[发明专利]一种碳纳米管/砷化镓异质结宽光谱超薄太阳能电池及其构筑方法

说明书

本发明公开了一种碳纳米管/砷化镓异质结宽光谱超薄太阳能电池及其构筑方法，属于半导体光电器件技术领域。包括：下电极、N型砷化镓基底，位于砷化镓基底上带窗口的绝缘层，位于绝缘层窗口内与砷化镓直接接触的碳纳米管薄膜，设置在绝缘层表面碳纳米管薄膜上的图形化上电极。与现有技术相比，本发明可以同时利用碳纳米管与砷化镓对光子的高效吸收与转换特性，并通过所形成的异质结界面快速分离、输运，一方面大幅度降低了光生载流子复合几率，另一方面大大拓宽了砷化镓的响应光谱。本发明的太阳电池具有结构简单、工艺简便、轻薄等突出优点。

技术领域

本发明属于半导体光电器件技术领域，尤其是一种碳纳米管/砷化镓异质结宽光谱超薄太阳能电池及其构筑方法。

背景技术

半导体性单壁碳纳米管（SWCNTs）具有较好的电学性能、力学性能和热学性能，其高载流子迁移率、高光吸收系数和较好的机械性能，被认为构建下一代光电子器件的理想材料。SWCNTs在近红外波段的光吸收系数仍有10⁴ ~10⁵ cm^-1，这比传统窄带隙半导体高1-2个数量级，且其较高的载流子迁移率（10⁵ cm²/Vs）和长激子扩散长度。这使得SWCNTs可以作为高性能碳基太阳能电池的活性材料。另外， SWCNTs还具有吸收高能光子可激发多个电子空穴对的多激子效应和吸收多个光子激发一个电子空穴对的多光子吸收效应，这将对构筑具有宽光谱吸收的太阳能电池提供可能。

目前，高效太阳电池的主要基于硅和砷化镓的PN结构且需要复杂的生长、掺杂工艺。当碳纳米管与硅或砷化镓结合时也可以被构筑成太阳能电池，具有结构简单、成本低廉、工艺简便等诸多优点。但是，更多的研究集中在直接将SWCNTs与n型Si或p型Si形成异质结作为光伏电池器件。在Si基底上的透明SWCNTs起到多重作用，如窗口层电极、形成内建电场并收集载流子、抗反射层等。从这一点来讲，采用砷化镓与SWCNTs形成异质结构筑太阳电池更具有优势，因为砷化镓是禁带宽度为 1.42eV 的直接半导体材料，室温下的电子迁移率可达8000 cm²V^-1s^-1，比Si高5～6倍的电子迁移率。无论从光谱匹配和电学性能方面考虑，SWCNTs/GaAs异质结太阳能电池有望比SWCNTs/Si异质结太阳能电池获得更高的光电转换效率。

发明内容

发明目的：提供一种碳纳米管/砷化镓异质结宽光谱超薄太阳能电池及其构筑方法，以解决背景技术中所涉及的问题。

技术方案：一种碳纳米管/砷化镓异质结宽光谱超薄太阳能电池，包括：下电极、砷化镓基底、绝缘层、碳纳米管薄膜、上电极。其中，基底采用N型掺杂砷化镓制成。下电极位于所述基底的底部。绝缘层位于基底上部且中间开有窗口。碳纳米管薄膜位于绝缘层或绝缘层窗口内与所述基底直接接触，形成碳纳米管/砷化镓异质结；在所述的碳纳米管/砷化镓异质结中，砷化镓和半导体性单壁碳纳米管同时起光吸收作用，且对光电流贡献相当。图形化上电极位于所述绝缘层表面碳纳米管薄膜上。

作为一个优选方案，所述下电极为金电极。

作为一个优选方案，所述基底厚度为50～500nm。

作为一个优选方案，所述绝缘层为Si₃N₄、Al₂O₃或SiO₂。

作为一个优选方案，所述碳纳米管薄膜由纯半导体性单壁碳纳米管组成，且绝缘窗口内碳纳米管与N型砷化镓直接接触，其余部分在绝缘层表面。

作为一个优选方案，所述的碳纳米管薄膜通过旋涂法、抽滤法或静电自组装法获得，所述碳纳米管薄膜厚度为5～50nm。

作为一个优选方案，所述的上电极为银电极，且银电极与绝缘层表面的碳纳米管薄膜接触。