基于蝶形等离激元天线增强的纳米线中间带太阳能电池结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明具体涉及一种纳米线太阳能电池结构及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。
【背景技术】
[0002]太阳能电池是利用光伏半导体材料的光生伏特效应将太阳能转变成电能的光电器件，在生产和生活中都得到了广泛的应用。现有的太阳能电池一般由超纯净的单晶硅圆制成，同时要求这种非常昂贵的材料的厚度约为200um，以尽可能多地吸收太阳光，这使硅基平板太阳能电池制造过程变得复杂，能耗大，成本高。与传统太阳能电池相比，纳米线聚光型太阳能电池拥有几大优势:分离、聚焦电荷能力更强，可由储量丰富的廉价材料制成。
[0003]中间带太阳能电池是指在半导体禁带中引入一个能态密度小的中间带(窄能带)的太阳能电池，用于提高太阳能电池的效率。由于中间带太阳能电池具有结构简单、成本低且理论效率非常高等优点，具有很好的应用前景。然而，目前中间带光伏电池的光电转换效率仍然较低，主要由于中间带态密度低，对低能光子的吸收利用能力相对较弱所致。以高失配合金掺氧碲化锌(ZnTe:0，带隙为2.25eV)的中间带光伏材料为例，氧的等电子掺杂在禁带内形成稳定的中间带，能级位置位于导带底以下0.45eV，即位于680nm处。目前实验证明，该中间带的存在对低能光子具有吸收，但其态密度相对较低，吸收系数较小。为了增加低能光子的吸收效率，有大量研究人员研究了金属纳米天线结构表面等离基元效应在中间带太阳能电池中的应用。利用金属纳米天线可以有效地将入射光集中的限制在局域表面等离子体共振模式，使得局域的电磁场得到很大的增强。特别对于小尺寸的金属纳米天线，它们对光的反射率较低，可以更有效的将光限制在局域表面等离子体共振模式。
[0004]传统的金、银纳米结构在光照条件下具有很好的表面等离激元效应。这一过程源于光照条件下金属纳米结构表面自由电子的周期性震荡，这一现象在很多光电子过程中得到了广泛应用，比如:光发射器，生物传感器，表面增强拉曼散射等等。金、银纳米结构的等离子体的共振频率与可见光或近红外光相匹配，能很大的增强其吸收或散射，因此可以用来提高中间带太阳能电池的光吸收效率，但金银等贵重金属的使用会大大提高器件的制备成本。相比金属金、银等，金属铝在可见光波段等离激元特性更具优势，且价格低廉，制备工艺上与互补金属氧化物半导体兼容。本发明利用金属铝纳米结构的表面等离激元效应，在P型掺氧碲化锌/n型氧化锌核壳结构的纳米线两侧制备蝶形铝纳米天线结构，使得掺氧碲化锌在带边吸收和中间带光吸收效率同时得到增强，从而提高中间带太阳能电池对低能光子的吸收及整体光电转换效率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提出了一种基于蝶形等离激元增强天线的纳米线中间带太阳能电池结构，解决了中间带太阳能电池在中间带态密度小而吸收效率偏低的问题，为制备出高效太阳能电池打下了坚实的基础，有望实现下一代太阳能电池向高效、低成本的方向发展。
[0006]本发明是通过以下技术方案来解决问题的:基于蝶形等离激元增强天线的纳米线中间带太阳能电池结构，其特征在于，二氧化硅或石英衬底上为平躺的氧掺杂碲化锌/氧化锌核壳结构纳米线，氧化锌在外层，氧掺杂碲化锌/氧化锌核壳结构的纳米线长度为1-1011111，核壳结构纳米线的直径为200-40011111，氧化锌的厚度为5-4011111;核壳结构纳米线的两侧设有若干对金属铝蝶形天线，每一对金属铝蝶形天线为尖端对尖端的三棱锥结构，每一对蝶形天线中两个尖端对尖端的三棱锥相对于纳米线是可以是中心对称的，也可以是非中心对称的。
[0007]氧掺杂碲化锌/氧化锌核壳结构的纳米线为P型氧掺杂碲化锌/n型氧化锌核壳结构，碲化锌中氧扩散掺杂浓度为1-5 %，氧化锌的厚度为5-40nm。
[0008]蝶形天线中三棱锥尖端距离纳米线的距离g为0-100nm。
[0009]蝶形天线的厚度和P型氧掺杂碲化锌/n型氧化锌核壳结构的纳米线直径Dl保持一致，为200-400nm，蝶形天线中三棱锥的宽度W为lOO-lOOOnm，高度H为100-500nm。
[0010]每对蝶形铝纳米天线之间的间隔距离a为300-500nm。
[0011]基于蝶形等离激元天线增强的纳米线中间带太阳能电池的制备方法，采用物理气相沉积制备直径和长度可控的P型氧掺杂碲化锌/n型氧化锌纳米线核壳结构，并将其转移至平面衬底上;再采用电子束光刻等半导体工艺在纳米线两侧制备多对金属铝蝶形天线。利用在蝶形铝纳米天线表面产生的局域表面等离子共振和蝶形天线的尖端效应，使得氧掺杂碲化锌在带边吸收和中间带光吸收效率同时得到增强，从而提高中间带太阳能电池对低能光子的吸收及整体光电转换效率。
[0012]制备步骤为:
[0013](I)采用物理气相沉积方法制备氧掺杂碲化锌/氧化锌核壳纳米线结构，并采用机械方法转移使其平躺在二氧化硅或石英衬底上；
[0014](2)在含有纳米线的衬底表面上旋涂光刻胶，光刻胶采用正胶；
[0015](3)利用电子束曝光、显影，在纳米线两侧形成尖端对尖端的三棱锥周期性阵列的图形；
[0016](4)利用电子束蒸发沉积金属铝，其厚度和纳米线直径相当；
[0017](5)剥离金属铝，并去除剩余光刻胶；
[0018](6)采用共焦离子束刻蚀纳米线一端的氧化锌壳层，使得P型氧掺杂碲化锌暴露在外，采用原位沉积Au和氧掺杂碲化锌形成欧姆接触；
[0019](7)采用共焦离子束在纳米线另一端的氧化锌壳层上原位沉积金属铝，和氧化锌形成欧姆接触。
[0020]所述的蝶形天线的材料选用铝，铝蝶形天线可以将光吸收限制在一个很小的范围内，而且铝与互补金属氧化物半导体兼容。利用在蝶形铝纳米天线表面产生的局域表面等离子共振和蝶形铝纳米天线的尖端效应，使中间带太阳能电池的光吸收效率增强。
[0021]有益效果:本发明中金属铝的使用，相对于常用贵金属(金、银)可大幅降低生产成本，同时也得到了更好的吸收增强效果。本发明具有特定的结构，实验表明由上述方法制备的太阳能电池，相对于单纳米线太阳能电池，在单纳米线太阳能电池两侧制备一对蝶形招纳米天线时，在550nm处光吸收效率增强1.2倍，在680nm处光吸收效率增强1.8倍;制备三对蝶形铝纳米天线时，在550nm处光吸收效率增强I.5倍，在680nm处光吸收效率增强2.7倍。主要解决中间带太阳能电池吸收层中间带态密度小而吸收效率偏低的问题，实现太阳光全光谱吸收增强而提高器件整体光电转换效率。本发明蝶形天线的材料选用铝，金属铝蝶形天线可以将光吸收限制在一个很小的范围内，而且铝与互补金属氧化物半导体兼容。利用在蝶形铝纳米天线表面产生的局域表面等离子共振和蝶形天线的尖端效应，使得氧掺杂碲化锌在带边吸收和中间