专利名称：一种具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池，属太阳电池技术领域。
背景技术：
高效太阳电池一直是光伏研究领域的热点之一。限制太阳电池光电转换效率的 因素主要有两个， 一是光谱响应本来应该为有效光，却因太阳电池表面反射而产生能量 损失；二是太阳电池光谱响应与太阳光谱不匹配而产生能量损失，即低于能隙的光子不 被吸收，高于能隙的光子以晶格热振动形式失去多余能量。为减小能量损失，高效太阳 电池需要发展两大技术(l)将太阳光高效引入到太阳电池能量转换区域的技术；(2)在 太阳电池能量转换区域将太阳能高效转换成电能的技术。 晶体硅太阳电池常用各向异性刻蚀制造表面织构的减反射层，从而有效捕获太 阳光，抑制表面反射。对于薄膜太阳电池，目前主要采用减反射层技术来降低太阳电池 表面反射引起的能量损失。减反射层一般采用1/4波长厚度的介质层(如Si3N4、 Si02)， 利用光的干涉效应来降低表面反射，但一种材料的单层的减反射层通常只能针对某一波 长减小反射，实际应用需要多层结构的减反射层，并且往往需要采用不同的材料，因此 多层减反射层结构的匹配设计难度大，制造技术要求高。多结的叠层太阳电池已证实是 有效提高太阳电池光电转换效率的技术，其原理是利用不同带隙的材料吸收不同波段的 太阳光，增加太阳光谱响应的范围，并增强与太阳光谱响应的匹配度，从而大幅度提高 转换效率。但多结的叠层太阳电池结构需要不同带隙的材料，因此其实际应用常常受到 材料的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，而提供一种能有效提高太阳电池的光 电转换效率，制备工艺简单，制造成本低的具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池。
本发明充分利用纳米棒阵列优异的光耦合效应产生的宽光谱抗反射特性，使尽 可能多的太阳光输入到太阳电池表面，并利用半导体量子点材料特殊的量子尺寸效应， 使太阳电池的光谱响应与太阳光谱实现较完美的匹配，最终从根本上有效提高太阳电池 的光电转换效率。本发明采用的半导体量子点材料采用同一种材料，可以大大拓宽材料 和衬底的选择范围。 本发明的具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池技术方案为采用垂直的 ZnO， Ti02和SiC^纳米棒阵列作为光耦合元的叠层太阳电池由上、中、下三个电池构 成；其中下电池是带隙为l.leV的常规的Si电池，上电池和中电池为Si量子点电池， 上、下两个Si量子点太阳电池的带隙选择分别为2eV和1.5eV，对应的Si量子点的尺寸 分别为20 40nm和65 85nm。
其中 具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池的量子点采用以Si02、 Si3N4和SiC为
3基质的Si、 Ge、 Sn量子点。 具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池的数目可以是l个，2个，3个，…， 直到n个。 本发明的优点是从根本上提高太阳电池对太阳光谱的吸收效率和光电转换效 率，从而有效提高太阳电池的光电转换效率；其次，量子点采用同一种材料，提高了材 料和衬底选择的灵活性，制备工艺简化，降低了电池的制造成本。
图1为具有ZnO纳米棒阵列抗反射层的Si量子点叠层太阳电池的示意图。
图2为采用Si量子点的叠层太阳电池的示意图。
具体实施例方式
实施例1 : 如图1所示，实施例采用垂直的ZnO纳米棒阵列为减反射层。ZnO具有合适的 折射指数(n二2)和带隙( 3.3eV)，用于太阳电池的减反射层，具有高透射、低的宽光谱 反射和低吸收的优点。如图2所示，叠层太阳电池采用了上、中、下三个电池，下电池 采用常规的Si电池(带隙为l.leV)，上电池和中电池采用Si量子点电池，为实现太阳光 谱的吸收匹配，上、下两个Si量子点太阳电池的带隙选择分别为2eV和1.5eV，对应的Si 量子点的尺寸分别为20nm和65nm。 半导体量子点采用以Si02、 Si3N4和SiC为基质的 Si量子点。根据需要，量子点叠层子电池的数目是l个，2个，3个，…，直到n个。 电池材料采用Si和ZnO，其资源丰富，无公害，电池制造采用低温PECVD技术、低温快 速光热退火技术和低温电化学沉积技术集成制造，能实现高效、低成本、长寿命和环境 友好的目标。本实施例中半导体量子点材料并不限于Si量子点，还能采用Ge及Sn半导 体量子点。
实施例2: 实施例采用垂直的Ti02纳米棒阵列为减反射层。Ti02具有合适的折射系数和 带隙( 3.2eV)，用于太阳电池的减反射层，具有高透射、低的宽光谱反射和低吸收的优 点。如图2所示，叠层太阳电池采用了上、中、下三个电池，下电池采用常规的Si电池 (带隙为l.leV)，上电池和中电池采用Si量子点电池，为实现太阳光谱的吸收匹配，上、 下两个Si量子点太阳电池的带隙选择分别为2eV和1.5eV，对应的Si量子点的尺寸分别 为20nm和65nm。半导体量子点采用以Si02、 Si3N4和SiC为基质的Si量子点。根据需 要，量子点叠层子电池的数目是l个，2个，3个，…，直到n个。电池材料采用Si和 Ti02，其资源丰富，无公害，电池制造采用低温PECVD技术、低温快速光热退火技术和 低温电化学沉积技术集成制造，能实现高效、低成本、长寿命和环境友好的目标。本实 施例中半导体量子点材料并不限于Si量子点，还可以采用Ge、 Sn等半导体量子点。
实施例3:实施例采用垂直的Si02纳米棒阵列为减反射层。Si02具有合适的折射系数 ( 1.8)，用于太阳电池的减反射层，具有高透射、低的宽光谱反射的优点。如图2所示， 叠层太阳电池采用了上、中、下三个电池，下电池采用常规的Si电池(带隙为l.leV)，上电池和中电池采用Si量子点电池，为实现太阳光谱的吸收匹配，上、下两个Si量子点太 阳电池的带隙选择分别为2eV和1.5eV，对应的Si量子点的尺寸分别为20nm和65nm。 半导体量子点采用以&02、 Si具和SiC为基质的Si量子点。根据需要，量子点叠层子电 池的数目是l个，2个，3个，…，直到n个。电池材料采用Si和Si02，其资源丰富， 无公害，电池制造采用低温PECVD技术、低温快速光热退火技术和低温电化学沉积技术 集成制造，可实现高效、低成本、长寿命和环境友好的目标。本实施例中半导体量子点 材料并不限于Si量子点，还可以采用Ge、 Sn等半导体量子点。
权利要求
一种具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池，其特征在于采用垂直的ZnO或TiO2或SiO2纳米棒阵列作为光耦合元的叠层太阳电池由上、中、下三个电池构成；其中下电池是带隙为1.1eV的常规的Si电池，上电池和中电池为Si量子点电池，上、下两个Si量子点太阳电池的带隙选择分别为2eV和1.5eV，对应的Si量子点的尺寸分别为20~40nm和65~85nm。
2. 如权利要求1所述的具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池，其特征在于量子点 采用以SiC^、 Si3N^P SiC为基质的Si、 Ge、 Sn量子点，或者是InAs、 GaSb、 GaAs量 子点。
3. 如权利1要求1所述的具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池，其特征在于量子 点叠层子电池，其数目是1个，2个，3个，…，直到n个。
全文摘要
本发明涉及一种具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池，属太阳电池技术领域。本发明的具有纳米棒阵列光耦合元的叠层太阳电池为采用垂直的ZnO，TiO2和SiO2纳米棒阵列作为光耦合元的叠层太阳电池由上、中、下三个电池构成；其中下电池是带隙为1.1eV的常规的Si电池，上电池和中电池为Si量子点电池，上、下两个Si量子点太阳电池的带隙选择分别为2eV和1.5eV，对应的Si量子点的尺寸分别为20~40nm和65~85nm。其中量子点采用以SiO2、Si3N4和SiC为基质的Si、Ge、Sn量子点。叠层太阳电池的数目是1个，2个，3个，…直到n个。本发明的优点是从根本上提高太阳电池对太阳光谱的吸收效率和转换效率，有效提高了太阳电池的光电转换效率，制备工艺简单，制造成本低。
文档编号H01L31/0232GK101692464SQ200910094708
公开日2010年4月7日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者刘黎明, 杨培志, 杨雯, 莫镜辉, 邓书康, 郝瑞亭 申请人:云南师范大学