[发明专利]用锑诱导生长n型纳米晶硅量子点薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于第三代太阳电池技术领域，特别涉及一种可用作硅量子点太阳电池吸收层的n型纳米晶硅量子点薄膜的制备方法。

背景技术

太阳电池是太阳能光伏利用的核心。为增强与常规能源的竞争力，人们一直希望太阳电池具有高效、低成本、长寿命和环境友好等特点。从目前的光伏市场来看，硅基太阳电池仍然处于主导地位，这主要得益于其所需的硅材料含量丰富、无毒以及成熟的器件制备工艺。为了突破晶硅太阳电池的理论极限，降低硅基太阳电池的生产成本，人们通过借鉴传统叠层电池结构的优点，提出了一种“全硅”叠层太阳电池（“all-silicon” tandem solar cell）的概念^[1]。该电池由不同带隙的Si 量子点太阳电池依次堆叠而成，入射的太阳光按能量大小依次被吸收，这样可与太阳光谱达到完美匹配，从而大幅度提高其光电转换效率。理论计算表明，两结和三结叠层电池的效率值可以分别达到42.5%和47.5%^[2]。全硅叠层高效太阳电池被认为是最有可能应用的高效太阳电池之一。

尽管非晶硅量子点也有量子限制效应，也能调节材料的带隙，但由于非晶硅中存在许多固有的缺陷导致非晶硅量子点的性能较差^[3]。因此，制备高晶化率的纳米晶硅量子点是将其应用于光电子器件的前提。此外，要将硅量子点薄膜材料应用于“全硅”叠层太阳电池中，在材料性能上还需要其它方面的要求，例如要求硅量子点密度高，具有良好的载流子输运特性等^[4, 5]。

掺杂是提高硅量子点薄膜电学性能的一种方法，且通过掺杂形成pn结也是将硅量子点薄膜应用到太阳电池的必要步骤。此外，研究表明某些金属元素掺杂对硅量子点的生长具有显著的影响。Yoon^[6] 通过对不同镍含量掺杂的富硅氧化硅薄膜进行退火处理，研究了镍对硅纳米晶生长的影响。结果发现合适的镍掺杂浓度会加速硅纳米晶的形成, 但过高的镍含量会形成NiSi₂ 纳米晶杂相。Voitovych 等人^[7]研究了锡对富硅氧化硅薄膜中硅纳米晶的形成的影响，发现锡掺杂会加快非晶硅团簇的晶化，并可将晶化温度降低200℃。在锡掺杂样品中形成的Si纳米晶尺寸较未掺杂样品中的小，晶化率更高。尽管镍和锡金属具有诱导生长纳米晶硅量子点的作用，但这两种掺杂得到的量子点薄膜仅仅是本征半导体材料。So等人^[8]已从实验上证实了锑掺杂的氮化硅基硅量子点薄膜具有n型导电特性。然而，在他们的工作中仅仅制备了锑含量为0.54 at.%的一种掺杂量的样品，并未能发现锑金属对硅量子点的诱导生长作用。

本方法在利用锑原子可实现量子点薄膜n型掺杂的同时，又利用了锑对纳米晶硅量子点的诱导生长作用，最终制备出高晶化率、高数密度的n型纳米晶硅量子点薄膜。

参考文献：

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[2] G. Conibeer, M. Green, E. C. Cho, D. K?nig, Y. H. Cho, T. Fangsuwannarak, G. Scardera, E. Pink, Y. Huang, T. Puzzer, S. Huang, D. Song, C. Flynn, S. Park, X. Hao, D. Mansfield, Thin Solid Films 516, 6748 (2008)

[3] D. Hiller, S. Gutsch, A. M. Hartel, P. L?per, T. Gebel, M. Zacharias, Journal of Applied Physics 115, 134311 (2014)

[4] S. Huang, G. Conibeer, Journal of Physics D: Applied Physics 46, 024003 (2013)