[發明專利]一種納米硅量子點的制備方法及在薄膜太陽電池中的應用

無效

• 申請號: 201010187573.1
• 申請日: 2010-05-28
• 公開（公告）號: CN101866836A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 袁寧一;丁建寧;葉楓;王秀琴;王書博
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: H01L21/205
• 分類號: H01L21/205;H01L21/268;H01L31/20
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明涉及納米硅量子點的制備方法及其在薄膜電池制備中的應用，特指利用飛秒雙光束激光掃描晶化非晶硅薄膜形成納米晶硅整列。屬于納米材料制備和太陽電池制備技術領域。

背景技術

隨著人類文明的發展，消耗的能源也隨之增加，開發利用新型能源是現在的當務之急。在替代能源的開發中特別引起人們注意的是能直接從太陽能轉化成電能的太陽電池。目前在市場上常規的太陽電池主要是基于晶體硅的第一代太陽電池，非晶硅以及多晶化合物半導體的第二代太陽電池的市場份額不足整個市場的20％。大規模利用太陽能光電的主要障礙是太陽電池價格太高，致使陽光發電無法與常規能源相競爭。薄膜電池的開發節約了大量的原料，同時也降低了能源的消耗和太陽電池的成本。但非晶硅薄膜太陽能電池存在明顯的光致衰減效應(S-W效應)，而且效率不高。

根據2006年初的美國LosAlamos國家實驗室的科學家報導，在納米太陽電池中發現了一個光子可以激發多個載流子的“多重激發”(Multi-excitation)現象，這樣就會使納米硅太陽電池的輸出電流增大，而這種現象在其它太陽電池中是觀察不到的。按照NREL的計算，在太陽能電池上由硅納米結晶產生的MEG現象，能夠帶來的最高轉換效率的理論值為，不聚光時約44％；使用特殊透鏡進行500倍聚光時，將達到68％。相反，此前太陽能電池的最高轉換效率，在相同的太陽光條件下，不聚光時為33％，聚光時為40％。為此美國投入相當的科研經費對此效應的實際利用進行研究。

但是目前報道的納米硅或微晶硅薄膜太陽電池的效率相對于非晶硅薄膜電池并沒有大幅度的提高。目前報道的納米硅或微晶硅薄膜都是指尺寸在2～5nm左右的納米晶粒無序地鑲嵌在非晶網格中的兩相材料。要實現多重激發量子效應，納米晶粒必須要有序排列，形成納米量子點陣列，并且對量子點的表面要有很好的鈍化。

檢索發現，申請號為03131685.9的中國發明專利公開了一種硅量子點列陣的制備方法，該方法利用等離子增強化學氣相沉積制備非晶硅/氮化硅或二氧化硅的多層結構，利用激光誘導晶化，通過控制非晶硅薄膜層的厚度來控制晶化后的納米硅量子點的尺寸，所用激光光源為氬激光器或KrF準分子脈沖激光器。激光束斑直徑為100μm。申請號為200410067329.6的中國發明專利公開了一種制備大面積、高度有序納米硅量子點陣列的方法，該方法利用PECVD方法將納米硅自然量子點通過氧化鋁模板的孔道生長在半導體基片上，然后利用濕化學方法將氧化鋁模板去除，得到納米硅量子點陣列。所制備的納米硅量子點陣列中人工量子點的直徑為30～50nm，高度為20～100nm，間距為100nm。每一個人工量子點中含有許多顆粒直徑為3～6nm的硅自然量子點。申請號為200910033256.1的中國專利公開了一種實現納米硅量子點可控摻雜的方法，該方法包括制備摻雜非晶硅薄膜、制備摻雜非晶硅多層膜、以及借助激光照射制備摻雜納米硅量子點等步驟。其中納米硅量子點的制備仍是采用氮化硅和非晶硅的多層結構，利用氮化硅限制層控制非晶硅層的厚度，然后利用激光誘導實現原非晶硅層的非晶態到晶態的相變，形成納米硅層。

超短、超強和高聚焦能力是飛秒激光的三大特點。飛秒激光可以將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區域，實現對玻璃、陶瓷、半導體、塑料、聚合物、樹脂等材料的微納尺寸加工。如利用飛秒激光雙光束干涉輔以特定熱處理的方法，在摻雜貴金屬離子的硅酸鹽玻璃內部誘導形成了金屬納米點陣列。

本發明采用飛秒激光技術，掃描晶化非晶硅，形成納米硅量子點。利用飛秒激光晶化非晶硅，需要選擇合適的激光波長、激光功率和聚焦束斑，以實現納米尺度內非晶態向晶態的轉變。利用飛秒激光在摻雜貴金屬離子的硅酸鹽玻璃內部誘導形成了金屬納米點陣列，是利用玻璃熔融態時金屬離子的析出與聚集形成納米點。而非晶硅的晶化是固相形核結晶，必須嚴格控制激光功率、脈沖寬度、重復頻率和掃描速率來達到控制納米晶晶粒的大小。

發明內容

本發明的目的是提供一種納米硅量子點的制備方法并將該方法用于薄膜太陽電池的制造中。利用雙光束飛秒激光晶化非晶硅，調控激光功率、脈沖寬度、重復頻率和掃描速率，在非晶網絡里形成有一定晶粒大小分布的納米晶的有序排列，即納米硅量子點。利用該納米硅量子點做為硅基薄膜電池PIN結構的I層。附圖1是納米硅量子點太陽電池結構示意圖：從底層至上層依次為：透明導電玻璃、PIN硅電池、阻擋層ZnO、Al電極、Ti保護層。附圖1中I層的小圓圈就代表硅量子點

實現本發明的技術方案為：