[發明專利]一種n-氧化鋅/p-硅納米線三維異質結太陽能轉換裝置

無效

• 申請號: 201110287050.9
• 申請日: 2011-09-26
• 公開（公告）號: CN102368506A
• 公開（公告）日: 2012-03-07
• 發明（設計）人: 黃靖云;劉國祥;葉志鎮;何海平
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L31/072
• 分類號: H01L31/072;H01L31/0224;B82Y30/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發明涉及一種硅納米線太陽能電池裝置，屬于太陽能技術領域。

背景技術

隨著全球能源危機和生態環境的日益惡化，世界各國積極研究和開發利用可再生能源，從而實現能源工業和社會的可持續發展。其中，太陽能以其清潔，豐富等特有的優勢而成為可再生能源的焦點。假如把地球表面0.1%的太陽能轉化為電能，轉變率5%，每年發電量可達5.6×10¹²千瓦時，相當于目前世界上能耗的40倍，因而太陽能被認為是能源危機和生態環境惡化的最佳解決途徑。

太陽能的直接利用主要是通過兩個方面，即光熱效應和光電效應。光熱效應是將太陽能的能量集聚起來，轉換成熱能，如在我國已經廣泛應用的太陽能熱水器、太陽能灶等，這也包括將太陽能轉換成熱能后，利用熱能發電。光電效應則是將太陽能通過太陽能電池，轉換成電能，這種光電轉換主要是借助于半導體器件的光生伏特效應進行的。

太陽能電池是通過半導體p-n結的光生伏特效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。目前主要的太陽能光伏轉換器件有硅基太陽能電池，多元化合物太陽能電池，染料敏化太陽能電池和薄膜太陽能電池等。其中，硅基太陽能電池是主要技術，商業化太陽能電池以單晶硅和非晶硅為主。目前單晶硅太陽電池轉化效率已經超過20%，但成本依然很高，無法與傳統電能相比；非晶硅電池近年來發展迅速，其主要優點是生產效率高，成本低。但是非晶硅由于其內部結構的不穩定性和大量氫原子的存在，具有光疲勞效應，故非晶硅太陽能電池經過長期工作穩定性存在問題，其光電轉換效率會隨著光照時間的延續而衰減，阻礙了其應用，到目前為止仍然沒有根本解決。由于多晶硅薄膜材料沒有轉換效率衰減的問題，既有晶體硅晶格完整的優點，又有非晶硅成本低廉、制備方便的優點。多晶硅薄膜電池成為世界關注的新熱點。但是，由于晶粒細小等原因，多晶硅薄膜電池的轉化效率還是較低，僅有10%左右。

在第三代低成本高轉換效率的太陽能電池研發競賽中，納米技術作為建設更好的太陽能電池的一種新方法出現了，一維納米材料應用于太陽能電池上能夠極大地提高光電轉換效率，有望為綠色能源的發展帶來革命性的變化。由于納米材料在光收集，光電轉換和儲存等方面所具有的潛在應用價值，各種結構的納米材料受到了科學家們的高度關注。例如，用于下一代光伏轉換裝置的納米粒子，納米線，納米管等方面的工作已經有很多報道，受到了廣泛的研究，目的是進一步提高太陽能收集和轉換效率。2005年美國加州大學的楊培東教授課題組首次采用一維ZnO納米線作為染料敏化太陽能電池的陽極材料，該染料敏化太陽能電池的光電轉換效率可達到1.5%[Law?M,?Greene?L?E,?Johnson?J?C,?Saykally?R,?Yang?P?D.?Nat?Mater,?2005,?4:?455.]。2010年楊培東教授課題組采用反應離子刻蝕制得硅納米線，然后通過硼擴散的方式設計出一塊徑向p-n結太陽能電池，該p-n結太陽能電池的轉換效率可達到5%[Garnett?E,?Yang?P?D.?Nano?Lett,?2010,?10:?1082.]。2008年清華大學的朱靜院士課題組采用濕法化學刻蝕的方法在Si（111）襯底上制得了大面積傾斜取向的納米線陣列，然后應用此陣列設計了一塊p-n結太陽能電池，這塊太陽能電池的效率達到了11.37%，明顯高于由豎直取向硅納米線陣列制得的太陽能電池效率[Fang?H,?Li?X?D,?Song?S,?Xu?Y,?Zhu?J.?Nanotechnology,?2008,?19:?255703.]。2009年北京師范大學的彭奎慶教授課題組用鉑納米粒子修飾的硅納米線陣列作為光電極設計了一塊光電化學電池，其轉換效率達到了8.1%[Peng?K?Q,?Wang?X,?Wu?X?L,?Lee?S?T.?Nano?Lett,?2009,?9:?3704.]，這種由半導體-液體結構成的太陽能電池在成本上要優于固基太陽能電池。2010年彭奎慶教授課題組通過深紫外光刻技術在硅片上制得貴金屬模板，然后通過貴金屬催化作用在氫氟酸水溶液中進行硅納米孔的刻蝕，從而得到規則排列的納米孔陣列，由這種陣列設計成的硅納米孔陣列三維徑向p-n結太陽能電池的效率達到了9.51%，這要優于以硅納米線，平面硅和金字塔型絨面硅為基的太陽能電池[Peng?K?Q,?Wang?X,?Li?L,?Wu?X?L,?Lee?S?T.?J?Am?Chem?Soc,?2010,?132:?6872.]。與其他半導體材料相比，硅材料含量豐富且廉價，同時與目前的半導體微加工工藝兼容，因此，基于硅納米結構的太陽能電池正受到越來越多的重視。

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發明內容