[发明专利]一种可控阵列纳米线太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术，尤其涉及一种可控阵列纳米线太阳能电池及其制备方法。

背景技术

半导体纳米线结构晶体质量高、光学和电学性质良好，使其在纳米器件，比如光电转换器件、高效率发光器件、场效应器件、传感器件、单电子存储器件和单光子器件等，领域有很大的应用价值。近年来，能源问题成为影响世界各国可持续发展的关键性问题，发展以太阳能电池为代表的可再生能源技术显得日益重要，电池光电转换效率的进一步提高始终是人们追求的目标之一。可控阵列纳米线具有光子晶体效应和小尺寸聚光效应，是太阳能电池光电转换效率得以提高的有效途径。

根据所用材料不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池、染料敏化太阳能电池、纳米晶太阳能电池等。纳米晶太阳能电池具有成本低、转换效率稳定、寿命长等优点，具有很大的应用市场，但是，纳米晶体排列随机、可控性差，降低了太阳能电池的性能。然而，原生长的纳米线结构，表面形貌良好、晶体质量高，并且阵列纳米线具有光子晶体效应和小尺寸聚光效应可进一步增强对太阳光的吸收，达到提高太阳能电池开路电压、短路电流和填充因子的目的，因此，阵列纳米线太阳能电池迫在眉睫。

目前制备阵列纳米线太阳能电池的方法主要包括，自组织生长纳米线结构和利用自上而下技术制备纳米线结构。但是，前者可控性太差，后者会引入其他缺陷，从而导致可控阵列纳米线太阳能电池难以实现。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种可控阵列纳米线太阳能电池及其制备方法，能够制备出可控阵列纳米线太阳能电池，通过对纳米线的周期、直径的调控增强阵列纳米线太阳能电池的光吸收效率，从而制备出具有较大开路电压、短路电流和填充因子的高转换效率太阳能电池。

本发明的一个目的在于提供一种可控阵列纳米线太阳能电池。

本发明的可控阵列纳米线太阳能电池包括：衬底、N型掺杂层、N型纳米线、多量子阱、P型掺杂层、绝缘材料、P型电极和N型电极；其中，在衬底上生长N型掺杂层；在N型掺杂层的一部分上形成周期性排布的N型纳米线，构成阵列纳米线，与衬底的表面垂直；在N型纳米线外生长多量子阱包裹N型纳米线，构成核-壳结构；在核-壳结构外生长P型掺杂层，包裹核-壳结构；在生长了P型掺杂层的核-壳结构之间填充绝缘材料，并且绝缘材料不覆生长了P型掺杂层的盖核-壳结构的顶端；在包裹核-壳结构的P型掺杂层的顶端形成P型电极；在N型掺杂层的一部分上形成N型电极；N型纳米线的材料采用II-VI族或III-V族的材料；N型纳米线的材料、掺杂的浓度和掺杂原子均与N型掺杂层一致。

N型纳米线采用III-V族的材料，掺杂为Si；N型纳米线采用II-VI族的材料，掺杂为Al。

多量子阱为II-VI族三元合金A(II)_xB(II)_1-xC(VI)，或III-V族三元合金A(III)_xB(III)_1-xC(V)，x为II族或III族元素A的组分，1-x为II族或III族元素B的组分，这里的组分是指II族的元素与VI族的元素或者III族的元素与V族的元素的原子数目比，其中势垒层为B(II)C(VI)或B(III)C(V)，与N型纳米线的材料相同。

阵列纳米线的图形的排布可以是等间距排布的二维点阵，也可以是矩形排布的二维点阵。

本发明的另一个目的在于提供一种可控阵列纳米线太阳能电池的制备方法。

本发明的可控阵列纳米线太阳能电池的制备方法，用于制备II-VI族或III-V族的阵列纳米线太阳能电池，包括以下步骤：

1)选取半导体材料中生长速率最快的晶面作为衬底；

2)在衬底上预生长N型掺杂层；

3)根据阵列纳米线的形状，设计图形化衬底的图形，在N型掺杂层上制备图形化衬底；

4)对图形化衬底进行预处理，使图形化衬底的表面洁净；

5)根据图形化衬底，选择N型纳米线的生长条件，在洁净的图形化衬底上生长周期性的排布的N型纳米线，形成阵列纳米线；

6)在N型纳米线上生长多量子阱，包裹N型纳米线，形成核-壳结构；

7)在N型纳米线和多量子阱构成的核-壳结构上生长P型掺杂层，包裹核-壳结构；

8)利用透明的绝缘材料填充生长了P型掺杂层的核-壳结构之间的空隙，并使生长了P型掺杂层的盖核-壳结构的顶端不被绝缘材料覆盖；