CN103050564B - 一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池及制备方法 - Google Patents

一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，其特征在于，包括：径向pn结、重掺杂隧道结、电介质薄膜、衬底、透明电极、背电极；其中：径向pn结，包括纳米线和壳层，壳层位于纳米线外侧，所述径向pn结至少为二个，沿纳米线轴向方向排列；位于上一节的径向pn结的材料的带隙宽度比位于下一节的径向pn结的材料的带隙宽度大；重掺杂隧道结，位于二节径向pn结之间；电介质薄膜，包裹于径向pn结和重掺杂隧道结的外侧；衬底，位于所述器件的底层；透明电极，位于所述器件的顶层；背电极，位于衬底的底面。本发明提供的技术方案充分结合了纳米线径向pn结高的转化效率和轴向多节结构宽的吸收光谱的优点，进一步提高了器件的性能。

Description

一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池及制备方法
技术领域
本发明涉及纳米工程和纳米材料应用技术领域，特别涉及一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池及制备方法。
背景技术
太阳能电池作为一种清洁的可再生能源，近年来受到了人们的广泛关注。III-V族半导体材料由于其直接带隙的特点，具有更高的光电转换效率，比传统的硅薄膜材料有明显优势。此外，将不同带隙的材料串联起来形成多节太阳能电池，可以进一步拓展光谱的吸收范围，达到极高的转换效率。目前，多节薄膜材料III-V族太阳能电池的转换效率已经接近40%[MartinA.Green,etal.,Prog.Photovolt:Res.Appl.2012;20:12-20]。然而，由于不同节材料之间存在晶格失配，多节结构的晶体质量受到很大挑战。此外，随着节数的增多，器件的制备成本也随之提高。
近年来，半导体纳米线以其独特的结构和优越的性能受到了国内外的广泛关注，基于III-V族纳米线的激光器、发光二极管、光电探测器、场效应管等已纷纷问世，并展现出广阔的应用前景[RuoxueYan，etal.，NaturePhotonics，Vol.3，2009；KeSun，etal.，IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics，Vol.17，4，2011]。由于其独特的一维几何结构，纳米线具有在侧面释放应力的能力，可以方便地沿轴向串接多节材料，也使其与异质衬底（如廉价的Si衬底）的集成成为可能。加之其还具有使用材料较少、对光的吸收率高等诸多优点，纳米线有望用来制备极低成本、极高效率的新一代太阳能电池。
太阳能电池的核心是pn(pin)结。与薄膜材料不同，基于纳米线的pn结分为轴向pn结和径向pn结两类。与轴向pn结相比，径向pn结具有吸收面积更大、光的吸收路径与载流子分离方向正交、载流子收集距离短等诸多优点，从而极大地提高了转换效率[BozhiTianetal.，Chem.Soc.Rev.，Vol.38，2009]。然而，若想进一步拓宽光谱吸收范围而沿纳米线径向生长多层不同材料的pn结，将会面临晶格失配带来的晶体质量下降的问题，最终影响器件性能；而现有技术的的轴向多节纳米线太阳能电池则因其结构缺陷限制了转换效率。因此，现有技术中的单一结构的纳米线轴向多节太阳能电池、纳米线径向多节太阳能电池是无法实现器件性能最优化的。
发明内容
本发明提供一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池及制备方法，以解决现有技术中单一结构的纳米线轴向多节太阳能电池、纳米线径向多节太阳能电池无法进一步提升性能的问题。
本发明提供的一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，包括：
径向pn结，包括纳米线和壳层，壳层位于纳米线外侧，所述径向pn结至少为二个，沿纳米线轴向方向排列；位于上一节的径向pn结的材料的带隙宽度比位于下一节的径向pn结的材料的带隙宽度大；
重掺杂隧道结，位于二节径向pn结之间；
电介质薄膜，包裹于径向pn结和重掺杂隧道结的外侧；
衬底，位于所述器件的底层；
透明电极，位于所述器件的顶层；
背电极，位于衬底的底面。
进一步，本发明所述的太阳能电池，所述电介质薄膜略高于每一节的径向pn结的纳米线的底部，以避免位于上一节的径向pn结的壳层与其下方的重掺杂隧道结或者衬底相接触。
进一步，本发明所述的太阳能电池，位于最底层的径向pn结的材料是IV族单质半导体或者III-V族化合物半导体。
进一步，本发明所述的太阳能电池，位于最底层的径向pn结的材料是锗晶体或者铟砷化镓晶体。
进一步，本发明所述的太阳能电池，位于最底层以上的各节的径向pn结的材料是III-V族化合物半导体。
进一步，本发明所述的太阳能电池，其中，
所述隧道结的材料是III-V族化合物半导体；
所述衬底的材料是砷化镓晶体或者锗晶体；
所述电介质薄膜的材料是二氧化硅或者聚酰亚胺；
所述透明电极的材料是镍金合金或者铟锡金属氧化物；
所述背电极的材料是镍金合金或者铂钛铂金合金。
进一步，本发明所述的太阳能电池，所述径向pn结的数量是2至4个。
进一步，本发明所述的太阳能电池，
对于有3个径向pn结的太阳能电池，从最底层向最顶层，径向pn结的材料依次为：锗、铟砷化镓、磷化铟镓；
或者依次为：铟砷化镓、铟砷化镓、磷化铟镓；
或者，
对于有4个径向pn结的太阳能电池，从最底层向最顶层，径向pn结的材料依次为：锗、氮砷化铟镓、铟砷化镓、磷化铟镓；
或者依次为：铟砷化镓、铟砷化镓、砷化铝镓、磷化铟镓。
本发明提供的一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池的制备方法，包括：
步骤S100，生长第一节径向pn结；包括：
步骤S101，在n型或者p型衬底上沉积金属纳米颗粒或金属薄膜，退火后形成纳米合金颗粒；
步骤S102，以所述纳米合金颗粒作为催化物，沿垂直于衬底方向生长n型或者p型纳米线；
步骤S103，结束所述n型或者p型纳米线的生长，在其上沉积一层电介质薄膜；
步骤S104，通过腐蚀工艺，将所述电介质薄膜腐蚀至仅剩覆盖衬底的一层；
步骤S105，增高生长温度，在所述n型或者p型纳米线的外侧生长p型或者n型径向pn结的壳层，形成第一节径向pn结；
步骤S200，生长第二节的径向pn结；包括，
步骤S201，降低至合适温度，在所述径向pn结的纳米线顶端继续生长重掺杂隧道结；
步骤S202，在所述重掺杂隧道结上继续生长n型或者p型纳米线；
步骤S203，结束所述n型或者p型纳米线的生长，在其上沉积一层电介质薄膜；
步骤S204，通过腐蚀工艺，将所述电介质薄膜腐蚀至略高于刚生长的n型或者p型纳米线的底部；
步骤S205，提高生长温度，在上述n型或者p型纳米线的外侧生长p型或者n型径向pn结的壳层，形成第二节径向pn结；
步骤S300，重复步骤S2，完成后续各节径向pn结的生长；
步骤S400，结束所述径向pn结的生长，在其上镀一层透明电极，并在衬底的背侧镀一层电极，即背电极。
进一步，本发明所述的太阳能电池的制备方法，所述第一节径向pn结的材料是IV族单质半导体或者III-V族化合物半导体。
进一步，本发明所述的太阳能电池的制备方法，所述第一节径向pn结的材料是锗晶体或者铟砷化镓晶体。
进一步，本发明所述的太阳能电池的制备方法，第二节及后续各节的径向pn结的材料是III-V族化合物半导体。
进一步，本发明所述的太阳能电池的制备方法，其中，
所述隧道结的材料是III-V族化合物半导体；
所述衬底的材料是砷化镓晶体或者锗晶体；
所述电介质薄膜的材料是二氧化硅或者聚酰亚胺；
所述透明电极的材料是镍金合金或者铟锡金属氧化物；
所述背电极的材料是镍金合金或者铂钛铂金合金。
本发明提供的一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，利用MOCVD生长方法，以纳米合金颗粒作为催化物，通过调整生长温度，生长基于不同材料的纳米线径向pn结。并利用重掺杂的隧道结，实现上述径向pn结的轴向串联。同时，利用SiO2等电介质薄膜，使每一节径向pn结的壳层与其下方的隧道结或衬底隔开，避免形成附加pn结而造成干扰，其有益效果在于：
充分结合了纳米线径向pn结高的转化效率和轴向多节结构宽的吸收光谱的优点，由于径向pn结的纳米线的光吸收区面积大，光吸收路径与光生载流子产生、分离、收集路径正交，载流子分离距离短，可以有效提高光能量的吸收效率；其次纳米线在轴向上容忍位错能力强，而且可以生长多节异质结构，将多节径向pn结串联起来，形成本发明所述的太阳能电池器件，可以将光吸收频谱的优点结合起来，进一步提高了器件的性能，为实现低成本、高效率的新一代纳米线太阳能电池提供了一种新的设计思路。
附图说明
图1是本发明实施例所述的太阳能电池的整体结构图；
图2是本发明实施例所述的太阳能电池的制备方法流程图；
图3至图11是本发明实施例所述的太阳能电池的制备过程图；
图12是本发明实施例所述的太阳能电池的材料示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步描述。
图1是本发明实施例所述的太阳能电池的整体结构图，如图1所示，
本发明实施例提供的一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，由三节材料带隙从下至上依次增大的径向pn结和两节作为导电介质的隧道结构成，包括：径向pn结1、重掺杂隧道结4、电介质薄膜5、衬底6、透明电极7、背电极8，其中，
径向pn结1，包括纳米线3和壳层2，壳层2位于纳米线3的外侧，所述径向pn结1为三个，沿纳米线3的轴向方向排列；位于上一节的径向pn结的材料的带隙宽度比位于下一节的径向pn结的材料的带隙宽度大；
位于最底层，即第一节的径向pn结的纳米线3和壳层2的材料是IV族单质半导体或者III-V族化合物半导体，优选的，是锗（Ge）晶体或者铟砷化镓（InGaAs）晶体；
所谓III-V族化合物，是元素周期表中III族的B，Al，Ga，In和V族的N，P，As，Sb形成的化合物，主要包括镓化砷（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓等。本发明实施例中，所述的III-V族化合物优选采用砷化镓（GaAs）、铟砷化镓（InGaAs）、磷化铟镓（InGaP）、砷化铝镓（AlGaAs）或者氮砷化铟镓（InGaNAs）。
位于最底层以上，即第二节及以上各节的径向pn结的纳米线3和壳层2的材料是III-V族化合物半导体；
优选的，对于有3个径向pn结的太阳能电池，从最底层向最顶层，各节的径向pn结的材料依次为：锗（Ge）、铟砷化镓（InGaAs）、磷化铟镓（InGaP）；或者依次为：铟砷化镓（InGaAs）、铟砷化镓（InGaAs）、磷化铟镓（InGaP）。
优选的，对于有4个径向pn结的太阳能电池，从最底层向最顶层，各节的径向pn结的材料依次为：锗（Ge）、氮砷化铟镓（InGaNAs）、铟砷化镓（InGaAs）、磷化铟镓（InGaP）；或者依次为：铟砷化镓（InGaAs）、铟砷化镓（InGaAs）、砷化铝镓（AlGaAs）、磷化铟镓（InGaP）。
重掺杂隧道结4，位于二节径向pn结之间，材料是III-V族化合物半导体材料；
电介质薄膜5，包裹于径向pn结1和重掺杂隧道结4的外侧，所述电介质薄膜5略高于每一节的径向pn结1的纳米线的底部，以避免位于上一节的径向pn结的壳层2与其下方的重掺杂隧道结4相接触，并且避免后续生长的壳层2与其下方的衬底6相接触；所述电介质薄膜的材料是二氧化硅（SiO2）或者聚酰亚胺（polyimide）；
衬底6，位于所述器件的底层，所述衬底6的材料是砷化镓（GaAs）晶体或者锗（Ge）晶体；
透明电极7，位于所述器件的顶层；所述透明电极7的材料是镍金合金或者铟锡金属氧化物（ITO）；
背电极8，位于衬底的底面。所述背电极8的材料是镍金合金或者铂钛铂金合金；
本发明实施例所述的太阳能电池的工作原理：每一节纳米线的径向pn结构成本发明所述的太阳能电池器件的基本单元，当有光子射入且光子能量大于禁带宽度时，价带上的电子发生受激吸收，跃迁到导带，产生光生“电子-空穴”对。这些“电子-空穴”对在自建电场和外加反偏电场的作用下，电子向n区漂移，空穴向p区漂移，形成光生电流，从而将光能转化为电能。纳米线径向pn结具有光吸收区面积大、载流子分离距离短等优点，可以有效提高光的吸收效率和光能电能转化效率。
由于各节纳米线pn结具有不同的带隙，将三节pn结沿轴向串联起来可以大大提高太阳光谱的吸收范围。同时，由于纳米线具有侧面释放应力的能力，轴向串联可以保证高的晶体质量。相邻节之间通过重掺杂的隧道结相连，保证了各节之间电流的导通。
为防止上面一节pn结的壳层与下面的隧道结接触而形成附加pn结，用二氧化硅或聚酰亚胺等电介质薄膜填充于壳层和重掺杂隧道结的之间。
器件顶部采用透明电极，保证太阳光透过。背电极位于衬底底部，外部电压可以通过掺杂的衬底加到器件上。
图2是本发明实施例所述的太阳能电池的制备方法流程图；
图3至图11是本发明实施例所述的太阳能电池的制备过程图；
如图2所示，本实施例所述太阳能电池的制备方法采用MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机物化学气相沉淀)设备和超高真空多功能溅射镀膜系统，具体步骤包括：
步骤S100，生长第一节径向pn结；包括：
步骤S101，在n型或者p型衬底6上沉积金属纳米颗粒或金属薄膜，退火后形成纳米合金颗粒；所述衬底的材料是砷化镓（GaAs）晶体或者锗（Ge）晶体；
步骤S102，如图3所示，以所述纳米合金颗粒作为催化物，沿垂直于衬底方向生长n型或者p型纳米线3；所述纳米线3位于所述衬底6和所述纳米合金颗粒之间，所述n型或者p型纳米线3采用IV族单质或III-V族化合物半导体材料，优选采用锗（Ge）或者铟砷化镓（InGaAs）晶体；
步骤S103，如图3所示，结束所述n型或者p型纳米线的轴向生长，在其上沉积一层电介质薄膜5；所述电介质薄膜5覆盖整个所述的纳米线3与衬底6；所述沉积的电介质薄膜5的材料采用二氧化硅（SiO2）或者聚酰亚胺（polyimide）；
步骤S104，如图4所示，通过腐蚀工艺，控制腐蚀速度与腐蚀时间，将所述电介质薄膜5腐蚀至仅剩覆盖衬底6的一层，以避免后续生长的壳层与其下方的衬底6相接触；
步骤S105，如图5所示，增高生长温度，在所述n型或者p型纳米线3的外侧生长p型或者n型径向pn结的壳层2，形成第一节径向pn结；如果径向pn结的纳米线3是n型，则壳层2是p型，如果径向pn结的纳米线3是p型，则壳层2是n型；所述径向pn结的壳层3采用IV族单质或III-V族化合物半导体材料，优选采用锗（Ge）或铟砷化镓（InGaAs）晶体；
步骤S200，生长第二节的径向pn结；包括：
步骤S201，如图6所示，降低至合适温度，在所述径向pn结的纳米线顶端继续生长重掺杂隧道结4；所述重掺杂隧道结4采用III-V族化合物半导体材料；
步骤S202，如图7所示，在所述重掺杂隧道结上继续生长n型或者p型纳米线3；同一器件中，各节的纳米线3的材料都为n型或者都为p型；所述纳米线3位于所述重掺杂隧道结4与所述纳米合金颗粒之间，所述n型或者p型纳米线3采用III-V族化合物半导体材料；
步骤S203，如图8所示，结束所述n型或者p型纳米线3的生长，在其上沉积一层电介质薄膜4；所述电介质薄膜4覆盖整个所述纳米线与衬底；所述沉积的电介质薄膜的材料优选地采用二氧化硅（SiO2）或者聚酰亚胺（polyimide）；
步骤S204，如图9所示，通过腐蚀工艺，控制腐蚀速度与腐蚀时间，将所述电介质薄膜4腐蚀至略高于刚生长的n型或者p型纳米线3的底部，以避免后续生长的壳层2与其下方的重掺杂隧道结4相接触；
步骤S205，如图9所示，提高生长温度，在上述n型或者p型纳米线3的外侧生长p型或者n型纳米线壳层2，形成第二节径向pn结；如果径向pn结的纳米线3是n型，则壳层2是p型，如果径向pn结的纳米线3是p型，则壳层2是n型；所述n型或者p型的壳层2采用III-V族化合物半导体材料；
步骤S300，如图10所示，重复步骤S2，完成后续各节径向pn结1的生长；所述后续各节的径向pn结1都采用III-V族化合物半导体材料，且材料的带隙宽度由下至上依次增大；
步骤S400，如图11所示，结束所述径向pn结1的生长，在其上镀一层透明电极7，并在衬底的背侧镀一层电极，即背电极8；所述透明电极7的材料是镍金合金（Ni/Au）或者铟锡金属氧化物（ITO），所述背电极8的材料是镍金合金（Ni/Au）或者铂钛铂金合金（Pt/Ti/Pt/Au）。
图12是本发明实施例所述的太阳能电池的材料示意图，最后形成的太阳能电池器件的材料如图12所示。
以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，其特征在于，包括：
径向pn结，包括纳米线和壳层，壳层位于纳米线外侧，所述径向pn结至少为二个，沿纳米线轴向方向排列；位于上一节的径向pn结的材料的带隙宽度比位于下一节的径向pn结的材料的带隙宽度大；
重掺杂隧道结，位于两节径向pn结之间；
电介质薄膜，包裹于径向pn结和重掺杂隧道结的外侧；
衬底，位于所述太阳能电池的底层；
透明电极，位于所述太阳能电池的顶层；
背电极，位于衬底的底面；所述电介质薄膜的一部分位于上面一节径向pn结的壳层与其下面的隧道结之间,以防止上面一节径向pn结的壳层与其下面的隧道结接触而形成附加pn结。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，位于最底层的径向pn结的材料是IV族单质半导体或者III-V族化合物半导体。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，位于最底层的径向pn结的材料是锗晶体或者铟砷化镓晶体。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，位于最底层以上的各节的径向pn结的材料是III-V族化合物半导体。
5.根据权利要求1至4任一项所述的太阳能电池，其特征在于，
所述隧道结的材料是III-V族化合物半导体；
所述衬底的材料是砷化镓晶体或者锗晶体；
所述电介质薄膜的材料是二氧化硅或者聚酰亚胺；
所述透明电极的材料是Ni/Au或者铟锡金属氧化物；
所述背电极的材料是Ni/Au或者Pt/Ti/Pt/Au。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，所述径向pn结的数量是2至4个。
7.一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S100，生长第一节径向pn结；包括：
步骤S101，在n型或者p型衬底上沉积金属纳米颗粒或金属薄膜，退火后形成纳米合金颗粒；
步骤S102，以所述纳米合金颗粒作为催化物，沿垂直于衬底方向生长n型或者p型纳米线；
步骤S103，结束所述n型或者p型纳米线的生长，在其上沉积一层电介质薄膜；
步骤S104，通过腐蚀工艺，将所述电介质薄膜腐蚀至仅剩覆盖衬底的一层；
步骤S105，增高生长温度，在所述n型或者p型纳米线的外侧生长p型或者n型径向pn结的壳层，形成第一节径向pn结；
步骤S200，生长第二节的径向pn结；包括：
步骤S201，降低至合适温度，在所述径向pn结的纳米线顶端继续生长重掺杂隧道结；
步骤S202，在所述重掺杂隧道结上继续生长n型或者p型纳米线；
步骤S203，结束所述n型或者p型纳米线的生长，在其上沉积一层电介质薄膜；
步骤S204，通过腐蚀工艺，将所述电介质薄膜腐蚀至略高于刚生长的n型或者p型纳米线的底部；
步骤S205，提高生长温度，在上述n型或者p型纳米线的外侧生长p型或者n型径向pn结的壳层，形成第二节径向pn结；
步骤S300，重复步骤S200，完成后续各节径向pn结的生长；
步骤S400，结束所述径向pn结的生长，在其上镀一层透明电极，并在衬底的背侧镀一层电极，即背电极。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一节径向pn结的材料是IV族单质半导体或者III-V族化合物半导体。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一节径向pn结的材料是锗晶体或者铟砷化镓晶体。
10.根据权利要求9所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，第二节及后续各节的径向pn结的材料是III-V族化合物半导体。
11.根据权利要求7至10任一项所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，其中，
所述隧道结的材料是III-V族化合物半导体；
所述衬底的材料是砷化镓晶体或者锗晶体；
所述电介质薄膜的材料是二氧化硅或者聚酰亚胺；
所述透明电极的材料是Ni/Au或者铟锡金属氧化物；
所述背电极的材料是Ni/Au或者Pt/Ti/Pt/Au。
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