CN101820010B

CN101820010B - 一种一维阵列纳米结构太阳能电池及其制备方法

Info

Publication number: CN101820010B
Application number: CN2009102648569A
Authority: CN
Inventors: 储建根; 郑振生; 张宏勇
Original assignee: Jiangsu Huachuang Photoelectric Technology Co Ltd
Current assignee: GD Solar Co., Ltd.; Guodian New Energy Technology Institute; National Electric Zhaojing Optoelectronic Technology Jiangsu Co., Ltd.
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: CN101820010A

Abstract

本发明公开了一种一维阵列纳米结构太阳能电池及其制备方法，包括基底，所述基底上依次为第一电极层、第一吸收层、介质层、第二吸收层以及第二电极层，所述介质层内设有呈纳米阵列结构排列的i型半导体，所述i型半导体连通第一吸收层和第二吸收层构成光电转换单元。本发明利用一维纳米阵列结构的量子限制效应提高载流子的收集几率，从而使太阳能电池的转化效率提高8％-15％。本发明可制成双面受光或多结结构，便于在航天，军事等特殊场合的应用。

Description

一种一维阵列纳米结构太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，特别是一种一维阵列纳米结构太阳能电池及其制备方法。

背景技术

人类就一直面临着找到利用能源方法的挑战。上个世纪，现代文明已依赖于作为重要能源的石化能源。石化能源包括煤、天然气和石油。基于地球上可用总量，石化能源有限且不可再生，另外，由于汽车和使用石化产品的增加，石化能源正成为相当稀缺的资源，随着时间的流逝其最终将耗尽。

随着现代工业的发展，一方面加大对能源的需求，另一方面在常规能源的使用中释放出大量的二氧化碳气体，导致全球的“温室效应”，为此各国力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源。最近，清洁能源的地位已越来越重要。

太阳能具有“取之不尽，用之不竭”的特点，而利用太阳能发电具有环保等优点，且不必考虑其安全性问题。所以在发达国家等到了高度重视，比如欧盟国家计划在2010年太阳能发电转换的电力所占总电力的1.5％，美国启动了“百万屋顶”计划，在能源短缺，环境保护问题日益严重的我国，低成本高效率的利用太阳能尤为重要。

虽然太阳能作为一种重要的清洁能源已在一定程度上获得了很大的成功，但其在技术和应用方面仍存在不少缺陷和不足。目前主要的太阳能技术基于晶体硅，包括单晶硅和多晶硅，它们能满足太阳能使用的一般要求，但是它具有以下缺点：1、在生产中需要大量的能量，在硅的冶炼过程中对环境有污染；2、转换效率有待提高；3、成本过高，不利于普及。

光伏技术发展的趋势降低成本和提高转换效率。以非晶硅薄膜电池为代表的第二代薄膜电池，其成本相对于晶硅电池已大幅下降，但由于其材料自身存在的缺陷，所以决定着其相对低的转换效率。

随着纳米技术的发展，其应用越来越广泛。纳米结构材料由于具有高的表面态，可以提高光的吸收系数，并具有量子限制效应等常规材料没有的优点，使其在光伏电池技术中的作用更加明显。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种一维阵列纳米结构太阳能电池及其制备方法。

技术方案：本发明公开了一种一维阵列纳米结构太阳能电池，包括基底，所述基底上依次为第一电极层、第一吸收层、介质层、第二吸收层以及第二电极层，所述介质层内设有呈纳米阵列结构排列的i型半导体，所述i型半导体连通第一吸收层和第二吸收层构成光电转换单元，利用一维纳米结构的量子限制效应使一维纳米阵列作为载流子通道，提高载流子的收集几率，从而提高光电转换效率。其纳米结构镶嵌于薄膜介质层中，并相互平行，垂直生长。

本发明中，所述i型半导体的材质为铜的氧化物、氧化锌、二氧化钛以及氧化铁中的任意一种含金属氧化物。

本发明中，所述i型半导体的材质为Cu₂S、FeS、SnS中的任意一种金属硫化物。

本发明中，所述i型半导体的材质为硅、锗、硒中的任意一种IV族半导体材料。或者III-V族化合物材料(例如，GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(例如，CdTe等)。

本发明中，所述i型半导体的材质为单晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅、微晶锗硅中的任意一种。

本发明中，所述呈纳米阵列结构排列的i型半导体为相互隔离、平行的纳米棒或者纳米丝结构，所述纳米棒或者纳米丝长度为500nm～1000nm，截面为直径为5nm～50nm的圆形，或者截面为边长为5nm～50nm的正多边形，或者截面为对角线为5nm～50nm的正多边形。

本发明中，所述介质层的材质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种，满足与一维纳米阵列有很好的晶格匹配。

本发明中，一种方案，所述第一吸收层为p型吸收层，第二吸收层为n型吸收层，所述p型吸收层、i型半导体以及n型吸收层构成p-i-n结。

本发明中，另一种方案，所述第一吸收层为n型吸收层，第二吸收层为p型吸收层，所述n型吸收层、i型半导体以及p型吸收层构成n-i-p结。

本发明中，优选地，所述p型吸收层为单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、III-V族化合物材料(GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(例如CdTe等)、CIGS、金属氧化物、金属硫化物、以及微晶锗硅中任意一种材料制成的半导体薄膜。

本发明中，优选地，n型吸收层为单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、III-V族化合物材料(GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(例如CdTe等)、CIGS、金属氧化物、金属硫化物、以及微晶锗硅中任意一种材料制成的半导体薄膜。

本发明中，优选地，第一电极层材料为FTO(二氧化锡)膜、ITO膜(氧化铟锡)或ZAO膜(氧化锌铝)中的任意一种的透明导电材料，也可为金、银、铝、白金等金属。

本发明中，优选地，第二电极层材料为FTO膜、ITO膜或ZAO膜中的任意一种的透明导电材料。

本发明中，优选地，所述基底由玻璃、石英、高分子材料、塑料、不锈钢中的任意一种制成。

本发明中，优选地，所述光电转换单元可为单结或多结结构。

本发明公开了一种制备一维阵列纳米结构太阳能电池的方法，包括以下步骤：

第一步，在基底材料上生长第一导电极；

第二步，在第一导电极上生长第一吸收层；

第三步，在第一吸收层上生长厚度为500nm～1000nm的介质层；

第四步，刻蚀介质层，形成深度为500nm～1000nm，截面直径为5nm～50nm的圆形，或者截面边长为5nm～50nm的正多边形，或者截面对角线为5nm～50nm的正多边形的深井结构；

第五步，在深井结构中生长一维i型纳米结构半导体；

第六步，在含有i型纳米结构半导体的介质层上生长第二吸收层；

第七步，在第二吸收层上生长第二导电极。

本发明对薄膜太阳能电池的结构的优化，利用一维纳米结构改善薄膜电池的光吸收系数和载流子收集几率，从而提高电池的短路电流和转换效率。同时，本发明还针对此结构设计了一套可行的制备方法，此制备方法具有简单方便，成本低的优点。纳米材料的独特结构，使其具有不同于常规材料的性质，如：量子尺寸效应、表面效应等，从而导致了纳米结构材料性能的改变，使之在太阳能技术方面具有重要的应用价值。一维纳米阵列结构由于量子限制效应，使电子只在一维方向上可以自由传输，并可使迁移速率提高2个数量级，而在在其他方向上受到限制，因此可以改变电子和空穴的运动状况，提高载流子的收集效率；一维纳米阵列结构又由于具有高的表面态，可以提高光吸收系数，具有优异的减反射性能。例如，单晶硅纳米线阵列结构在300-1000nm波段具有非常高的光吸收能力，平均反射率低于2％。

针对于非晶硅薄膜电池，由于材料本身的缺陷，导致了电池具有低的转换效率和比较严重的S-W效应。本发明中的一维纳米阵列结构取代传统的本征层充当i型本征吸收层，可以有效的改变载流子的运输状况和提高载流子的收集几率；又由于此种结构镶嵌于介质层中，介质材料与纳米结构又很好的晶格匹配，所以有效的降低了纳米结构的表面复合速率。因此，本发明对于改善非晶硅薄膜电池的性能具有独特的作用。

本发明可制备成单面或双面受光的结构，充分利用薄膜电池的弱光效应，提高太阳能利用效率。当光照射到一维纳米阵列结构层时，光线在纳米阵列之间来回反射，形成光陷阱，从而提高光的吸收。另外，此结构也可制成多结渐变隙叠层电池结构，提高电池的光谱响应范围和光电转换效率。

有益效果：本发明对薄膜太阳能电池的结构的优化，利用镶嵌于介质层中的一维纳米结构改善薄膜电池的光吸收系数和载流子收集几率，从而提高电池的短路电流和转换效率。介质材料与纳米结构又很好的晶格匹配，所以有效的降低了纳米结构的表面复合速率。一维纳米阵列结构由于量子限制效应，使电子只在一维方向上可以自由传输，并可使迁移速率提高2个数量级，而在在其他方向上受到限制，提高载流子的收集效率；一维纳米阵列结构又由于具有高的表面态，在300-1000nm波段具有非常高的光吸收能力，平均反射率低于2％，光电转换效率可以提高8％-15％。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明一维阵列纳米结构太阳能电池的剖视图。

图2为本发明中包含一维纳米阵列结构i型半导体的介质层结构示意图。

图3至图9为本发明制备一维阵列纳米结构太阳能电池的方法的流程示意图。

具体实施方式：

本发明公开了一种一维阵列纳米结构太阳能电池，包括基底，所述基底上依次为第一电极层、第一吸收层、介质层、第二吸收层以及第二电极层，所述介质层内设有呈纳米阵列结构排列的i型半导体，所述i型半导体连通第一吸收层和第二吸收层构成光电转换单元。所述呈纳米阵列结构排列的i型半导体为相互隔离、平行的纳米棒或者纳米丝结构，所述纳米棒或者纳米丝长度为500nm～1000nm，截面为直径为5nm～50nm的圆形，或者截面为边长为5nm～50nm的正多边形，或者截面为对角线为5nm～50nm的正多边形。

本发明中，所述i型半导体的材质为铜的氧化物、氧化锌、二氧化钛以及氧化铁中的任意一种含金属氧化物。或者所述i型半导体的材质为Cu₂S、FeS、SnS中的任意一种金属硫化物。或者所述i型半导体的材质为硅、锗、硒中的任意一种IV族半导体材料，或者III-V族化合物材料(GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(CdTe等)。

本发明中，所述介质层的材质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种。

本发明中，所述p型吸收层为单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、III-V族化合物材料(GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(CdTe等)、CIGS、金属氧化物、金属硫化物、以及微晶锗硅中任意一种材料制成的半导体薄膜。

本发明中，所述n型吸收层为单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、III-V族化合物材料(GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(CdTe等)、CIGS、金属氧化物、金属硫化物、以及微晶锗硅中任意一种材料制成的半导体薄膜。

本发明中，第一电极层材料为FTO(二氧化锡)膜、ITO膜(氧化铟锡)或ZAO膜(氧化锌铝)中的任意一种的透明导电材料，也可为金、银、铝、白金、以及其他金属。

本发明中，第二电极层材料为FTO膜、ITO膜或ZAO膜中的任意一种的透明导电材料。

本发明中，所述基底由玻璃、石英、高分子材料、塑料、不锈钢中的任意一种制成。

本发明中，所述光电转换单元可为单结或多结结构。

第一步，在基底材料上生长第一导电极；

第二步，在第一导电极上生长第一吸收层；

第三步，在第一吸收层上生长厚度为500nm～1000nm的介质层；

第五步，在深井结构中生长一维i型纳米结构半导体；

第七步，在第二吸收层上生长第二导电极。

本方法中，一种方案，所述第一吸收层为p型吸收层，第二吸收层为n型吸收层，所述p型吸收层、i型半导体以及n型吸收层构成p-i-n结。

本方法中，另一种方案，所述第一吸收层为n型吸收层，第二吸收层为p型吸收层，所述n型吸收层、i型半导体以及p型吸收层构成n-i-p结。

实施例1：

更具体地说，如图1所示，本实施例公开了一种镶嵌于介质层中的新型一维纳米阵列结构太阳能电池的功能结构。具体依次为基底1，在基底上生长的第一电极层2，在第一电极上的第一吸收层3，在第一吸收层上有一介质层4，并利用纳米技术垂直生长镶嵌于介质中的一维i型半导体纳米阵列结构5，然后是n型吸收层6，组成光电转换单元(p-i-n结)，最后是第二电极7。所述第一导电极和第二导电极为ZAO(氧化锌铝)膜，也可以为FTO(二氧化锡)膜或者ITO(氧化铟锡)膜、金、银、铝、白金、以及其他金属材料其中的任意一种；第二导电极为ZAO(氧化锌铝)膜，也可以为FTO(二氧化锡)膜或者ITO(氧化铟锡)膜等透明导电材料中的任意一种。所述光电转换单元为单结结构，当然也可以根据具体使用情况设置为多结结构。所述光电转换单元中的p、i、n型材料可为CIS、CIGS、单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、III-V族化合物材料(GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(CdTe等)、金属氧化物、金属硫化物、以及微晶锗硅等复合材料中的任意一种。所述基底由所述材料由玻璃、石英、高分子材料、塑料、不锈钢中的任意一种制成。所述的介质层材料包含二氧化硅、氮化硅、氧化铝、及其他化合物等，并满足与一维纳米阵列有很好的晶格匹配。

如图2所示，为本实施例中的一维纳米阵列和介质层的俯视图。其深色圆形区域为一维i型导体纳米阵列结构8，所述截面结构为规则形状，也可为圆形以外的方形等规则图形。其浅色区域为介质材料结构9，介质包围在纳米阵列结构的周围，并相互之间有很好的晶格匹配。

本实施例中的基底、第一电极和第二电极如都用透明材料，此实施例即可制成双面受光结构，从而可以提高太阳光的利用效率。此结构也可利用不同带隙材料的叠加制成多结渐变隙叠层电池结构，提高电池的光谱响应范围和光电转换效率。

制备流程：

第一步，如图3所示，在清洗干净的基底1上制备第一导电极2，其方法为溅射、物理沉积、化学沉积、及其他生长方法中的一种。所述第一导电极材料为ZAO(氧化锌铝)膜，也可以为FTO(二氧化锡)膜或者ITO(氧化铟锡)膜、金、银、铝、白金、以及其他金属材料其中的任意一种。

第二步，如图4，在第一导电极上生长p或n型吸收层3，其方法为溅射、物理沉积、化学沉积、及其他生长方法中的一种。所述材料可为CIS、CIGS、单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、III-V族化合物材料(GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(CdTe等)、金属氧化物、金属硫化物、以及微晶锗硅等复合材料中的任意一种。

第三步，如图5，在已有的p或n型吸收层3上生长厚度为500nm到1000nm左右的介质层4，其方法为氧化、溅射、物理沉积、化学沉积、及其他生长方法中的一种。所述的介质层材料包含二氧化硅、氮化硅、氧化铝、及其他化合物等。

第四步，如图6，刻蚀介质层，形成截面尺寸大小为5nm到50nm的圆形或其他规则形状的深井结构，其方法可为湿法或干法刻蚀。

第五步，如图7，在深井结构中生长一维i型纳米阵列结构5，其方法为溅射、物理沉积、化学沉积、及其他生长方法中的一种。所述材料可为CIS、CIGS、单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、III-V族化合物材料(GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(CdTe等)、金属氧化物、金属硫化物、以及微晶锗硅等复合材料中的任意一种。

第六步，如图8，在含有纳米结构的介质层上生长n或p型吸收层6，如第二步中生长的是p型吸收层，则本步骤中生长n型吸收层，否则，生长p型吸收层。其方法为溅射、物理沉积、化学沉积、及其他生长方法中的一种。所述材料可为CIS、CIGS、单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、III-V族化合物材料(GaAs、InP等)，或者II-VI族化合物材料(CdTe等)、金属氧化物、金属硫化物、以及微晶锗硅等复合材料中的任意一种。

第七步，如图9，制备第二导电极7，其方法为溅射、物理沉积、化学沉积、及其他生长方法中的一种。所述材料为ZAO(氧化锌铝)膜，也可以为FTO(二氧化锡)膜或者ITO(氧化铟锡)膜等透明导电材料其中的任意一种。

本制备过程中的基底、第一电极和第二电极如都用透明材料，此实施例即可制成双面受光结构，从而可以提高太阳光的利用效率。此结构也可利用不同带隙材料的叠加制成多结渐变隙叠层电池结构，提高电池的光谱响应范围和光电转换效率。

此制备方法具有简单方便，成本低的优点。由于一维纳米材料的独特结构，使其具有不同于常规材料的性质。其量子限制效应，使电子只在一维方向上可以自由传输，并可使迁移速率提高2个数量级，而在在其他方向上受到限制，因此可以改变电子和空穴的运动状况，提高载流子的收集效率；一维纳米阵列结构又由于具有高的表面态，可以提高光吸收系数，具有优异的减反射性能。

本发明提供了一种一维阵列纳米结构太阳能电池及其制备方法的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims

1.一种一维阵列纳米结构太阳能电池，包括基底，其特征在于，所述基底上依次为第一电极层、第一吸收层、介质层、第二吸收层以及第二电极层，所述介质层内设有呈纳米阵列结构排列的i型半导体，所述i型半导体连通第一吸收层和第二吸收层构成光电转换单元。

2.根据权利要求1所述的一种一维阵列纳米结构太阳能电池，其特征在于，i型半导体的材质为金属氧化物、金属硫化物、IV族半导体材料、III-V族化合物或者II-VI族化合物。

3.根据权利要求1所述的一种一维阵列纳米结构太阳能电池，其特征在于，所述第一吸收层或第二吸收层材料为半导体薄膜；包括，单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、III-V族化合物、II-VI族化合物、CIGS、金属氧化物，金属硫化物以及微晶锗硅的中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种一维阵列纳米结构太阳能电池，其特征在于，所述第一电极层材料为FTO膜、ITO膜、ZAO膜以及金属中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种一维阵列纳米结构太阳能电池，其特征在于，所述第二电极层材料为FTO膜、ITO膜或ZAO膜中的任意一种的透明导电材料。

6.根据权利要求1所述的一种一维阵列纳米结构太阳能电池，其特征在于，所述呈纳米阵列结构排列的i型半导体为相互隔离、平行的纳米棒或者纳米丝结构，所述纳米棒或者纳米丝长度为500nm～1000nm，截面为直径为5nm～50nm的圆形，或者截面为边长为5nm～50nm的正多边形，或者截面为对角线为5nm～50nm的正多边形。

7.根据权利要求1至6中任意一种所述的一种一维阵列纳米结构太阳能电池，其特征在于，所述介质层的材质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的一种一维阵列纳米结构太阳能电池，其特征在于，所述第一吸收层为p型吸收层，第二吸收层为n型吸收层，所述p型吸收层、i型半导体以及n型吸收层构成p-i-n结。

9.根据权利要求1所述的一种一维阵列纳米结构太阳能电池，其特征在于，所述第一吸收层为n型吸收层，第二吸收层为p型吸收层，所述n型吸收层、i型半导体以及p型吸收层构成n-i-p结。