CN102130186A - 基于iii-v族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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韩昌报
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Abstract

本发明公开了一种基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，包括上、下接触电极，还包括透明导电薄膜、n型III-V族化合物半导体、p型硅纳米孔柱阵列、p型单晶硅层以及金属导电薄膜层，其中p型硅纳米孔柱阵列覆盖在p型单晶硅层顶面，n型III-V族化合物半导体与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；透明导电薄膜沉积在n型III-V族化合物半导体的表面，p型单晶硅层底面沉积一层金属导电薄膜作为背电极。由于硅纳米颗粒和III-V族化合物半导体纳米单元均具有连续的粒径分布，可以实现一定范围内的光谱的连续吸收，从而使太阳光中处于不同频谱的光子均能高效地激发光生载流子，从而有效地提高了电池的光电转换效率。

Description

基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料与新能源技术领域，尤其涉及一种基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
目前, 在世界能源危机不断加剧的背景下，随着传统硅电池不断革新和新型太阳能电池的涌现，新的概念已经开始在太阳能电池技术中显现，从某种意义上讲，它预示着太阳能电池技术的发展趋势。目前市场上太阳能电池主要以技术成熟的硅基太阳能电池为主，但是该电池制造成本较高、转换效率偏低。新型太阳能电池主要向着薄膜化、叠层化以及新概念太阳能电池等方向发展，特别是纳米技术的引入，为提高太阳能电池效率提供一种新的途径。如将一维纳米材料用于太阳能电池，可以显著的增加光生载流子的扩散长度，降低载流子湮灭几率，从而极大地提高光电转换效率。其中III-V族化合物半导体电池具有转换效率高，耐热性高及抗辐射能力强等一系列优点，因而成为民用、军用太阳能电池的重要研究方向。
硅纳米孔柱阵列（Si-NPA）是一种硅的微米-纳米结构复合体系，它具有三重层次结构，即：由微米/亚微米尺寸可调、几何形状基本等同、垂直于表面规则排列的硅柱组成的阵列，分布于硅柱的高密度纳米孔和组成纳米孔孔壁的硅纳米颗粒。Si-NPA具有很好的宽频谱光吸收特性，其在240-2400 nm测试波长范围内的平均积分反射率小于4％，而在太阳能光谱的400-1000 nm波长范围内，其积分反射率小于2％。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的新型太阳能电池及其制备方法，此太阳能电池成本低、抗辐射和光电转换效率高。
本发明采用下述技术方案：一种基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，包括上、下接触电极，其特征在于：还包括透明导电薄膜、n型III-V族化合物半导体、p型硅纳米孔柱阵列、p型单晶硅层以及金属导电薄膜层，其中p型硅纳米孔柱阵列覆盖在p型单晶硅层顶面，n型III-V族化合物半导体与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；透明导电薄膜沉积在n型III-V族化合物半导体的表面，p型单晶硅层底面为金属导电薄膜层。
所述的n型III-V族化合物半导体为二元III-V族化合物半导体或三元III-V族化合物半导体。
所述的n型III-V族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。
所述金属导电薄膜层为金属铝膜。
所述的一种基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）、先通过水热腐蚀法用p型单晶硅层制备p型硅纳米孔柱阵列做为衬底；（2）、利用沉积制备技术在p型硅纳米孔柱阵列上沉积n型III-V族化合物半导体，与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；（3）、在n型III-V族化合物半导体表面沉积透明导电薄膜作为顶电极；（4）、除去p型单晶硅底部的多孔层和氧化层，在p型单晶硅底面沉积金属导电薄膜层作为背电极；（5）、制备上、下接触电极。
所述的步骤（2）中在p型硅纳米孔柱阵列上沉积n型III-V族化合物半导体时使用催化剂。
所述步骤（2）和步骤（3）中的n型III-V族化合物半导体为二元III-V族化合物半导体或三元III-V族化合物半导体。
所述步骤（2）和步骤（3）中n型III-V族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。
所述步骤（5）中金属导电薄膜层为金属铝膜。
本发明基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的新型太阳能电池，与通常的III-V族化合物半导体电池相比具有明显的优点：
1、硅纳米孔柱阵列不但具有宽频谱光吸收特性、较小的积分反射率，还具有可大面积生产、制备工艺简单、成本低廉和结构可适度调控等优点；而沉积制备技术等的制备工艺也相对较简单，制备电池所需的其他材料成本也较低。
2、本发明所述电池是将III-V族化合物半导体纳米结构沉积于硅纳米孔柱阵列上形成异质结，太阳光中的短波部分被III-V族化合物吸收，长波部分透过III-V族化合物而被硅纳米孔柱阵吸收；由于硅纳米颗粒和III-V族化合物半导体纳米单元均具有连续的粒径分布，可以实现一定范围内的光谱的连续吸收，从而使太阳光中处于不同频谱的光子均能高效地激发光生载流子，从而有效地提高了电池的光电转换效率。另外，通过硅纳米晶粒的多激子产生效应可以增加III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列太阳能电池的短路电流，也可提高电池的光电转换效率。因此，本发明所述的太阳能电池具有低成本、光电转换效率高、耐高温、耐腐蚀和抗辐射等有益效果。
附图说明
图1为本发明实施例中的太阳能电池结构图；
图2为本发明实施例中太阳能电池的氮化镓纳米棒/硅纳米孔柱阵列/单晶硅结构的场发射扫描电镜照片；
图3为本实施例中所制备的由氧化铟锡ITO/氮化镓纳米棒/硅纳米孔柱阵列/单晶硅/背电场/铝的太阳能电池在AM1.5光照条件下的光伏特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：
如图1所示，本发明一种基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池包括透明导电薄膜1（氧化铟锡ITO）、n型III-V族化合物半导体2（n型非故意掺杂氮化镓纳米棒阵列）、p型硅纳米孔柱阵列3、p型单晶硅层4以及金属导电薄膜层5（铝）、上接触电极6和下接触电极7，其中p型硅纳米孔柱阵列3覆盖在p型单晶硅层4顶面，n型III-V族化合物半导体2与p型硅纳米孔柱阵列3形成异质结；透明导电薄膜1沉积在n型III-V族化合物半导体2的表面，作为顶电极，p型单晶硅层4底部为金属导电薄膜层5，作为背电极；上接触电极6和下接触电极7分别与透明导电薄膜1和金属导电薄膜层6连接。
本发明太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
（1）、先通过水热腐蚀法用p型单晶硅层制备p型硅纳米孔柱阵列做为衬底；具体实施方式为将电阻率为 0.01 Ω·cm的p型单晶硅片置入水热釜，注入由氢氟酸和硝酸铁水溶液组成的腐蚀液，其浓度分别为8.00 mol/l和 0.04 mol/l，
水热釜的溶液体积填充度为80％，在温度140℃下腐蚀45分钟，制备出衬底材料p型硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)。
（2）、利用沉积制备技术在p型硅纳米孔柱阵列上沉积n型III-V族化合物半导体，与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；具体实施为：通过化学气相沉积（CVD）法，先在p型硅纳米孔柱阵列上沉积一层2 nm的金属铂作催化剂，然后使用金属镓和氨气在1000℃反应20分钟，生长垂直于硅柱表面密排生长的n型非故意掺杂氮化镓纳米棒阵列，n型非故意掺杂氮化镓纳米棒与p型硅纳米孔柱形成异质结，如图2所示，图2为采用JEOL公司生产的型号为 JSM-6700F 型扫描电子显微镜拍摄的照片。
（3）、在III-V族化合物半导体（n型非故意掺杂氮化镓纳米棒阵列）表面沉积透明导电薄膜作为顶电极；具体为通过磁控溅射法制备透明导电薄膜（氧化铟锡ITO）作为顶电极，其厚度为60 nm，透光率≥90%。
（4）、通过机械微抛光或化学腐蚀，除去p型单晶硅底部的多孔层和氧化层，通过真空蒸发在p型单晶硅底部沉积金属导电薄膜层作为背电极，本实施例中金属导电薄膜层为厚度800 nm的金属铝。
（5）、先将上述步骤得到基本电池结构部件进行微抛光处理，将四周边缘去除，防止边缘漏电效应产生，然后制备上、下接触电极，得太阳能电池。
在上述实施例中，所制备的太阳能电池有效面积S=1cm2。利用太阳能电池综合测试***（1 000 W 91192型太阳光模拟器：光强AMG1.5，Oriel，USA；数字源表：Keithley–2400，USA）进行测试，所测得太阳能电池光伏特性参数如图3所示：
有效面积：S = 1cm2；
短路电流：ISC = 23 mA；
开路电压：VOC = 0.81 V；
填充因子：FF = 0.392；
太阳能电池光电转换效率：η=7.3%。
除上述实施例之外，所述步骤（2）中使用的催化剂亦可为镍、金等其他金属，催化剂的厚度、氮化镓生长的温度、时间等参数可以作适当调整；所述步骤（2）中沉积制备技术还可为金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、激光脉冲沉积（PLD）或氢化物气相外延（HVPE）；所述步骤（2）和步骤（3）中的III-V族化合物半导体还可为其他二元III-V族化合物半导体或三元III-V族化合物半导体；还可以为纳米或亚微米尺寸的颗粒、柱、线、管或锥或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构；所述步骤（3）中的透明导电薄膜还可为氟掺杂二氧化锡（FTO）、掺铝氧化锌（ZAO）、碳纳米管或石墨烯薄膜或其任意两种或两种以上组成的复合薄膜。

Claims (9)

1.一种基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，包括上、下接触电极，其特征在于：还包括透明导电薄膜、n型III-V族化合物半导体、p型硅纳米孔柱阵列、p型单晶硅层以及金属导电薄膜层，其中p型硅纳米孔柱阵列覆盖在p型单晶硅层顶面，n型III-V族化合物半导体与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；透明导电薄膜沉积在n型III-V族化合物半导体的表面，p型单晶硅层底面为金属导电薄膜层。
2.根据权利要求1所述的基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，其特征在于：所述的n型III-V族化合物半导体为二元III-V族化合物半导体或三元III-V族化合物半导体。
3.根据权利要求2所述的基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，其特征在于：所述的n型III-V族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。
4.根据权利要求1至3任一所述的基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，其特征在于：所述金属导电薄膜层为金属铝膜。
5.权利要求1所述的一种基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）、先通过水热腐蚀法用p型单晶硅层制备p型硅纳米孔柱阵列做为衬底；（2）、利用沉积制备技术在p型硅纳米孔柱阵列上沉积n型III-V族化合物半导体，与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；（3）、在n型III-V族化合物半导体表面沉积透明导电薄膜作为顶电极；（4）、除去p型单晶硅底部的多孔层和氧化层，在p型单晶硅底面沉积金属导电薄膜层作为背电极；（5）、制备上、下接触电极。
6.根据权利要求5所述的基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池制备方法，其特征在于：所述的步骤（2）中在p型硅纳米孔柱阵列上沉积n型III-V族化合物半导体时使用催化剂。
7.根据权利要求5或6所述的基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤（2）和步骤（3）中的n型III-V族化合物半导体为二元III-V族化合物半导体或三元III-V族化合物半导体。
8.根据权利要求7所述的基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤（2）和步骤（3）中n型III-V族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。
9.根据权利要求8所述的基于III-V族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中金属导电薄膜层为金属铝膜。
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