CN106920881B - 一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池。该电池将半导体纳米线和有机导电材料分别与硅衬底异质集成，解决传统多结电池中的晶格匹配及高衬底成本问题，并实现电池的紫外到红外波段宽谱高效响应。以半导体纳米线与硅衬底构成的异质结作为紫外至可见光及红外波段的子电池，以较少的材料成本就能够完成相应波段的高效吸收；以有机导电材料与硅衬底构成的异质结作为可见光波段子电池，并在电池的制备过程中引入等离激元陷光结构，实现电池对可见光的高效吸收。该电池设计可大幅降低电池材料成本，实现了开路电压、短路电流的提升，显著降低电池的光损失及热损耗，提升电池的宽光谱响应及光电转换效率。

Description

一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池
技术领域
本发明具体是一种半导体纳米线、有机-硅异质集成的太阳电池，属于太阳电池技术领域。
背景技术
太阳电池已成为当今重要的能源供给方式，二十一世纪以来，太阳电池产量在全球范围内得到了大幅的增长，经过急速增长期之后，虽然该领域取得了长足的发展与进步，然而占据市场最大份额的晶体硅等电池的光电转换效率仅为18％-20％左右，这是由于电池中的光子转换成载流子的效率原理上为Shockley-Queisser极限所限。太阳光谱覆盖350nm到2000nm宽谱波段，单带隙的硅材料难以高效地将所有入射光子转换成载流子：能量低于硅半导体带隙的光子不能被半导体吸收，而能量高于带隙的光子将通过热化过程快速损失掉额外的能量。理论上，多结太阳能电池可有效解决这一效率限制，可通过不同带隙的半导体吸收不同波段的光，覆盖整个太阳光谱，并尽可能地减少电池中的热损失。目前，砷化镓基多结太阳能电池目前效率已达35％以上，然而该结电池生长过程需考虑晶格匹配，工艺要求高，且衬底昂贵。高转换效率、低成本的太阳电池是光伏技术领域研究人员一直在不懈追求的目标。
相关研究表明，有机聚合物和半导体材料也可形成异质结，用于光电转换。相比于半导体晶体材料，有机聚合物材料可采用液相旋涂、卷对卷等低成本工艺大面积制备，并可方便地在聚合物功能层中增加各种纳米功能结构，为电池中的光学运筹和电子设计提供了全新的手段，极具发展前景。然而，有机-硅异质结电池均在紫外波段、可见光波段的响应较差，红外光(1100nm-2000nm)不能吸收利用，需要提出全新原理和新结构的器件，实现从紫外、可见到红外光的宽光谱响应及光电转换效率的提升。
随着微纳制造技术的发展，可将半导体PIN结的尺寸缩小到纳米尺度，在该尺度下，纳米PIN结可通过其侧壁释放残余应力，因而该类器件可在晶格不匹配的低成本衬底上制备，有望与硅材料电池形成异质集成。此外，半导体纳米线电池以其超高的比表面积的电池结构，实现了电池的光路与电路的隔离，其光学吸收截面远大于其上表面的面积，因此半导体纳米线电池在保持较高效率的情况下，可大幅度降低电池的材料成本。
另一方面，等离激元陷光技术在电池中已经得到了初步发展，近年来，研究表明，具有表面等离激元局域或亚波长传导的纳米结构有望用于提高太阳能电池的效率，但是，需要将表面等离激元结构镶嵌在光伏功能层内部(PN结内部)，才能发挥作用。限于工艺和器件结构，目前绝大多数无机材料构成的传统太阳电池(如晶体硅、砷化镓太阳能电池)，都无法实现内部镶嵌表面等离激元结构，也就无法利用这种表面等离激元效应实现增效。对于特定结构的串联电池，如何设计等离激元陷光结构，降低工艺要求并有效地提高电池效率，仍然是该技术中面临的巨大挑战。
发明内容
技术问题：本发明的目的是解决已有太阳电池光电转换效率低、宽光谱响应差、成本高等技术问题，提出一种半导体纳米线、有机-硅异质结异质集成的太阳电池，不仅降低了电池成本，提升了开路电压、短路电流，该电池还具有宽谱光电响应及较高的光电转换效率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池由第一透明导电薄膜层、第一半导体纳米线、第一绝缘聚合物层、第二透明导电薄膜层、等离激元陷光结构、有机导电材料层、硅衬底、高掺杂半导体层、第二半导体纳米线、第二绝缘聚合物层、和背电极构成；其位置关系由上至下依次为第一透明导电薄膜层、第一绝缘聚合物层、第二透明导电薄膜层、有机导电材料层、硅衬底、高掺杂半导体层、第二绝缘聚合物层和背电极；其中第一半导体纳米线顶部第一透明导电薄膜层紧密接触，其底部与第二透明导电薄膜层紧密接触，其它部分与第一绝缘聚合物层紧密接触，等离激元陷光结构分散在有机导电材料层中或者分散在有机导电材料层与硅衬底界面处；第二半导体纳米线顶部与高掺杂半导体层紧密接触，其底部与背电极紧密接触，其它部分与第二绝缘聚合物层紧密接触。
所述的第一半导体纳米线为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线，间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间；第一半导体纳米线长度为100纳米到1微米，直径为10纳米到200纳米；所述的第一半导体纳米线对紫外至可见及红外波段的太阳光具有一定的吸收能力，为半导体纳米线PIN结，由上至下依次为p型半导体区域、i型半导体区域和n型半导体区域，p型半导体区域长度为第一半导体纳米线长度的十分之一到三分之一，i型半导体区域长度为第一半导体纳米线长度的十分之八到三分之一，n型半导体区域长度为第一半导体纳米线长度的十分之一到三分之一；所述的半导体纳米线PIN结供选材料为镓铟磷、铝镓铟磷、铝镓砷、砷化镓或磷化铟宽带隙半导体材料；所述的第一半导体纳米线或为下转换纳米结构，供选材料为镉锌硫或硒化镉纳米线，或铕Eu2+，Eu3+、铽Tb3+或钐Sm3+稀土元素掺杂纳米线，绝缘介质层包覆在第一半导体纳米线的侧表面，其高度低于半导体纳米线的高度，供选材料为氧化铝、二氧化硅或氮化硅绝缘介质材料，厚度为1纳米到20纳米。
所述的第二半导体纳米线可为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线，或可为不同尺寸、不同材料的半导体纳米线。所述的第二半导体纳米线间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间；所述的第二半导体纳米线长度为100纳米到1微米，直径为10纳米到200纳米；所述的第二半导体纳米线由上至下依次为重掺杂p型半导体区域、p型半导体区域、i型半导体区域和n型半导体区域，重掺杂p型半导体区域长度为第二半导体纳米线长度的十分之一到四分之一，掺杂浓度为1019每立方厘米到1020每立方厘米；p型半导体区域长度为第二半导体纳米线长度的十分之一到四分之一，i型半导体区域长度为第二半导体纳米线长度的十分之七到四分之一，n型半导体区域长度为第二半导体纳米线长度的十分之一到四分之一；所述的第二半导体纳米线供选材料为砷化铟镓、磷砷镓铟、锑化镓或锗窄带隙半导体材料；绝缘介质层包覆在第二半导体纳米线侧表面，其高度低于重掺杂p型半导体区域，供选材料为氧化铝、二氧化硅或氮化硅绝缘介质材料，厚度为1纳米到20纳米。
所述的第一透明导电薄膜层、第二透明导电薄膜层为同种材料，供选材料为氧化铟锡ITO、掺铝氧化锌AZO或掺氟氧化锡FTO，厚度为10纳米到200纳米。
所述的第一绝缘聚合物层、第二绝缘聚合物层为同种材料，供选材料为NOA73紫外固化胶，SU-8光刻胶，苯并环丁烯BCB，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS，厚度为100纳米到500纳米。
所述的等离激元陷光结构，供选材料为金、银或钯材料，采用的形状为圆片、椭圆片、四边形片或六边形片，直径为10纳米到100纳米，厚度为1纳米到20纳米。
所述的有机导电材料层，供选材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS、聚3-已基噻吩P3HT、聚3-辛基噻吩P3OT、PEH-PPV或小分子Spiro-OMeTAD，厚度为10纳米到200纳米。
所述的硅衬底为n型硅，厚度为1微米到500微米。
所述的高掺杂半导体层，材料为硅，掺杂浓度为1018每立方厘米到1019每立方厘米，其厚度为1纳米到50纳米。
所述的背电极，供选材料为金、铟、铝或铟镓混合物，厚度为10纳米到200纳米。
从材料特点上看，纳米尺度的半导体纳米线阵列可通过其侧壁释放残余应力，故该结构可在晶格不匹配、低成本的硅衬底上制备，实现与硅材料电池形成异质集成。另外，半导体纳米线电池具有超高的比表面积的电池结构，其光学吸收截面远大于其上表面的面积，结合等离激元纳米材料的陷光特性、导电特性等，实现半导体纳米线电池高效的吸光效率，并大幅度降低电池的材料成本。
从结构特点上看，半导体纳米线、有机-硅异质集成的太阳电池以硅材料作为整个电池的衬底，采用第一半导体纳米线作为紫外至可见光、红外波段的子电池，有机-硅异质结作为可见光波段子电池。对于能量高于硅带隙的紫外‐可见及红外波段的太阳光，通过第一半导体纳米线和有机导电材料层与硅衬底构成的异质结进行吸收，在有机导电材料层‐硅异质结光子吸收和载流子分离，由透明导电前电极和背电极实现载流子收集，实现光电转换；对于能量低于硅带隙的红外波段的太阳光，通过设计第二半导体纳米线其中半导体纳米线单元的尺寸及材料组成，半导体纳米线单元结构可以为几种不同高度或材料的半导体纳米线的组合，通过该种方式既可实现对特定波长红外光的强响应，又或者可实现红外波段的宽光谱响应。
有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：
1、提出一种半导体、有机-硅异质集成的太阳电池，针对传统有机硅异质结电池对各个波段的光难以高效地将所有入射光子转换成载流子的问题，该电池将不同太阳光谱波段具有高响应特性的半导体纳米线阵列与有机-硅异质结实现异质集成，电池在太阳光谱中紫外波段到红外波段的超宽光谱高效响应，实现了电池的开路电压、短路电流的提升。
2、提出以第一半导体纳米线作为紫外至可见光及红外波段的子电池，针对传统有机硅异质结电池中需采用昂贵的三五族半导体材料以及晶格匹配的问题。利用半导体纳米线PIN结残余应力小、比表面积高的优点，结合成本更低的硅衬底，有机-硅异质结作为可见光波段子电池，以低廉的材料成本就能够完成相应波段的光吸收。此外，利用等离激元陷光结构易于镶嵌在有机聚合物的特点，结合该种结构具有的光局域特性、散射增强特性以及良好的导电性，进一步实现电池对光的高效吸收。
3、提出通过第二半导体纳米线的阵列单元(阵列单元中可为一种带隙的半导体构成的纳米线PIN结，也可以为多种带隙的半导体纳米线PIN结)，针对传统有机硅异质结电池对红外波段的光难以有效吸收及热损耗的问题，通过改变该阵列单元中纳米线的尺寸、带隙等，将不同波长的红外波段的光能量分布于不同的纳米线中，实现对宽红外波段的红外光子的进一步分选，降低电池的热损耗，提升电池的光生电流。
附图说明
图1是该半导体纳米线型异质集成的太阳电池结构示意图。
图2是去除硅衬底上的第一半导体纳米线后的太阳电池结构示意图。
图3是第二半导体纳米线的结构图。其中图3a是同一尺寸、同一材料的第二半导体纳米线的结构图。图3b是不同尺寸、不同材料的第二半导体纳米线的结构图。
图4是半导体纳米线PIN结示意图。其中图4a是第一半导体纳米线PIN结的结构示意图。图4b是第二半导体纳米线PIN结的结构示意图。
图中有第一透明导电薄膜层11、第一半导体纳米线2、p型半导体区域21、i型半导体区域22、n型半导体区域23、绝缘介质层24、第一绝缘聚合物层31、第二绝缘聚合物层32、第二透明导电薄膜层12、等离激元陷光结构4、有机导电材料层5、硅衬底6、高掺杂半导体层7、第二半导体纳米线8、第二半导体纳米线结构类型81、重掺杂p型半导体区域82、p型半导体区域83、i型半导体区域84、n型半导体区域85、绝缘介质层86和背电极9。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，电池的结构包括：第一透明导电薄膜层11、第一半导体纳米线2、第一绝缘聚合物层31、第二透明导电薄膜层12、等离激元陷光结构4、有机导电材料层5、硅衬底6、高掺杂半导体层7、第二半导体纳米线8、第二绝缘聚合物层32和背电极9。其位置关系由上至下依次为第一透明导电薄膜层11、第一绝缘聚合物层31、第二透明导电薄膜层12、有机导电材料层5、硅衬底6、高掺杂半导体层7、第二绝缘聚合物层32和背电极9。其中第一半导体纳米线2顶部第一透明导电薄膜层11紧密接触，其底部与第二透明导电薄膜层12紧密接触，其它部分与第一绝缘聚合物层31紧密接触。等离激元陷光结构4分散在有机导电材料层5中或者分散在有机导电材料层5与硅衬底6界面处；第二半导体纳米线8顶部与高掺杂半导体层7紧密接触，其底部与背电极9紧密接触，其它部分与第二绝缘聚合物层32紧密接触。
第一半导体纳米线2为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线，间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间。第一半导体纳米线2长度为100纳米到1微米，直径为10纳米到200纳米。所述的第一半导体纳米线2对紫外至可见及红外波段的太阳光具有一定的吸收能力，可为半导体纳米线PIN结(如图4a所示)，由上至下依次为p型半导体区域21、i型半导体区域22和n型半导体区域23，p型半导体区域21长度为第一半导体纳米线2长度的十分之一到三分之一，i型半导体区域22长度为第一半导体纳米线2长度的十分之八到三分之一，n型半导体区域23长度为第一半导体纳米线2长度的十分之一到三分之一。所述的半导体纳米线PIN结供选材料为镓铟磷、铝镓铟磷、铝镓砷、砷化镓或磷化铟宽带隙半导体材料。所述的第一半导体纳米线2或为下转换纳米结构，供选材料为镉锌硫或硒化镉纳米线，或铕Eu2+，Eu3+、铽Tb3+或钐Sm3+稀土元素掺杂纳米线。绝缘介质层24包覆在第一半导体纳米线2的侧表面，其高度低于半导体纳米线的高度，供选材料为氧化铝、二氧化硅或氮化硅绝缘介质材料，厚度为1纳米到20纳米。
如图4b所示，第二半导体纳米线8可为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线(如图3a)，或可为不同尺寸、不同材料的半导体纳米线(如图3b)。半导体纳米线单元的尺寸、材料的选择可实现近中红外宽波段的太阳光的分光，提高该波段太阳光的利用效率，降低电池的热损失。所述的第二半导体纳米线8间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间。所述的第二半导体纳米线8长度为100纳米到1微米，直径为10纳米到200纳米。所述的第二半导体纳米线8由上至下依次为重掺杂p型半导体区域82、p型半导体区域83、i型半导体区域84和n型半导体区域85(如图4b)，重掺杂p型半导体区域82长度为第二半导体纳米线8长度的十分之一到四分之一，掺杂浓度为1019每立方厘米到1020每立方厘米。p型半导体区域83长度为第二半导体纳米线8长度的十分之一到四分之一，i型半导体区域84长度为第二半导体纳米线8长度的十分之七到四分之一，n型半导体区域85长度为第二半导体纳米线8长度的十分之一到四分之一；所述的第二半导体纳米线8供选材料为砷化铟镓、磷砷镓铟、锑化镓或锗窄带隙半导体材料；绝缘介质层86包覆在第二半导体纳米线8侧表面，其高度低于重掺杂p型半导体区域82，供选材料为氧化铝、二氧化硅或氮化硅绝缘介质材料，厚度为1纳米到20纳米。
第一透明导电薄膜11、第二透明导电薄膜12为同种材料，供选材料为氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)或掺氟氧化锡(FTO)，厚度为10纳米到200纳米。第一绝缘聚合物层31、第二绝缘聚合物层32为同种材料，供选材料为NOA73紫外固化胶，SU-8光刻胶，苯并环丁烯(BCB)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度为100纳米到500纳米。等离激元陷光结构4，供选材料为金、银或钯材料，可采用的形状为圆片、椭圆片、四边形片或六边形片，其等离激元谐振峰调谐范围为紫外到红外波段，直径为10纳米到100纳米，厚度为1纳米到20纳米。有机导电材料层5，供选材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)，聚3-已基噻吩(P3HT)，聚3-辛基噻吩(P3OT)，PEH-PPV或小分子Spiro-OMeTAD，厚度为10纳米到200纳米。硅衬底6，为n型，厚度为1微米到500微米。高掺杂半导体层7，材料为硅，掺杂浓度为1018每立方厘米到1019每立方厘米，其厚度为1纳米到50纳米。背电极9，供选材料为金、铟、铝或铟镓混合物，厚度为10纳米到200纳米。
实施例1：
设计如图2的电池结构。第二半导体纳米线结构为同一尺寸、材料组成的纳米线(图3a)，间距为50纳米，纳米线的材料为砷化铟镓，长度为300纳米，直径为60纳米。p型半导体区域长度为60纳米，i型半导体区域长度150纳米，n型半导体区域长度为60纳米，重掺杂p型半导体区域长度为30纳米，掺杂浓度为5×1019每立方厘米。绝缘介质层的材料为氧化铝，厚度为10纳米。第二透明导电薄膜的材料为氧化铟锡(ITO)，厚度为50纳米。等离激元陷光结构的材料为金，形状为圆片，直径为100纳米，厚度为10纳米。有机导电材料层的材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)，厚度80纳米。n型硅衬底的厚度为100微米。第二绝缘聚合物层的材料为NOA73紫外固化胶，厚度为300纳米。高掺杂半导体层的材料为硅，掺杂浓度为1018每立方厘米，厚度为30纳米。背电极的材料为铝，厚度为100纳米。
实施例2：
设计如图1的电池结构。第二半导体纳米线结构为同一尺寸、材料组成的纳米线(图3a)，间距为50纳米，纳米线的材料为磷砷镓铟，长度为500纳米，直径为150纳米。p型半导体区域长度为70纳米，i型半导体区域长度300纳米，n型半导体区域长度为100纳米，重掺杂p型半导体区域长度为30纳米，掺杂浓度为7×1019每立方厘米。绝缘介质层的材料为二氧化硅，厚度为15纳米。第一半导体纳米线为同一尺寸、同种材料的纳米线，间距为30纳米，纳米线的材料为镓铟磷，长度为400纳米，直径为60纳米。p型半导体区域长度为100纳米，i型半导体区域长度200纳米，n型半导体区域长度为100纳米。绝缘介质层的材料为二氧化硅，厚度为15纳米。第一透明导电薄膜、第二透明导电薄膜为掺铝氧化锌(AZO)材料，厚度为100纳米。第一绝缘聚合物层、第二绝缘聚合物层的材料为NOA73紫外固化胶，厚度为300纳米。等离激元陷光结构的材料为银，形状为四边形片，直径为80纳米，厚度为5纳米。有机导电材料层为聚3-已基噻吩(P3HT)材料，厚度50纳米。n型硅衬底厚度200微米。高掺杂半导体层的材料为硅，掺杂浓度为5×1018每立方厘米，厚度为40纳米。背电极的材料为铟，厚度为70纳米。
实施例3：
设计如图1的电池结构。第二半导体纳米线结构为不同尺寸、材料组成的纳米线(图3b)，间距为50纳米，纳米线的材料分别为锑化镓和锗，长度分别为700纳米和300纳米，直径分别为40纳米和150纳米。p型半导体区域长度分别为100纳米和40纳米，i型半导体区域长度分别为450纳米和200纳米，n型半导体区域长度分别为100纳米和50纳米，重掺杂p型半导体区域长度分别为50纳米和10纳米，掺杂浓度为1020每立方厘米。绝缘介质层的材料为氮化硅，厚度为20纳米。第一半导体纳米线为同一尺寸、同种材料的纳米线，间距为40纳米，纳米线的材料为硒化镉，长度为500纳米，直径为100纳米。绝缘介质层的材料为氮化硅，厚度为12纳米。第一透明导电薄膜、第二透明导电薄膜的材料为掺氟氧化锡(FTO)，厚度为200纳米。第一绝缘聚合物层、第二绝缘聚合物层的材料为苯并环丁烯(BCB)，厚度为400纳米。等离激元陷光结构的材料为钯，形状为六边形片，直径为60纳米，厚度为20纳米。有机导电材料层的材料为聚3-辛基噻吩(P3OT)，厚度120纳米。n型硅衬底厚度500微米。高掺杂半导体层的材料为硅，掺杂浓度为1019每立方厘米，厚度为50纳米。背电极的材料为金，厚度为200纳米。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于，该太阳电池由第一透明导电薄膜层(11)、第一半导体纳米线(2)、第一绝缘聚合物层(31)、第二透明导电薄膜层(12)、等离激元陷光结构(4)、有机导电材料层(5)、硅衬底(6)、高掺杂半导体层(7)、第二半导体纳米线(8)、第二绝缘聚合物层(32)、和背电极(9)构成；其位置关系由上至下依次为第一透明导电薄膜层(11)、第一绝缘聚合物层(31)、第二透明导电薄膜层(12)、有机导电材料层(5)、硅衬底(6)、高掺杂半导体层(7)、第二绝缘聚合物层(32)和背电极(9)；其中第一半导体纳米线(2)与顶部第一透明导电薄膜层(1)紧密接触，其底部与第二透明导电薄膜层(12)紧密接触，其它部分与第一绝缘聚合物层(31)紧密接触，等离激元陷光结构(4)分散在有机导电材料层(5)中或者分散在有机导电材料层(5)与硅衬底(6)界面处；第二半导体纳米线(8)顶部与高掺杂半导体层(7)紧密接触，其底部与背电极(9)紧密接触，其它部分与第二绝缘聚合物层(32)紧密接触。
2.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于，所述的第一半导体纳米线(2)为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线，间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间；第一半导体纳米线(2)长度为100纳米到1微米，直径为10纳米到200纳米；所述的第一半导体纳米线(2)对紫外至可见及红外波段的太阳光具有一定的吸收能力，为半导体纳米线PIN结，由上至下依次为p型半导体区域(21)、i型半导体区域(22)和n型半导体区域(23)，p型半导体区域(21)长度为第一半导体纳米线(2)长度的十分之一到三分之一，i型半导体区域(22)长度为第一半导体纳米线(2)长度的十分之八到三分之一，n型半导体区域(23)长度为第一半导体纳米线(2)长度的十分之一到三分之一；所述的半导体纳米线PIN结供选材料为镓铟磷、铝镓铟磷、铝镓砷、砷化镓或磷化铟宽带隙半导体材料；所述的第一半导体纳米线(2)或为下转换纳米结构，供选材料为镉锌硫或硒化镉纳米线，或铕Eu2+，Eu3+、铽Tb3+或钐Sm3+稀土元素掺杂纳米线，绝缘介质层(24)包覆在第一半导体纳米线(2)的侧表面，其高度低于半导体纳米线的高度，供选材料为氧化铝、二氧化硅或氮化硅绝缘介质材料，厚度为1纳米到20纳米。
3.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于，所述的第二半导体纳米线(8)可为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线，或可为不同尺寸、不同材料的半导体纳米线，所述的第二半导体纳米线(8)间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间；所述的第二半导体纳米线(8)长度为100纳米到1微米，直径为10纳米到200纳米；所述的第二半导体纳米线(8)由上至下依次为重掺杂p型半导体区域(82)、p型半导体区域(83)、i型半导体区域(84)和n型半导体区域(85)，重掺杂p型半导体区域(82)长度为第二半导体纳米线(8)长度的十分之一到四分之一，掺杂浓度为1019每立方厘米到1020每立方厘米；p型半导体区域(83)长度为第二半导体纳米线(8)长度的十分之一到四分之一，i型半导体区域(84)长度为第二半导体纳米线(8)长度的十分之七到四分之一，n型半导体区域(85)长度为第二半导体纳米线(8)长度的十分之一到四分之一；所述的第二半导体纳米线(8)供选材料为砷化铟镓、磷砷镓铟、锑化镓或锗窄带隙半导体材料；绝缘介质层(86)包覆在第二半导体纳米线(8)侧表面，绝缘介质层(86)在高度方向上位于重掺杂p型半导体区域(82)以下，供选材料为氧化铝、二氧化硅或氮化硅绝缘介质材料，厚度为1纳米到20纳米。
4.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于，所述的第一透明导电薄膜层(11)、第二透明导电薄膜层(12)为同种材料，供选材料为氧化铟锡ITO、掺铝氧化锌AZO或掺氟氧化锡FTO，厚度为10纳米到200纳米。
5.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于，所述的第一绝缘聚合物层(31)、第二绝缘聚合物层(32)为同种材料，供选材料为NOA73紫外固化胶，SU-8光刻胶，苯并环丁烯BCB，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS，厚度为100纳米到500纳米。
6.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于所述的等离激元陷光结构(4)，供选材料为金、银或钯材料，采用的形状为圆片、椭圆片、四边形片或六边形片，直径为10纳米到100纳米，厚度为1纳米到20纳米。
7.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于所述的有机导电材料层(5)，供选材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS、聚3-已基噻吩P3HT、聚3-辛基噻吩P3OT、PEH-PPV或小分子Spiro-OMeTAD，厚度为10纳米到200纳米。
8.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于所述的硅衬底(6)为n型硅，厚度为1微米到500微米。
9.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于所述的高掺杂半导体层(7)，材料为硅，掺杂浓度为1018每立方厘米到1019每立方厘米，其厚度为1纳米到50纳米。
10.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于所述的背电极(9)，供选材料为金、铟、铝或铟镓混合物，厚度为10纳米到200纳米。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010062644A2 (en) * 2008-10-28 2010-06-03 The Regents Of The University Of California Vertical group iii-v nanowires on si, heterostructures, flexible arrays and fabrication
CN102148332A (zh) * 2010-11-26 2011-08-10 北京化工大学 半导体纳米线基有机/无机复合太阳能电池的制备方法
CN102185037A (zh) * 2011-05-11 2011-09-14 复旦大学 能提高光电转换效率的硅纳米柱太阳能电池及其制造方法
CN102881769A (zh) * 2012-09-19 2013-01-16 中国科学院物理研究所 一种用于黑硅的宽波段范围减反射方法
JP2014049652A (ja) * 2012-08-31 2014-03-17 Panasonic Corp 光起電力装置
CN106057924A (zh) * 2016-08-01 2016-10-26 河北大学 一种复合层电极及其制备方法以及使用该复合层电极的透光太阳能电池

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010062644A2 (en) * 2008-10-28 2010-06-03 The Regents Of The University Of California Vertical group iii-v nanowires on si, heterostructures, flexible arrays and fabrication
CN102148332A (zh) * 2010-11-26 2011-08-10 北京化工大学 半导体纳米线基有机/无机复合太阳能电池的制备方法
CN102185037A (zh) * 2011-05-11 2011-09-14 复旦大学 能提高光电转换效率的硅纳米柱太阳能电池及其制造方法
JP2014049652A (ja) * 2012-08-31 2014-03-17 Panasonic Corp 光起電力装置
CN102881769A (zh) * 2012-09-19 2013-01-16 中国科学院物理研究所 一种用于黑硅的宽波段范围减反射方法
CN106057924A (zh) * 2016-08-01 2016-10-26 河北大学 一种复合层电极及其制备方法以及使用该复合层电极的透光太阳能电池

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