[发明专利]多结异质量子点阵列及其制备方法和多结异质量子点太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种多结异质量子点阵列及其制备方法和多结异质量子点太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在1961 Shockley and Queisser根据一个光子产生一对电子-空穴对的假设计算出单结晶硅的最高转換效率为31%。到目前为止，单结晶硅的实验室转換效率已达到28.8%。显然，它的发展空间已经很有限了。为了进一步增加转换效率，人们研制了多结太阳电池。它是把具有不同禁带宽度的半导体材料，按带隙的大小从上向下地堆叠在一起，使其能吸收整个太阳能光谱的光子。Ⅲ-Ⅴ族半导体三结太阳能电池的实验室转換效率已达到43.5%(理论值48%)。但这种电池的生产工艺相当复杂且生产成本非常昂贵，而且所需原材料稀缺或有害。这些因素限制了它目前仅用于航天、军事和集焦系统。

另一种增加转换效率的方法是依靠量子限制效应来调整半导体的带隙(Eg)。理论计算和实验结果都已表明，硅(Si)和锗(Ge)量子点的带隙大于体材料，而且它们的值依赖于量子点的尺寸。对于硅量子点而言，当其直径从5nm减小到1nm时，对应的带隙宽度Eg可从1.1eV增加到2eV。而对于锗量子点来说，当其直径从7nm减小到2nm时，Eg从0.6eV增加到2eV。像Ⅲ-Ⅴ族多结太阳能电池一样，人们把不同尺寸的量子点推叠在一起来制成多结量子点太阳能电池。关键的技术挑战是量子点之间的距离需保持在3nm以下来保证载流子的遂导电流。除了量子点能调整带隙宽度之外，最近的理论研究(在2001年)还表明量子点中多激子的产生率是体材料的2倍以上。多激子是指吸收的一个光子产生一个以上的电子-空穴对。2011年国际权威科学杂志报道硒化铅量子点太阳能电池的外量子效率已达114％。这就表明，量子点太阳能电池的转换效率可以大大超过体材料的转换效率。一个生产硅量子点方法是用反应蒸发沉积亚化学计量的氧化硅(SiO_x，x<2)和二氧化硅(SiO₂)多层膜。SiO_x薄膜在1100°C下退火后出现相分离和导致量子点的形成。通过这种方式，量子点的大小和密度可分别通过调整氧化硅层厚度和组成x来控制。后来，这个多层沉积的方法也用亚化学计量的氧化锗(GeO_x)和SiO₂堆叠生成Ge量子点。通过调整量子点的大小和周围的基质材料，锗的带隙可在0.66～2eV之间设定。虽然用这样的方法莸得了小于5nm的量子点。但点与点之间的距离仍然大于3nm。到目前为止，很少有关于获得间距小于3nm量子点阵列的报道。另外，也有文章报道用离子注入的方法把硅离子注入SiO₂薄膜。在高温退火中，硅离子凝聚在一起成核而形成量子点。但量子点之间的间距远大于3nm。这阻碍了截流子的遂导效应和产生相当低的短路电流。转換效率没有明显的增加。除此之外，退火温度高于1000°C，这是光伏产业不能接受的。

因此，需要一种新的量子点阵列及其制备方法和多结异质量子点太阳能电池及其制备方法以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以调整能带间隙和增加多激子的多结异质量子点阵列。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种多结异质量子点阵列，包括交错排列的硅量子点层和锗量子点层。

有益效果：本发明的多结异质量子点阵列可以通过交错排列的硅量子点层和锗量子点层来调整带隙，通过交错排列的硅量子点层和锗量子点层来增加多激子的产生。

优选的，所述量子点阵列中量子点之间是隔离的，量子点与量子点之间的距离为0.5-3nm。上述量子点阵列比纯硅量子点阵列增大了带隙范围：从0.6eV到2eV(纯硅量子从1.1eV到2eV)。这已包括了大部分的阳光频谱，从利用了大部分的太阳光频谱中的光子及多激子的产生方面增加了转换效率。

本发明还要解决的技术问题是提供上述多结异质量子点阵列的制备方法。

上述多结异质量子点阵列的制备方法，包括以下步骤：

（1）准备一个衬底，所述衬底的厚度为20~180um；

（2）在步骤（1）的衬底上制备Si/Ge多层超晶格，其中，所述Si/Ge多层超晶格的总厚度为50~400nm，所述Si/Ge多层超晶格包括交替排列的硅层和锗层以及位于所述Si/Ge多层超晶格最上一层的保护层，所述硅层和所述锗层的厚度为2~10nm，所述保护层的厚度为10~30nm；