本發(fā)明涉及納米工程和納米材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于納米線/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的中間帶太陽(yáng)能電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

納米線陣列具有優(yōu)越的光吸收特性，一方面，由于納米線與周圍空氣的折射率差較大，入射光會(huì)被束縛在納米線內(nèi)形成導(dǎo)模，促進(jìn)了納米線的光吸收；另一方面，相比于平面材料，納米線陣列上表面的反射率很小，通過(guò)調(diào)整納米線的直徑以及排列周期，在材料可吸收的波段內(nèi)，可使納米線陣列的反射率幾乎為零，從而獲得遠(yuǎn)高于平面材料的吸收率。并且，由于其獨(dú)特的一維幾何結(jié)構(gòu)，納米線可以通過(guò)在側(cè)面釋放應(yīng)力來(lái)緩解晶格失配對(duì)外延生長(zhǎng)的制約，為大失配材料的單片集成開辟了新的途徑。該一維特點(diǎn)還使得納米線具有極大的靈活性，可以作為載體將不同材料、不同維度和不同功能的結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成各種新穎的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

量子點(diǎn)是一種零維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，載流子在三個(gè)方向均受到約束，光學(xué)和電學(xué)性能極佳。據(jù)報(bào)道，緊密排列的量子點(diǎn)陣列可在其周圍寬帶隙材料的帶隙中形成中間帶，能量小于帶隙寬度的光子可以通過(guò)中間帶被吸收，從而擴(kuò)展材料的吸收光譜。理論計(jì)算表明，量子點(diǎn)中間帶太陽(yáng)電池的理論轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到63％，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)單節(jié)太陽(yáng)能電池的效率極限(41％)。2013年，Alex W.Walker等(參考文獻(xiàn)[1]:Walker A W,Theriault O,Wheeldon J F,et al.The effects of absorption and recombination on quantum dot mul junction solar cell efficiency[J].Photovoltaics,IEEE Journal of,2013,3(3):1118-1124.)報(bào)道的InAs/InGaAs量子點(diǎn)中間帶太陽(yáng)能電池，相比于純InGaAs太陽(yáng)能電池，其短路電流增加了8％；2014年，Tomah Sogabe等(參考文獻(xiàn)[2]:Sogabe T,Shoji Y,Mulder P,et al.Enhancement of current collection in epitaxial lift-off InAs/GaAs quantum dot thin film solar cell and concentrated photovoltaic study[J].Applied Physics Letters,2014,105(11):113904.)報(bào)道的基于InAs/GaAs量子點(diǎn)中間帶太陽(yáng)能電池，其短路電流密度比純GaAs太陽(yáng)能電池提高了0.91mA/cm²，且將其吸收截止波長(zhǎng)從900nm擴(kuò)展到了1150nm。

因此，將納米線與量子點(diǎn)兩種異維納米結(jié)構(gòu)集成在一起，可以將納米線陣列優(yōu)越的光吸收特性與量子點(diǎn)中間帶效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，在利用量子點(diǎn)中間帶效應(yīng)擴(kuò)展吸收光譜的同時(shí)利用納米線陣列的“光阱”效應(yīng)提高光吸收率，有望制備出高性能的太陽(yáng)能電池。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是通過(guò)結(jié)合量子點(diǎn)中間帶效應(yīng)和納米線陣列的“光阱”作用，擴(kuò)展太陽(yáng)能電池吸收的光譜范圍，提高光吸收能力，從而提升電池效率。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于納米線/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的中間帶太陽(yáng)能電池，包括襯底、絕緣層、納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)、透明電極以及底電極。

所述納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括納米線核、量子點(diǎn)層和納米線殼層，量子點(diǎn)層包裹在納米線核和殼層之間，納米線核和殼層經(jīng)過(guò)摻雜與量子點(diǎn)層共同形成徑向pin結(jié)。

所述襯底與納米線核為同型摻雜。

所述絕緣層，用于將納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)層和納米線殼層與襯底隔絕。

所述透明電極覆蓋于所述中間帶太陽(yáng)能電池的頂部。

所述底電極位于所處襯底底面，與襯底形成歐姆接觸。

優(yōu)選地，所述量子點(diǎn)層與納米線殼層接觸面的直徑在20nm以下，垂直于納米線方向的高度在10nm以下，相鄰量子點(diǎn)間距在10nm以下。

優(yōu)選地，所述量子點(diǎn)層為多層結(jié)構(gòu)，層數(shù)至少為2層。

優(yōu)選地，所述量子點(diǎn)的材料的帶隙寬度小于納米線的材料的帶隙寬度。

優(yōu)選地，所述納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)垂直生長(zhǎng)于所述襯底上并排成陣列。

優(yōu)選地，所述納米線材料為砷化鎵，所述量子點(diǎn)材料為砷化銦，所述襯底材料為砷化鎵，所述透明電極材料為銦錫氧化物，所述絕緣層材料為二氧化硅。

本發(fā)明還公開了一種基于納米線/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的中間帶太陽(yáng)能電池的制備方法，包括以下步驟：

步驟S100，生長(zhǎng)納米線陣列，包括：

步驟S101，在n型(或p型)襯底上沉積金屬納米顆粒或金屬薄膜，退火后形成納米合金顆粒；

步驟S102，以所述納米合金顆粒作為催化物，沿垂直于襯底方向生長(zhǎng)n型(或p型)納米線；

步驟S103，結(jié)束所述n型(或p型)納米線的生長(zhǎng)，在其上沉積一層絕緣體；

步驟S104，通過(guò)腐蝕工藝，將所述絕緣體腐蝕至僅剩覆蓋襯底的一層。

步驟S200，在納米線側(cè)壁生長(zhǎng)多層量子點(diǎn)形成量子點(diǎn)層，包括：

步驟S201，在所述納米線側(cè)壁生長(zhǎng)一層量子點(diǎn)；

步驟S202，在量子點(diǎn)層外側(cè)生長(zhǎng)一層與納米線同質(zhì)材料，將量子點(diǎn)包裹住，形成第一包裹層；

步驟S203，在包裹層上生長(zhǎng)一層量子點(diǎn)，在在量子點(diǎn)層外側(cè)生長(zhǎng)一層與納米線同質(zhì)材料， 將量子點(diǎn)包裹住，形成第二包裹層，如此重復(fù)，直至量子點(diǎn)層數(shù)滿足要求。

步驟S300，在所述量子點(diǎn)層5外側(cè)生長(zhǎng)p型(或n型)納米線殼層；

步驟S400，在所述納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)頂部沉積透明電極；

步驟S500，在所述襯底底面沉積底電極。

優(yōu)選地，所述量子點(diǎn)與納米線接觸面的直徑在20nm以下，垂直于納米線方向的高度在10nm以下，相鄰量子點(diǎn)間距在10nm以下。

優(yōu)選地，所述量子點(diǎn)的材料的帶隙寬度小于納米線的材料的帶隙寬度。

優(yōu)選地，所述納米線材料為砷化鎵，所述量子點(diǎn)材料為砷化銦，所述襯底材料為砷化鎵，所述透明電極材料為銦錫氧化物，所述絕緣層材料為二氧化硅。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果在于：

首先，對(duì)于納米線/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，pin結(jié)沿納米線徑向分布，載流子的分離發(fā)生在納米線徑向，由于納米線徑向尺寸一般在幾百納米或者幾十納米，故載流子渡越距離短，從而減小了再?gòu)?fù)合的幾率，提高了收集效率。

其次，呈周期性排列的量子點(diǎn)陣列可在包圍量子點(diǎn)的寬帶隙材料的帶隙中形成中間帶，能量小于帶隙寬度的入射光子可通過(guò)中間帶被吸收，并且，通過(guò)合理調(diào)整量子點(diǎn)的尺寸和間距，可保證中間帶不與導(dǎo)帶或價(jià)帶相連，故材料的總帶隙寬度并不會(huì)受到影響，因此，中間帶可在不損害開路電壓的前提下擴(kuò)展吸收光譜，提高短路電流，從而提高電池效率。理想情況下，量子點(diǎn)中間帶太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)63％，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)單節(jié)太陽(yáng)能電池的效率極限(41％)。

再次，量子點(diǎn)生長(zhǎng)于納米線側(cè)壁上，單位面積的納米線陣列中的量子點(diǎn)個(gè)數(shù)可遠(yuǎn)大于同等厚度的薄膜材料中的量子點(diǎn)個(gè)數(shù)，從而可以更充分的發(fā)揮量子點(diǎn)的吸收增強(qiáng)效果。此外，納米線陣列具有很強(qiáng)的“光阱”效果，可進(jìn)一步提高光吸收能力。

因此，基于納米線/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池可結(jié)合量子點(diǎn)中間帶效應(yīng)和納米線陣列的“光阱”作用，擴(kuò)展太陽(yáng)能電池吸收的光譜范圍，提高光吸收能力，從而提升電池效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的一種基于納米線/量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種基于納米線/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池制備方法的流程圖；

圖3至圖12為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的一種基于納米線/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池制備過(guò)程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不 能用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

圖1為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的一種基于納米線/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的中間帶太陽(yáng)能電池，包括襯底1、絕緣層2、納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)9、透明電極7以及底電極8。

所述的納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)9，包括納米線核3、量子點(diǎn)層5和納米線殼層6，量子點(diǎn)層5包裹在納米線核3和納米線殼層6之間，納米線核3和納米線殼層6經(jīng)過(guò)摻雜與量子點(diǎn)層5共同形成徑向pin結(jié)。量子點(diǎn)與納米線接觸面的直徑在20nm以下，垂直于納米線方向的高度在10nm以下，相鄰量子點(diǎn)間距在10nm以下。量子點(diǎn)層5為多層結(jié)構(gòu)，層數(shù)至少為2層，納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)9垂直生長(zhǎng)于襯底1上并排成陣列。

所述的襯底1與納米線核3為同型摻雜，材料為砷化鎵。

所述的絕緣層2用于將納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)層5和納米線殼層6均與襯底1隔絕，材料為二氧化硅。

所述的透明電極7，覆蓋于所述中間帶太陽(yáng)能電池的頂部，材料為銦錫氧化物。

所述的底電極8，位于所述襯底1底面，與襯底1形成歐姆接觸。

如圖2所示流程，本發(fā)明提供的基于納米線/量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池的制備方法，具體步驟包括：

步驟S100，生長(zhǎng)納米線陣列，包括：

步驟S101，如圖3所示，在n型(或p型)襯底1上沉積金屬納米顆?；蚪饘俦∧ぃ嘶鸷笮纬杉{米合金顆粒4；所述的金屬納米顆?；蚪饘俦∧さ牟牧峡梢赃x擇納米金。

步驟S102，如圖4所示，以所述納米合金顆粒4作為催化物，沿垂直于襯底1上表面方向生長(zhǎng)n型(或p型)納米線，作為納米線核3；

步驟S103，如圖5所示，結(jié)束所述n型(或p型)納米線的生長(zhǎng)，在所述納米線上沉積一層絕緣體2；

步驟S104，如圖6所示，通過(guò)腐蝕工藝，將所述絕緣體2腐蝕至僅剩覆蓋襯底1的一層；優(yōu)選的，所述絕緣體2的厚度為幾十納米。

步驟S200，在納米線核3側(cè)壁生長(zhǎng)多層量子點(diǎn)形成量子點(diǎn)層5，包括：

步驟S201，如圖7所示，在所述納米線核3側(cè)壁生長(zhǎng)一層量子點(diǎn)，形成第一層量子點(diǎn)層5；量子點(diǎn)與納米線接觸面的直徑在20nm以下，垂直于納米線方向的量子點(diǎn)高度在10nm以下，相鄰量子點(diǎn)間距在10nm以下。

步驟S202，如圖8所示，在量子點(diǎn)外側(cè)生長(zhǎng)一層與納米線同質(zhì)材料，將量子點(diǎn)包裹?。?/p>

步驟S203，如圖9所示，重復(fù)步驟S201和步驟S202，直至量子點(diǎn)層5的層數(shù)滿足要求；

步驟S300，如圖10所示，在量子點(diǎn)層5外側(cè)生長(zhǎng)p型(或n型)納米線殼層6；

步驟S400，如圖11所示，在所述納米線/量子點(diǎn)徑向異質(zhì)結(jié)構(gòu)頂部沉積透明電極7；

步驟S500，如圖12所示，在所述襯底1的下底面沉積金屬電極，作為底電極8。

以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。