[發(fā)明專利]一種基于氧摻雜碲化鋅納米線陣列的太陽電池及制備方法

有效

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• 申請日: 2016-06-23
• 公開（公告）號: CN106098812B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發(fā)明（設計）人: 葉建東;李靖;劉松民;朱順明;湯坤;顧書林
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/0296
• 分類號: H01L31/0296;H01L31/032;H01L31/0352;H01L31/077;H01L31/18;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 陳建和

技術領域

本發(fā)明涉及一種具有納米線吸收層的太陽電池結構及其制備方法，屬于太陽電池技術領域。

背景技術

太陽電池是利用光伏半導體材料的光生伏特效應將太陽能轉變成電能的光電器件，在生產和生活中都得到了廣泛的應用。現(xiàn)有的太陽電池一般由超純凈的單晶硅圓制成，同時要求這種非常昂貴的材料的厚度約為200um，以盡可能多地吸收太陽光，這使硅基平板太陽電池制造過程變得復雜，能耗大，成本高。與傳統(tǒng)太陽電池相比，中間帶太陽電池以較為簡單的結構實現(xiàn)高效了的光電轉換，而具有中間帶的納米線吸收層則在保有中間帶太陽電池優(yōu)點的基礎上縮短了載流子的漂移距離，進一步增加了太陽能的轉換效率。

以單晶硅圓為材料的傳統(tǒng)太陽電池只能吸收大于硅的禁帶寬度(1.1eV)的光子，而超出禁帶寬度的能量會以電子-晶格相互作用的形式轉化為熱能。所以理論預言傳統(tǒng)硅太陽電池的轉換效率不可能超過32％.中間帶太陽電池是以高失配合金、量子點這類具有中間帶性質的材料為吸收層的太陽電池。以高失配合金氧摻雜碲化鋅(ZnTe:O，帶隙為2.25eV)的中間帶光伏材料為例，氧的等電子摻雜在禁帶內形成穩(wěn)定的中間帶，能級位置位于導帶底以下0.45eV，即位于1.8eV處。當受到陽光照射時，電子不僅可以通過價帶-導帶的方式躍遷，也可以通過價帶-中間帶-導帶的方式進行躍遷，因而能量較低的光子也可以得到利用。所以中間帶太陽電池的轉換效率遠高于傳統(tǒng)太陽電池。另外單晶硅的透射率較高，因而需要幾百微米量級厚度的硅吸收層才能充分吸收光子。而中間帶材料吸收層一般有較低的透射率，吸收層的厚度在百納米量級。

相比于層狀結構的吸收層，納米線的結構特點使得載流子平均漂移距離較短。吸收層中的光生載流子在漂移過程中，可能發(fā)生非輻射復合。縮短載流子在吸收層中的漂移距離有利于減少載流子復合的幾率，從而進一步增加太陽電池的光電轉換效率。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于，提出一種氧摻雜碲化鋅納米線陣列增強吸收的中間帶太陽電池結構，在中間帶太陽電池技術的基礎上，以納米線為吸收層進一步提升中間帶太陽電池的光轉換效率，為制備出高效太陽電池打下了堅實的基礎，有望實現(xiàn)下一代太陽電池向高效、低成本的方向發(fā)展。

本發(fā)明解決問題的技術方案是：基于氧摻雜碲化鋅納米線陣列的太陽電池，自上而下依次為：包裹了氧化鋅/氧摻雜碲化鋅/碲化鋅三層同軸包覆的納米線陣列頂端的n型AZO透明導電薄膜、氧化鋅/氧摻雜碲化鋅/碲化鋅三層同軸包覆的(豎直的)納米線陣列、包裹納米線底端的PMDS支撐層和p型摻雜高導單晶硅層襯底，利用具有中間帶特性的氧化鋅/氧摻雜碲化鋅/碲化鋅三層同軸包覆的豎直納米線陣列作為光電吸收層；在AZO透明導電薄膜和p型摻雜高導單晶硅層分別引出電極；

氧摻雜碲化鋅納米線陣列高度為5～10μm，直徑為100-300nm，氧摻雜碲化鋅中氧擴散摻雜濃度為1-5％,擴散層厚度在20～100nm；碲化鋅厚度為10～50nm；氧化鋅、氧摻雜碲化鋅、碲化鋅三者形成同軸包覆結構，氧化鋅在最外層；在高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察，每平方微米襯底表面上能觀察到的氧摻雜碲化鋅納米線數(shù)量應在2根以上。

制備方法：氧化鋅/氧摻雜碲化鋅/碲化鋅三層同軸包覆的納米線陣列的物理氣相沉積在多溫區(qū)管式爐中完成；碲化鋅源是粉末狀碲化鋅晶體，置于氣流的上游并且位于管式爐的一個溫區(qū)加熱段的中央；沉積碲化鋅納米線的襯底置于碲化鋅源的下游并且位于一個溫區(qū)加熱段中央或兩加熱段之間；沉積過程中多個加熱段同時升溫以保證管式爐內溫度分布均勻恒定,且保證蒸發(fā)源溫度維持在780～900℃，襯底溫度維持在380～450℃，保溫30～90分鐘，制備出均勻無缺陷的碲化鋅納米線；

沉積碲化鋅所用催化劑金或者鉍，由電子束蒸發(fā)或磁控濺射工藝，鍍在用于沉積碲化鋅的襯底上，再經退火形成直徑25～100nm的顆粒；氣相輸運碲化鋅的輸運氣體使用高純氮氣，流量由氣體流量計精確控制在50～200sccm，由碲化鋅源流向襯底；襯底表面與氣相輸運碲化鋅的氣流呈50°～80°角；

在完成碲化鋅納米線的沉積后，將管式爐內氣氛置換為氧氣與氮氣的混合氣，升溫并維持在200～300℃，保溫2～20小時。碲化鋅納米線的表面形成氧化鋅層，同時氧擴散入碲化鋅晶格，形成氧摻雜碲化鋅層。三者形成氧化鋅/氧摻雜碲化鋅/碲化鋅同軸包覆納米線結構。氧化鋅/氧摻雜碲化鋅/碲化鋅同軸包覆納米線陣列通過對碲化鋅納米線陣列在氧氣與氮氣的混合氣氛下退火制備而成。