使用纳米级共金属结构的用于太阳能转换的装置和方法

专利名称：使用纳米级共金属结构的用于太阳能转换的装置和方法
技术领域：
本文公开的实施方案涉及利用纳米级光学的太阳能转换领域，更具 体涉及利用包括共轴和共面类型的纳米级共金属(cometal)结构的用于 太阳能转换的装置和方法。
背景技术：
纳米级光学(nanoscale optics )研究与结构化为亚波长(对可见光) 尺寸的单元的物质的光学相互作用。纳米级光学在光学技术例如纳米光 刻、高密度光学数据存储、纳米级光化学、太阳能电池、利用亚波长横 向分辨率(subwavelength lateral resolution )的材料成像和表面改性、 生物和固态结构的局部线性和非线性光镨、量子计算和量子通信中具有 大量的应用。
通常，可以两种方式收集太阳能作为电(太阳能光伏)和作为热 (太阳能热)。所有现有太阳能电池效率都小于100%，意味着太阳能电 池将小于100%的入射太阳能转换为可利用的形式。目前看起来，仅仅 在具有约10-28%的平均采光面积效率(AAE X aperture-area efficiency) 的p-n结光伏(PV) ( photovoltaic )电池和具有约17 %的平均AAE的 模块中可实现高效率太阳能电池。在研究级的多结聚光器(concentrator) 中，已经报道了高达约39%的效率。这些是基于昂贵的晶体半导体。对 于标准晶体硅(c-Si)光伏技术，不仅材料成本比薄膜形式高约50%， 而且与柔性衬底PV例如由非晶硅(a-Si)制得的那些相比，安装成本 也高。基于非晶半导体的廉价光伏电池具有如下的AAE: a-Si约12。/。；CdTe(碲化镉)约16 % ;和CIS(铜铟硒)约19 % 。参见B. von Roedern， K. Zweibel和H.S. Ullal的"The role of polycrystalline thin film PV technologies for achieving mid-term market competitive PV modules，,，31st IEEE Photovoltaics Specialists Conference and Exhibition, Lake Buena Vista, Florida, 2005年1月3日至7日。
廉价电池的低效率背后的基本物理原理直接与难于同时确保高的 光子吸收和电荷收集效率相关。这是由对在太阳能电池上的入射光以及 对通过该光与光伏半导体材料相互作用释放的电子和空穴的同时需满 足的要求所导致。也就是，光伏材料必须足够厚以吸收光(以光子的形 式)，还必须足够薄以使得释放的电荷载流子(电子和空穴)能成功迁 移至边缘(顶部和底部)从而被收集。
而且，对a-Si基的太阳能电池，由于产生光诱导亚稳缺陷，稳定后 的效率通常比初始值低约15%，即通常所说的Staebler-Wronski效应 (SWE)， D. L. Staebler和C. R. Wronski, "Reversible conductivity changes in discharge-produced amorphous Si ， "Appl. Phys. Lett-Si, 292-294 (1977)。减小有源光伏层的厚度和使其表面波紋化可显著 改善效率，但是由于结构无序，低载流子迁移率和寿命的乘积以及SWE 由半导体中局域电子态的带尾控制。结构无序对于所有非晶体材料是根
本性问题，它急剧减小所产生的载流子的扩散长度。
现有技术试图用光学整流天线制造太阳能电池在以低成本实现大 规模金属纳米结构方面已遇到困难。最近，有报道多壁碳纳米管 (MWCNT )行为表现类似于接收和传输入射在其上的可见光的光学整 流天线。表明这些纳米结构是高度金属性的并且具有良好对齐的生长方 位。通过成熟的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法而不使用
中大多数其它实验方法所使用的电子束光刻，也可在大多数导电的或半 导电的衬底上大规模地、低成本地制造MWCNT。因此，在本领域中有 必要制造新型的非常高效且低成本的太阳能电池。

发明内容
本文公开了利用纳米级共金属结构的用于太阳能转换的装置和方 法。该共金属结构可以是共轴的或共面的。
根据本文说明的方面，提供一种用作太阳能电池的纳米级光学装 置，该装置包括多个纳米级共金属结构，每个所述结构均包含位于第一
电导体和第二电导体之间的光伏材料(photovoltaic material )。
根据本文说明的方面，提供一种包含多个纳米级共轴结构的太阳能 电池，每个所述结构均包含接触光伏材料并用外电导体层涂敷的导电芯。
根据本文说明的方面，提供一种包含多个纳米级共面结构的太阳能 电池，每个所述结构均包含位于第 一 电导体层和第二电导体层之间的光伏 层；其中光^在第一电导体层和第二电导体层之间的共面结构。
根据本文说明的方面，提供一种制造太阳能电池的方法，该方法包括 制备多个纳米级平面结构；利用光伏半导体涂敷所述多个平面结构的多个 平表面，同时在所述多个平表面之间留下间隔；和利用外电导体层涂敷所 述光伏半导体，其中所述外电导体层的一部分位于所述平面结构之间以形 成共面结构。


将参照附图进一步说明本公开的实施方案，其中在整个视图中相同 的附图标记表示相同的结构。附图不必要按比例绘制，而重点通常在于 说明本公开的实施方案的原理。
图1A表示嵌入在导电基体中的本公开实施方案的多个纳米级共轴 共金属太阳能电池单元的示意图。
图1B表示图1A的纳米级共轴太阳能电池单元的顶视图。
图2A、图2B和图2C分表示在对齐的碳纳米管周围建立的纳米级 共轴传输线的示意图和实例图。图2A表示对齐的碳纳米管的示意图和 实例图。图2B表示利用光伏材料涂敷之后的对齐的碳纳米管的示意图和实例图。图2C表示利用光伏材料和外导体材料涂敷之后的碳纳米管 的示意图和实例图。
图3表示在对齐的碳纳米管周围建立的纳米级共轴传输线的阵列。 图3A表示通过扫描电子显微镜(SEM)观察的暴露的共轴结构。图3B 表示通过扫描电子显微镜观察的单个纳米级共轴传输线的横截面图。图 3C表示共轴层的组成的x射线能镨仪(EDS )分析，显示了对于硅(Si )、 铬(Cr)和铝(Al)的浓度制图。图3D表示具有聚光器的纳米级共轴 太阳能电池阵列的横截面图。
图4A、图4B和图4C表示其中通过纳米级共轴传输线阵列传输白 光的光学试验的结果。图4A表示在反射光中可见的阵列的表面状况， 其中用暗点表示纳米级共轴传输线。图4B表示在透射光中可见的与图 4A中相同的阵列的表面状况，其中亮点是照亮的纳米级共轴传输线。 图4C表示作为反射光(图4A)和透射光(图4B)的结合的阵列的表 面状况。
图5表示具有非直线型传导线和柔性基体的纳米级共轴太阳能电池 的截面图。
图6A表示具有并联布置的不同带隙半导体的多层结构的纳米级共 轴太阳能电池的正透视图。
图6B表示具有串联布置的不同带隙半导体的多层结构的纳米级共 轴太阳能电池的正透视图。
图7表示具有从纳米级共轴太阳能电池顶端延伸的聚光器的纳米级 共轴太阳能电池的正透视图。
图8表示包含碳纳米管阵列的纳米级光学装置的示意图，阵列中的 每个管均包括被称为光学纳米天线的从金属膜突出的部分和被称为纳 米级共轴传输线的嵌入金属膜内的部分。
图9A表示根据本公开实施方案的纳米级光学装置的三维结构。
图9B表示在图9A的纳米级光学装置中使用的纳米棒的扫描电子显
8微镜(SEM)图像。
图9C表示图9A的纳米级光学装置的透射光学显微图像。
图IOA说明根据本公开实施方案的纳米级光学装置的制造方法。
图IOB说明根据本公开实施方案的纳米级光学装置的制造方法。
图11表示在最大雷达截面(RCS )散射幅度下纳米天线长度对辐射 波长的图。
图12A表示根据本公开实施方案制造的纳米级光学装置的截面的可 见和SEM图《象(重叠的)。
图12B表示图12A的纳米级光学装置的扫描电子显微镜(SEM) 图像。
图13表示根据本公开实施方案制造的太阳能电池的示意图。
图14表示平行共面波导的透视图。
图15表示多层平行共面波导的透视图。
图16表示非平行共面波导的透视图。
图17表示任意形状共金属波导的透视图。
图18表示具有p-n结的纳米级共轴太阳能电池的透视图。
图19表示具有p-i-n结的纳米级共轴太阳能电池的透视图。
图20表示具有p-n结的纳米级共面太阳能电池的透视图。
图21表示具有p-i-n结的纳米级共面太阳能电池的透视图。
图22表示纳米级共面太阳能电池的侧视图。
如在讨论中所提出的，虽然上述附图提出了本公开的实施方案，但 也可预期采用其它实施方案。本公开内容提出了代表性而不是限制性的示例性实施方案。本领域技术人员可设计大量其它修改和实施方案，这 落入本Z〉开实施方案的原理的范围和精神内。
具体实施例方式
本文公开的实施方案涉及利用纳米级光学的太阳能转换领域，更具 体涉及利用纳米级共金属结构的用于太阳能转换的装置和方法。太阳能 电池是收集或吸收太阳能并将该太阳能转换为电、热或其它可使用的形 式的装置。还公开了制造纳米级共金属太阳能电池的方法。下面的定义 用于描述本公开实施方案的多个不同方面和特性。
当在本文中提及时，"碳纳米管"、"纳米管"、"纳米线"和"纳米棒" 可互换使用。
当在本文中提及时，"纳米级，，指的是低于约5000纳米(1纳米等于 l米的十亿分之一)的距离和特征。
当在本文中提及时，"单壁碳纳米管"(SWCNT)包括一个巻成圆 柱体的石墨烯(graphene)薄片。"双壁碳纳米管"(DWCNT )包括平 行的两个石墨烯薄片，那些具有多个薄片(通常约3个至约30个)是"多 壁碳纳米管"(MWCNT)。
当在本文中提及时，"单芯共轴传输线"(SCCTL)在中心包括一个 纳米管。"双芯共轴传输线"(DCCTL)在中心包括两个纳米管。
当在本文中提及时，CNT被"对齐，，或是"对齐"的，其中单个管的 纵向轴基本彼此平行地在平面内定向。
当在本文中提及时，"管(tubule)，，是单个CNT。
本文中使用的术语"线性CNT，，指的是沿它们线性轴不含有源于单 个CNT管表面的分支的CNT。
本文中使用的术语"阵列，，指的是彼此邻近地附着于衬底材料的多 个CNT管。
当在本文中提及时，"纳米级共轴线"指的是包括多个同心层的纳米 级共轴线。在一个实施方案中，纳米级共轴线具有三个同心层内导体层、芯周围的光伏涂层和外导体层。在共轴线内电磁能的传输不依赖于
波长并且以横向电磁(TEM)模式发生。在一个实施方案中，内导体是 金属芯。在一个实施方案中，外导体是金属屏蔽。
当在本文中提及时，"纳米级共面线，，指的是包括多个平行层的纳米 级共面结构。在一个实施方案中，纳米级共面线具有三个平行层两个 金属导体层，在它们之间的光伏涂层。在共面线内电磁能的传输不依赖 于波长并且以横向电磁(TEM)模式发生。
当在本文中提及时，"横向电磁(TEM)"指的是在传输线中的电磁 模式，其中电场和磁场均垂直于传播的方向。其它可能的模式包括但不 限于仅仅电场垂直于传播方向的横向电(TE)和仅仅磁场垂直于传播 方向的横向磁(TM)。
当在本文中提及时，"催化过渡金属"可以是任意过渡金属、过渡金 属合金或其混合物。催化过渡金属的例子包括但不限于镍(Ni)、银 (Ag )、金(Au )、铂(Pt )、把(Pd )、铁(Fe )、钌(Ru )、锇(Os )、 钴(Co)、铑(Rh)和铱(Ir)。在一个实施方案中，催化过渡金属包 括镍(M)。在一个实施方案中，催化过渡金属包括铁(Fe)。在一个实 施方案中，催化过渡金属包括钴(Co )。
当在本文中提及时，"催化过渡金属合金"可以是任意过渡金属合 金。优选地，催化过渡金属合金是两种或更多种过渡金属的均匀混合物 或固溶体。催化过渡金属合金的例子包括但不限于镍/金(Ni/Au )合金、 镍/铬(Ni/Cr)合金、铁/铬(Fe/Cr)合金和钴/铁(Co/Fe)合金。
术语"纳米管"、"纳米线"、"纳米棒"、"纳米晶体"、"纳米颗粒，，和 "纳米结构，，在本文是可互换使用的。这些术语主要指具有在几个纳米 (nm)至约几个微米的范围内尺寸(例如通过它们的最大尺寸表征) 的材料结构。在产生高度对称结构的应用中，该尺寸(最大尺寸)可以 是几十个微米大。
术语"CVD，，指的是化学气相沉积。在CVD中，化学物质的气体混 合物在高温下离解(例如，C02离解为C和02)。这是CVD的"CV，， 部分。 一些释放的分子然后可沉积于附近的衬底上(CVD中的"D")，
ii其余物质抽出移走。CVD方法的例子包括但不限于"等离子体增强化学 气相沉积，，(PECVD),"热丝化学气相沉积"(HFCVD)和"同步辐射 加速化学气相沉积，，(SRCVD)。
当在本文中提及时，"光学信号"指的是任意电磁辐射脉沖，包括y 射线、X-射线、紫外线、可见光、红外、微波、无线电波(ULF、 VLF、 LF、 MF、 HF、长、短、HAM、 VHF、 UHF、 SHF、 EHF )、宇宙微波
背景辐射和其它形式的电磁i普辐射。
本公开的实施方案通常涉及使用纳米级共金属线来制造纳米级光 学装置。纳米级光学装置是由具有顶表面和底表面的金属膜以及多个共 金属结构制成的多功能纳米复合物材料。纳米级共轴线包含填充有光伏 材料并具有位于中心的、同心金属芯的金属圆柱体。每个纳米级共轴线 可具有延伸超出膜表面的中心芯和在胰内的嵌入部分。纳米级共面线包 含金属壁，具有用光伏材料填充的中间间隔。每个纳米级共面线可具有 延伸超出膜表面的壁和在膜内的嵌入部分。
共金属(cometal)结构是这样的结构，该结构中两个或更多个(但 是通常为两个)金属表面紧密邻近使得横向电磁(TEM)波高效地在所 述两金属之间的间隔内传播。这些金属或它们的表面可由相同或不同的 金属材料所组成。 一些金属可以是对被引导的辐射(guided radiation ) 是透明的。共金属传输线可也容许其它模式例如横向电(TE)或横向 磁(TM)模式的传播。共金属结构的一个常规例子是共轴的线或缆线。 纳米级的共金属结构是其中在共金属结构中任意两种金属之间的隔开 的距离为纳米级的结构，由此纳米级是在从约lnm至约几千纳米的范
共面传输线。这些共金属结构及其变体均能够通过TEM模式传输波， 包括那些波长小于金属间隔距离(即，亚波长传播)的波。有限长度的 共金属结构能够产生驻波，并用作辐射谐振器。由于纳米级尺寸，这样 的波包括在可见光镨内或附近的那些波，即，从紫外(在约200 nm和 约400 nm之间)至红外(约800 nm和约5000 nm之间)。
外部辐射与共金属结构的耦合效率取决于结构的几何关系和操作 模式。 一些共金属结构，例如在图14~16和20~22中显示的共面结构，与辐射耦合而没有任何排列布置，即使对远远小于波长的电极间的间隔 也如此。在其它的结构中，例如纳米级共轴线，对于等于或大于波长的 足够大的外直径，不需要排列布置。如果电极间的通道远小于辐射波长
(即，仅仅TEM模式可传播)，特定的排列布置例如天线会是必要的。
本公开的实施方案通过使用导电介质、包括与填充有光伏活性介质 的纳米级共轴线匹配的纳米天线阻抗的基本元件，增加了对于光子和电 荷载流子的收集效率。纳米天线提供高效的光收集，同时纳米级共金属 部分捕获收集的辐射并确保其高效转换为电子-空穴对。对于纳米级共 轴实施方案，共轴对称对光子和电荷栽流子产生了高的收集效率，因为 它在传输TEM模式的电磁辐射方面是高效的。纳米级共轴线长度可制 成几个微米长以确保高的光子收集，并且可容易制成在直径上足够小的 纳米级共轴线宽度以提供在内部和外部电极之间的高的载流子收集。共 轴线允许亚波长传播，并因此允许在电极之间非常小的距离。事实上， 电极之间的距离可以小于载流子扩散长度而不阻碍光传播(即纳米级)。 纳米级共面实施方案在传输TEM模式的电磁辐射方面也是高效的，并 且由此对光子和电荷载流子均产生高的收集效率。
本公开的实施方案利用能够横向电磁(TEM)传输的任意传输线来 工作。这样的线包括但不限于共轴传输线(即具有单芯的共轴线)，多 芯共轴传输线(多芯同轴电缆(coax))，如在图12B中所示的视图41, 带状线以及共面线。带状线是具有由光伏膜分隔的两个平坦的平行金属 电极(带)的传输线。每个电极的宽度L大于辐射波长。电极间隔距离 d，其可小于辐射波长。在一个实施方案中，具有多个芯(多芯)的纳 米级共轴线可用于产生对光子和电荷栽流子的高的收集效率。在一个实 施方案中，纳米带状线(即用于可见光的带状线，具有纳米级的d)对 于光子和电荷载流子产生了的高的收集效率。
天线是外部谐振器。本公开实施方案的纳米天线是具有大的长径比 的宽谐振器，即它们的长度l远大于它们的直径d:例如l〉3d。可调节 纳米天线的带宽以覆盖整个太阳能光镨。本文描述的纳米天线具有常规 天线的方向特性，证实常规无线电技术在可见频率范围内适用于纳米级 光学系统中。本公开实施方案的系统的性能可以和c-Si相比，而没有其缺点例如 高的材料和安装成本。本公开实施方案的系统允许甚至进一步的改进。 利用多层策略，光子能量可与半导体带隙相匹配，使光子损失最小化， 并进一步改善了效率。
图1A表示包含多个纳米级共轴结构的纳米级光学装置100的示意 图。该纳米级共轴结构包括具有阻抗匹配天线110和利用光伏材料180 涂敷的共轴部分115的内导体120。通过衬底l卯支撑纳米级光学装置 100。内导体120延伸超出纳米级共轴结构，形成光学纳米天线IIO。外 导体160是共轴部分115的外部涂层。多个纳米级共轴结构嵌入导电基 体140内。纳米级共轴结构可以是纳米级共轴太阳能电池。根据本公开 的实施方案制造该纳米级光学装置。
内导体120可以是金属芯.用于内导体的金属的例子包括但不限于 碳纤维；碳纳米管；纯的过渡金属例如镍(M)、铝(Al)或铬(Cr); 金属合金例如不锈钢(Fe/C/Cr/Ni)或铝合金(Al/Mn/Zn );和金属聚 合物。其它内导体是高度掺杂的半导体，和半金属(具有趋于零地小带 隙的金属，例如石墨)。本领域技术人员将认识到内导体可以是本领域 已知的其它导电材料并且在本公开实施方案的精神和范围内。
光伏材料180具有带隙以使在可见光镨中光的吸收最大化。光伏材 料的例子包括但不限于硅(Si)、碲化镉(CdTe)、磷化铟镓(InGaP)、 砷化镓(GaAs)、锗(Ge)、 Cu(InGa)Se、 GaP、 CdS、锑化铟(InSb )、 碲化铅(PbTe)、 Ini-xGaxN、有机半导体(例如铜酞菁(CuPc))、介电 材料和本领域技术人员已知的类似材料。光伏材料可以是晶体(原子在
宏观尺度下的周期性排列)、多晶体(原子在显微尺度下的周期性排列)、 或非晶体(原子在宏观尺度下的无规排列)。本领域技术人员可认识到，
光伏材料可以是本领域已知的具有带隙以改善在可见光镨中光的吸收 的其它材料。光伏材料180在内导体120周围可以是均匀的或者光伏材 料180可以以不均匀形式包围内导体120。
外导体160可以是金属。因此，外导体160可以是金属圆柱体的形 式。外导体的例子包括但不限于碳纤维；碳纳米管；纯的过渡金属例如 镍(Ni)、铝(Al)或铬(Cr);金属合金例如不锈钢(Fe/C/Cr/Ni)或铝合金(Al/Mn/Zn );和金属聚合物。其它内导体是高度掺杂的半导体， 和半金属(具有趋于零地小带隙的金属，例如石墨)。本领域技术人员 将认识到外导体可以是本领域已知的其它导电材料并且在本公开实施 方案的精神和范围内。
图1B表示图1A的纳米级共轴太阳能电池的顶视图。在图1B中， 内导体120的直径是2r而外导体160的的直径是2R。本领域的技术人 员将认识到直径可改变而在本公开实施方案的精神和范围内。
图2A、图2B和图2C分别表示在对齐的碳纳米管周围建立的纳米 级共轴传输线的示意图和实例图。图2A、图2B和图2C表示从具有多 个纳米级共轴结构的阵列中选出的单纳米级共轴结构。该示意图显示了 制造纳米级共轴太阳能电池的三个主要步骤。以相对样品表面30度的 角度利用扫描电子显微镜(SEM)取得实例图。
图2A表示对齐的碳纳米管的示意图和实例图。利用镍催化剂，采 用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法来垂直生长对齐的、多 壁的、直的平均长度为约5-6 nm的碳纳米管(图2A)。在玻璃衬底的 顶上溅射的薄的铬层(约10nm)上电沉积所述催化剂。
图2B表示利用光伏材料涂敷之后的对齐的碳纳米管的示意图和实 例图。利用氧化铝(A1203)的光伏层涂敷纳米管。该光伏层具有约100 nm至约150 nm之间或更厚的厚度。
图2C表示利用光伏材料和外导电材料涂敷之后的碳纳米管的示意 图和实例图。利用约100 nm至约150 nm厚的铬层溅射纳米管来作为外 导体。在一个实施方案中，外导体厚于150nm。
图3表示在对齐的碳纳米管周围建立的纳米级共轴传输线的阵列。 该阵列可具有在衬底l卯上均匀或随机分布的纳米级共轴传输线。纳米 级共轴传输线可在衬底190上排列成行或不均匀分布。衬底l卯可以是 透明的。衬底l卯可由聚合物、玻璃、陶瓷材料、碳纤维、玻璃纤维或 其组合所形成。本领域技术人员将认识到，衬底可以是本领域已知的其 它材料并且在本公开实施方案的精神和范围内。垂直对齐导体的阵列(例如，多壁碳纳米管或其它纳米线/纳米纤维) 生长或附着于衬底。然后，利用合适的光伏或光伏材料涂敷导体。然后 利用作为外导体的金属层涂敷导体。
纳米级共轴传导线阵列包括在利用薄(约10 nm)铬层涂敷的玻璃 衬底上生长的垂直对齐的碳纳米管。在该层上电化学沉积用于纳米管的 PECVD生长的镍催化剂。然后，利用150nm的氧化铝和随后用100 nm 的铬涂敷纳米管。用旋涂玻璃(SOG)填充纳米级同轴电缆的整个阵列， 该旋涂玻璃不影响阵列功能但是允许纳米级同轴电缆的顶部被机械抛 光掉。这样可暴露纳米级共轴芯并且它们可用作不依赖于波长的传输 线。图3A表示通过扫描电子显微镜(SEM)观察的暴露的共轴结构。
图3B表示通过扫描电子显微镜观察的单个纳米级共轴传输线的横 截面图。图3B表示纳米级传输线在抛光和暴露后的内部结构。
图3C表示共轴层的组成的x射线能镨仪(EDS)分析，显示了对 于硅(Si)、铬(Cr)和铝(Al)的浓度制图。在图3C中虚线对应于 EDS线扫描的位置而三个给出的曲线对应于沿扫描线的硅(Si)、铬(Cr) 和铝(Al)的浓度。图3C显示了在二氧化硅(Si02)富集区域中，硅 的浓度是最高的。类似地，最高的铬浓度出现在纳米级共轴壁的金属涂 层区域中，并且在光伏涂层(A1203)区域中观察到了最高的铝浓度。
图3D表示具有聚光器(围绕纳米级同轴电缆的外导体的凹陷)的 纳米级共轴太阳能电池阵列的横截面图。衬底是柔性的。在一个实施方 案中，衬底1卯是铝(A1)箔，或其它柔性金属材料(铜、碳纤维、钢 和类似材料)。利用湿化学和电化学方法或常规真空沉积技术(例如溅 射、蒸发和类似技术)用催化颗粒(例如Fe、 Ni、 Co)涂敷村底。然 后，利用本文所述的技术(例如CVD、 PECVD和类似技术)生长作为 纳米管的内导体120,并且衬底区域暴露于氧，该氧仅仅影响形成光伏 层170的暴露的金属衬底。利用常规沉积技术(例如CVD和类似技术) 生长半导体材料180的薄膜。最后，利用对光伏涂层180具有合适润湿 性能的软金属层160涂敷衬底区域从而形成集光器185。集光器185是 邻近于涂敷的内导体120的凹形弯月面。在一个实施方案中，金属粉末 或液体将用于填充芯间的间距，随后通过热处理以形成集光器185。在每个纳米级共轴单元周围的凹形弯月面区域作为光集光器185，即收集 来自比纳米天线本身更大区域的光的附加天线。集光器185允许利用更 少数量纳米级共轴单元来制造整个太阳能电池阵列，而同时仍保持非常 高的效率。利用本领域已知技术可将集光器185简单地加入太阳能电池 阵列。
在一个实施方案中，集光器185在对半导体涂敷的纳米级共轴芯的 表面润湿不良的导电介质中自身形成。沉积低润湿金属介质(例如金属 粉末或含金属颗粒的液体)作为外导体160,并且利用热处理以控制润 湿角，即集光器185的曲率。这将产生集光器185,在每个纳米级共轴 芯周围的凸形下陷。
图4A、图4B和图4C表示其中通过纳米级共轴传导线的阵列传输 白光的光学试验的结果。图4A表示在反射光中可见的阵列的表面状况， 其中用暗点表示纳米级共轴传输线。图4B表示在透射光中可见的且与 图4A中相同的阵列的表面状况，其中亮点是照亮的纳米级共轴传输线。 图4C表示作为反射光(图4A)和透射光(图4A)的复合的阵列的表 面状况。在照亮图4A和图4B中纳米级共轴传输线中的点的位置之间 存在很好的相关性。该透射光仍为白色(图4B)，这表明没有截止频率 且传输与波长无关。
本公开实施方案的纳米级共轴结构可用作用于太阳能电池单元的 大规模制造的低成本构件模块。太阳能电池可包含以大规模制造的非对 齐的导体作为纳米级共轴芯。图5表示具有非直线导体和柔性衬底的纳 米级共轴太阳能电池的实施方案的截面图。该非直线导体与邻近的导体 不对齐。可利用任意高导电性的纳米管、纳米线、纳米纤维或类似结构 作为非直线导体。
非直线导体的例子可以是通过热-CVD (化学气相沉积)技术生长 的碳纳米管。然后可以利用具有所期望带隙的适当半导体对内导体进行 化学性地多重涂敷，并最终金属化以完成该共轴结构。图5图示说明非 直线导体。在导电性的柔性介质145 (例如导电涂料或聚合物)中嵌入 利用具有合适带隙的半导体180a、 180b、 180c多重涂敷并利用外导体 160在其表面上金属化的非直线导体120。暴露突出部分110 (例如通过蚀刻)并且在该结构的顶部中沉积光伏材料170薄层。然后，施加第二 透明导体(例如氧化铟锡或其它导电聚合物)。第一接触172邻近突出 部分110并且在光伏层170上方。第二接触174邻近与突出部分110相 对的内导体120的端部，并且第二导体174在导电介质145中。在一个 实施方案中，天线部分可以是非对齐的，任意定位的，任意倾斜的，和 具有各种长度。非直线和任意定位的纳米级共轴传输线通过捕获非相干 的和宽带、非极化太阳能辐射可显著改善收集效率。
在一个实施方案中，在纳米级共轴部件内部使用具有不同带隙的半 导体以改善光子吸收效率。半导体带隙与入射光子能量更好地匹配改善 了基于纳米级同轴电缆太阳能电池的能量转换效率。可以以并联结构 (图6A)或串联结构(如6B)沿着内导体沉积光伏材料。图6A表示 具有并联布置的不同带隙半导体180a、 180b的多层结构的纳米级共轴 太阳能电池的正透视图。图6B表示具有串联布置的不同带隙半导体 180a、 180b和180c的多层结构的纳米级共轴太阳能电池的正透视图。 由于所收集的光子的不同能量可以与半导体带隙更好地匹配，所以具有 不同带隙的半导体导致更高效的光子吸收。
在一个实施方案中，集光器185从纳米级共轴太阳能电池的顶端延 伸以增强光子收集效率。图7表示具有从纳米级共轴太阳能电池顶端延 伸的集光器185的纳米级共轴太阳能电池的正透视图。集光器185是从 纳米级共轴线的顶端延伸的圆锥形部分以改进光子收集。集光器185是 喇叭天线，并可具有在微波技术领域中已知的各种形状。集光器185可 具有包括但不限于抛物线斜壁或直线、圆锥形壁或类似形状的形状。集 光器185可以是金属性的。集光器185可以由包括但不限于金属、金属 合金、高度掺杂的半导体、导电聚合物和其它导电材料的任意高导电性 材料制造。集光器185可以是每个纳米级同轴电缆的外导电层的集成部 分。集光器185可以是在纳米级同轴电缆上单独制造的附件。通过采用 不良地润湿半导体涂敷的纳米级共轴芯表面的"非润湿性，，导电介质以 在每个纳米级共轴芯周围产生中间凸起的凹陷(convex depression )，可 实现集光器185，如在图3D中所示。
一种制造太阳能电池的方法，其包括利用催化材料涂敷衬底；在衬底上生长多个碳纳米管作为纳米级共轴单元的内芯；用光伏膜涂敷衬 底；和用润湿纳米级共轴单元的光伏膜的金属介质来填充。
利用下述方法或类似的方法可制造纳米级共轴太阳能电池。通过包 括但不限于湿化学沉积、电化学沉积、CVD、'减射、蒸镀和类似技术的 任意合适的技术，利用催化材料(例如Ni)涂敷柔性、金属衬底例如铝 (Al)箔。该加工的衬底用于催化生长碳纳米管或其它任意合适的纳米 棒/纳米线作为内导体和纳米级共轴单元的芯。可通过包括CVD或 PECVD和类似技术的任意合适的技术来实施纳米管的生长。纳米管生 长之后，氧化剩余的衬底暴露表面(即没有纳米管/纳米线的区域)以 在衬底和外导体之间制造光伏层。然后，可通过任意适当技术(例如 CVD、电化学沉积和类似技术)，利用光伏层涂敷整个系统，并最后用 金属介质(例如锡(Sn)粉)填充整个系统。应选择并加工金属介质以 在金属介质和纳米级同轴电缆的外导体之间获得弱润湿接触。可通过任 意常规技术例如喷雾、用涂料涂覆、旋涂、CVD、蒸镀、溅射和类似技 术来沉积金属介质。
本公开实施方案通常涉及使用纳米级共轴传输线(NCTL)以制造 纳米级光学装置。该纳米级光学装置是由金属膜制成的多功能纳米复合 物材料，该金属膜具有顶表面和底表面和填充有光伏材料的多个圆柱形 通道。纳米棒阵列通过所述多个圆柱形通道穿透金属膜。纳米棒阵列具 有延伸超出金属膜表面的突出部分和在金属膜内的嵌入部分。突出部分 用作纳米天线并能够接收和传输可见频率的电磁辐射。嵌入部分用作纳 米级共轴传输线(CTL )并允许传播具有超过纳米棒垂直尺寸的波长的 外部辐射。
纳米级光学装置可聚集光，并因此将场增强高达约103倍。具有嵌 入在金属膜内的纳米CTL的光学纳米天线阵列有效地将光压缩为纳米 级尺寸。纳米天线能够接收和传播可见频率的电磁辐射。在纳米-CTL 中的光的极度压缩导致在纳米-CTL的电极之间的电子的不对称隧穿， 并因此在所述光频率下提供整流作用，由此将光转换为直流(DC)电 压。这种性能导致新型高效、低成本的整流天线太阳能电池。在纳米 -CTL中的光的极度压缩是快速的，并且并不受限于通常的寄生电容，该寄生电容使得常规二极管在光频率下整流低效，如果不是不可能的 话。
图8表示根据本公开实施方案制造的纳米级光学装置100的示意 图。纳米级光学装置100具有通过填充有光伏材料180的圆柱形通道160 而穿过金属膜140的金属纳米棒120阵列。每个纳米棒120都具有从每
输线(CTL) 115。
图9A表示根据本公开实施方案制造的纳米级光学装置200的基本 结构构造的三维图像。延伸超出金属膜240的纳米棒220用作纳米天线 110，能够接收和传输可见频率的电磁辐射。通过光学纳米天线110阵 列收集的入射光被压缩进入共轴传输线(缆线)115的纳米级通道中， 并且随后通过纳米天线110部分在膜的相对侧上进行解压缩(并再次发 射)。如果常规的、无线电技术在可见频率范围内适用于纳米级光学装 置200，那么纳米天线IIO具有常规天线的方向特性。也可以开发用于 光的常规共轴缆线。利用纳米共轴电缆115的优点是它们不具有截止频 率(与波导不同)，即纳米级共轴缆线115允许具有超过它们垂直尺寸 的波长的辐射传播。在纳米级光学装置200中采用纳米级共轴缆线115 的目的是引导和压缩外部辐射进入内部和外部电极之间所限定的间隔。 这种压缩的程度可如下估算。匹配的天线收集来自f量级面积的辐射。 随后，该辐射能可高效转移进入共轴传输线，在此其被压缩成7i(R、r2) 的面积，因此功率压缩系数是X2/71 (R2-r2)的量级。通过采用半径-5 nm的纳米棒120并使用垂直尺寸R-20 nm,在可见区内约几百的功率 压缩系数是可能的。
在共轴线内的电场以1/p的量级成比例变化，其中p是从中心的径 向距离，并且因此对小的r可以做得很大。可以看出，电场增强为约k/p， 因此在具有r - 5 nm的纳米棒220时电场增强在可见区内是约100的量 级。通过在工作范围内使用具有活性等离子体激元(plasmon)共振的纳 米棒220,例如金或银，可获得附加的显著的场增强。计算表明，由于 等离子体激元(Mie)共振导致具有高达104的附加共振增强系数。总 的场增强可预期高达106 ~ 107，因此其足够高以引发在共轴缆线中光伏的非线性过程，导致传输的电磁能的所期望的关断。为了说明此效应，
考虑利用等离子体激元纳米棒220可实现的中等的105的增强。对于约 为通常激光指示器的千分之一的1 \￥/1112的入射通量，相应的场强度为 约2 V/nm。这样的场强度足以导致从典型纳米棒220的场发射。
图9B示出了表示图9A的纳米棒220的相关特性的扫描电子显微镜 图像。纳米棒220在纳米级光学装置200中线性对齐。图9C表示图9A 的纳米级光学装置200的透射电子显微图像。在图9A的纳米级光学装 置200中，在制造过程中仅仅蚀刻纳米级光学装置200的上半部，不蚀 刻下半部。这导致仅仅上半部具有透射的光，如在图9C的透射光学显 微图像中所示。
图10A表示制造纳米级光学装置100的典型方法。在步骤1中，在 玻璃衬底上溅射通常厚度约为15 nm的铬。在铬玻璃上电沉积所选择厚 度的催化过渡金属(例如镍)，随后生长碳纳米管，如在步骤2和3中 所示。釆用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)蚀刻铬层，如在步 骤4中所示。通常PECVD持续约l个小时。在衬底上溅射光伏(或半 导体)材料(例如SiOx，其中0 S x 52 )，如在步骤5中所示。本领域 技术人员将认识到，溅射的材料可由具有应用纳米级光学装置所需要的 特定功能的任意材料所制成，并且仍在本公开实施方案的范围和精神 内。通常，涂敷光伏材料以产生约100 nm的厚度。然后溅射铝，随后 旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)并在约180'C下烘焙约40分钟，如 在步骤6和7中所示。通常，溅射约400 nm的铝。在步骤8中，在约 20%的H2SO4中、4.0V下进行约25分钟来完成在纳米棒120的尖端上 铝层的电化学蚀刻，样品作为阳极，铂电极作为阴极。在这个实施例中， 仅仅蚀刻该样品的下半部，导致仅仅该部分具有透射光，如在透射电子 显微图像中所示。
图IOB表示制造纳米级光学装置100的一种替代性方法。在步骤1 中，在玻璃衬底上溅射通常厚度约为15nm的铬。在铬玻璃上电沉积所 选择厚度的催化过渡金属(例如镍)，随后生长碳纳米管，如在步骤2 和3中所示。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)蚀刻铬层， 如在步骤4中所示。通常PECVD持续约l个小时。在衬底上溅射光伏
21(或半导体)材料(例如SiOx，其中0SxS2)，如在步骤5中所示。 本领域技术人员将认识到，溅射的材料可由具有应用纳米级光学装置所 需要的特定功能的任意材料所制成，并且仍在本公开实施方案的范围和 精神内。通常，涂敷光伏材料以产生约100 nm的厚度。然后在涂敷的 衬底上溅射铝，如在步骤6中所示。通常，溅射约400 nm的铝。在步 骤7中，通过抛光除去纳米管的尖端。在步骤8中，在约2(T/。的H2S04 中、4.0 V下进行约25分钟来完成在纳米棒120的尖端上铝层的电化学 蚀刻，样品作为阳极，賴电极作为阴极。
图11显示了说明在可见频率范围内纳米棒120阵列的天线作用的结 果。在雷达截面(RCS)型试验中给出极化和纳米天线长度效应，其中 通过纳米棒120的非周期性阵列反射/散射外部辐射，与天线理论一致 性极好。主要部分显示了在最大RCS散射幅度下纳米天线长度对辐射 波长。在图11中的上部右侧的图像显示了由于渐变的纳米棒120的长 度而导致具有干扰色(从左至右)的样品的图像。在图11中的下部右 侧的图像显示了纳米棒120的扫描电子显微图像。
图12A表示根据本公开实施方案制造的纳米级光学装置100的截面 的可见图像。从背后用绿色和红色激光照射纳米-CTL115。绿色和红色 光都被引导通过纳米-CTL 115。每个活性纳米-CTL 115都被绿色光晕 (halo)所包围。也可看见更小的红光点。图5B表示编号的纳米-CTL 115的相应的SEM特写图(顶视图)。纳米-CTL的编号37和编号47 是单芯的，而编号41和编号48是双芯的。纳米-CTL的编号37包含用 Si涂敷的、共轴地位于穿过A1膜的圆柱性沟槽内的CNT芯。气隙Uir gap )(暗环)使Si涂敷的CNT与Al壁分隔开。如在图12B中所示， 气隙(~100 nm)远远薄于辐射的波长(对绿色为~550 nm和对红色 为 650 nm)。因此，表明了纳米-CTL的亚波长行为。
在一个实施方案中，纳米级光学装置可用作如在图13中所示的太 阳能电池。在纳米-CTL (通常在650处显示)中的不对称的电极间电 子隧穿是太阳能电池600的整流机理。由于最大场总是在内电极，所以 隧穿是不对称的。因此电子从内电极隧穿至外电极。光伏材料680 (半 导体)可降低在金属-光伏材料界面的带偏移。这将消除在光伏材料中的所有电荷积累，并因此将使得场诱导带弯曲化和所造成的隧穿成为快
速过程。太阳能辐射620通过纳米棒640的纳米天线部分630进入纳米 -CTL 650。足够大的场将引发隧穿，导致在外电极上负电荷积累。可 连接内电极，以提供带正电的电池端子。
图14表示包括第一电导体710和第二电导体720的平行共面波导
700。 在一个实施方案中，第一和第二电导体710和720大约彼此平行。 在一个实施方案中，第一和第二电导体710和720是金属电极。光伏材 料可位于电导体710和720之间的间隔中。在电导体710和720之间的 间隔中也可存在空气或真空。当用光伏材料填充电导体710和720之间 的间隔时，波导作用(waveguiding function )将光能传输给光伏材料， 在此将其转换为电能。
图15表示包括多个电导体710、 720、 730的多层平行共面波导
701。 在一个实施方案中，所述多个电导体大约彼此平行。在一个实施 方案中，所述多个电导体是金属电极。光伏材料可位于所述多个电导体 之间的间隔中。在所述多个电导体之间的间隔中也可存在空气或真空。 当用光伏材料填充所述多个电导体之间的间隔时，波导作用用于将光能 传输给光伏材料，在此将其转换为电能。
一些内电导体可由透明金属制成。例如，在图15中的中间电导体 720可由透明金属制成。对于光学传播模式(即TEM模式)，该结构是 平行共面波导701 (类似于图14),但是具有另外的偏压电极。利用足 够大的电极间间隔可获得多模式传播。
图16表示其中第一电导体710和第二电导体720不是平行的非平 行共面波导702。在一个实施方案中，第一和第二电导体710和720是 金属电极。光伏材料可位于电导体710和720之间的间隔中。电导体710 和720之间的间隔中也可存在空气或真空。当用光伏材料填充电导体 710和720之间的间隔时，波导作用将光能传输给光伏材料，在光伏材 料将其转换为电能。在一个实施方案中，多层形式的非平行共面波导具 有三个或更多的非平行电导体。
图17显示了任意形状的共金属波导703。该结构在传播方向上是
23无变化的。在一个实施方案中，多层形式的任意形状的共金属波导具有
三个或更多层。光伏材料180可位于内导体120和外导体160之间的间 隔中。当用光伏材料180填充内导体120和外导体160之间的间隔时， 波导作用用于将光能传输给光伏材料180,在此将其转换为电能。
内导体、外导体和器件可具有不同的形状，包括但不限于圓的、 正方的、矩形的、环形的、圆柱形的和其它对称和非对称的形状。某些 形状可通过允许增加或降低在阵列上的器件密度而更加高效。本领域技 术人员将认识到，内导体、外导体和器件可具有任意的形状和任意的截 面，并且仍在本发明的精神和范围内。
用作太阳能电池的纳米级光学装置包含多个纳米级共金属结构， 每个结构均包含位于第一电导体和第二电导体之间的光伏材料。该纳米 级光学装置是共金属太阳能电池。
光伏材料的厚度是第一电导体和第二电导体之间的分隔距离。在 一个实施方案中，在第一电导体和第二电导体之间的分隔距离是纳米级 的，因而光伏材料的厚度是纳米级的。通过太阳能由光伏效应所释放的 电荷载流子(电子和空穴)需要移动仅仅纳米级的距离，从而以电流或 电压的形式被收集。光伏材料的厚度应该与载流子扩散长度大约相同或 更小。例如，在非晶硅(Si)中，载流子扩散长度是约100 nm。对于 TEM传播，在共金属结构中的电极间的总的间隔应该与光伏材料大致 相同。
对足够大的电极间间隔，发生多模式传播，其中除了 TEM模式 之外TE (横向电)和/或TM (横向磁)模式也可传播。利用位于内导 体和外导体(还有光伏材料)之间的透明导体或透明导体芯(内导体)
可发生多模式传播。透明导体可具有小于或大于光波长的直径，使得光 除了通过天线的非直接进入之外还可直接进入。透明导体可在一侧或两 侧上具有纳米级厚度的光伏材料。对多模式传播，在共金属结构中的电 极间总的间隔应该与光波长大致相同。
在一个实施方案中，第一电导体的突出部分延伸超出第二导体以 用作天线。衬底可支撑多个纳米级共金属结构。在一个实施方案中，透明导体位于第一电导体和第二电导体之间。
在一个实施方案中，多个共金属结构串联连接，导致总电压为由每 个共金属结构通过光产生的电压的总和。在一个实施方案中，多个共金属 结构并联连接，产生的总电压在由每个共金属结构通过光产生的电压的最 小值和最大值之间。
在光伏太阳能电池中，光能被光伏半导体介质吸收并转移至半导 体价带中的电子。这增加了电子的能量，促使它们进入半导体导带，在 此它们变成可移动的。跃迁至导带的每个电子在价带中留下了空穴。与 电子的负电荷相比，该空穴可被认为是带正电实体，并且该空穴也是可 移动的。当此电子-空穴对产生时，每个电子和空穴必须通过迁移至金 属电极被收集。迁移在电场的影响下发生，同时空穴沿电场方向移动， 电子反方向移动。
太阳能电池中的电场可以几种方式产生，包括肖特基势垒，p-n 结和p-i-n结。肖特基势垒是具有整流特性的金属-半导体结，合适用作 二极管。大多数金属-半导体结内在地形成肖特基势垒。通过形成两个 肖特基势垒， 一个在共金属结构中的各金属-半导体结处，建立合适的 电场。通过以紧密接触的方式将n-型半导体和p-型半导体结合在一起 形成p-n结。p-n结也建立电场。p-i-n结(p-型半导体、#半导体和 n一型半导体)是在p-型半导体和n-型半导体区域之间具有宽的、未掺杂的
^枉半导体区域的结型二极管。对太阳能电池，p-型和n-型区域相对于本 征半导体区域是薄的，并且存在以建立电场。
图18表示具有p-n结的纳米级共轴太阳能电池704。 p-型光伏半 导体层770和n-型光伏半导体层780可互换，这样其中任意一个可邻近 内导体120而另一个邻近外导体160。该太阳能电池是共轴p-n结共金 属太阳能电池。
图19表示具有p-i-n结的纳米级共轴太阳能电池705。 p-型光伏 半导体层770和n-型光伏半导体层780可互换，这样其中任意一个可邻 近内导体120而另一个邻近外导体160。本征半导体层775在p-型770 层和n-型层780之间。该太阳能电池是共轴p-i-n结共金属太阳能电池。太阳能电池包含多个纳米级共轴结构，每个结构包含接触光伏材 料并用外电导体层涂敷的导电芯。该太阳能电池是共轴共金属太阳能电池。
在一个实施方案中，光伏材料接触导电芯的一部分。衬底可支撑 多个纳米级共轴结构。在一个实施方案中，光伏材料包含由光伏半导体 构成的P-11结。在一个实施方案中，光伏材料包含由p-型半导体层、本
征光伏半导体层和n-型半导体层形成的p-i-n结。在一个实施方案中，透 明导体位于导电芯和外电导体层之间。
在一个实施方案中，导电芯的突出部分延伸超出外电导体层以用 作天线。该太阳能电池是具有天线的共轴共金属太阳能电池。
在一个实施方案中，多个共轴结构串联连接，导致总电压为由每个 共金属结构通过光产生的电压的总和。在一个实施方案中，多个共金属结 构并联连接，产生的总电压在由每个共金属结构通过光产生的电压的最小 值和最大值之间。
图20表示具有p-n结的纳米级共面太阳能电池706。 p-型光伏半 导体层770和n-型光伏半导体层780可互换，这样其中任意一个可邻近 第一电导体层7卯而另一个邻近第二电导体层792。该太阳能电池是共 面p-n结共金属太阳能电池。
图21表示具有p-i-n结的纳米级共面太阳能电池707。 p-型光伏 半导体层770和n-型光伏半导体层780可互换，这样其中任意一个可邻 近第一电导体层7卯而另 一个邻近第二电导体层792。本征半导体层775 在p-型770层与n-型层780之间。该太阳能电池是共面p-i-n结共金属 太阳能电池。
太阳能电池包含多个纳米级共面结构，每个结构包含位于第一电 导体层和第二电导体层之间的光伏层；其中光进入第 一 电导体层与第二 电导体层之间的共面结构。该太阳能电池是共面共金属太阳能电池。
在一个实施方案中，第一电导体层与第二电导体层大致平行。衬 底可支撑多个纳米级共面结构。在一个实施方案中，第一电导体层与第二电导体层仅仅通过光伏层电接触。在一个实施方案中，光伏层包含平
面的p-n结。在一个实施方案中，光伏层包含由p-型半导体层、本征光 伏半导体层和n-型半导体层形成的平面p-i-n结。在一个实施方案中，透 明导体位于导电芯和第二导电层之间。
在一个实施方案中，第一导电层的突出部分延伸超出第二导电层。 该太阳能电池是具有天线的共面共金属太阳能电池。
在一个实施方案中，多个共面结构串联连接，导致总电压为由每个 共金属结构通过光产生的电压的总和。在一个实施方案中，多个共金属结 构并联连接，产生的总电压在由每个共金属结构通过光产生的电压的最小 值和最大值之间。
图22表示纳米级共面太阳能电池708的侧视图。在这个实施方案 中，第二金属796位于两个第一金属794之间，光伏材料180位于第一 金属794和第二金属796之间。多个第一金属794可彼此平行或具有角 度。第二金属796和第一金属794可彼此平行或具有角度。第二金属796 也可用作顶部导体。光伏材料180可以是本领域已知或本文描述的任意 的光伏材料、p-n结或p-i-n结结构。当衬底导电和透明时，来自下部的 光能达到光伏材料180,在此将其转换为在纳米级共面太阳能电池中的 电能。
一种用作太阳能电池的纳米级光学装置，包括多个纳米级共轴结 构(该结构包括由涂敷有外导体的光伏材料所包围的内导体)、具有多 个纳米级共轴结构的膜、和延伸超出膜的表面的内导体突出部分。
一种制造太阳能电池的方法，包括用催化材料涂敷衬底；在衬底 上生长多个碳纳米管作为纳米级共轴单元的内芯；用光伏膜涂敷；和用 金属介质涂敷。该方法还包括在用光伏膜涂敷之前氧化衬底。
一种制造太阳能电池的方法，包括用铬层涂敷衬底；在涂敷的衬 底上电沉积催化过渡金属；在涂敷的衬底上生长碳纳米管(CNT)阵列； 蚀刻铬层；利用光伏材料涂敷所述涂敷的衬底和CNT阵列；并利用金 属材料涂敷所述涂敷的衬底和CNT阵列。一种制造太阳能电池的方法，包括制备多个纳米级平面结构；利用 光伏半导体涂敷所述多个平面结构的多个平表面，同时在所述多个平表面 之间留下间隔；和利用外电导体层涂敷所述光伏半导体，其中所述外电导 体层的一部分位于所述平面结构之间以形成共面结构。在一个实施方案 中，光伏材料共形地涂敷所述多个平面结构的多个平表面。光伏材料仅仅 部分地填充各平面结构之间的间隔并且不完全填充间隔。在一个实施方案 中，在光学透明的衬底上制^r属纳米级共面结构，允许来自衬底侧的光 能到达光伏材料，在此将其转换为在太阳能电池中的电能。在一个实施方 案中，在光学不透明的衬底上制M属纳米级共面结构并且顶部金属涂层 是透明的，允许来自顶部金属涂层侧的光到达光伏材料，在此将其转换为 在太阳能电池中的电能。
本文引用的所有专利、专利申请和公开的参考文献通过引用将其全 文并入。应理解，上面公开的各种变化方案和其它的特征和功能或其替代 方案可期望地组合为许多其它的不同系统或应用。本领域技术人员可随后 做出各种当前未预见或未期望的替代、改变、变化或改进，其也被所附权 利要求所包含。
权利要求
1. 一种用作太阳能电池的纳米级光学装置，包括多个纳米级共金属结构，每个所述纳米级共金属结构均包括位于第一 电导体和第二电导体之间的光伏材料。
2. 根据权利要求1所述的纳米级光学装置，还包括延伸超出所述第二电 导体的所述第一电导体的突出部分。
3. 根据权利要求1所述的纳米级光学装置，还包括支撑所述多个纳米级 共金属结构的衬底。
4. 根据权利要求1所述的纳米级光学装置，还包括位于所述第一电导体 和所述第二电导体之间的透明导体。
5. 根据权利要求l所述的纳米级光学装置，其中所述多个共金属结构串 联连接，导致总电压约为由每个共金属结构通过光产生的电压的总和。
6. 根据权利要求1所述的纳米级光学装置，其中所述多个共金属结构并 联连接，产生的总电压在由每个共金属结构通过光产生的电压的最小值和 最大值之间。
7. 根据权利要求1所述的纳米级光学装置，其中所述光伏材料的厚度与 载流子扩散长度大致相同。
8. —种太阳能电池，包括多个纳米级共轴结构，每个所述纳米级共轴结构均包括接触光伏材料 并用外电导体层涂敷的导电芯。
9. 根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述光伏材料接触所述导电 芯的一部分。
10. 根据权利要求8所述的太阳能电池，还包括延伸超出所述外电导体层 的所述导电芯的突出部分。
11. 根据权利要求8所述的太阳能电池，还包括支撑所述多个纳米级共轴 结构的衬底。
12. 根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述光伏材料包含由光伏半 导体形成的p-n结。
13. 根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述光伏材料包含由p-型半 导体层、；M^光伏半导体层和n-型半导体层形成的p-i-n结。
14. 根据权利要求8所述的太阳能电池，还包括位于所述导电芯和所述外 电导体层之间的透明导体。
15. 根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述多个共轴结构串联连接， 导致总电压为由每个共轴结构通过光产生的电压的总和。
16. 根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述多个共轴结构并联连接， 产生的总电压在由每个共轴结构通过光产生的电压的最小值和最大值之 间。
17. 根据权利要求8所述的太阳能电池，其中所述光伏材料的厚度与载流 子扩散长度大致相同。
18. —种太阳能电池，包括多个纳米级共面结构，每个所述纳米级共面结构均包含位于第一导电 层和第二导电层之间的光伏层；其中光ii^所述第 一导电层与所述第二导电层之间的所述共面结构。
19. 根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述第一导电层大致平行于 所述第二导电层。
20. 根据权利要求18所述的太阳能电池，还包括延伸超出所述第二导电层 的所述第 一导电层的突出部分。
21. 根据权利要求18所述的太阳能电池，还包括支撑所述多个纳米级共面 结构的村底。
22. 才艮据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述第一导电层和所述第二 导电层仅仅通过所述光伏层电接触。
23. 根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述光伏层包含平面p-n 结。
24. 根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述光伏层包含由p-型半 导体层、^i光伏半导体层和ii-型半导体层形成的平面p-i-ii结。
25. 根据权利要求18所述的太阳能电池，还包括位于所述第一导电层和所 述第二导电层之间的透明导体。3
26. 根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述多个共面结构串联连接， 导致总电压为由每个共轴结构通过光产生的电压的总和。
27. 根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述多个共面结构并联连接， 产生的总电压在由每个共面结构通过光产生的电压的最小值和最大值之 间。
28. 根据权利要求18所述的太阳能电池，其中所述光伏层的厚度与载流子 扩散长度大致相同。
29. —种制造太阳能电池的方法，包括 制备多个纳米级平面结构；利用光伏半导体涂敷所述多个平面结构的多个平表面，同时在所述多 个平表面之间留下间隔；和利用外电导体层涂敷所述光伏半导体，其中所述外电导体层的一部分 位于所述平面结构之间以形成共面结构。
30. 根据权利要求29所述的方法，其中所述光伏半导体共形地涂敷所述多 个平面结构的多个平表面。
全文摘要
本发明公开了使用纳米级共金属结构的用于太阳能转换的装置和方法。所述共金属结构可以是共轴的和共面的。用作太阳能电池的纳米级光学装置(100)包括多个纳米级共金属结构，每一个纳米级共金属结构均包含位于第一电导体(120)和第二电导体(160)之间的光伏材料(180)。制造太阳能电池的方法包括制备多个纳米级平面结构；用光伏半导体(180)涂敷所述多个平面结构的多个平表面同时在所述多个平表面之间留下间隔；和用外电导体层涂敷所述光伏半导体(180)，其中所述外电导体层的一部分位于所述平面结构之间以形成共面结构。
文档编号H01L25/00GK101313404SQ200680030910
公开日2008年11月26日 申请日期2006年8月24日 优先权日2005年8月24日
发明者任志锋, 克日什托夫·J·肯帕, 迈克尔·J·诺顿, 雅各布·A·雷布琴斯基 申请人:波士顿学院董事会