专利名称：用于发电的基于纳米棒的复合结构的制作方法
技术领域：
所公开的实施例一般地涉及用于光伏能量生产的结构。更具体地，所公开的实施 例涉及使用基于纳米棒的复合物来产生光伏能量的结构。
背景技术：
大量的努力已经被投入到了供作为太阳能电池之用的材料和结构的开发中，而成 效有限。因而，还有开发有效率的、低成本的、稳定的且无毒的用于产生光伏能量的新结构 的需要。
发明内容
本发明通过提供用于产生光伏能量的基于纳米棒的复合结构以及制作这些结构 的方法来解决以上所描述的问题。本发明的一个方面涉及包括具有顶表面和底表面的第一层的制品。第一层包括纳 米线阵列和电介质材料。在纳米线阵列中的纳米线包括具有第一掺杂类型及芯区长度的 芯半导电区；具有第二掺杂类型及壳区长度的壳半导电区；以及具有结区长度的在芯半导 电区和壳半导电区之间的结区。第一掺杂类型不同于第二掺杂类型。壳区长度小于芯区长 度。壳半导电区包围芯半导电区的在与结区长度对应的芯半导电区长度上的一部分。制品 还包括与第一层的顶表面接触的第二层。第二层包含导电材料。制品还包括与第一层的底 表面接触的第三层。第三层包含导电材料。本发明的另一方面涉及包括独立式多层复合物的制品。独立式多层复合物包括具 有顶表面和底表面的第一层。第一层包括纳米线阵列和电介质材料。在纳米线阵列中的纳 米线包括具有第一掺杂类型及芯区长度的芯半导电区；具有第二掺杂类型及壳区长度的 壳半导电区；以及具有结区长度的在芯半导电区和壳半导电区之间的结区。第一掺杂类型 不同于第二掺杂类型。壳区长度小于芯区长度。壳半导电区包围芯半导电区的在与结区长 度对应的芯半导电区长度上的一部分。制品还包括包含导电材料的接触第一层的顶表面 的第二层，以及包含导电材料的接触第一层的底表面的第三层。本发明的另一方面涉及包括复合膜的独立式叠层的制品。在复合膜的叠层中的至 少一些复合膜包括第一层、第二层及第三层。第一层具有顶表面和底表面。第一层包括纳 米线阵列和电介质材料。在纳米线阵列中的纳米线包括具有第一掺杂类型及芯区长度的 芯半导电区；具有第二掺杂类型及壳区长度的壳半导电区；以及具有结区长度的在芯半导 电区和壳半导电区之间的结区。第一掺杂类型不同于第二掺杂类型。壳区长度小于芯区长 度。壳半导电区包围芯半导电区的在与结区长度对应的芯半导电区长度上的一部分。第二 层接触第一层的顶表面并且包含导电材料。第三层接触第一层的底表面并且包含导电材 料。本发明的另一方面涉及一种方法，该方法包括在基板上形成纳米线阵列。对于在 纳米线阵列中的多个纳米线，该方法还包括形成具有第一掺杂类型的芯半导电区，以及形成具有第二掺杂类型的壳半导电区。该方法还包括使纳米线的第一部分嵌入第一电介质 层内；使纳米线的第二部分嵌入第一导电层内，其中纳米线的第二部分与纳米线的第一部 分相邻；使纳米线的第三部分嵌入第二电介质层内，其中纳米线的第三部分与纳米线的第 二部分相邻；从纳米线的第五部分中去除壳半导电区；使纳米线的第五部分的至少一部分 嵌入第三电介质层内；使纳米线的第五部分的至少一部分嵌入第二导电层内，其中第二导 电层处于第三电介质层上；以及去除基板。本发明的另一方面涉及一种方法，该方法包括在基板上形成纳米线阵列。对于在 纳米线阵列中的多个纳米线，该方法还包括形成具有第一掺杂类型的芯半导电区，以及形 成具有第二掺杂类型的壳半导电区。该方法还包括使纳米线的第一部分嵌入第一掩蔽层 内；使纳米线的第二部分嵌入第一导电层内，其中纳米线的第二部分与纳米线的第一部分 相邻；使纳米线的第三部分嵌入第一电介质层内，其中纳米线的第三部分与纳米线的第二 部分相邻；使纳米线的第四部分嵌入第二掩蔽层内，其中纳米线的第四部分与纳米线的第 三部分相邻；从纳米线的第五部分中去除壳半导电区，其中纳米线的第五部分与纳米线的 第四部分相邻；从纳米线的第四部分中去除第二掩蔽层；使纳米线的第五部分的至少一部 分嵌入第二电介质层内；使纳米线的第五部分的至少一部分嵌入第二导电层内，其中第二 导电层处于第二电介质层上；去除第一掩蔽层；以及去除基板。本发明的另一方面涉及一种方法，该方法包括在基板上形成纳米线阵列。对于在 纳米线阵列中的多个纳米线，该方法还包括形成具有第一掺杂类型的芯半导电区，以及形 成具有第二掺杂类型的壳半导电区。方法还包括使纳米线的第一部分嵌入掩蔽层内；从 纳米线的第二部分中去除壳半导电区，其中纳米线的第二部分与纳米线的第一部分相邻； 使纳米线的第二部分的至少一部分嵌入电介质层内，其中电介质层处于掩蔽层上；去除基 板；去除掩蔽层；使纳米线的第二部分的至少一部分嵌入第一导电层内，其中第一导电层 处于电介质层上；以及使纳米线的第一部分的至少一部分嵌入第二导电层内，其中第二导 电层与电介质层的底面相邻。本发明的另一方面涉及一种方法，该方法包括在基板上形成纳米线阵列。对于在 纳米线阵列中的多个纳米线，该方法还包括形成具有第一掺杂类型的芯半导电区，以及形 成具有第二掺杂类型的壳半导电区。该方法还包括使纳米线阵列嵌入电介质材料内；去 除基板；从纳米线的第一部分中去除电介质材料的一部分，由此使纳米线的第一部分暴露； 从各个纳米线中去除在纳米线的暴露的第一部分内的壳半导电区；使纳米线的第一部分的 至少一部分嵌入第一导电层内，其中第一导电层与电介质层的第一侧相邻；从电介质层的 第二侧中去除电介质材料的一部分，其中电介质层的第二侧与电介质层的第一侧相反，由 此使纳米线的第二部分暴露；以及使纳米线的第二部分的至少一部分嵌入第二导电层内。 第二导电层与电介质材料层的第二侧相邻。因而，本发明提供用于光伏能量生产的基于纳米棒的复合结构以及制作这些结构 的方法。此类结构和方法是有效率的、低成本的、稳定的、以及无毒的。
为了更好地理解本发明的上述方面以及另加的方面及它们的实施例，将在下文参 考下列附图来描述实施例，在附图中相似的附图标记指示全部附图中的相应部分。为了清晰起见，在一些附图中的特征没有按比例绘制。图1-9是示出制作根据一些实施例的基于纳米棒的复合物的方法的示意性截面。图10-18是示出制作根据一些实施例的基于纳米棒的复合物的方法的示意性截 图19-25是示出制作根据一些实施例的基于纳米棒的复合物的方法的示意性截图26A-26C是根据一些实施例的制品的示意性截面。图27是根据一些实施例的制品的示意性截面。图28是根据一些实施例的纳米棒的示意性截面。图29-34是示出制作根据一些实施例的基于纳米棒的复合物的方法的示意性截图35A-35C是示出根据一些实施例的制品的截面。图36是根据一些实施例的制品的示意性截面。图37是根据一些实施例的纳米棒的示意性截面。图38是单晶硅纳米棒的一部分的透射电子显微镜图像。图39是单晶硅纳米棒的一部分的透射电子显微镜图像。图40是单晶硅纳米棒的扫描电子显微镜图像。图41是嵌入独立式聚合物膜内的多个单晶硅纳米棒的扫描电子显微镜图像。图42是基于单晶硅纳米棒的复合物的二极管行为的电流_电压图。
具体实施例方式所公开实施例涉及使用基于纳米棒的复合物来产生光伏能量的结构以及制作这 些结构的方法。在本说明书和权利要求书中所使用的“纳米棒”或等同的“纳米线”指的是 具有亚微米的截面尺寸且纵横比大于5的无机结构。例如，直径为300nm且长度为10微米 的圆柱形的硅基棒是纳米棒/纳米线。在以下描述中，阐述了众多的具体细节以使本发明能得以全面理解。但是，对本领 域技术人员而言清楚的是本发明在没有这些具体细节的的情况下也可以实施。在其它实例 中，没有对为本领域技术人员所熟知的方法、工艺及元件进行详细描述以免混淆本发明的 方面。应当理解，当一层被称为处于另一层“上”时，则它能够直接位于另一层上或者也 可以存在中间层。相对照地，当一层被称为“接触”另一层时，则没有中间层存在。还应当理解，虽然词语第一、第二等在此可以被用来描述不同的元素，但是这些元 素不应该由这些词语所限定。这些词语只是被用来使一个元素区别于另一个元素。例如， 在不脱离本发明的范围的情况下，第一层可以被称为第二层，以及类似地，第二层可以被称 为第一层。在本发明的描述中所使用的术语在此只是为了描述具体实施例的目的而并非意 指是对本发明的限定。如同在本发明的描述和所附的权利要求书中所使用的，单数形式的 “一”、“一个”及“该”意指同样包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还应当理解，在此 所使用的词语“和/或”指的是以及包括相关联的列出项中的一个或更多个以及全部可能组合。还应当理解，词语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，指定存在所述的特 征、整体、步骤、操作、元素和/或元件，但是并不排除存在或添加一个或更多个其它特征、 整体、步骤、操作、元素、元件和/或它们的组。本发明的实施例在此参考作为本发明的理想化实施例(以及中间结构)的示意图 的截面示图来描述。由此，应当预料到由例如制造技术和/或容差所引起的示图形状的变 化。因而，本发明的实施例不应该被解释成限定于在此所示出的具体区域形状而应当包括 由例如制造所引起的形状的偏差。因而，在附图中所示出的区域在性质上是示意性的，它们 的形状并非意指要示出器件的区域的实际形状，以及并非意指限定本发明的范围。除非另有定义，在本发明的公开的实施例中所使用的全部术语，包括技术及科学 的术语，具有如同本发明所属的领域的技术人员通常理解的那样的相同意思，而未必限定 于在描述本发明时所已知的具体定义。因此，这些术语可以包括此时之后所创造的等同的 术语。还应当理解，术语，例如在通常使用的词典中所定义的那些，应当被理解为具有与它 们在本说明书中以及在相关领域的背景中的意思一致的意思而不应当被理解成理想化的 或者过于形式的意义，除非在此明确这样定义。所有出版物、专利申请、专利，以及在此所提 及的其它参考文献通过援引而将其全文加入本申请。图1-9是示出制作根据一些实施例的基于纳米棒的复合物的方法的示意性截面。纳米线阵列形成于基板上(图1A)。在一些实施例中，纳米线阵列由汽_液-固 (VLS)生长(例如，如同下面进一步描述的)所形成。在一些实施例中，纳米线阵列通过湿 法蚀刻基板而形成。对于在纳米线阵列中的多个纳米线芯半导电区以第一掺杂类型来形成，而壳半 导电区以第二掺杂类型来形成(例如，图IB和图1D)。在一些实施例中，未掺杂区形成于芯 半导电区和壳半导电区之间(例如，图1C、图IE及图39)。在一些实施例中，纳米线具有截 面为圆形的圆柱形状(例如，图IB和图1C)。在一些实施例中，纳米线具有多边形的截面 (例如，图1D、图IE及图40)。纳米线的第一部分被嵌入第一电介质层内(图2)。在一些实施例中，第一电介质 层包括聚合物。在一些实施例中，第一电介质层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在一些实施 例中，第一电介质层包括聚二甲苯基的聚合物(polyxylylene polymer)，例如聚对二甲苯。纳米线的第二部分被嵌入第一导电层内(图3)。纳米线的第二部分与纳米线的第 一部分相邻(图3)。在一些实施例中，第一导电层包括金属。在一些实施例中，第一导电层 包括氧化铟锡(ΙΤ0)。在一些实施例中，第一导电层包括Ti、Au或Pd。纳米线的第三部分被嵌入第二电介质层内(图4)。纳米线的第三部分与纳米线的 第二部分相邻(图4)。在一些实施例中，第二电介质层包括聚合物。在一些实施例中，第二 电介质层包括PDMS。在一些实施例中，第二电介质层包括聚二甲苯基的聚合物，例如聚对二 甲苯。纳米线的第四部分被嵌入掩蔽层内(图5)。纳米线的第四部分与纳米线的第三部 分相邻(图5)。在一些实施例中，掩蔽层是光致抗蚀剂。壳半导电区被从纳米线的第五部分中去除(图6)。纳米线的第五部分与纳米线的 第四部分相邻(图6)。掩蔽层被从纳米线的第四部分中去除(图7)。纳米线的第五部分的至少一部分被嵌入第三电介质层内(图7)。在一些实施例中，第三电介质层包括聚合物。在一些实施例 中，第三电介质层包括PDMS。在一些实施例中，第三电介质层包括聚二甲苯基的聚合物，例 如聚对二甲苯。纳米线的第五部分的至少一部分被嵌入第二导电层内(图8)。第二导电层处于第 三电介质层上(图8)。在一些实施例中，第二导电层包括金属。在一些实施例中，第二导电 层包括ΙΤ0。基板被去除(图9)。图10-18是示出制作根据一些实施例的基于纳米棒的复合物的方法的示意性截纳米线阵列形成于基板上(图10A)。在一些实施例中，纳米线阵列由VLS(例如， 如同下面进一步描述的)所形成。在一些实施例中，纳米线阵列通过湿法蚀刻基板而形成。对于在纳米线阵列中的多个纳米线芯半导电区以第一掺杂类型来形成；壳半导 电区以第二掺杂类型来形成(例如，图IOB和图10D)。在一些实施例中，未掺杂区形成于芯 半导电区和壳半导电区之间(例如，图10C、图IOE及图39)。在一些实施例中，纳米线具有 截面为圆形的圆柱形状(例如，图IOB和图10C)。在一些实施例中，纳米线具有多边形的截 面(例如，图10D、图IOE及图40)。纳米线的第一部分被嵌入第一掩蔽层内(图11)。在一些实施例中，该掩蔽层是光 致抗蚀剂。纳米线的第二部分被嵌入第一导电层内(图12)。纳米线的第二部分与纳米线的 第一部分相邻(图12)。纳米线的第三部分被嵌入第一电介质层内(图13)。纳米线的第三部分与纳米线 的第二部分相邻(图13)。在一些实施例中，第一电介质层包括聚合物。在一些实施例中， 第一电介质层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在一些实施例中，第一电介质层包括聚二甲苯 基的聚合物，例如聚对二甲苯。纳米线的第四部分被嵌入第二掩蔽层内(图14)。纳米线的第四部分与纳米线的 第三部分相邻(图14)。在一些实施例中，第二掩蔽层是光致抗蚀剂。壳半导电区被从纳米线的第五部分中去除(图15)。纳米线的第五部分与纳米线 的第四部分相邻(图15)。第二掩蔽层被从纳米线的第四部分中去除(图16)。纳米线的第五部分的至少一 部分被嵌入第二电介质层内(图16)。在一些实施例中，第二电介质层包括聚合物。在一些 实施例中，第二电介质层包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在一些实施例中，第二电介质层包括 聚二甲苯基的聚合物，例如聚对二甲苯。纳米线的第五部分的至少一部分被嵌入第二导电层内(图17)。第二导电层处于 第二电介质层上(图17)。第一掩蔽层被去除，并且基板被去除(图18)。图19-25是示出制作根据一些实施例的基于纳米棒的复合物的方法的示意性截 纳米线阵列形成于基板上(图19A)。在一些实施例中，纳米线阵列由VLS(例如， 如同下面进一步描述的)所形成。在一些实施例中，纳米线阵列通过湿法蚀刻基板而形成。
对于在纳米线阵列中的多个纳米线芯半导电区以第一掺杂类型来形成；以及壳 半导电区以第二掺杂类型来形成(例如，图19B和图19D)。在一些实施例中，未掺杂区形成 于芯半导电区和壳半导电区之间(例如，图19C、图19E及图39)。在一些实施例中，纳米线 具有截面为圆形的圆柱形状(例如，图19B和图19C)。在一些实施例中，纳米线具有多边形 的截面(例如，图19D、图19E及图40)。纳米线的第一部分被嵌入掩蔽层内(图20)。在一些实施例中，掩蔽层是光致抗蚀 剂。壳半导电区被从纳米线的第二部分中去除(图21)。纳米线的第二部分与纳米线 的第一部分相邻(图21)。纳米线的第二部分的至少一部分被嵌入电介质层内(图22)。电介质层处于掩蔽 层上(图22)。在一些实施例中，电介质层包括聚合物。在一些实施例中，电介质层包括聚 二甲基硅氧烷(PDMS)。在一些实施例中，电介质层包括聚二甲苯基的聚合物，例如聚对二甲苯。基板被去除(图23)。掩蔽层被去除(图24)。纳米线的第二部分的至少一部分被嵌入第一导电层内，其中第一导电层处于电介 质层上(图25)。纳米线的第一部分的至少一部分被嵌入第二导电层内，其中第二导电层与 电介质层的底面相邻(图25)。图26-34是示出制作根据一些实施例的基于纳米棒的复合物的方法的示意性截面。纳米线阵列形成于基板上(图26A)。在一些实施例中，纳米线阵列由VLS(例如， 如同下面进一步描述的)所形成。在一些实施例中，纳米线阵列通过湿法蚀刻基板而形成。对于在纳米线阵列中的多个纳米线芯半导电区以第一掺杂类型来形成；以及壳 半导电区以第二掺杂类型来形成(例如，图26B和图26D)。在一些实施例中，未掺杂区形成 于芯半导电区和壳半导电区之间(例如，图26C、图26E及图39)。在一些实施例中，纳米线 具有截面为圆形的圆柱形状(例如，图26B和图26C)。在一些实施例中，纳米线具有多边形 的截面(例如，图26D、26E和图40)。纳米线阵列被嵌入电介质材料内(图27)。纳米线的顶部完全地嵌入电介质材料 之内。在一些实施例中，电介质材料包括聚合物。在一些实施例中，电介质材料包括聚二甲 基硅氧烷(PDMS)。在一些实施例中，电介质材料包括聚二甲苯基的聚合物，例如聚对二甲苯。基板被去除(图28)。电介质材料的一部分被从纳米线的第一部分中去除，由此使纳米线的第一部分暴 露(图29)。在一些实施例中，等离子体蚀刻可以被用来在不破坏纳米线的情况下去除电介 质材料(例如，聚对二甲苯)的一部分。在纳米线的暴露的第一部分中的壳半导电区被从各个纳米线中去除(图30)。通过例如将第一导电层沉积于纳米线的第一部分上使纳米线的第一部分的至少 一部分嵌入第一导电层内(图31)。第一导电层与电介质层的第一侧相邻(图31)。电介质材料的一部分被从电介质层的第二侧中去除，其中电介质层的第二侧与电介质层的第一侧相反(图32)，由此使纳米线的第二部分暴露。在一些实施例中，该部分电 介质材料(例如，聚对二甲苯)通过等离子体蚀刻去除。通过例如将第二导电层沉积于纳米线阵列的第二部分上使纳米线的第二部分的 至少一部分嵌入第二导电层内(图33)。第二导电层与电介质材料层的第二侧相邻(图
33)。第一封装层沉积于第一导电层上(图34)。第二封装层沉积于第二导电层上(图
34)。在一些实施例中，所述封装层包括聚氨酯树脂。图35A-35C是根据一些实施例的制品的示意性截面。制品包括具有顶表面和底表面的第一层。第一层包括纳米线阵列和电介质材料。在纳米线阵列中的纳米线包括·具有第一掺杂类型及芯区长度的芯半导电区；·具有第二掺杂类型及壳区长度的壳半导电区；以及·具有结区长度的在芯半导电区和壳半导电区之间的结区(图35B)。在一些实施例中，纳米线的宽度/直径可以为100 1000nm、100 400nm、200 300nm，或者可以为大约250nm。第一掺杂类型不同于第二掺杂类型。壳区长度小于芯区长度(图35A)。壳半导电 区包围芯半导电区的在与结区长度对应的芯半导电区长度上的一部分。制品还包括与第一层的顶表面接触的第二层。第二层包括导电材料。制品还包括与第一层的底表面接触的第三层。第三层包括导电材料。在一些实施例中，纳米线阵列被嵌入电介质材料内。在一些实施例中，在第一层中 的电介质材料包括聚合物。在一些实施例中，在第一层中的电介质材料包括PDMS。在一些 实施例中，在第一层中的电介质材料包括硅酮。在一些实施例中，电介质材料包括聚二甲苯 基的聚合物，例如聚对二甲苯。在一些实施例中，第一掺杂类型是ρ型，第二掺杂类型是η型。在一些实施例中， 第一掺杂类型是η型，第二掺杂类型是P型。在一些实施例中，芯区长度可以为Ιμπι lmm、50 200μπι、50 100μπι、80 100 μ m，或者可以为大约100 μ m。在一些实施例中，纳米线包括硅。在一些实施例中，在纳米线阵列中的各个纳米线 包括单晶硅。在一些实施例中，各个单晶纳米线包括具有第一掺杂类型(例如，P型)的单 晶的芯半导电区以及具有第二掺杂类型(例如，η型)的单晶的壳半导电区。在一些实施 例中，各个单晶纳米线包括具有第一掺杂类型(例如，ρ型)的单晶的芯半导电区、具有第 二掺杂类型(例如，η型)的单晶的壳半导电区、以及在芯半导电区和壳半导电区之间的单 晶的未掺杂区(例如，图39和40)。在一些实施例中，纳米线包括锗。在一些实施例中，纳米线包括硅-锗。在一些实 施例中，纳米线包括InGaN。在一些实施例中，纳米线包括GaAs。在一些实施例中，纳米线 包括III-V或II-VI半导体。在一些实施例中，芯区由第一半导电材料制成，壳区由不同于第一半导电材料的 第二半导电材料制成。例如，纳米线可以用各种芯-壳材料组合制成，例如硅芯/锗壳、锗 芯/硅壳、硅芯/III-V半导体壳、硅芯/II-VI半导体壳、锗芯/III-V半导体壳或者锗芯/
10II-VI半导体壳。在一些实施例中，壳区长度为芯区长度的50 95%。在一些实施例中，壳区长度 为芯区长度的80 90%。在一些实施例中，壳区长度与结区长度是相同的或者是基本上相 同的。在一些实施例中，第二层包括金属。在一些实施例中，第二层包括ΙΤ0。在一些实施例中，第三层包括金属。在一些实施例中，第三层包括ΙΤ0。在一些实施例中，在纳米线阵列中的纳米线包括在芯半导电区和壳半导电区之间 的未掺杂区(例如，图35C和图39)。在一些实施例中，制品包括在第二层上的封装层。在一些实施例中，制品包括在第 三层上的封装层。在一些实施例中，制品包括在第二层和第三层两者上的封装层。在一些实施例中，制品包括在第二层上的聚合物封装层。在一些实施例中，制品包 括在第三层上的聚合物封装层。在一些实施例中，制品包括在第二层和第三层两者上的聚 合物封装层。在一些实施例中，所述聚合物封装层包括聚氨酯树脂。在一些实施例中，独立式的多层复合物包括具有顶表面和底表面的第一层。第一 层包括纳米线阵列和电介质材料。在纳米线阵列中的纳米线包括·具有第一掺杂类型及芯区长度的芯半导电区；·具有第二掺杂类型及壳区长度的壳半导电区；以及·具有结区长度的在芯半导电区和壳半导电区之间的结区。第一掺杂类型不同于第二掺杂类型。壳区长度小于芯区长度。壳半导电区包围芯 半导电区的在与结区长度对应的芯半导电区长度上的一部分。独立式的多层复合物包括包含导电材料的接触第一层的顶表面的第二层，以及包 含导电材料的接触第一层的底表面的第三层。在没有传统的多结太阳能电池制造商所面对的晶格匹配问题的情况下，基于纳米 棒的复合物使多层的薄膜太阳能电池能够容易地堆叠。通过将多个独立式的复合膜堆叠起 来，能够增加效率。不同的膜可以包含具有不同带隙的不同半导体材料以使阳光的吸收最 大化。在叠层内的不同膜中的芯_壳结构还可以根据长度、密度、层厚度、芯-壳转换等而 改变。图36是根据一些实施例的制品的示意性截面。制品包括复合膜的独立式叠层。在 复合膜叠层中的至少一些复合膜包括具有顶表面和底表面的第一层。第一层包括纳米线阵 列和电介质材料。在纳米线阵列中的纳米线包括·具有第一掺杂类型及芯区长度的芯半导电区；·具有第二掺杂类型及壳区长度的壳半导电区；以及·具有结区长度的在芯半导电区和壳半导电区之间的结区。第一掺杂类型不同于第二掺杂类型。壳区长度小于芯区长度。壳半导电区包围芯 半导电区的在与结区长度对应的芯半导电区长度上的一部分。在复合膜叠层中的至少一些复合膜还包括包含导电材料的接触第一层的顶表面 的第二层，以及包含导电材料的接触第一层的底表面的第三层。图37是根据一些实施例的纳米棒的示意性截面。在图37中，纳米棒具有多层的 共轴结构，例如两个或更多的p-i-n层或p-n层。
如上文所述，在一些实施例中，纳米棒使用汽-液-固(VLS)生长工艺来形成。在 一些实施例中，纳米棒通过下列方式来形成。薄的催化剂层形成于基板上。例如，<111>硅基板由金薄层(例如，5nm厚的层) 或纳米尺寸的金胶体层(例如，150 200nm厚的层)所涂覆。在一些实施例中，金合金可 以用作催化剂。在一些实施例中，诸如镍、铜或它们的合金的其它金属可以用作催化剂。在一些实施例中，在金(或其它金属)的薄层沉积之后，对具有金属层的基板退 火。对于在<111>硅上的金膜，退火可以在400 700°C下，或者更优选地在550 650°C 下执行。在一些实施例中，退火在流动氢气的环境中执行。例如，具有5nm厚的金催化剂层 的<111>硅基板可以在600°C下退火30分钟。该退火将金属薄层分解成用于VLS生长的隔 离的催化剂颗粒。在一些实施例中，各个纳米棒的芯半导电区通过在CVD腔室内400 500°C下使硅 烷、氢气及乙硼烷(用于芯区的P型掺杂)流过已退火的<111>硅基板上来形成。示例性 的处理参数是· 460 的生长温度· 40 100托(torr)的总压力(例如，50托)· 50sccm的2%硅烷(具有平衡氩气或其它惰性气体)· IOsccm 的氢气 · IOsccm的IOOppm乙硼烷(具有平衡氩气或其它惰性气体)对于这些处理参数，纳米棒按大约1. 0 1. 5 μ m/分钟的速度生长。在一些实施例中，通过使硅烷和乙硼烷停止流过，增加CVD腔室温度(例如，达到 6400C )，并且然后在640°C及50托的总压力下使IOsccm的2%硅烷(具有平衡氩气或其它 惰性气体)及eOsccm的氢气流过直至达到所期望的未掺杂的半导电区厚度，来形成各个纳 米棒的未掺杂的半导电区使之与芯半导电区相邻。在一些实施例中，通过在640°C及50托的总压力下使IOsccm的2%硅烷(具有平 衡氩气或其它惰性气体)、5sCCm的IOOppm磷化氢(具有平衡氩气或其它惰性气体)以及 eOsccm的氢气流过直至达到所期望的壳半导电区厚度，来形成各个纳米棒的壳半导电区使 之与未掺杂的半导电区相邻(或者如果不存在未掺杂的半导电区则与芯半导电区相邻)。然后使纳米棒冷却(例如，在流动的氢气中)。先前的处理参数只是示例性的。给出这些参数，本领域技术人员应当能够对这些 参数作出调整以改变纳米棒的长度，以及芯区、未掺杂区(若存在)及壳区的厚度和掺杂水平。图38是单晶硅纳米棒的一部分的透射电子显微镜图像。纳米棒使用以上所描述 的VLS生长工艺来制成。图像在方框3804内的部分在图39中进一步放大。图39是单晶硅纳米棒的一部分的透射电子显微镜图像。单晶的未掺杂的半导电 区3904与芯半导电区3802相邻。(已经给图像添加了线3908以指示在芯区3802和未掺 杂区3904之间的边界)。依次地，单晶的壳半导电区3906与未掺杂的半导电区3804相邻。 (已经给图像添加了线3910以指示在未掺杂区3904和壳区3906之间的边界)。与硅中的 原子面对应的连续边缘(fringe)在全部三个区域3802、3804和3906中是明显的。这些边 缘示出了区域3802、3804和3906的单晶性质。
图40是单晶硅纳米棒的扫描电子显微镜图像。纳米棒使用以上所描述的VLS生 长工艺来制成。在图像中所看到的刻面是因纳米棒的单晶性质以及所使用的生长条件所致 的。与具有非晶硅或多晶硅区域的纳米棒相比，预期单晶硅纳米棒具有较高的光生少 数电荷载流子迁移率。因而，与使用具有非晶硅或多晶硅区域的纳米棒的复合物相比，使用 单晶硅纳米棒的复合结构应当产出具有较高的能量转换效率的光伏器件。图41是嵌入于独立式聚合物膜4104内的多个单晶硅纳米棒的扫描电子显微镜图 像。纳米棒是在圆4102(作为视觉辅助示出的)之内的白棒。纳米棒穿透膜并且通过膜传 导。但是纳米棒在膜的底面部分之外的突出在该图像中是不可见的。图42是基于单晶硅纳米棒的复合物的二极管行为的电流_电压图。以上所描述的基于纳米棒的复合物可以被加入到光伏能量转换器件和系统内。使 复合物暴露于阳光下将经由光伏效应来发电。为了解释的目的，以上描述已经参考具体实施例来描述。但是，以上的说明性的讨 论并非意指是穷尽的或者将本发明限定于所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多修改和 变化是可能的。为了最佳地解释本发明的原理及其实际应用而选择并描述了实施例，由此 使本领域技术人员能够最佳地利用本发明以及具有适合于预期的具体用途的各种修改的 各种实施例。
权利要求
一种制品，包括包含纳米线阵列和电介质材料的具有顶表面和底表面的第一层；其中所述纳米线阵列内的纳米线包括具有第一掺杂类型及芯区长度的芯半导电区；具有第二掺杂类型及壳区长度的壳半导电区；以及具有结区长度的在所述芯半导电区和所述壳半导电区之间的结区；其中所述第一掺杂类型不同于所述第二掺杂类型；其中所述壳区长度小于所述芯区长度；其中所述壳半导电区包围所述芯半导电区的在与所述结区长度对应的所述芯半导电区的长度上的一部分；包含导电材料的接触所述第一层的所述顶表面的第二层；以及包含导电材料的接触所述第一层的所述底表面的第三层。
2.根据权利要求1所述的制品，其中所述纳米线阵列嵌入于所述电介质材料内。
3.根据权利要求1所述的制品，其中在所述第一层内的所述电介质材料包括聚合物。
4.根据权利要求1所述的制品，其中在所述第一层内的所述电介质材料包括聚二甲苯 基的聚合物。
5.根据权利要求1所述的制品，其中在所述第一层内的所述电介质材料包括聚对二甲苯。
6.根据权利要求1所述的制品，其中所述第一掺杂类型是P型，所述第二掺杂类型是η型。
7.根据权利要求1所述的制品，其中所述第一掺杂类型是η型，所述第二掺杂类型是P型。
8.根据权利要求1所述的制品，其中所述芯区长度为50 200μπι。
9.根据权利要求1所述的制品，其中在所述纳米线阵列内的各个纳米线都包含单晶娃。
10.根据权利要求1所述的制品，其中所述壳区长度为所述芯区长度的50 95%。
11.根据权利要求1所述的制品，其中所述壳区长度为所述芯区长度的80 90%。
12.根据权利要求1所述的制品，其中所述壳区长度与所述结区长度相同或基本相同。
13.根据权利要求1所述的制品，包括在所述芯半导电区和所述壳半导电区之间的未 掺杂区。
14.根据权利要求1所述的制品，包括在所述第二层和所述第三层两者上的封装层。
15.一种制品，包括具有第一层、第二层和第三层的独立式多层复合物，所述第一层 包含纳米线阵列及电介质材料且具有顶表面及底表面；其中在所述纳米线阵列内的纳米线 包括具有第一掺杂类型及芯区长度的芯半导电区； 具有第二掺杂类型及壳区长度的壳半导电区；以及 具有结区长度的在所述芯半导电区和所述壳半导电区之间的结区； 其中所述第一掺杂类型不同于所述第二掺杂类型； 其中所述壳区长度小于所述芯区长度；其中所述壳半导电区包围所述芯半导电区的在与所述结区长度对应的所述芯半导电 区的长度上的一部分；所述第二层包含导电材料并接触所述第一层的所述顶表面；以及 所述第三层包含导电材料并接触所述第一层的所述底表面。
16.一种方法，包括 在基板上形成纳米线阵列；对于所述纳米线阵列中的多个纳米线 形成具有第一掺杂类型的芯半导电区； 形成具有第二掺杂类型的壳半导电区； 使所述纳米线阵列嵌入电介质材料内； 去除所述基板；从所述纳米线的第一部分中去除所述电介质材料的一部分，由此使所述纳米线的所述第一部分暴露；从各个纳米线中去除在所述纳米线的所述暴露的第一部分内的壳半导电区； 使所述纳米线的所述第一部分的至少一部分嵌入第一导电层内，其中所述第一导电层 与所述电介质层的第一侧相邻；从所述电介质层的第二侧去除所述电介质材料的一部分，其中所述电介质层的所述第 二侧与所述电介质层的所述第一侧相反，由此使所述纳米线的第二部分暴露；以及使所述纳米线的所述第二部分的至少一部分嵌入第二导电层，其中所述第二导电层与 所述电介质材料层的所述第二侧相邻。
17.根据权利要求16所述的方法，包括形成在所述芯半导电区和所述壳半导电区之间 的未掺杂区。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述电介质材料包括聚二甲苯基的聚合物。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述电介质材料包括聚对二甲苯。
20.根据权利要求16所述的方法，包括在所述第一导电层上沉积第一封装层以及在所述第二导电层上沉积第二封装层。
全文摘要
公开了用于发电的基于纳米棒的复合结构。一个实施例是包括具有纳米线阵列和电介质材料的第一层的制品。纳米线包括具有第一掺杂类型的芯半导电区；具有第二掺杂类型的壳半导电区；以及在芯半导电区和壳半导电区之间的结区。第一掺杂类型不同于第二掺杂类型。壳区长度小于芯区长度。壳半导电区包围芯半导电区的在与结区长度对应的芯半导电区长度上的一部分。包含导电材料的第二层接触第一层的顶表面。包含导电材料的第三层接触第一层的底表面。
文档编号H01L31/042GK101971360SQ200980108798
公开日2011年2月9日 申请日期2009年2月9日 优先权日2008年2月8日
发明者齐鹏飞 申请人:清洁电池国际股份有限公司