CN102148279A - 基于ⅱ-ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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贺川
韩昌报
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Abstract

本发明公开了一种基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，包括上、下接触电极，其特征在于：还包括透明导电薄膜、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体、p型硅纳米孔柱阵列、p型单晶硅层以及金属导电薄膜层，其中p型硅纳米孔柱阵列覆盖在p型单晶硅层顶面，Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；透明导电薄膜沉积在Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的表面，金属导电薄膜层沉积在p型单晶硅层底部。基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列太阳能电池有制备工艺简单、积分反射率低、光电转换效率高等特点，在太阳能电池领域拥有良好的应用前景。

Description

基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料与新能源技术领域，尤其涉及一种基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能的装置。光线照射在太阳能电池上，具有足够能量的光子能够将电子激发，产生电子-空穴对。电子-空穴对在内建电场的作用下被分离，进而产生光伏效应。然而，自然条件下太阳光的能量密度较小，目前的太阳能电池又存在光电转化效率较低、制造成本较高等不足，这直接导致了太阳电能在整个能源结构中所占比例微乎其微。目前，商业化电池主要以硅太阳电池为主，其中单晶硅电池的实验室效率已达到24.7%。但是，由于硅是间接带隙半导体，要实现光的吸收需要的硅片厚度约为500 μm，因此，要降低晶体硅太阳能电池的成本需要引进复杂的表面减反射技术或绒面制备工艺，成本较高且制备工艺较复杂。
研究表明，采用相对简单的水热腐蚀技术制备的硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)，可以实现在可见光区域积分反射率小于2%；另一方面，以ZnO、CdS、ZnS等为代表的Ⅱ-Ⅵ 族宽带隙化合物半导体具有可调的光致发光特性、宽谱带光透明性和高电导率等特点，均为n型半导体。因此，如何能够在保证较低制造成本前提下，显著提高太阳能电池的光电转换效率，不仅是一个具有挑战性的科学和技术问题，也具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法，此方法制作出来的太阳能电池转换效率高、所需成本低。
本发明采用下述技术方案：一种基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，包括上、下接触电极，其特征在于：还包括透明导电薄膜、n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体、p型硅纳米孔柱阵列、p型单晶硅层以及金属导电薄膜层，其中p型硅纳米孔柱阵列覆盖在p型单晶硅层顶面，n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；透明导电薄膜沉积在Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的表面，金属导电薄膜层沉积在p型单晶硅层底面。
所述的n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。
所述的金属导电薄膜层为铝膜。
所述的基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：（1）、先通过水热腐蚀法用p型单晶硅层制备p型硅纳米孔柱阵列做为衬底；（2）、以p型硅纳米孔柱阵列为衬底，利用沉积制备技术在p型硅纳米孔柱阵列上沉积n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体，与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；（3）、在n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体表面沉积透明导电薄膜作为顶电极；（4）、除去p型单晶硅底部的多孔层和氧化层，在p型单晶硅底面沉积金属导电薄膜层作为背电极；（5）、制备上、下接触电极。
所述步骤（2）中沉积制备之前先对p型硅纳米孔柱阵列进行氧化处理。
所述步骤（2）中沉积Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体之后在惰性气体保护气氛下进行退火。
所述步骤（5）中金属导电薄膜为铝膜。
所述步骤（2）和步骤（3）的n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。
本发明制备的基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池与其它太阳能电池相比较具有以下优点：
本发明中硅纳米孔柱阵列Si-NPA的表面形貌和结构使其具备了一个能够实施纳米组装的功能性模板的特征，以Si-NPA或其复合结构作为太阳能电池材料，在光吸收性能方面具有巨大的优势；Si-NPA还具有可大面积生产、制备工艺简单、成本低廉、结构可适度调控的优点，并且水热腐蚀技术与沉积制备技术工艺也均较简单，所以本发明太阳能电池的成本较低，制备工艺也相对简单。本发明采用沉积制备技术可在Si-NPA表面沉积Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体，从而形成大面积的Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米异质结构。由于硅纳米颗粒和Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体纳米单元均具有连续的粒径分布，可以实现一定范围内的光谱的连续吸收，从而使太阳光中处于不同频谱的光子均能高效地激发光生载流子，从而提高光电转换效率，因此在太阳能电池领域拥有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中的太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明实施例中太阳能电池的CdS纳米颗粒/硅纳米孔柱阵列/单晶硅结构的场发射扫描电镜照片；
图3为本实施例中所制备的太阳能电池在AM1.5光照条件下的光伏特性曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，包括透明导电薄膜1、n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体2、p型硅纳米孔柱阵列3、p型单晶硅层4、以及金属导电薄膜层5、上接触电极6和下接触电极7，其中p型硅纳米孔柱阵列3覆盖在p型单晶硅层4顶面，n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体2与p型硅纳米孔柱阵列3形成异质结；透明导电薄膜1沉积在n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体2的表面，金属导电薄膜层5沉积在p型单晶硅层4底面，上接触电极6和下接触电极7分别与透明导电薄膜1和金属导电薄膜层5连接。
本电池的制备方法包括以下步骤：
（1）、先通过水热腐蚀法用p型单晶硅层制备p型硅纳米孔柱阵列做为衬底。本实施例中采用电阻率为0.015 Ω×cm 的p型单晶硅片置入水热釜，注入由氢氟酸和硝酸铁水溶液组成的腐蚀液，其浓度分别为8.00 mol/l和 0.04 mol/l，水热釜的溶液体积填充度为80％，在温度 140℃下腐蚀 45 分钟，制备出衬底材料p型硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)。
（2）、先对p型硅纳米孔柱阵列进行氧化处理，使其表面结构与性能稳定，然后以氧化处理过的p型硅纳米孔柱阵列为衬底，利用沉积制备技术在其上沉积n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体，与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结。本实施例中采用的n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体为CdS；用化学水浴沉积法将p型硅纳米孔柱阵列置入温度为 70℃ 的硫酸镉水溶液（1M）、硫脲((NH)2CS))水溶液（1M）和氨水（2M）的混合溶液中50分钟，取出后用去离子水反复冲洗，室温下空气中自然晾干；然后经过 100℃ 温度下、高纯氮气气氛中退火30分钟，即得到覆盖每一个硅柱的CdS纳米颗粒与 Si-NPA 构成的CdS/Si异质结构，其形貌特征如图2所示，图2为采用JEOL公司生产的型号为 JSM-6700F 型扫描电子显微镜拍摄的照片。
（3）、在Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体表面沉积透明导电薄膜作为顶电极；本实施例中透明导电薄膜为氧化铟锡(ITO)，其厚度为150 nm。
（4）、通过机械微抛光或化学腐蚀，除去p型单晶硅底部的多孔层和氧化层，在p型单晶硅底部沉积金属导电薄膜层作为背电极。本实施例中金属导电薄膜层为金属铝，其厚度约为100 nm。
（5）、先将上述步骤得到的基本电池结构部件进行微抛光处理，将四周边缘去除，防止边缘漏电效应产生，然后制备上、下接触电极，得太阳能电池。
在上述实施例中，所制备的太阳能电池有效面积S=1cm2。利用太阳能电池综合测试系统（1 000 W 91192型太阳光模拟器：光强AMG1.5，Oriel，USA；数字源表：Keithley–2400，USA）进行测试，所测得太阳能电池光伏特性参数如图3所示：
开路电压：Voc = 239.4 mV
短路电流：Isc= 1.15 mA
最大电压：Vmax= 138.8 mV
最大电流：Imax = 0.62 mA
填充因子：FF = 31.37%
太阳能电池光电转换效率：η =0.086%。
除上述实施例之外，本发明中步骤（2）中的沉积制备技术还可以采用溶胶-凝胶法、电化学沉积法、化学气相沉积法（CVD、PECVD、MOCVD）、物理沉积法或原位多相化学反应法；步骤（3）中的透明导电薄膜还可以为氟掺杂二氧化锡（FTO）、掺铝氧化锌（ZAO）、碳纳米管或石墨烯等薄膜或其任意两种或两种以上组成的复合薄膜；步骤（4）中金属导电薄膜还可以为除铝膜外的其他金属导电膜；n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体还可以为纳米或亚微米尺寸的棒、柱、线、管或锥或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构；还可以为氧化锌ZnO等其它n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体。

Claims (8)

1.一种基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，包括上、下接触电极，其特征在于：还包括透明导电薄膜、n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体、p型硅纳米孔柱阵列、p型单晶硅层以及金属导电薄膜层，其中p型硅纳米孔柱阵列覆盖在p型单晶硅层顶面，n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；透明导电薄膜沉积在Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的表面，金属导电薄膜层沉积在p型单晶硅层底面。
2.根据权利要求1所述的基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，其特征在于：所述的n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。
3.根据权利要求1或2所述的基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，其特征在于：所述的金属导电薄膜层为铝膜。
4.权利要求1所述的基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）、先通过水热腐蚀法用p型单晶硅层制备p型硅纳米孔柱阵列做为衬底；（2）、以p型硅纳米孔柱阵列为衬底，利用沉积制备技术在p型硅纳米孔柱阵列上沉积n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体，与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；（3）、在n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体表面沉积透明导电薄膜作为顶电极；（4）、除去p型单晶硅底部的多孔层和氧化层，在p型单晶硅底面沉积金属导电薄膜层作为背电极；（5）、制备上、下接触电极。
5.根据权利要求4所述的基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中沉积制备之前先对p型硅纳米孔柱阵列进行氧化处理。
6.根据权利要求5所述的基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中沉积Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体之后在惰性气体保护气氛下进行退火。
7.根据权利要求4或5或6所述的基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中金属导电薄膜为铝膜。
8.根据权利要求7所述的基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤（2）和步骤（3）的n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。
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