[发明专利]基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池，具体涉及基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，同时涉及其制备方法，属于太阳能电池材料领域。

背景技术

太阳能是地球上取之不尽、用之不竭的可再生、清洁能源，对太阳能的高效使用是目前研究机构、工业界等重点关注的核心课题之一，其中包括基于光电转换效应的太阳能电池装置及应用。量子点太阳能电池技术是现行太阳能电池研究的新一代技术。

基于半导体量子点的太阳能电池具有以下特征：量子点的尺寸在数个纳米尺度，常被称为“人造原子”，能带结构受到三维量子尺寸效应，能级不连续，且量子点的尺度直接决定能级特征；量子点内的电子运动空间局限于德布罗意波长的范围内，在三维势阱下，电子各个方向均量子化；量子点太阳能电池共振隧穿效应能提高对光生载流子的收集率，从而增大光电流；量子点太阳能电池存在碰撞离化效应，一个高能量光子可以激发两个或数个热电子的存在；嵌入致密的量子点阵列的叠层结构的太阳能电池可产生中间带，调控量子点的尺寸和形状，能够直接使太阳能电池的能级尽可能与太阳光谱相匹配。理论和实践表明，量子点太阳能电池有着很高的转换效率等优点。锗材料、硅材料的量子点由于材料无毒性、资源多，且完全与目前成熟的微电子工艺体系相兼容。对Ge量子点、Si量子点的技术研究成为当前一大热点和难点。

现有基于量子点太阳能电池及制备方法已经成熟，申请号为200910033256.1、201110199377.0以及201210195987.8的中国专利分别公开了一种实现纳米硅量子点可控掺杂的方法、基于异质结结构的硅量子点太阳能电池及制备方法、多结异质量子点阵列及太阳能电池的制备方法。这些多层结构的量子点太阳能电池，结构简单，光谱响应宽，与现有的硅基微电子工艺兼容。其中，201110199377.0采用包含Si量子点的氮化硅薄膜、非晶硅薄膜构建异质结构的硅量子点太阳能电池，并阐释了制备方法；201210195987.8采用Ge量子点层、Si量子点层交错排列来设计多结异质量子点阵列的太阳能电池及制备方法。对于Ge晶体材料、Si晶体材料由于晶格常数的存在差异，对应的太阳能装置中必然会引入应变效应。然而，应变效应及其在太阳能电池中的有效利用上述专利文献及目前可知的相关文献均未报道。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，同时给出其制备方法，从而通过借助外层Si薄膜层厚度调制内部Ge量子点的应变大小、进而调节量子点的禁带宽度，以提高量子点与太阳光谱的匹配度、提升太阳能电池的光电转换效率。

为了达到以上目的，本发明基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置基本技术方案为：包括在掺杂硅基衬底上生长的至少二层Ge/Si量子点结构层；所述Ge/Si量子点结构层由含有直径2-7nm的Ge量子点的Si薄膜层构成，最内层的Si薄膜层厚度为2-4nm，外层Si薄膜层的厚度范围为在上一层厚度范围两端点分别递增2nm；最外层的量子点结构层为填充量子点间隙的SiO₂覆盖薄膜层覆盖，形成量子点阵列填充薄膜多层结构；所述覆盖薄膜层外生长有一层厚度10-20nm的硅掺杂层保护膜；所述硅掺杂层和硅基衬底外表面生长有电极。

本发明基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置制备方法包括如下步骤：

步骤一. 采用真空化学气相沉积法，在清洗后的掺杂硅基衬底上通入锗烷气体，在硅基衬底上生长Ge薄膜层；

步骤二. 控制Ge薄膜层厚度在2-7nm ，并原位退火；

步骤三. 在生长出Ge薄膜层的硅基衬底上通入硅烷气体，在Ge薄膜层上生长Si薄膜层；

步骤四. 第一次生长的最内层Si薄膜层厚度控制在2-4nm，以后逐层递增，Si薄膜层生成后原位退火；

步骤五. 冷却生长成由含有直径2-7nmGe量子点的Si薄膜层构成的Ge/Si量子点结构层；

步骤六. 根据所需预定层数，重复步骤三、步骤四，最内层之外的Si薄膜层的厚度范围为在上一层厚度范围两端点分别递增2nm；

步骤七. 达到预定层数后，通入硅烷和氧气，氧化生长一层填充量子点间隙的SiO₂覆盖薄膜层，厚度控制在2-4nm，形成量子点阵列填充薄膜多层结构；

步骤八. 通入四氯化硅和氢气外延生长一层硅掺杂层作为保护膜，厚度控制在10-20nm，掺杂类型与硅基衬底类型相反（如果硅基衬底为n型，则硅掺杂层为p型）;

步骤九. 分别在硅掺杂层和硅基衬底外表面生长电极。