肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法，该方法包括：采用金属催化剂在重掺杂的单晶基底上通过分子外延的方法生长垂直半导体纳米线阵列；在所述垂直半导体纳米线阵列上制作接触所述金属催化剂的透明导电层；其中，所述单晶基底为背电极，所述透明导电层为顶电极，所述垂直半导体纳米线阵列为光吸收层及减反射层。采用本发明可以实现以简单工艺低成本制作高转化效率太阳能电池的目的。
【专利说明】
肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法。
【背景技术】
[0002]当前，由于煤、石油、天然气等化石能源的日渐枯竭，及其燃烧排放大量有毒有害及温室气体，世界各国都在致力寻找清洁的可再生能源。而太阳能由于无污染且用之不尽的特点，直接向可利用的电能转化的太阳能电池技术受到了世人的广泛关注。
[0003]早期太阳能电池技术以硅基平板太阳能电池为代表，虽然商业化的单结硅太阳能电池的转化效率达到了约18%，但是其发电成本仍然较高；第二代太阳能电池着眼于降低材料的成本，如使用价格较低的铜铟镓砸薄膜材料，虽然费用有所降低，但是光电转化效率却降到约10%。新一代太阳能电池技术则将致力于保持高转化率的同时降低成本。
[0004]太阳能电池主要通过不同费米能级的材料接触的势皇将光生载流子分离与收集。其势皇的形成主要有pn结方式，但是pn结需要复杂的制作工艺，因此不利于成本的降低。
【发明内容】
[0005]本发明实施例提供一种肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法，用以实现利用简单工艺低成本制作高转化效率太阳能电池，该方法包括:
[0006]采用金属催化剂在重掺杂的单晶基底上通过分子外延的方法生长垂直半导体纳米线阵列；
[0007]在所述垂直半导体纳米线阵列上制作接触所述金属催化剂的透明导电层；
[0008]其中，所述单晶基底为背电极，所述透明导电层为顶电极，所述垂直半导体纳米线阵列为光吸收层及减反射层。
[0009]一个实施例中，在所述垂直半导体纳米线阵列上制作接触所述金属催化剂的透明导电层，包括:
[0010]在所述垂直半导体纳米线阵列中旋涂有机介质，使用刻蚀的方法暴露出所述金属催化剂；
[0011]在顶部沉积所述透明导电层连接各纳米线的金属催化剂。
[0012]—个实施例中，在所述垂直半导体纳米线阵列中旋涂有机介质，包括:在所述垂直半导体纳米线阵列中旋涂SU8胶或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)胶；
[0013]和/或，使用刻蚀的方法暴露出所述金属催化剂，包括:使用氧气、氩气或四氟化碳等离子体刻蚀的方法暴露出所述金属催化剂。
[0014]—个实施例中，所述金属催化剂包括:招、金、铀、钯或镍。
[0015]—个实施例中，所述单晶基底包括:硅、砷化镓、砸化镉或磷化铟基底。
[0016]一个实施例中，所述垂直半导体纳米线阵列包括:硅、砷化镓、磷化铟或砸化镉纳米线阵列。
[0017]—个实施例中，所述透明导电层包括:氧化铟锡、铝掺杂氧化锌或氟掺杂氧化锌透明导电层。
[0018]本发明实施例中，利用金属催化剂与垂直半导体纳米线阵列之间天然的肖特基接触势皇，以垂直半导体纳米线阵列生长的单晶基底为背电极，以垂直半导体纳米线阵列本身作为光吸收层及减反射层，仅需要简单的顶电极制作步骤即可制作太阳能电池，与PU结方式相比，虽然二者的理论光电转化效率相近，但是肖特基接触简化了工艺，在保持高转化率的同时降低成本；同时，为了最大限度地吸收入射光，太阳能电池表面需制作减反射层，由垂直半导体纳米线阵列构成的减反射层三维结构具有极佳的减反特性，因而更适用于提高太阳能电池的光电转化效率。
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中:
[0020]图1为本发明实施例中肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法的示意图；
[0021]图2为本发明实施例中制作金催化的砷化镓纳米线太阳能电池的示例图；
[0022]图3为本发明实施例中Si纳米线阵列肖特基太阳能电池的电流电压曲线图；
[0023]图4为本发明实施例中GaAs纳米线阵列肖特基太阳能电池的电流电压曲线图；
[0024]图5为本发明实施例中InP纳米线阵列肖特基太阳能电池的电流电压曲线图；
[0025]图6为本发明实施例中CdSe纳米线阵列肖特基太阳能电池的电流电压曲线图。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0027]发明人考虑到，与pn结方式相比，采用金属与半导体的肖特基接触方式制作太阳能电池，虽然二者的理论光电转化效率相近，但是pn结需要复杂的制作工艺，因此不利于成本的降低；相反，肖特基接触则简化了工艺，在保持高转化率的同时可以降低成本。同时，为了最大限度地吸收入射光，太阳能电池表面常需要制作三维结构的减反射层。而理论与实践均证明，由纳米线、纳米棒等阵列构成的三维结构具有极佳的减反特性，因而更适用于提高太阳能电池的光电转化效率。基于此，为了实现以简单工艺低成本制作高转化效率太阳能电池的目的，本发明实施例中提供一种肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法，如图1所示，该方法可以包括:
[0028]步骤101、采用金属催化剂在重掺杂的单晶基底上通过分子外延的方法生长垂直半导体纳米线阵列；
[0029]步骤102、在所述垂直半导体纳米线阵列上制作接触所述金属催化剂的透明导电层；其中，所述单晶基底为背电极，所述透明导电层为顶电极，所述垂直半导体纳米线阵列为光吸收层及减反射层。
[0030]具体实施时，在所述垂直半导体纳米线阵列上制作接触所述金属催化剂的透明导电层，可以包括:在所述垂直半导体纳米线阵列中旋涂有机介质，使用刻蚀的方法暴露出所述金属催化剂；在顶部沉积所述透明导电层连接各纳米线的金属催化剂。
[0031]实施例中，在所述垂直半导体纳米线阵列中旋涂有机介质时，可以根据需求采用适合的有机介质，例如可以在所述垂直半导体纳米线阵列中旋涂SU8胶或PMMA胶等有机介质。在使用刻蚀的方法暴露出所述金属催化剂时，也可以根据需求选用适合的具体刻蚀方法，例如可以使用氧气、氩气或四氟化碳等等离子体刻蚀的方法暴露出所述金属催化剂。
[0032]可见，本发明实施例的肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法，利用了金属催化剂与垂直半导体纳米线阵列之间天然的肖特基接触势皇，利用垂直半导体纳米线阵列生长的基底为背电极，同时利用垂直半导体纳米线阵列本身作为光吸收层及减反层，仅需要简单的顶电极制作步骤即可制作太阳能电池，因而即保证了高光电转化效率，又简化了工艺，降低了成本。
[0033]下面以制作金催化的砷化镓纳米线太阳能电池为例，说明本发明实施例方法的技术路线。图2中示出了本例中技术方案，包括:(I)、金纳米颗粒沉积于单晶硅基底上；(2)、分子外延生长垂直砷化镓纳米线阵列；(3)、沉积绝缘隔层(有机介质);(4)、在金催化剂颗粒附近沉积ITO透明导电电极。
[0034]参考图2所示，实施例中可以包括:以不同金属为催化剂采用分子外延的方法在重掺杂的单晶基底上生长垂直半导体纳米线阵列；在纳米线阵列中旋涂有机介质，并使用刻蚀的方法将金属催化剂暴露；最终沉积仅接触金属催化剂的透明导电层。该太阳能电池以重掺杂的单晶基底为背电极，以接触在金属催化剂上的透明导电层为顶电极，以纳米线阵列本身作为光吸收层及减反层，利用金属催化剂与纳米线之间的肖特基接触高效分离光生载流子。实施时仅利用纳米线生长一个步骤即完成了背电极、肖特基接触及减反射层三个制作过程，仅需要增加简单的顶电极制作工艺，因而实现了以简单工艺低成本制作高转化效率太阳能电池的目的。
[0035]具体实施时，金属催化剂可以采用铝、金、铂、钯或镍等金属。单晶基底可以采用硅、砷化镓、砸化镉或磷化铟等基底。垂直半导体纳米线阵列可以采用硅、砷化镓、磷化铟或砸化镉等纳米线阵列。透明导电层可以采用氧化铟锡、铝掺杂氧化锌或氟掺杂氧化锌等透明导电层。
[0036]下面举具体实例说明本发明实施例的肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法。
[0037]实施例一:以铝为催化剂，在重掺杂η型(111)硅基底上使用化学气相沉积技术生长约10微米长硅纳米线阵列。在硅纳米线阵列上旋涂SU8胶，约15微米厚，并通过氧气等离子体将SU8胶减薄到< 10微米，暴露出铝催化剂颗粒。使用磁控溅射技术在表面沉积I微米厚的氧化铟锡透明导电层，得到高效硅纳米线阵列肖特基型垂直太阳能电池，其典型的光电响应曲线可以如图3所示。图3为Si纳米线阵列肖特基太阳能电池的电流电压曲线。开路电压0.57V，短路电流36.1mAcm 2，填充因子34%，效率约7.0%。
[0038]实施例二:以金为催化剂，在重掺杂P型(111)硅基底上使用化学气相沉积技术生长约5微米长砷化镓纳米线阵列。在砷化镓纳米线阵列上旋涂SU8胶，约8微米厚，并通过氩气等离子体将SU8胶减薄到< 5微米，暴露出金催化剂颗粒。使用磁控溅射技术在表面沉积I微米厚的铝掺杂氧化锌透明导电层，得到高效砷化镓纳米线阵列肖特基型垂直太阳能电池，其典型的光电响应曲线可以如图4所示。图4为GaAs纳米线阵列肖特基太阳能电池的电流电压曲线。开路电压0.7V，短路电流52.5mAcm2，填充因子30%，效率约11%。
[0039]实施例三:以铂为催化剂，在重掺杂η型(111)砷化镓基底上使用化学气相沉积技术生长约20微米长磷化铟纳米线阵列。在磷化铟纳米线阵列上旋涂SU8胶，约25微米厚，并通过氧气等离子体将SU8胶减薄到< 20微米，暴露出铂催化剂颗粒。使用磁控溅射技术在表面沉积I微米厚的氟掺杂氧化锌透明导电层，得到高效磷化铟纳米线阵列肖特基型垂直太阳能电池，其典型的光电响应曲线可以如图5所示。图5为InP纳米线阵列肖特基太阳能电池的电流电压曲线。开路电压0.37V，短路电流34mAcm 2，填充因子31.5%，效率约
3.96%。
[0040]实施例四:以钯为催化剂，在重掺杂P型(111)砸化镉基底上使用化学气相沉积技术生长约2微米长砸化镉纳米线阵列。在砸化镉纳米线阵列上旋涂PMMA胶，约5微米厚，并通过四氟化碳等离子体将PMMA胶减薄到< 2微米，暴露出钯催化剂颗粒。使用磁控溅射技术在表面沉积I微米厚的氧化铟锡透明导电层，得到高效砸化镉纳米线阵列肖特基型垂直太阳能电池，其典型的光电响应曲线可以如图6所示。图6为CdSe纳米线阵列肖特基太阳能电池的电流电压曲线。开路电压0.28V，短路电流34.2mAcm2，填充因子46%，效率约
4.
[0041]综上所述，本发明实施例为了达到以简便工艺低成本制作高效太阳能电池的目的，以不同金属为催化剂采用分子外延的方法在重掺杂的单晶基底上生长半导体纳米线，并在纳米线阵列上制作接触金属催化剂的透明导电电极；以重掺杂的基底为背电极，以接触在金属催化剂上的透明导电层为顶电极，利用金属催化剂与纳米线之间的肖特基接触得到太阳能电池。本发明实施例对各种半导体纳米线均适用，且工艺简单，不需要复杂的pn结制作技术。而且纳米线本身具有良好的吸光效果，不需要后期的减反层制作，因而具有低成本、高效率的优势。
[0042]具体的，本发明实施例在生长纳米线的同时完成了背电极、肖特基接触势皇及减反射层三个制作过程，只需一步简单的顶电极制作即完成了太阳能电池的制作过程，因而简化了工艺，有助于降低成本。诱导纳米线生长的金属催化剂与纳米线之间具有原子级的接触，极大降低了表面费米能级冻结的作用，具有理想的肖特基接触势皇，因而有助于提高光电转化效率。
[0043]本发明实施例的太阳能电池制作技术的目标用户可以包括“绿色住宅”理念下的建筑屋顶及外墙发电，生态农业中的照明、灌溉发电等，在日益受到环境问题困扰的中国及其他发展中国家具有相当广阔的应用前景。
[0044]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种肖特基型垂直纳米线阵列太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括: 采用金属催化剂在重掺杂的单晶基底上通过分子外延的方法生长垂直半导体纳米线阵列； 在所述垂直半导体纳米线阵列上制作接触所述金属催化剂的透明导电层； 其中，所述单晶基底为背电极，所述透明导电层为顶电极，所述垂直半导体纳米线阵列为光吸收层及减反射层。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述垂直半导体纳米线阵列上制作接触所述金属催化剂的透明导电层，包括: 在所述垂直半导体纳米线阵列中旋涂有机介质，使用刻蚀的方法暴露出所述金属催化剂； 在顶部沉积所述透明导电层连接各纳米线的金属催化剂。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述垂直半导体纳米线阵列中旋涂有机介质，包括:在所述垂直半导体纳米线阵列中旋涂SU8胶或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA胶； 和/或，使用刻蚀的方法暴露出所述金属催化剂，包括:使用氧气、氩气或四氟化碳等离子体刻蚀的方法暴露出所述金属催化剂。4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述金属催化剂包括:铝、金、铂、钯或镍。5.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述单晶基底包括:硅、砷化镓、砸化镉或磷化铟基底。6.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述垂直半导体纳米线阵列包括:硅、砷化镓、磷化铟或砸化镉纳米线阵列。7.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述透明导电层包括:氧化铟锡、铝掺杂氧化锌或氟掺杂氧化锌透明导电层。
【文档编号】H01L31/18GK105990466SQ201510055914
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月3日
【发明人】何颂贤, 韩宁
【申请人】香港城市大学深圳研究院