个杆进行拉制，使得所述多个杆的芯在由所述另外的空心坯件制得的另外的外覆层内共轴取向，从而形成多芯的杆。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将导电金属丝与半导体材料一起引入所述坯件的空心部分；在再拉制炉内对所述坯件、半导体材料和金属丝进行加热，使得所述坯件和半导体材料流动；以及同时对所述坯件、半导体材料和金属丝进行拉制，使得半导体材料的芯在由所述空心坯件制得的外覆层内共轴取向，所述金属丝在所述芯内共轴取向，从而形成杆。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述导电金属丝由以下的一种或多种形成铝、铜、难熔金属、钨和钼。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括用一种材料涂覆所述导电金属丝，所述材料用来在加热和拉制工艺过程中保护金属丝。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述导电金属丝涂覆掺杂剂，所述掺杂剂用来提供掺杂剂原子的来源，用来在加热和拉制工艺过程中使得掺杂剂原子扩散入所述芯的半导体材料中。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂包括以下的至少一种硼、磷、 锗、铝和钛。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将至少一个细长的管与半导体材料一起引入所述坯件的空心部分；在再拉制炉内对所述坯件、半导体材料和管进行加热，使得所述坯件和半导体材料流动；以及同时对所述坯件、半导体材料和至少一个管进行拉制，使得半导体材料的芯在由所述空心坯件制得的外覆层内共轴取向，所述至少一个管在所述芯内共轴取向，从而形成杆。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在已经拉制杆之后，从所述芯内除去所述至少一个管。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一个管由玻璃材料形成，所述除去管的过程包括对玻璃进行蚀刻和激光烧蚀中的至少一种。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述管涂覆掺杂剂，或者用掺杂剂形成所述管，所述掺杂剂用来提供掺杂剂原子的来源，用来在加热和拉制工艺过程中使得掺杂剂原子扩散入所述芯的半导体材料中。
25.如权利要求M所述的方法，其特征在于，所述掺杂剂包括以下的至少一种硼、磷、 锗、铝和钛。
26.一种具有光学性质的杆，所述杆包括 由半导体材料形成的芯；以及透明的外覆层，其由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成，围绕所述芯共轴取向。
27.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，包括以下至少一个性质 芯的直径约为1-500微米；芯的直径约为50-500微米； 外覆层的直径约为1-8微米； 外覆层的直径约为2-4微米；
28.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，所述芯由基本单晶的半导体材料形成。
29.如权利要求观所述的杆，其特征在于，在芯之内，在径向方向上基本没有晶粒边界。
30.如权利要求观所述的杆，其特征在于，在杆的轴向方向大约1毫米-10厘米的范围内，在芯内基本没有晶粒边界。
31.如权利要求观所述的杆，其特征在于，包括以下至少一个性质 在杆的轴向方向大约10毫米-1厘米的范围内，在芯内基本没有晶粒边界； 在杆的轴向方向大约5毫米-15毫米的范围内，在芯内基本没有晶粒边界。
32.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，包括以下至少一个性质 所述外覆层的软化点高于所述芯的半导体材料的熔点；所述外覆层的软化点比半导体材料的熔点高大约100-300°C ； 所述外覆层的软化点约为1500-1700°C ； 所述芯的半导体材料的熔点约为1350-1450°C。
33.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，包括以下至少一个性质 所述芯的热膨胀系数基本与外覆层的热膨胀系数相等；所述芯和外覆层的热膨胀系数约为2. 0-2. 6ppm。
34.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，包括以下至少一个性质所述芯的半导体材料是以下材料中的至少一种无定形半导体材料、微晶或纳米晶体半导体材料、多晶半导体材料、基本单晶的半导体材料以及有机半导体材料；所述芯的半导体材料是以下的至少一种Si、GaAs、InP, SiGe, SiC、Ge、ZnO和SiTe。
35.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，所述外覆层包含一种或多种掺杂剂，所述掺杂剂包括以下的至少一种硼、磷、锗、铝、氟和钛。
36.如权利要求35所述的杆，其特征在于，所述外覆层由基于二氧化硅的玻璃组合物形成，所述玻璃组合物包括&03-Ge02-Si02。
37.如权利要求36所述的杆，其特征在于，所述基于二氧化硅的玻璃组合物包含约 5-25%的化03以及约10-13%的GeO2。
38.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，还包括多个由半导体材料形成的芯，所述透明外覆层围绕所述多个芯共轴取向。
39.如权利要求38所述的杆，其特征在于，满足以下条件中的一种所述芯的直径约为 0. 1-10微米；所述芯的直径约为2-6微米；所述芯的直径约为3-8微米；所述芯的直径约为 5微米。
40.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，所述杆还包括在芯内共轴取向的导电金属丝。
41.如权利要求40所述的杆，其特征在于，所述导电金属丝由以下的一种或多种形成 铝、铜、难熔金属、钨和钼。
42.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，所述杆还包括在芯内共轴取向的至少一个细长的管。
43.如权利要求42所述的杆，其特征在于，所述至少一个管由玻璃材料形成。
44.如权利要求沈所述的杆，其特征在于，所述杆还包括在芯内共轴取向的至少一个细长的纵向延伸的孔。
全文摘要
一种具有光学性质的杆，其包括以下部分由半导体材料形成的芯；围绕所述芯共轴取向的由玻璃、玻璃-陶瓷或聚合物形成的透明的外覆层，所述杆可以用来制造光生伏打装置，该装置包括半导体芯，该半导体芯包括至少一个p-n结，所述p-n结由相应的n型和p型区域限定；与所述半导体芯成共轴关系的基本透明的外覆层，形成纵向取向的杆；第一电极和第二电极，各个电极与n型区域和p型区域中相应的一种区域电连接。
文档编号G02B6/42GK102318075SQ200980157284
公开日2012年1月11日 申请日期2009年12月14日 优先权日2008年12月18日
发明者D·J·麦克恩罗, 凡卡塔·A·巴哈嘎瓦图拉 申请人:康宁股份有限公司