專利名稱：基于iii-v族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料與新能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于III-V族化合物半導(dǎo) 體/硅納米孔柱陣列的太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，在世界能源危機(jī)不斷加劇的背景下，隨著傳統(tǒng)硅電池不斷革新和新型太陽 能電池的涌現(xiàn)，新的概念已經(jīng)開始在太陽能電池技術(shù)中顯現(xiàn)，從某種意義上講，它預(yù)示著太 陽能電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前市場(chǎng)上太陽能電池主要以技術(shù)成熟的硅基太陽能電池為 主，但是該電池制造成本較高、轉(zhuǎn)換效率偏低。新型太陽能電池主要向著薄膜化、疊層化以 及新概念太陽能電池等方向發(fā)展，特別是納米技術(shù)的引入，為提高太陽能電池效率提供一 種新的途徑。如將一維納米材料用于太陽能電池，可以顯著的增加光生載流子的擴(kuò)散長度， 降低載流子湮滅幾率，從而極大地提高光電轉(zhuǎn)換效率。其中III-V族化合物半導(dǎo)體電池具 有轉(zhuǎn)換效率高，耐熱性高及抗輻射能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而成為民用、軍用太陽能電池的 重要研究方向。硅納米孔柱陣列(Si-NPA)是一種硅的微米-納米結(jié)構(gòu)復(fù)合體系，它具有三重層次 結(jié)構(gòu)，即由微米/亞微米尺寸可調(diào)、幾何形狀基本等同、垂直于表面規(guī)則排列的硅柱組成 的陣列，分布于硅柱的高密度納米孔和組成納米孔孔壁的硅納米顆粒。Si-NPA具有很好的 寬頻譜光吸收特性，其在240-2400 nm測(cè)試波長范圍內(nèi)的平均積分反射率小于4%，而在太 陽能光譜的400-1000 nm波長范圍內(nèi)，其積分反射率小于2%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的新型太 陽能電池及其制備方法，此太陽能電池成本低、抗輻射和光電轉(zhuǎn)換效率高。本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的 太陽能電池，包括上、下接觸電極，其特征在于還包括透明導(dǎo)電薄膜、η型III-V族化合物 半導(dǎo)體、P型硅納米孔柱陣列、P型單晶硅層以及金屬導(dǎo)電薄膜層，其中P型硅納米孔柱陣列 覆蓋在P型單晶硅層頂面，η型III-V族化合物半導(dǎo)體與P型硅納米孔柱陣列形成異質(zhì)結(jié)； 透明導(dǎo)電薄膜沉積在η型III-V族化合物半導(dǎo)體的表面，ρ型單晶硅層底面為金屬導(dǎo)電薄 膜層。所述的η型III-V族化合物半導(dǎo)體為二元III-V族化合物半導(dǎo)體或三元III-V族 化合物半導(dǎo)體。所述的η型III-V族化合物半導(dǎo)體是由納米或亞微米尺寸的顆粒、棒、柱、線、管或 錐或其任意兩種或兩種以上混合體組成的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)薄膜、束狀或集束狀陣列結(jié)構(gòu)。所述金屬導(dǎo)電薄膜層為金屬鋁膜。所述的一種基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)、先通過水熱腐蝕法用P型單晶硅層制備P型硅納米孔 柱陣列做為襯底；(2)、利用沉積制備技術(shù)在P型硅納米孔柱陣列上沉積η型III-V族化合 物半導(dǎo)體，與P型硅納米孔柱陣列形成異質(zhì)結(jié)；(3)、在η型III-V族化合物半導(dǎo)體表面沉積 透明導(dǎo)電薄膜作為頂電極；(4)、除去ρ型單晶硅底部的多孔層和氧化層，在ρ型單晶硅底 面沉積金屬導(dǎo)電薄膜層作為背電極；(5)、制備上、下接觸電極。所述的步驟(2)中在P型硅納米孔柱陣列上沉積η型III-V族化合物半導(dǎo)體時(shí)使 用催化劑。所述步驟(2)和步驟(3)中的η型III-V族化合物半導(dǎo)體為二元III-V族化合物 半導(dǎo)體或三元III-V族化合物半導(dǎo)體。所述步驟(2)和步驟(3)中η型III-V族化合物半導(dǎo)體是由納米或亞微米尺寸的 顆粒、棒、柱、線、管或錐或其任意兩種或兩種以上混合體組成的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)薄膜、束狀或 集束狀陣列結(jié)構(gòu)。所述步驟(5)中金屬導(dǎo)電薄膜層為金屬鋁膜。本發(fā)明基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的新型太陽能電池，與通常 的III-V族化合物半導(dǎo)體電池相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)
1、硅納米孔柱陣列不但具有寬頻譜光吸收特性、較小的積分反射率，還具有可大面積 生產(chǎn)、制備工藝簡單、成本低廉和結(jié)構(gòu)可適度調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)；而沉積制備技術(shù)等的制備工藝也 相對(duì)較簡單，制備電池所需的其他材料成本也較低。2、本發(fā)明所述電池是將III-V族化合物半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)沉積于硅納米孔柱陣列 上形成異質(zhì)結(jié)，太陽光中的短波部分被III-V族化合物吸收，長波部分透過III-V族化合物 而被硅納米孔柱陣吸收；由于硅納米顆粒和III-V族化合物半導(dǎo)體納米單元均具有連續(xù)的 粒徑分布，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的光譜的連續(xù)吸收，從而使太陽光中處于不同頻譜的光子 均能高效地激發(fā)光生載流子，從而有效地提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。另外，通過硅納米晶 粒的多激子產(chǎn)生效應(yīng)可以增加III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列太陽能電池的短路 電流，也可提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，本發(fā)明所述的太陽能電池具有低成本、光電轉(zhuǎn) 換效率高、耐高溫、耐腐蝕和抗輻射等有益效果。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的太陽能電池結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明實(shí)施例中太陽能電池的氮化鎵納米棒/硅納米孔柱陣列/單晶硅結(jié)構(gòu)的 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片；
圖3為本實(shí)施例中所制備的由氧化銦錫ITO/氮化鎵納米棒/硅納米孔柱陣列/單晶 硅/背電場(chǎng)/鋁的太陽能電池在AMI. 5光照條件下的光伏特性曲線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作以詳細(xì)的描述
如圖1所示，本發(fā)明一種基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電池 包括透明導(dǎo)電薄膜1 (氧化銦錫ΙΤΟ)、η型III-V族化合物半導(dǎo)體2 (η型非故意摻雜氮化 鎵納米棒陣列)、Ρ型硅納米孔柱陣列3、ρ型單晶硅層4以及金屬導(dǎo)電薄膜層5(鋁)、上接觸電極6和下接觸電極7，其中ρ型硅納米孔柱陣列3覆蓋在ρ型單晶硅層4頂面，η型III-V 族化合物半導(dǎo)體2與ρ型硅納米孔柱陣列3形成異質(zhì)結(jié)；透明導(dǎo)電薄膜1沉積在η型III-V 族化合物半導(dǎo)體2的表面，作為頂電極，ρ型單晶硅層4底部為金屬導(dǎo)電薄膜層5，作為背電 極；上接觸電極6和下接觸電極7分別與透明導(dǎo)電薄膜1和金屬導(dǎo)電薄膜層6連接。本發(fā)明太陽能電池的制備方法包括以下步驟
(1)、先通過水熱腐蝕法用P型單晶硅層制備P型硅納米孔柱陣列做為襯底；具體實(shí)施 方式為將電阻率為0.01 Ω 的ρ型單晶硅片置入水熱釜，注入由氫氟酸和硝酸鐵水溶 液組成的腐蝕液，其濃度分別為8. 00 mol/Ι和0. 04 mol/1,
水熱釜的溶液體積填充度為80%，在溫度140°C下腐蝕45分鐘，制備出襯底材料ρ型 硅納米孔柱陣列(Si-NPA)。(2)、利用沉積制備技術(shù)在ρ型硅納米孔柱陣列上沉積η型III-V族化合物半導(dǎo) 體，與P型硅納米孔柱陣列形成異質(zhì)結(jié)；具體實(shí)施為通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法，先在P型 硅納米孔柱陣列上沉積一層2 nm的金屬鉬作催化劑，然后使用金屬鎵和氨氣在IOOiTC反 應(yīng)20分鐘，生長垂直于硅柱表面密排生長的η型非故意摻雜氮化鎵納米棒陣列，η型非故 意摻雜氮化鎵納米棒與P型硅納米孔柱形成異質(zhì)結(jié)，如圖2所示，圖2為采用JEOL公司生 產(chǎn)的型號(hào)為JSM-6700F型掃描電子顯微鏡拍攝的照片。(3)、在III-V族化合物半導(dǎo)體(η型非故意摻雜氮化鎵納米棒陣列)表面沉積透明 導(dǎo)電薄膜作為頂電極；具體為通過磁控濺射法制備透明導(dǎo)電薄膜(氧化銦錫ΙΤ0)作為頂電 極，其厚度為60 nm，透光率>90%。(4)、通過機(jī)械微拋光或化學(xué)腐蝕，除去ρ型單晶硅底部的多孔層和氧化層，通過 真空蒸發(fā)在P型單晶硅底部沉積金屬導(dǎo)電薄膜層作為背電極，本實(shí)施例中金屬導(dǎo)電薄膜層 為厚度800 nm的金屬鋁。(5)、先將上述步驟得到基本電池結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行微拋光處理，將四周邊緣去除，防 止邊緣漏電效應(yīng)產(chǎn)生，然后制備上、下接觸電極，得太陽能電池。在上述實(shí)施例中，所制備的太陽能電池有效面積S=lcm2。利用太陽能電池綜 合測(cè)試系統(tǒng)(1 000 W 91192型太陽光模擬器光強(qiáng)AMG1. 5，Oriel，USA;數(shù)字源表 Keithley - 2400，USA)進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)得太陽能電池光伏特性參數(shù)如圖3所示
有效面積S = Icm2 ； 短路電流ISC= 23 mA ； 開路電壓-.Voc= 0.81 V ； 填充因子:FF = 0. 392 ； 太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率n=7. 3%。除上述實(shí)施例之外，所述步驟(2 )中使用的催化劑亦可為鎳、金等其他金屬，催化 劑的厚度、氮化鎵生長的溫度、時(shí)間等參數(shù)可以作適當(dāng)調(diào)整；所述步驟(2)中沉積制備技術(shù) 還可為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(M0CVD)、分子束外延(MBE)、激光脈沖沉積(PLD)或氫化 物氣相外延(HVPE)；所述步驟(2)和步驟(3)中的III-V族化合物半導(dǎo)體還可為其他二元 III-V族化合物半導(dǎo)體或三元III-V族化合物半導(dǎo)體；還可以為納米或亞微米尺寸的顆粒、 柱、線、管或錐或其任意兩種或兩種以上混合體組成的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)薄膜、束狀或集束狀陣 列結(jié)構(gòu)；所述步驟(3)中的透明導(dǎo)電薄膜還可為氟摻雜二氧化錫(FT0)、摻鋁氧化鋅(ΖΑ0)、碳納米管或石墨烯薄膜或其任意兩種或兩種以上組成的復(fù)合薄膜。
權(quán)利要求
1.一種基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電池，包括上、下接觸電 極，其特征在于還包括透明導(dǎo)電薄膜、η型III-V族化合物半導(dǎo)體、P型硅納米孔柱陣列、ρ 型單晶硅層以及金屬導(dǎo)電薄膜層，其中P型硅納米孔柱陣列覆蓋在P型單晶硅層頂面，η型 III-V族化合物半導(dǎo)體與ρ型硅納米孔柱陣列形成異質(zhì)結(jié)；透明導(dǎo)電薄膜沉積在η型III-V 族化合物半導(dǎo)體的表面，P型單晶硅層底面為金屬導(dǎo)電薄膜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電 池，其特征在于所述的η型III-V族化合物半導(dǎo)體為二元III-V族化合物半導(dǎo)體或三元 III-V族化合物半導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電 池，其特征在于所述的η型III-V族化合物半導(dǎo)體是由納米或亞微米尺寸的顆粒、棒、柱、 線、管或錐或其任意兩種或兩種以上混合體組成的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)薄膜、束狀或集束狀陣列 結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太 陽能電池，其特征在于所述金屬導(dǎo)電薄膜層為金屬鋁膜。
5.權(quán)利要求1所述的一種基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電 池的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)、先通過水熱腐蝕法用P型單晶硅層制備 P型硅納米孔柱陣列做為襯底；(2)、利用沉積制備技術(shù)在P型硅納米孔柱陣列上沉積η型 III-V族化合物半導(dǎo)體，與ρ型硅納米孔柱陣列形成異質(zhì)結(jié)；(3)、在η型III-V族化合物半 導(dǎo)體表面沉積透明導(dǎo)電薄膜作為頂電極；(4)、除去ρ型單晶硅底部的多孔層和氧化層，在ρ 型單晶硅底面沉積金屬導(dǎo)電薄膜層作為背電極；(5)、制備上、下接觸電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電池 制備方法，其特征在于所述的步驟(2)中在ρ型硅納米孔柱陣列上沉積η型III-V族化合 物半導(dǎo)體時(shí)使用催化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能 電池制備方法，其特征在于所述步驟(2)和步驟(3)中的η型III-V族化合物半導(dǎo)體為二 元III-V族化合物半導(dǎo)體或三元III-V族化合物半導(dǎo)體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電池 制備方法，其特征在于所述步驟(2)和步驟(3)中η型III-V族化合物半導(dǎo)體是由納米或 亞微米尺寸的顆粒、棒、柱、線、管或錐或其任意兩種或兩種以上混合體組成的連續(xù)或準(zhǔn)連 續(xù)薄膜、束狀或集束狀陣列結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電池 制備方法，其特征在于所述步驟(5)中金屬導(dǎo)電薄膜層為金屬鋁膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于III-V族化合物半導(dǎo)體/硅納米孔柱陣列的太陽能電池，包括上、下接觸電極，還包括透明導(dǎo)電薄膜、n型III-V族化合物半導(dǎo)體、p型硅納米孔柱陣列、p型單晶硅層以及金屬導(dǎo)電薄膜層，其中p型硅納米孔柱陣列覆蓋在p型單晶硅層頂面，n型III-V族化合物半導(dǎo)體與p型硅納米孔柱陣列形成異質(zhì)結(jié)；透明導(dǎo)電薄膜沉積在n型III-V族化合物半導(dǎo)體的表面，p型單晶硅層底面沉積一層金屬導(dǎo)電薄膜作為背電極。由于硅納米顆粒和III-V族化合物半導(dǎo)體納米單元均具有連續(xù)的粒徑分布，可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的光譜的連續(xù)吸收，從而使太陽光中處于不同頻譜的光子均能高效地激發(fā)光生載流子，從而有效地提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK102130186SQ20111000806
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月15日
發(fā)明者常立紅, 李新建, 王伶俐, 賀川, 韓昌報(bào) 申請(qǐng)人:鄭州大學(xué)