[發(fā)明專(zhuān)利]基于應(yīng)變型異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)的太陽(yáng)能電池裝置及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410333956.3
• 申請(qǐng)日: 2014-07-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104091848A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許洪華;延巧娜;凃俊
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 國(guó)家電網(wǎng)公司;江蘇省電力公司南京供電公司;江蘇省電力公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01L31/0725
• 分類(lèi)號(hào): H01L31/0725;H01L31/074;H01L31/18
• 代理公司: 南京同澤專(zhuān)利事務(wù)所(特殊普通合伙) 32245
• 代理人: 閆彪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池，具體涉及基于應(yīng)變型異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)的太陽(yáng)能電池裝置，同時(shí)涉及其制備方法，屬于太陽(yáng)能電池材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

太陽(yáng)能是地球上取之不盡、用之不竭的可再生、清潔能源，對(duì)太陽(yáng)能的高效使用是目前研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)界等重點(diǎn)關(guān)注的核心課題之一，其中包括基于光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)的太陽(yáng)能電池裝置及應(yīng)用。量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池技術(shù)是現(xiàn)行太陽(yáng)能電池研究的新一代技術(shù)。

基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的太陽(yáng)能電池具有以下特征：量子點(diǎn)的尺寸在數(shù)個(gè)納米尺度，常被稱(chēng)為“人造原子”，能帶結(jié)構(gòu)受到三維量子尺寸效應(yīng)，能級(jí)不連續(xù)，且量子點(diǎn)的尺度直接決定能級(jí)特征；量子點(diǎn)內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)空間局限于德布羅意波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，在三維勢(shì)阱下，電子各個(gè)方向均量子化；量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池共振隧穿效應(yīng)能提高對(duì)光生載流子的收集率，從而增大光電流；量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池存在碰撞離化效應(yīng)，一個(gè)高能量光子可以激發(fā)兩個(gè)或數(shù)個(gè)熱電子的存在；嵌入致密的量子點(diǎn)陣列的疊層結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池可產(chǎn)生中間帶，調(diào)控量子點(diǎn)的尺寸和形狀，能夠直接使太陽(yáng)能電池的能級(jí)盡可能與太陽(yáng)光譜相匹配。理論和實(shí)踐表明，量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池有著很高的轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)。鍺材料、硅材料的量子點(diǎn)由于材料無(wú)毒性、資源多，且完全與目前成熟的微電子工藝體系相兼容。對(duì)Ge量子點(diǎn)、Si量子點(diǎn)的技術(shù)研究成為當(dāng)前一大熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

現(xiàn)有基于量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池及制備方法已經(jīng)成熟，申請(qǐng)?zhí)枮?00910033256.1、201110199377.0以及201210195987.8的中國(guó)專(zhuān)利分別公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)納米硅量子點(diǎn)可控?fù)诫s的方法、基于異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的硅量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池及制備方法、多結(jié)異質(zhì)量子點(diǎn)陣列及太陽(yáng)能電池的制備方法。這些多層結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光譜響應(yīng)寬，與現(xiàn)有的硅基微電子工藝兼容。其中，201110199377.0采用包含Si量子點(diǎn)的氮化硅薄膜、非晶硅薄膜構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)的硅量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，并闡釋了制備方法；201210195987.8采用Ge量子點(diǎn)層、Si量子點(diǎn)層交錯(cuò)排列來(lái)設(shè)計(jì)多結(jié)異質(zhì)量子點(diǎn)陣列的太陽(yáng)能電池及制備方法。對(duì)于Ge晶體材料、Si晶體材料由于晶格常數(shù)的存在差異，對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能裝置中必然會(huì)引入應(yīng)變效應(yīng)。然而，應(yīng)變效應(yīng)及其在太陽(yáng)能電池中的有效利用上述專(zhuān)利文獻(xiàn)及目前可知的相關(guān)文獻(xiàn)均未報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提出一種基于應(yīng)變型異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)的太陽(yáng)能電池裝置，同時(shí)給出其制備方法，從而通過(guò)借助外層Si薄膜層厚度調(diào)制內(nèi)部Ge量子點(diǎn)的應(yīng)變大小、進(jìn)而調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的禁帶寬度，以提高量子點(diǎn)與太陽(yáng)光譜的匹配度、提升太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明基于應(yīng)變型異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)的太陽(yáng)能電池裝置基本技術(shù)方案為：包括在摻雜硅基襯底上生長(zhǎng)的至少二層Ge/Si量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層；所述Ge/Si量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層由含有直徑2-7nm的Ge量子點(diǎn)的Si薄膜層構(gòu)成，最內(nèi)層的Si薄膜層厚度為2-4nm，外層Si薄膜層的厚度范圍為在上一層厚度范圍兩端點(diǎn)分別遞增2nm；最外層的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層為填充量子點(diǎn)間隙的SiO₂覆蓋薄膜層覆蓋，形成量子點(diǎn)陣列填充薄膜多層結(jié)構(gòu)；所述覆蓋薄膜層外生長(zhǎng)有一層厚度10-20nm的硅摻雜層保護(hù)膜；所述硅摻雜層和硅基襯底外表面生長(zhǎng)有電極。

本發(fā)明基于應(yīng)變型異質(zhì)結(jié)量子點(diǎn)的太陽(yáng)能電池裝置制備方法包括如下步驟：

步驟一.?采用真空化學(xué)氣相沉積法，在清洗后的摻雜硅基襯底上通入鍺烷氣體，在硅基襯底上生長(zhǎng)Ge薄膜層；

步驟二.?控制Ge薄膜層厚度在2-7nm?，并原位退火；

步驟三.?在生長(zhǎng)出Ge薄膜層的硅基襯底上通入硅烷氣體，在Ge薄膜層上生長(zhǎng)Si薄膜層；

步驟四.?第一次生長(zhǎng)的最內(nèi)層Si薄膜層厚度控制在2-4nm，以后逐層遞增，Si薄膜層生成后原位退火；

步驟五.?冷卻生長(zhǎng)成由含有直徑2-7nmGe量子點(diǎn)的Si薄膜層構(gòu)成的Ge/Si量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層；

步驟六.?根據(jù)所需預(yù)定層數(shù)，重復(fù)步驟三、步驟四，最內(nèi)層之外的Si薄膜層的厚度范圍為在上一層厚度范圍兩端點(diǎn)分別遞增2nm；

步驟七.?達(dá)到預(yù)定層數(shù)后，通入硅烷和氧氣，氧化生長(zhǎng)一層填充量子點(diǎn)間隙的SiO₂覆蓋薄膜層，厚度控制在2-4nm，形成量子點(diǎn)陣列填充薄膜多層結(jié)構(gòu)；

步驟八.?通入四氯化硅和氫氣外延生長(zhǎng)一層硅摻雜層作為保護(hù)膜，厚度控制在10-20nm，摻雜類(lèi)型與硅基襯底類(lèi)型相反（如果硅基襯底為n型，則硅摻雜層為p型）;

步驟九.?分別在硅摻雜層和硅基襯底外表面生長(zhǎng)電極。