[发明专利]一种具有各向异性的硅量子点薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于第三代太阳能电池技术领域，尤其涉及一种嵌入在非晶介质中各向异性硅量子点薄膜的制备方法，属于太阳能电池及纳米材料应用技术领域。

背景技术

随着人类生活环境的持续恶化和不可再生能源的短缺，保护环境、维持生态平衡和清洁能源的利用成为人类社会发展的主题。太阳能作为最清洁的可再生能源无疑成为研究者倍加关注的焦点。第三代太阳能的目标是在第二代薄膜太阳能电池的基础上缩减成本并显著提高光伏器件的光电转换效率。目前，材料单带隙Shockley-Queisser极限是制约太阳能电池光吸收效率的主要难题，使得在与传统能源竞争过程中阻碍了太阳能电池的大规模推广和应用，研究具有宽波长范围的光吸收材料成为当务之急。尽管堆叠串联型硅太阳能电池等取得了一定的效果，但是，此类结构制备工艺复杂，且克服结之间的散射损失亦成为提高光电转换效率的难题，而调整硅量子点的形貌特征促进光吸收则成为进一步改善光电特性的关键所在。

作为一种使用最广泛的半导体材料，硅无毒无害、储量丰富，不存在资源和环境方面的限制和压力，且得益于成熟的微电子半导体硅工艺技术，始终被认为是光伏技术发展的主流。硅量子点太阳能电池(QDSC)，属于第三代高效率太阳能电池的典型代表，是目前最新、最尖端的太阳能电池之一。其面临的主要挑战是当荷电载流子的运动在三维方向上受到不同的量子约束，其光电等物理特性将会发生什么改变。目前，各向同性的硅量子点可通过调整其尺寸改变其能带隙，吸收不同波长的太阳光谱。但是，各向同性的硅量子点在三维方向产生相同的量子效应，即一种尺寸仅产生一种能带隙，其光电特性仍受到很大的限制，且光伏器件制造的复杂性依旧不能得到很好的改善。倘若能实现镶嵌在非晶基体的硅量子点具有各向异性的结构，在三维方向上产生不同的量子约束效应，可望有效吸收从紫外到红外较宽波长范围内的太阳光，大大提高光伏电池光电转化率。因此，如何形成具有各向异性的硅量子点在光伏器件方面的应用具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的是克服各向同性硅量子点的单一波长吸收特征，提供一种具有各向异性特征的硅量子点光吸收薄膜的制备方法。该方法制备的薄膜材料为镶嵌在低势垒碳化硅(SiC)基质中具有各向异性的多形态硅量子点(Si QDs)，其光吸收覆盖紫外到红外光范围、载流子迁移率高、结构稳定性良好。

本发明的技术方案如下：

一种具有各向异性特征硅量子点薄膜材料的制备方法，该方法包括下述步骤：

1）镀膜前预处理：选用玻璃和/或者硅片作为基体并进行镀膜前预处理；

2）溅射：以Ar气作为溅射气体，在对基体施加偏压的条件下，对硅锗合金靶和碳靶进行磁控共溅射，在硅片和/或玻璃基体上沉积非晶碳化硅锗薄膜；

3）分析薄膜成分：镀膜完成后，采用XPS原位分析薄膜成分；

4）退火：在氮气气体下，对沉积有非晶碳化硅锗薄膜的基体进行高温分阶段退火处理，形成各向异性特征硅量子点薄膜材料；

5）进行微观结构和性能检测。

进一步地，所述步骤1）中，基体厚度为500～520um，依次经过表面活性剂、流动去离子水、丙酮、无水乙醇各超声清洗15-20min。

进一步地，所述表面活性剂为椰油酸单乙醇酰胺（CMEA）或椰油酸二乙醇酰胺。

进一步地，所述硅锗合金靶中硅、锗成分比为（2～6）：1。

进一步地，所述在基体上沉积非晶碳化硅锗薄膜中硅、锗、碳原子比为5-7：1-8：2-4。

进一步地，所述步骤2）中，硅锗合金靶使用功率为70-120W的射频电源，碳靶使用功率为90-130W的直流电源进行磁控共溅射。

进一步地，所述步骤2）中，进行磁控共溅射的同时对基体施加80V的负偏压。

进一步地，所述步骤4）中，高温分阶段退火处理，首先从室温以25-30℃/min的升温速率升温至900-1000℃，保温20min；再以25-30℃/min的升温速率升温至1100-1150℃，保温1h，最后以相同速率降温至室温。

进一步地，所述步骤4）中，保温过程中氮气为离化的氮原子气氛，氮分压为0.25～0.32MPa，升降温速率为30℃/min。

进一步地，所述硅锗合金靶或替换为单独的硅靶和锗靶，对硅靶和锗靶分别使用功率为70-100W和30-50W的射频电源。

本发明的有益效果如下：