[发明专利]新型叠层硅量子点异质结太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型叠层硅量子点异质结太阳能电池及其制备方法，属于光电技术领域，该太阳能电池包括依次叠加的Al电极层、n型硅衬底、n型硅纳米线、p型叠层渐变带隙硅量子点多层膜、石墨烯层和Au电极层。该方法包括：n型硅纳米线的刻蚀，通过等离子体增强气相沉积工艺在n型硅衬底和n型硅纳米线上生长p型叠层渐变带隙硅量子点多层膜；通过气相沉积工艺在p型叠层渐变带隙硅量子点多层膜上制备石墨烯层；在石墨烯层上蒸镀Au电极层；在n型硅衬底背面蒸镀Al电极层。本发明形成异质结结构，硅材料成本可节约30%，利用叠层硅量子点多层薄膜的渐变带隙来拓宽吸收层中的光响应范围，改善了器件的光电性能，提高电池的光电转换效率至7.4%。

技术领域

本发明涉及一种新型叠层硅量子点异质结太阳能电池及其制备方法，属于光电技术领域。

背景技术

随着新一代太阳能电池的不断发展，纳米硅结构被认为是一种能够较好地调节禁带宽度实现宽光谱响应的材料，其中，利用纳米硅结构与单晶硅衬底构成的异质结太阳能电池一直是人们广泛关注的研究热点。但是，一方面由于有源层的厚度比较小，对光的吸收效率比较低。从而导致纳米硅-单晶硅异质结太阳能电池光电转换效率比较低下（5-6%）。另一方面，增加有源层的厚度又会在器件里引入更多的表面态和缺陷态，导致器件性能的下降。因此，需要探索利用纳米技术实现薄膜电池宽光谱吸收和响应的有效途径。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种新型叠层硅量子点异质结太阳能电池及其制备方法，具体为基于硅纳米线陷光结构及带隙渐变的叠层硅量子点结构的n型硅/n型硅纳米线/p型叠层渐变带隙硅量子点/石墨烯异质结结构太阳能电池及其制备方法，其具体技术方案如下：

叠层硅量子点异质结太阳能电池，包括底部的Al电极层和顶部的Au电极层， Al电极层蒸镀于n型硅衬底的一侧表面，所述n型硅衬底另一侧表面刻蚀有垂直分布的多个n型硅纳米线（3），所述n型硅衬底与n型硅纳米线为材质相同的一体结构，所述n型硅衬底和n型硅纳米线的表面均匀沉积有p型叠层渐变带隙硅量子点多层膜，所述p型叠层渐变带隙硅量子点多层膜表面铺设有石墨烯层，所述Au电极层蒸镀在石墨烯层表面。

进一步的，所述p型叠层渐变带隙硅量子点多层膜包括6层硅量子点薄膜，每两层厚度一致，有三种厚度规格，相邻的硅量子点薄膜之间垫有一层碳化硅薄膜，靠近n型硅衬底和n型硅纳米线一面硅量子点薄膜厚度最大，最小厚度的硅量子点薄膜靠近石墨烯层。

进一步的，所述硅量子点薄膜 的厚度依次为8 nm、4 nm和2 nm，所述碳化硅薄膜的厚度为2 nm。

进一步的，所述Al电极层厚度为20nm~100nm；所述n型硅纳米线的高度为700 nm；所述p型叠层渐变带隙硅量子点多层薄膜厚度为56 nm；所述石墨烯层厚度为30 nm；所述Au电极层厚度为为20 nm。

叠层硅量子点异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

第一步，n型硅纳米线的刻蚀

在n型硅衬底上通过金属离子辅助化学刻蚀的方法，刻蚀圆柱体结构的n型硅纳米线（3）；

第二步，制备p型叠层渐变带隙硅量子点多层膜

通过等离子体增强气相沉积工艺在n型硅衬底和n型硅纳米线上生长p型叠层渐变带隙硅量子点多层膜；

第三步，制备石墨烯层

通过气相沉积工艺在p型叠层渐变带隙硅量子点多层膜上制备石墨烯层；

第四步，在石墨烯层上蒸镀Au电极层；

第五步，在n型硅衬底背面蒸镀Al电极层。

进一步的，在第一步中，金属离子辅助化学刻蚀硅纳米线的具体过程为：