[发明专利]一种纳米硅量子点的制备方法及在薄膜太阳电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米硅量子点的制备方法及其在薄膜电池制备中的应用，特指利用飞秒双光束激光扫描晶化非晶硅薄膜形成纳米晶硅整列。属于纳米材料制备和太阳电池制备技术领域。

背景技术

随着人类文明的发展，消耗的能源也随之增加，开发利用新型能源是现在的当务之急。在替代能源的开发中特别引起人们注意的是能直接从太阳能转化成电能的太阳电池。目前在市场上常规的太阳电池主要是基于晶体硅的第一代太阳电池，非晶硅以及多晶化合物半导体的第二代太阳电池的市场份额不足整个市场的20％。大规模利用太阳能光电的主要障碍是太阳电池价格太高，致使阳光发电无法与常规能源相竞争。薄膜电池的开发节约了大量的原料，同时也降低了能源的消耗和太阳电池的成本。但非晶硅薄膜太阳能电池存在明显的光致衰减效应(S-W效应)，而且效率不高。

根据2006年初的美国LosAlamos国家实验室的科学家报导，在纳米太阳电池中发现了一个光子可以激发多个载流子的“多重激发”(Multi-excitation)现象，这样就会使纳米硅太阳电池的输出电流增大，而这种现象在其它太阳电池中是观察不到的。按照NREL的计算，在太阳能电池上由硅纳米结晶产生的MEG现象，能够带来的最高转换效率的理论值为，不聚光时约44％；使用特殊透镜进行500倍聚光时，将达到68％。相反，此前太阳能电池的最高转换效率，在相同的太阳光条件下，不聚光时为33％，聚光时为40％。为此美国投入相当的科研经费对此效应的实际利用进行研究。

但是目前报道的纳米硅或微晶硅薄膜太阳电池的效率相对于非晶硅薄膜电池并没有大幅度的提高。目前报道的纳米硅或微晶硅薄膜都是指尺寸在2～5nm左右的纳米晶粒无序地镶嵌在非晶网格中的两相材料。要实现多重激发量子效应，纳米晶粒必须要有序排列，形成纳米量子点阵列，并且对量子点的表面要有很好的钝化。

检索发现，申请号为03131685.9的中国发明专利公开了一种硅量子点列阵的制备方法，该方法利用等离子增强化学气相沉积制备非晶硅/氮化硅或二氧化硅的多层结构，利用激光诱导晶化，通过控制非晶硅薄膜层的厚度来控制晶化后的纳米硅量子点的尺寸，所用激光光源为氩激光器或KrF准分子脉冲激光器。激光束斑直径为100μm。申请号为200410067329.6的中国发明专利公开了一种制备大面积、高度有序纳米硅量子点阵列的方法，该方法利用PECVD方法将纳米硅自然量子点通过氧化铝模板的孔道生长在半导体基片上，然后利用湿化学方法将氧化铝模板去除，得到纳米硅量子点阵列。所制备的纳米硅量子点阵列中人工量子点的直径为30～50nm，高度为20～100nm，间距为100nm。每一个人工量子点中含有许多颗粒直径为3～6nm的硅自然量子点。申请号为200910033256.1的中国专利公开了一种实现纳米硅量子点可控掺杂的方法，该方法包括制备掺杂非晶硅薄膜、制备掺杂非晶硅多层膜、以及借助激光照射制备掺杂纳米硅量子点等步骤。其中纳米硅量子点的制备仍是采用氮化硅和非晶硅的多层结构，利用氮化硅限制层控制非晶硅层的厚度，然后利用激光诱导实现原非晶硅层的非晶态到晶态的相变，形成纳米硅层。

超短、超强和高聚焦能力是飞秒激光的三大特点。飞秒激光可以将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工。如利用飞秒激光双光束干涉辅以特定热处理的方法，在掺杂贵金属离子的硅酸盐玻璃内部诱导形成了金属纳米点阵列。

本发明采用飞秒激光技术，扫描晶化非晶硅，形成纳米硅量子点。利用飞秒激光晶化非晶硅，需要选择合适的激光波长、激光功率和聚焦束斑，以实现纳米尺度内非晶态向晶态的转变。利用飞秒激光在掺杂贵金属离子的硅酸盐玻璃内部诱导形成了金属纳米点阵列，是利用玻璃熔融态时金属离子的析出与聚集形成纳米点。而非晶硅的晶化是固相形核结晶，必须严格控制激光功率、脉冲宽度、重复频率和扫描速率来达到控制纳米晶晶粒的大小。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米硅量子点的制备方法并将该方法用于薄膜太阳电池的制造中。利用双光束飞秒激光晶化非晶硅，调控激光功率、脉冲宽度、重复频率和扫描速率，在非晶网络里形成有一定晶粒大小分布的纳米晶的有序排列，即纳米硅量子点。利用该纳米硅量子点做为硅基薄膜电池PIN结构的I层。附图1是纳米硅量子点太阳电池结构示意图：从底层至上层依次为：透明导电玻璃、PIN硅电池、阻挡层ZnO、Al电极、Ti保护层。附图1中I层的小圆圈就代表硅量子点

实现本发明的技术方案为：