一种基于纳米线/量子点复合结构的中间带太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及纳米工程和纳米材料应用技术领域，特别涉及一种基于纳米线/量子点复合结构的中间带太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

纳米线阵列具有优越的光吸收特性，一方面，由于纳米线与周围空气的折射率差较大，入射光会被束缚在纳米线内形成导模，促进了纳米线的光吸收；另一方面，相比于平面材料，纳米线阵列上表面的反射率很小，通过调整纳米线的直径以及排列周期，在材料可吸收的波段内，可使纳米线阵列的反射率几乎为零，从而获得远高于平面材料的吸收率。并且，由于其独特的一维几何结构，纳米线可以通过在侧面释放应力来缓解晶格失配对外延生长的制约，为大失配材料的单片集成开辟了新的途径。该一维特点还使得纳米线具有极大的灵活性，可以作为载体将不同材料、不同维度和不同功能的结构有机结合起来，形成各种新颖的异质结构。

量子点是一种零维半导体结构，载流子在三个方向均受到约束，光学和电学性能极佳。据报道，紧密排列的量子点阵列可在其周围宽带隙材料的带隙中形成中间带，能量小于带隙宽度的光子可以通过中间带被吸收，从而扩展材料的吸收光谱。理论计算表明，量子点中间带太阳电池的理论转换效率可以达到63％，远高于传统单节太阳能电池的效率极限(41％)。2013年，Alex W.Walker等(参考文献[1]:Walker A W,Theriault O,Wheeldon J F,et al.The effects of absorption and recombination on quantum dot mul junction solar cell efficiency[J].Photovoltaics,IEEE Journal of,2013,3(3):1118-1124.)报道的InAs/InGaAs量子点中间带太阳能电池，相比于纯InGaAs太阳能电池，其短路电流增加了8％；2014年，Tomah Sogabe等(参考文献[2]:Sogabe T,Shoji Y,Mulder P,et al.Enhancement of current collection in epitaxial lift-off InAs/GaAs quantum dot thin film solar cell and concentrated photovoltaic study[J].Applied Physics Letters,2014,105(11):113904.)报道的基于InAs/GaAs量子点中间带太阳能电池，其短路电流密度比纯GaAs太阳能电池提高了0.91mA/cm²，且将其吸收截止波长从900nm扩展到了1150nm。

因此，将纳米线与量子点两种异维纳米结构集成在一起，可以将纳米线阵列优越的光吸收特性与量子点中间带效应结合起来，在利用量子点中间带效应扩展吸收光谱的同时利用纳米线阵列的“光阱”效应提高光吸收率，有望制备出高性能的太阳能电池。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是通过结合量子点中间带效应和纳米线阵列的“光阱”作用，扩展太阳能电池吸收的光谱范围，提高光吸收能力，从而提升电池效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于纳米线/量子点复合结构的中间带太阳能电池，包括衬底、绝缘层、纳米线/量子点径向异质结构、透明电极以及底电极。

所述纳米线/量子点径向异质结构，包括纳米线核、量子点层和纳米线壳层，量子点层包裹在纳米线核和壳层之间，纳米线核和壳层经过掺杂与量子点层共同形成径向pin结。

所述衬底与纳米线核为同型掺杂。

所述绝缘层，用于将纳米线/量子点径向异质结构的量子点层和纳米线壳层与衬底隔绝。

所述透明电极覆盖于所述中间带太阳能电池的顶部。

所述底电极位于所处衬底底面，与衬底形成欧姆接触。

优选地，所述量子点层与纳米线壳层接触面的直径在20nm以下，垂直于纳米线方向的高度在10nm以下，相邻量子点间距在10nm以下。

优选地，所述量子点层为多层结构，层数至少为2层。

优选地，所述量子点的材料的带隙宽度小于纳米线的材料的带隙宽度。

优选地，所述纳米线/量子点径向异质结构垂直生长于所述衬底上并排成阵列。

优选地，所述纳米线材料为砷化镓，所述量子点材料为砷化铟，所述衬底材料为砷化镓，所述透明电极材料为铟锡氧化物，所述绝缘层材料为二氧化硅。

本发明还公开了一种基于纳米线/量子点复合结构的中间带太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

步骤S100，生长纳米线阵列，包括：

步骤S101，在n型(或p型)衬底上沉积金属纳米颗粒或金属薄膜，退火后形成纳米合金颗粒；

步骤S102，以所述纳米合金颗粒作为催化物，沿垂直于衬底方向生长n型(或p型)纳米线；

步骤S103，结束所述n型(或p型)纳米线的生长，在其上沉积一层绝缘体；

步骤S104，通过腐蚀工艺，将所述绝缘体腐蚀至仅剩覆盖衬底的一层。

步骤S200，在纳米线侧壁生长多层量子点形成量子点层，包括：

步骤S201，在所述纳米线侧壁生长一层量子点；

步骤S202，在量子点层外侧生长一层与纳米线同质材料，将量子点包裹住，形成第一包裹层；

步骤S203，在包裹层上生长一层量子点，在在量子点层外侧生长一层与纳米线同质材料， 将量子点包裹住，形成第二包裹层，如此重复，直至量子点层数满足要求。

步骤S300，在所述量子点层5外侧生长p型(或n型)纳米线壳层；

步骤S400，在所述纳米线/量子点径向异质结构顶部沉积透明电极；

步骤S500，在所述衬底底面沉积底电极。

优选地，所述量子点与纳米线接触面的直径在20nm以下，垂直于纳米线方向的高度在10nm以下，相邻量子点间距在10nm以下。

优选地，所述量子点的材料的带隙宽度小于纳米线的材料的带隙宽度。

优选地，所述纳米线材料为砷化镓，所述量子点材料为砷化铟，所述衬底材料为砷化镓，所述透明电极材料为铟锡氧化物，所述绝缘层材料为二氧化硅。

本发明的优点及有益效果在于：

首先，对于纳米线/量子点复合结构的太阳能电池，pin结沿纳米线径向分布，载流子的分离发生在纳米线径向，由于纳米线径向尺寸一般在几百纳米或者几十纳米，故载流子渡越距离短，从而减小了再复合的几率，提高了收集效率。

其次，呈周期性排列的量子点阵列可在包围量子点的宽带隙材料的带隙中形成中间带，能量小于带隙宽度的入射光子可通过中间带被吸收，并且，通过合理调整量子点的尺寸和间距，可保证中间带不与导带或价带相连，故材料的总带隙宽度并不会受到影响，因此，中间带可在不损害开路电压的前提下扩展吸收光谱，提高短路电流，从而提高电池效率。理想情况下，量子点中间带太阳能电池的转换效率可达63％，远高于传统单节太阳能电池的效率极限(41％)。

再次，量子点生长于纳米线侧壁上，单位面积的纳米线阵列中的量子点个数可远大于同等厚度的薄膜材料中的量子点个数，从而可以更充分的发挥量子点的吸收增强效果。此外，纳米线阵列具有很强的“光阱”效果，可进一步提高光吸收能力。

因此，基于纳米线/量子点复合结构的太阳能电池可结合量子点中间带效应和纳米线阵列的“光阱”作用，扩展太阳能电池吸收的光谱范围，提高光吸收能力，从而提升电池效率。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的一种基于纳米线/量子点结构的太阳能电池的结构示意图；

图2为本发明的一种基于纳米线/量子点复合结构的太阳能电池制备方法的流程图；

图3至图12为本发明的一个较佳实施例的一种基于纳米线/量子点复合结构的太阳能电池制备过程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不 能用来限制本发明的范围。

图1为本发明的一个较佳实施例的一种基于纳米线/量子点复合结构的中间带太阳能电池，包括衬底1、绝缘层2、纳米线/量子点径向异质结构9、透明电极7以及底电极8。

所述的纳米线/量子点径向异质结构9，包括纳米线核3、量子点层5和纳米线壳层6，量子点层5包裹在纳米线核3和纳米线壳层6之间，纳米线核3和纳米线壳层6经过掺杂与量子点层5共同形成径向pin结。量子点与纳米线接触面的直径在20nm以下，垂直于纳米线方向的高度在10nm以下，相邻量子点间距在10nm以下。量子点层5为多层结构，层数至少为2层，纳米线/量子点径向异质结构9垂直生长于衬底1上并排成阵列。

所述的衬底1与纳米线核3为同型掺杂，材料为砷化镓。

所述的绝缘层2用于将纳米线/量子点径向异质结构中的量子点层5和纳米线壳层6均与衬底1隔绝，材料为二氧化硅。

所述的透明电极7，覆盖于所述中间带太阳能电池的顶部，材料为铟锡氧化物。

所述的底电极8，位于所述衬底1底面，与衬底1形成欧姆接触。

如图2所示流程，本发明提供的基于纳米线/量子点复合结构的太阳能电池的制备方法，具体步骤包括：

步骤S100，生长纳米线阵列，包括：

步骤S101，如图3所示，在n型(或p型)衬底1上沉积金属纳米颗粒或金属薄膜，退火后形成纳米合金颗粒4；所述的金属纳米颗粒或金属薄膜的材料可以选择纳米金。

步骤S102，如图4所示，以所述纳米合金颗粒4作为催化物，沿垂直于衬底1上表面方向生长n型(或p型)纳米线，作为纳米线核3；

步骤S103，如图5所示，结束所述n型(或p型)纳米线的生长，在所述纳米线上沉积一层绝缘体2；

步骤S104，如图6所示，通过腐蚀工艺，将所述绝缘体2腐蚀至仅剩覆盖衬底1的一层；优选的，所述绝缘体2的厚度为几十纳米。

步骤S200，在纳米线核3侧壁生长多层量子点形成量子点层5，包括：

步骤S201，如图7所示，在所述纳米线核3侧壁生长一层量子点，形成第一层量子点层5；量子点与纳米线接触面的直径在20nm以下，垂直于纳米线方向的量子点高度在10nm以下，相邻量子点间距在10nm以下。

步骤S202，如图8所示，在量子点外侧生长一层与纳米线同质材料，将量子点包裹住；

步骤S203，如图9所示，重复步骤S201和步骤S202，直至量子点层5的层数满足要求；

步骤S300，如图10所示，在量子点层5外侧生长p型(或n型)纳米线壳层6；

步骤S400，如图11所示，在所述纳米线/量子点径向异质结构顶部沉积透明电极7；

步骤S500，如图12所示，在所述衬底1的下底面沉积金属电极，作为底电极8。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。