用于納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn)換方法
【專利摘要】一種用于納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn)換方法，包括：制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面制作依次平行布置的第一金屬電極、第二金屬電極和第三金屬電極，每個金屬電極均包括隔開的且相對布置的兩個電極部分；在金屬電極上通電以便形成雙量子點系統(tǒng)；其中在第一金屬電極和第二金屬電極之間形成第一半導(dǎo)體量子點，而且在第二金屬電極和第三金屬電極之間形成第二半導(dǎo)體量子點；調(diào)整第一金屬電極、第二金屬電極和第三金屬電極上的偏壓，使得包含第一半導(dǎo)體量子點和第二半導(dǎo)體量子點的雙量子點系統(tǒng)在導(dǎo)電時只有兩個單電子態(tài)起作用，而且使得在導(dǎo)電時雙量子點系統(tǒng)內(nèi)最多只能有一個激發(fā)電子，而且激發(fā)電子在點間隧穿作用下吸收具有預(yù)定能量的光子。
【專利說明】用于納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn)換方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可再生清潔能源應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及半導(dǎo)體光伏器件領(lǐng)域；而且，更具 體地說，本發(fā)明涉及一種用于納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn)換方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年占我國每年發(fā)電量八成多的W煤炭為主的火力發(fā)電是造成霧靈等環(huán)境問 題的元兇之一，嚴(yán)重影響了人們?nèi)粘Ｉ钌踔辽硪步】?。不僅如此，W石油、天然氣、煤炭為 主要能源的現(xiàn)代社會更面臨著化石能源日益枯竭的威脅。因此，大力發(fā)展核電、水電、風(fēng)電、 太陽能等新型能源已成為社會共識。
[0003] 作為一種可再生的清潔能源，太陽能愈來愈受到人們的歡迎，W半導(dǎo)體太陽能電 池為代表的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。但是，目前的半導(dǎo)體太陽能電池發(fā)電效率仍然偏低，發(fā)電過 程中吸收的光能大量地W熱的形式消耗掉了，該是制約大幅提升光電轉(zhuǎn)化效率、獲得大光 電功率的關(guān)鍵瓶頸之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在上述缺陷，提供一種能夠有效 地提高納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率的方法，其中為了進(jìn)一步提高半導(dǎo)體太陽能電池 的光電轉(zhuǎn)化效率，改進(jìn)了常見的量子點光伏器件結(jié)構(gòu)，提供了一種利用量子點間的相干電 子隧穿作用來增強光伏效應(yīng)的方法。
[0005] 為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了 一種用于納米結(jié)型光伏器件的光電 轉(zhuǎn)換方法，包括：
[0006] 第一步驟，用于制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（用于納米結(jié)型光伏器件的納米異質(zhì)結(jié)），并且 在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面制作多個金屬電極；所述多個金屬電極包括依次平行布置的第一金屬 電極、第二金屬電極和第H金屬電極，而且每個金屬電極均包括隔開的且相對布置的兩個 電極部分；
[0007] 第二步驟，用于在多個金屬電極上通電W便在多個金屬電極之間的半導(dǎo)體二維電 子氣中形成具有點間電子隧穿作用的雙量子點系統(tǒng)；其中在第一金屬電極的兩個電極部分 和第二金屬電極的兩個電極部分之間形成第一半導(dǎo)體量子點，而且在第二金屬電極的兩個 電極部分和第H金屬電極的兩個電極部分之間形成第二半導(dǎo)體量子點；
[0008] 第H步驟，用于調(diào)整第一金屬電極、第二金屬電極和第H金屬電極上的偏壓，使得 包含第一半導(dǎo)體量子點和第二半導(dǎo)體量子點的雙量子點系統(tǒng)在導(dǎo)電時只有兩個單電子態(tài) 起作用，而且使得在導(dǎo)電時雙量子點系統(tǒng)內(nèi)最多只能有一個激發(fā)電子，而且激發(fā)電子在點 間隧穿作用下吸收具有預(yù)定能量的光子。
[0009] 優(yōu)選地，第二步驟進(jìn)一步包括將第一半導(dǎo)體量子點和第二半導(dǎo)體量子點分別與電 子導(dǎo)線連接W形成光電流通道。
[0010] 優(yōu)選地，激發(fā)電子在點間隧穿作用下吸收的光子的預(yù)定能量由雙量子點系統(tǒng)的單 電子態(tài)能極差決定。
[0011] 優(yōu)選地，第一金屬電極、第二金屬電極和第H金屬電極的結(jié)構(gòu)相同。
[0012] 優(yōu)選地，第一金屬電極、第二金屬電極和第H金屬電極等間距平行布置。
[0013] 優(yōu)選地，第一金屬電極、第二金屬電極和第H金屬電極對稱布置。
[0014] 優(yōu)選地，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的材料為GaAs和/或AlGaAs。
[0015] 優(yōu)選地，金屬電極的材料包括金、銀和鉛中的至少一種。
[0016] 優(yōu)選地，在第一步驟中，采用平板工藝在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面制作多個金屬電極。
[0017] 優(yōu)選地，第H步驟中，在調(diào)整第一金屬電極、第二金屬電極和第H金屬電極上的偏 壓時，使得第一金屬電極和第H金屬電極上的偏壓固定，并同時改變第二金屬電極上的偏 壓。
[0018] 本發(fā)明利用導(dǎo)電的雙量子點構(gòu)成量子點光伏器件，利用雙量子點的點間隧穿該一 相干作用來形成光電流，增強光伏效應(yīng)，使得在光伏功率達(dá)到最大值的同時，仍具有較強的 光電轉(zhuǎn)化效率。而且，基于本發(fā)明的量子點光伏器件結(jié)構(gòu)簡單、制作方便；與一般納米結(jié)型 光伏器件相比能在較高的光電轉(zhuǎn)化效率下得到更大的光伏輸出功率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 結(jié)合附圖，并通過參考下面的詳細(xì)描述，將會更容易地對本發(fā)明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點和特征，其中：
[0020] 圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn) 換方法的流程圖。
[0021] 圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn) 換方法的7]^意圖。
[0022] 需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可 能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號。

【具體實施方式】
[0023] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的內(nèi) 容進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0024] 圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn) 換方法的流程圖；圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于納米結(jié)型光伏器件的 光電轉(zhuǎn)換方法的示意圖。
[0025] 如圖1和圖2所示，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn)換 方法包括：
[0026] 第一步驟S1，用于制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，并且在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面（例如采用平板 工藝）制作用于控制量子點的多個金屬電極；
[0027] 在具體實施例中，如圖2所示，所述多個金屬電極包括依次平行布置的H個金屬 電極（如圖2所不的第一金屬電極1、第二金屬電極2和第H金屬電極3)，而且每個金屬電 極均包括隔開的且相對布置的兩個電極部分。
[002引優(yōu)選地，立個金屬電極的結(jié)構(gòu)相同；而且優(yōu)選地，立個金屬電極等間距平行布置。 而且優(yōu)選地，H個金屬電極對稱布置。
[0029] 具體地，所述多個金屬電極用于控制后續(xù)將要描述的量子點的形狀和內(nèi)部能級間 隔大小等性質(zhì)。
[0030] 在具體實施例中，可W利用常用半導(dǎo)體工藝，W GaAs/AlGaAs等材料制作半導(dǎo)體 異質(zhì)結(jié)，從而產(chǎn)生二維電子氣。而且可W在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面W金、銀、鉛等材質(zhì)制作金屬 電極，通電后形成半導(dǎo)體雙量子點系統(tǒng)。
[0031] 第二步驟S2,用于在多個金屬電極上通電W便在多個金屬電極之間的半導(dǎo)體二維 電子氣中形成了一對具有點間電子隧穿作用的雙量子點系統(tǒng)（目P，一個導(dǎo)電型雙量子點結(jié) 構(gòu)）。
[0032] 具體地，其中在第一金屬電極1的兩個電極部分和第二金屬電極2的兩個電極部 分之間形成第一半導(dǎo)體量子點4,而且在第二金屬電極2的兩個電極部分和第H金屬電極3 的兩個電極部分之間形成第二半導(dǎo)體量子點5 ;
[0033] 并且可W進(jìn)一步將第一半導(dǎo)體量子點4和第二半導(dǎo)體量子點5分別與電子導(dǎo)線連 接W形成光電流通道。
[0034] 第H步驟S3,用于調(diào)整第一金屬電極1、第二金屬電極2和第H金屬電極3上的偏 壓，使得包含第一半導(dǎo)體量子點4和第二半導(dǎo)體量子點5的雙量子點系統(tǒng)在導(dǎo)電時（即工 作狀態(tài)下）只有兩個單電子態(tài)起作用（即，只有兩個單電子態(tài)在導(dǎo)電偏壓窗口內(nèi)），而且使 得在導(dǎo)電時雙量子點系統(tǒng)內(nèi)最多只能有一個激發(fā)電子，而且激發(fā)電子在點間隧穿作用下吸 收具有預(yù)定能量的光子（如圖2中帶有箭頭的線所示）而形成光生電流。
[0035] 其中，激發(fā)電子在點間隧穿作用下吸收的光子的預(yù)定能量由雙量子點系統(tǒng)的單電 子態(tài)能極差決定。
[0036] 具體地說，在本發(fā)明的具體實施例中，雙量子點由于金屬電極上的外加電壓偏置， 在其內(nèi)部形成一個空電子基態(tài)和兩個單電子態(tài)，即雙量子點系統(tǒng)中只有一個激發(fā)電子。兩 個單電子態(tài)能極差為￡，兩個量子點通過禪合強度為X的點間相干隧穿機(jī)制禪合。因此， 雙量子點系統(tǒng)的電子本征態(tài)能極差為n巧,=V777也只有與該能量相等的光子才會被雙 量子點吸收。在光照條件下，即使連接量子點的電子導(dǎo)線上偏壓為零時，在點間隧穿作用下 雙量子點將吸收光子形成光生電流。導(dǎo)線上偏壓不為零時，除了光生電流電流外，還存在該 偏壓導(dǎo)致的與光生電流相互競爭的反向本征電流。當(dāng)偏壓增大到光伏器件的開路電壓Voc 時，電子在點間的隧穿作用將抑制光生電流使得器件的電流急劇衰減為零。若繼續(xù)增加偏 壓，光吸收作用也會被抑制。因此，調(diào)節(jié)導(dǎo)線偏壓和雙量子點隧穿禪合強度可W在較高的光 電轉(zhuǎn)化效率下得到最大的光伏輸出功率。
[0037] 另一方面，調(diào)整金屬電極（尤其是第二金屬電極2)上的電壓可W有效地控制控制 e (兩個單電子態(tài)能極差）和X (兩個量子點的禪合強度）的大小，從而有效地控制電子本 征態(tài)能極差。的大小。由此，在一個具體實施例中，第H步驟S3,在調(diào)整第一金屬電極 1、第二金屬電極2和第H金屬電極3上的偏壓時，可W使得第一金屬電極1和第H金屬電 極3上的偏壓固定，并同時僅僅改變第二金屬電極2上的偏壓。
[0038] 本發(fā)明利用導(dǎo)電的雙量子點構(gòu)成量子點光伏器件，利用雙量子點的點間隧穿該一 相干作用來形成光電流，增強光伏效應(yīng)，使得在光伏功率達(dá)到最大值的同時，仍具有較強的 光電轉(zhuǎn)化效率。而且，基于本發(fā)明的量子點光伏器件結(jié)構(gòu)簡單、制作方便；與一般納米結(jié)型 光伏器件相比能在較高的光電轉(zhuǎn)化效率下得到更大的光伏輸出功率。
[0039] 此外，需要說明的是，除非特別說明或者指出，否則說明書中的術(shù)語"第一"、"第 二"、"第H"等描述僅僅用于區(qū)分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個 組件、元素、步驟之間的邏輯關(guān)系或者順序關(guān)系等。
[0040] 可W理解的是，雖然本發(fā)明已W較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用W 限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下， 都可利用上述掲示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等 同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對 W上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍 內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于納米結(jié)型光伏器件的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于包括： 第一步驟，用于制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，并且在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面制作多個金屬電極；所述 多個金屬電極包括依次平行布置的第一金屬電極、第二金屬電極和第H金屬電極，而且每 個金屬電極均包括隔開的且相對布置的兩個電極部分； 第二步驟，用于在多個金屬電極上通電W便在多個金屬電極之間的半導(dǎo)體二維電子氣 中形成具有點間電子隧穿作用的雙量子點系統(tǒng)；其中在第一金屬電極的兩個電極部分和第 二金屬電極的兩個電極部分之間形成第一半導(dǎo)體量子點，而且在第二金屬電極的兩個電極 部分和第H金屬電極的兩個電極部分之間形成第二半導(dǎo)體量子點； 第H步驟，用于調(diào)整第一金屬電極、第二金屬電極和第H金屬電極上的偏壓，使得包含 第一半導(dǎo)體量子點和第二半導(dǎo)體量子點的雙量子點系統(tǒng)在導(dǎo)電時只有兩個單電子態(tài)起作 用，而且使得在導(dǎo)電時雙量子點系統(tǒng)內(nèi)最多只能有一個激發(fā)電子，而且激發(fā)電子在點間隧 穿作用下吸收具有預(yù)定能量的光子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，第二步驟進(jìn)一步包括將第一半 導(dǎo)體量子點和第二半導(dǎo)體量子點分別與電子導(dǎo)線連接W形成光電流通道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，激發(fā)電子在點間隧穿作用下 吸收的光子的預(yù)定能量由雙量子點系統(tǒng)的單電子態(tài)能極差決定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，第一金屬電極、第二金屬電 極和第H金屬電極的結(jié)構(gòu)相同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，第一金屬電極、第二金屬電 極和第H金屬電極等間距平行布置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，第一金屬電極、第二金屬電 極和第H金屬電極對稱布置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的材料為 GaAs 和 / 或 AlGaAso
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，金屬電極的材料包括金、銀 和鉛中的至少一種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，在第一步驟中，采用平板工 藝在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面制作多個金屬電極。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，第H步驟中，在調(diào)整第一金 屬電極、第二金屬電極和第H金屬電極上的偏壓時，使得第一金屬電極和第H金屬電極上 的偏壓固定，并同時改變第二金屬電極上的偏壓。
【文檔編號】H01L31/18GK104465813SQ201410756649
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月10日
【發(fā)明者】鐘旭 申請人:上海電機(jī)學(xué)院