CN102368506A

CN102368506A - 一种n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置

Info

Publication number: CN102368506A
Application number: CN2011102870509A
Authority: CN
Inventors: 黄靖云; 刘国祥; 叶志镇; 何海平
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-03-07

Abstract

本发明公开了一种n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置。现有的装置能量利用效率低。本发明中的Ti/Au栅形电极、透明铝掺杂氧化锌导电薄膜、p型硅基底层和铝金属膜背电极层从上至下依次设置，透明铝掺杂氧化锌导电薄膜内设置有p型硅纳米线阵列，p型硅纳米线阵列的一端与p型硅基底层连接，p型硅纳米线阵列包括多个平行设置的p型硅纳米线，p型硅纳米线包覆有本征氧化锌层。本发明充分利用了纳米线阵列所具有的大的表面积，对光吸收效率高这一特点，并且铝掺杂氧化锌透明导电薄膜作为一种对可见光高透过率的导电材料，不仅可以作为窗口材料，同时由ZnO和Si构成的异质结可以提高太阳光谱中各频率波段的利用效率。

Description

一种n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置

技术领域

本发明涉及一种硅纳米线太阳能电池装置，属于太阳能技术领域。

背景技术

随着全球能源危机和生态环境的日益恶化，世界各国积极研究和开发利用可再生能源，从而实现能源工业和社会的可持续发展。其中，太阳能以其清洁，丰富等特有的优势而成为可再生能源的焦点。假如把地球表面0.1%的太阳能转化为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×10¹²千瓦时，相当于目前世界上能耗的40倍，因而太阳能被认为是能源危机和生态环境恶化的最佳解决途径。

太阳能的直接利用主要是通过两个方面，即光热效应和光电效应。光热效应是将太阳能的能量集聚起来，转换成热能，如在我国已经广泛应用的太阳能热水器、太阳能灶等，这也包括将太阳能转换成热能后，利用热能发电。光电效应则是将太阳能通过太阳能电池，转换成电能，这种光电转换主要是借助于半导体器件的光生伏特效应进行的。

太阳能电池是通过半导体p-n结的光生伏特效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前主要的太阳能光伏转换器件有硅基太阳能电池，多元化合物太阳能电池，染料敏化太阳能电池和薄膜太阳能电池等。其中，硅基太阳能电池是主要技术，商业化太阳能电池以单晶硅和非晶硅为主。目前单晶硅太阳电池转化效率已经超过20%，但成本依然很高，无法与传统电能相比；非晶硅电池近年来发展迅速，其主要优点是生产效率高，成本低。但是非晶硅由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子的存在，具有光疲劳效应，故非晶硅太阳能电池经过长期工作稳定性存在问题，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，阻碍了其应用，到目前为止仍然没有根本解决。由于多晶硅薄膜材料没有转换效率衰减的问题，既有晶体硅晶格完整的优点，又有非晶硅成本低廉、制备方便的优点。多晶硅薄膜电池成为世界关注的新热点。但是，由于晶粒细小等原因，多晶硅薄膜电池的转化效率还是较低，仅有10%左右。

在第三代低成本高转换效率的太阳能电池研发竞赛中，纳米技术作为建设更好的太阳能电池的一种新方法出现了，一维纳米材料应用于太阳能电池上能够极大地提高光电转换效率，有望为绿色能源的发展带来革命性的变化。由于纳米材料在光收集，光电转换和储存等方面所具有的潜在应用价值，各种结构的纳米材料受到了科学家们的高度关注。例如，用于下一代光伏转换装置的纳米粒子，纳米线，纳米管等方面的工作已经有很多报道，受到了广泛的研究，目的是进一步提高太阳能收集和转换效率。2005年美国加州大学的杨培东教授课题组首次采用一维ZnO纳米线作为染料敏化太阳能电池的阳极材料，该染料敏化太阳能电池的光电转换效率可达到1.5%[Law M, Greene L E, Johnson J C, Saykally R, Yang P D. Nat Mater, 2005, 4: 455.]。2010年杨培东教授课题组采用反应离子刻蚀制得硅纳米线，然后通过硼扩散的方式设计出一块径向p-n结太阳能电池，该p-n结太阳能电池的转换效率可达到5%[Garnett E, Yang P D. Nano Lett, 2010, 10: 1082.]。2008年清华大学的朱静院士课题组采用湿法化学刻蚀的方法在Si（111）衬底上制得了大面积倾斜取向的纳米线阵列，然后应用此阵列设计了一块p-n结太阳能电池，这块太阳能电池的效率达到了11.37%，明显高于由竖直取向硅纳米线阵列制得的太阳能电池效率[Fang H, Li X D, Song S, Xu Y, Zhu J. Nanotechnology, 2008, 19: 255703.]。2009年北京师范大学的彭奎庆教授课题组用铂纳米粒子修饰的硅纳米线阵列作为光电极设计了一块光电化学电池，其转换效率达到了8.1%[Peng K Q, Wang X, Wu X L, Lee S T. Nano Lett, 2009, 9: 3704.]，这种由半导体-液体结构成的太阳能电池在成本上要优于固基太阳能电池。2010年彭奎庆教授课题组通过深紫外光刻技术在硅片上制得贵金属模板，然后通过贵金属催化作用在氢氟酸水溶液中进行硅纳米孔的刻蚀，从而得到规则排列的纳米孔阵列，由这种阵列设计成的硅纳米孔阵列三维径向p-n结太阳能电池的效率达到了9.51%，这要优于以硅纳米线，平面硅和金字塔型绒面硅为基的太阳能电池[Peng K Q, Wang X, Li L, Wu X L, Lee S T. J Am Chem Soc, 2010, 132: 6872.]。与其他半导体材料相比，硅材料含量丰富且廉价，同时与目前的半导体微加工工艺兼容，因此，基于硅纳米结构的太阳能电池正受到越来越多的重视。

发明内容

本发明目的是设计和提供一种具有新型结构且光吸收能力强，光电转换效率高的n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置。

本发明是基于无电金属电化学刻蚀法刻蚀大面积的硅纳米线阵列[参见：中国专利 CN1382626；中国专利申请号 2005100117533；Peng K Q, Xu Y, Wu Y, Yan Y J, Lee S T, Zhu J. Small, 2005, 11: 1062]，我们设计了一种n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置。相对于传统硅基太阳能电池，n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能电池是新一代太阳能电池的代表。

本发明提出的n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置，它包括Ti/Au栅形电极、铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、本征氧化锌层、p型硅纳米线阵列、p型硅基底层、铝金属膜背电极层，其特征在于：所述太阳能转换装置含有依次相叠的下述各层。

(1)Ti/Au栅形电极，位于铝掺杂氧化锌透明导电薄膜之上，其作用作为正面引出电极。

(2)铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，位于n型氧化锌/p型硅纳米线异质结层之上，其作用作为正面引出电极，同时也与本征氧化锌层、p型硅纳米线共同形成三维p-n异质结，产生光生伏特效应。

(3)本征氧化锌层，位于p型硅纳米线阵列之上，其作用是与p型硅纳米线形成三维p-n异质结，产生光生伏特效应。

(4) p型硅纳米线阵列，位于p型硅基底层之上，其作用是与本征氧化锌层形成三维p-n异质结，产生光生伏特效应，同时也作为太阳能电池的减反射层。

(5)p型硅基底层，位于铝金属膜背电极之上，其作用是作为太阳能电池的基区；

(6)铝金属膜背电极，其作用是作为背面引出电极。

其主要特征在于铝掺杂氧化锌透明导电薄膜和p型硅基底层之间含有n-ZnO / p-硅纳米线阵列三维异质结层。

本发明提供的这种具有新型结构的太阳能转换装置，充分利用了纳米线阵列所具有的大的表面积，对光吸收效率高这一特点，并且铝掺杂氧化锌透明导电薄膜作为一种对可见光高透过率的导电材料，不仅可以作为窗口材料，同时由ZnO和Si构成的异质结可以提高太阳光谱中各频率波段的利用效率。这种太阳能电池转换装置，光吸收能力强，光电转换效率高。

附图说明

图1为器件结构示意图；

其中：1、Ti/Au栅形电极；2、铝掺杂氧化锌透明导电薄膜；3、本征氧化锌层；4、p型硅纳米线阵列；5、p型硅基底层；6、铝金属膜背电极层。

图2（a）为硅纳米线阵列扫描电镜表面图。

图2（b）为硅纳米线阵列扫描电镜断面图。

图3为硅纳米线阵列反射图谱。

图4（a）为旋涂后得到的ZnO/p-硅纳米线异质结结构扫描电镜断面图。

图4（b）为旋涂后得到的ZnO/p-硅纳米线异质结结构光致发光图谱。

图5为用磁控溅射生长铝掺杂氧化锌透明导电薄膜得到的n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结断面图

图6为器件伏安特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

(1) Ti/Au栅形电极1，位于铝掺杂氧化锌透明导电薄膜2之上，其作用作为正面引出电极。

(2)铝掺杂氧化锌透明导电薄膜2，位于n型氧化锌/p型硅纳米线异质结层之上，其作用作为正面引出电极，同时也与本征氧化锌层3、p型硅纳米线共同形成三维p-n异质结，产生光生伏特效应。

(3)本征氧化锌层3，位于p型硅纳米线阵列之上，其作用是与p型硅纳米线形成三维p-n异质结，产生光生伏特效应。

(4) p型硅纳米线阵列4，位于p型硅基底层5之上，其作用是与本征氧化锌层形成三维p-n异质结，产生光生伏特效应，同时也作为太阳能电池的减反射层。

(5) p型硅基底层5，位于铝金属膜背电极6之上，其作用是作为太阳能电池的基区。

(6)铝金属膜背电极6，其作用是作为背面引出电极。

本发明首先采用无电极金属电化学刻蚀方法在p型硅基片上表面刻蚀制备出大面积的硅纳米线阵列，用旋涂法在p型硅纳米线阵列上旋涂沉积本征氧化锌层，退火后形成p-n异质结，随后利用脉冲激光沉积或金属有机化学气相沉积技术在n-ZnO/p-硅纳米线阵列三维异质结表面沉积一层铝掺杂氧化锌透明导电薄膜。再用电子束蒸发分别在铝掺杂氧化锌透明导电薄膜表面和硅基底层蒸发Ti/Au栅形电极和Al背电极，从而形成一个新型个硅纳米线阵列太阳能转换装置。在两面的金属接触电极张引出外引线，便得到了一个单片的n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能电池。

由器件结构示意图（图1）可以看出，所述的Ti/Au栅形电极、铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、p型硅基底层和铝金属膜背电极层从上至下依次设置，所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜内设置有p型硅纳米线阵列，p型硅纳米线阵列的一端与p型硅基底层连接，所述的p型硅纳米线阵列包括多个平行设置的p型硅纳米线，p型硅纳米线包覆有本征氧化锌层。其主要特征在于铝掺杂氧化锌透明导电薄膜和p型硅基底层之间含有n-ZnO / p-硅纳米线阵列三维异质结层；由硅纳米线阵列电镜图可以看出，参见图2（a）和图2（b），采用无电极金属电化学刻蚀方法在p型硅片上进行化学刻蚀得到了硅纳米线阵列，长度大概为3.5μm，这与刻蚀时间基本曾线性相关，直径为50～200nm；由硅纳米线阵列反射图谱（图3）可以看出，在300～1200的光谱范围内，硅纳米线阵列的反射率不高于10%，且在380～780nm的可见光谱范围不高于5%，而对于抛光的硅片在可见光谱范围的反射率大于30%，这表明这种硅纳米线阵列可以提高对太阳能光谱的吸收效率，将这种阻反射特性应用于太阳能电池可以提高太阳能电池的转换效率；由旋涂后得到的ZnO/p-硅纳米线异质结结构的扫描电镜断面图和光致发光图谱可以看出，参见图4（a）和4（b），旋涂后氧化锌包覆在硅纳米线表面，光致发光图谱表明通过包覆氧化锌，原来只有的硅纳米线阵列的发光峰变为氧化锌的特征峰与硅纳米线阵列的发光峰耦合在一起，其中373nm的峰位是氧化锌的带边发射峰，450nm～750nm的包是氧化锌的缺陷峰与硅纳米线发光峰的耦合结果；由用磁控溅射生长铝掺杂氧化锌透明导电薄膜得到的n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结断面图（图5）可以看出，器件界面明显，铝掺杂氧化锌透明导电薄膜厚度大概为2μm；由器件伏安特性曲线（图6）可以看出，经过N₂环境下快速退火，使电极合金化，得到了较好的伏安特性曲线，形成了异质结结构。

Claims

1.一种n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置，包括Ti/Au栅形电极、透明铝掺杂氧化锌导电薄膜、本征氧化锌层、p型硅纳米线阵列、p型硅基底层和铝金属膜背电极层，其特征在于：所述的Ti/Au栅形电极、透明铝掺杂氧化锌导电薄膜、p型硅基底层和铝金属膜背电极层从上至下依次设置，所述的透明铝掺杂氧化锌导电薄膜内设置有p型硅纳米线阵列，p型硅纳米线阵列的一端与p型硅基底层连接，所述的p型硅纳米线阵列包括多个平行设置的p型硅纳米线，p型硅纳米线包覆有本征氧化锌层。