一种大开路电压纳米异质结太阳能电池及制备方法
【专利摘要】本发明是公开了一种大开路电压纳米异质结太阳能电池及制备方法。其包括衬底层、p?型半导体纳米线、金电极、钝化层、n?型半导体薄膜、钛电极。首先将p?型半导体纳米线转移至衬底层上；然后使用光刻技术和磁控溅射法在p?型半导体纳米线的一端之上沉积金电极；接着采用光刻技术和原子层沉积法在p?型半导体纳米线的另一端之上沉积钝化层；再利用原子层沉积法在钝化层之上沉积n?型半导体薄膜；最后使用磁控溅射法在n?型半导体薄膜之上沉积钛电极。本发明采用纳米异质结结构，通过材料的选择、结构和工艺的优化实现了开路电压达1V以上的大开路电压太阳能电池。
【专利说明】
一种大开路电压纳米异质结太阳能电池及制备方法
技术领域
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[0001]本发明涉及纳米太阳能电池领域，具体的说涉及一种大开路电压纳米异质结太阳能电池及制备方法。
【背景技术】
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[0002]世界常规能源供应短缺危机日益严重，化石能源的大量开发利用已成为造成自然环境污染和人类生存环境恶化的主要原因之一，寻找新兴能源已成为世界热点问题。在各种新能源中，太阳能光伏发电具有无污染、可持续、总量大、分布广、应用形式多样等优点，受到世界各国的高度重视。
[0003]开路电压是表征太阳能电池的重要参数。大开路电压是获得高转换效率的基础，大开路电压可以促进高能光子的吸收从而提高对太阳光的利用率。另外，大开路电压是大输出电压的基础，这使得大开路电压太阳能电池有诸多特殊应用，如太阳能手机充电器等。对于太阳能电池组件来说，大开路电压可以减少串联器件数量，从而缩小电池体积，更容易实现轻便型太阳能电池的制造。
[0004]但是目前各种太阳能电池的开路电压都明显偏低。第一代太阳能电池中的单晶硅和多晶硅电池的开路电压仅为0.7V左右，目前所报道的非晶硅电池最高只为0.85V。第二代薄膜太阳能电池中的砷化镓电池和碲化镉电池由于禁带宽度较大可以使开路电压提高至IV和0.85V，铜铟砸化物和铜铟镓砸化物电池则只有0.7V左右。第三代中的染料敏化太阳能电池只有0.73V左右。由此可见，长期的研发投入并未使上述各类电池开路电压低的缺点得以改善。
【发明内容】
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[0005]本发明针对现有技术的不足，提出了一种大开路电压纳米异质结太阳能电池及制备方法，旨在获得具有大开路电压的纳米异质结太阳能电池。
[0006]为实现上述目的，本发明提出了一种大开路电压纳米异质结太阳能电池，其特征在于:包括衬底层(I)，所述衬底层(I)之上设有P-型半导体纳米线(2)，所述P-型半导体纳米线(2)的一端之上设有金电极(3)，所述ρ-型半导体纳米线(2)的另一端之上设有钝化层
(4)，所述钝化层(4)之上设有η-型半导体薄膜(5)，所述η-型半导体薄膜(5)之上设有钛电极(6)0
[0007]作为优选，所述衬底层(I)为石英玻璃、带有氧化层的硅片、蓝宝石衬底或者PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)柔性衬底。
[0008]作为优选，所述的ρ-型半导体纳米线(2)为ρ-型砸化锌(ZnSe)纳米线;所述的ρ-型半导体纳米线(2)的直径为150-250纳米，长度为15-25微米，空穴浓度为1018-1019cm—3;所述的P-型半导体纳米线(2)在衬底层(I)之上呈水平阵列排布，ρ-型半导体纳米线平行间隔为1-5微米。
[0009]作为优选，所述金电极(3)厚度为50-100纳米。
[0010]作为优选，所述钝化层(4)为氮化硅(Si3N4)或氧化铝(Al2O3)层;所述钝化层(4)厚度为4-8纳米;所述钝化层(4)将ρ-型半导体纳米线(2)的一端均匀包裹。
[0011]作为优选，所述η-型半导体薄膜(5)为η-型硫化镉(CdS)薄膜;所述η-型半导体薄膜(5)的厚度为40-100纳米。
[0012]作为优选，所述钛电极(6)的厚度为20-40纳米。
[0013]为实现上述目的，本发明的制备方法包括如下步骤:
[0014]I)将ρ-型半导体纳米线转移至衬底层上，使之呈水平阵列排布；
[0015]2)将衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使ρ-型半导体纳米线一端裸露，再将此衬底层放置于磁控溅射仪中，在P-型半导体纳米线裸露的一端之上沉积金电极，最后将所述的衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解，得到一端沉积有金电极的P-型半导体纳米线；
[0016]3)再次在衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使ρ-型半导体纳米线的另一端裸露，然后将此衬底层放置于原子层沉积设备中，在P-型半导体纳米线裸露的一端之上沉积钝化层；
[0017]4)使用原子层沉积法在钝化层之上沉积η-型半导体薄膜:
[0018]4a)把步骤3)中的衬底层放置于原子层沉积的反应腔内，密闭反应腔并将腔内压力抽至小于10—4Pa,并加热使腔体内温度保持为130°C;
[0019]4b)以硫代乙酰胺(H3CCSNH2)粉末和液态二甲基镉Cd(CH3)2为前驱体，以氮气为载气和净化气，并使用加热套将硫代乙酰胺加热至I10C;
[0020]4c)通入硫代乙酰胺前驱体，在钝化层表面形成S的第一单层;然后通入氮气冲洗后由机械栗抽取走残余前驱体和氮气；
[0021]4d)通入二甲基镉，在上文所述的第一单层上形成Cd的第二单层，第一单层与第二单层形成S-Cd键;通入氮气冲洗后由机械栗抽取走残余前驱体和氮气；
[0022]4e)依次重复步骤4c)和4d)，重复次数为600-1500次，完成η-型半导体薄膜的沉积；
[0023]5)将步骤4)中的衬底层放置于磁控溅射仪中，在η-型半导体薄膜之上沉积钛电极；
[0024]6)将步骤5)中衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解；
[0025]7)将步骤6)中衬底层放置于快速退火炉中，密闭炉腔并将腔内压力抽至小于10—3Pa，快速升温至300-400°C，完成快速退火，其中，快速升温时间为60-120秒，退火温度为300-400 °C，退火时间为3-6分钟。
[0026]与现有技术相比，本发明具有以下有益结果:
[0027]本发明中，选取具有优良光电性质且具有宽带隙结构的ρ-型砸化锌纳米线和η-型硫化镉薄膜，两者构建出具有大内建电势差的纳米异质结;本发明中，采取在P-型半导体纳米线和η-型半导体薄膜之间置入钝化层，以及对纳米异质结进行快速退火处理，上述措施可以有效减少纳米异质结界面缺陷态数量，进而降低纳米异质结结区漏电流以提高器件的开路电压;上述纳米异质结太阳能电池的开路电压可达IV以上，最高可达1.5V。
【附图说明】
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[0028]图1是本发明横向剖面结构示意图。
[0029]图2是本发明纵向剖面结构示意图。
[0030]图3是本发明的制作工艺流程图。
【具体实施方式】
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[0031]参照图1和图2，本发明包括衬底层(l)、p-型半导体纳米线(2)、金电极(3)、钝化层
(4)、n-型半导体薄膜(5)、钛电极(6)，其中衬底层(I)之上设有ρ-型半导体纳米线(2)，所述P-型半导体纳米线(2)的一端之上设有金电极(3)，所述ρ-型半导体纳米线(2)的另一端之上设有钝化层(4)，所述钝化层(4)之上设有η-型半导体薄膜(5)，所述η-型半导体薄膜(5)之上设有钛电极(6)。所述衬底层(I)为石英玻璃、带有氧化层的硅片、蓝宝石衬底或者PET柔性衬底;所述P-型半导体纳米线(2)为P-型砸化锌(ZnSe)纳米线，其直径为150-250纳米，长度为15-25微米，空穴浓度为118-1O19Cnf3;所述ρ-型半导体纳米线⑵在衬底层(I)之上呈水平阵列排布，P-型半导体纳米线平行间隔为1-5微米;所述金电极(3)厚度为50-100纳米;所述钝化层⑷为氮化硅(Si3N4)或氧化铝(Al2O3)层，厚度为4-8纳米;所述η-型半导体薄膜(5)为η-型硫化镉(CdS)薄膜，其厚度为40-100纳米;所述钛电极(6)的厚度为20-40纳米。
[0032]以下给出制作一种大开路电压纳米异质结太阳能电池的三个实施例:
[0033]实施例1，制作衬底层为石英玻璃，金电极厚度为50纳米，钝化层为氮化硅且厚度为4纳米，η-型硫化镉薄膜厚度为45纳米，钛电极厚度为20纳米的大开路电压纳米异质结太阳能电池。
[0034]参照图3，本实施例的制作步骤如下:
[0035]I)将直径为150-250纳米，长度为15-25微米，空穴浓度为118-1O19Cnf3的ρ-型砸化锌纳米线转移至衬底层上，P-型砸化锌纳米线在衬底层上呈水平阵列排布，纳米线平行间隔为1-5微米；
[0036]2)将衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使ρ-型半导体纳米线一端裸露，再将此衬底层放置于磁控溅射仪中，在P-型砸化锌纳米线裸露的一端之上沉积厚度为50纳米的金电极，最后将所述的衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解，得到一端沉积有金电极的P-型砸化锌纳米线；
[0037]3)再次在衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使ρ-型砸化锌纳米线的另一端裸露，然后将此衬底层放置于原子层沉积设备中，在P-型砸化锌纳米线裸露的一端之上沉积厚度为4纳米的氮化硅钝化层；
[0038]4)使用原子层沉积法在钝化层之上沉积η-型硫化镉薄膜:
[0039]4a0把步骤3)中的衬底层放置于原子层沉积的反应腔内，密闭反应腔并将腔内压力抽至小于10—4Pa,并加热使腔体内温度保持为130°C;
[0040]4b)以硫代乙酰胺(H3CCSNH2)粉末和液态二甲基镉Cd(CH3)2为前驱体，以氮气为载气和净化气，并使用加热套将硫代乙酰胺加热至I10C;
[0041]4c)通入硫代乙酰胺前驱体，在氮化硅钝化层表面形成S的第一单层;然后通入氮气冲洗后由机械栗抽取走残余前驱体和氮气；
[0042]4d)通入二甲基镉，在上文所述的第一单层上形成Cd的第二单层，第一单层与第二单层形成S-Cd键;通入氮气冲洗后由机械栗抽走残余前驱体和氮气；
[0043]4e)依次重复步骤4c)和4d)，重复次数为680次，完成厚度为45纳米的n_型硫化镉薄膜的沉积；
[0044]5)将步骤4)中的衬底层放置于磁控溅射仪中，在η-型硫化镉薄膜之上沉积厚度为20纳米的钛电极；
[0045]6)将步骤5)中衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解；
[0046]7)将步骤6)中衬底层放置于快速退火炉中，密闭炉腔并将腔内压力抽至小于10—3Pa，快速升温至350°C，完成快速退火，其中，快速升温时间为90秒，退火温度为350°C，退火时间为5分钟。
[0047]完成上述大开路电压纳米异质结太阳能电池的制备后，将其在标准模拟光源下测试可得其开路电压为1.3V、转换效率为5.27%。
[0048]实施例2，制作衬底层为带有氧化层的硅片，金电极厚度为70纳米，钝化层为氧化铝且厚度为6纳米，η-型硫化镉薄膜厚度为60纳米，钛电极厚度为30纳米的大开路电压纳米异质结太阳能电池。
[0049]参照图3，本实施例的制作步骤如下:
[0050]I)将直径为150-250纳米，长度为15-25微米，空穴浓度为1018-1019cm-3的ρ-型砸化锌纳米线转移至衬底层上，P-型砸化锌纳米线在衬底层上呈水平阵列排布，纳米线平行间隔为1-5微米；
[0051]2)将衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使ρ-型半导体纳米线一端裸露，再将此衬底层放置于磁控溅射仪中，在P-型砸化锌纳米线裸露的一端之上沉积厚度为70纳米的金电极，最后将所述的衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解，得到一端沉积有金电极的P-型砸化锌纳米线；
[0052]3)再次在衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使ρ-型砸化锌纳米线的另一端裸露，然后将此衬底层放置于原子层沉积设备中，在P-型砸化锌纳米线裸露的一端之上沉积厚度为6纳米的氧化铝钝化层；
[0053]4)使用原子层沉积法在钝化层之上沉积η-型硫化镉薄膜:
[0054]4a)把步骤3)中的衬底层放置于原子层沉积的反应腔内，密闭反应腔并将腔内压力抽至小于10—4Pa,并加热使腔体内温度保持为130°C;
[0055]4b)以硫代乙酰胺(H3CCSNH2)粉末和液态二甲基镉Cd(CH3)2为前驱体，以氮气为载气和净化气，并使用加热套将硫代乙酰胺加热至I10C;
[0056]4c)通入硫代乙酰胺前驱体，在氧化铝钝化层表面形成S的第一单层;然后通入氮气冲洗后由机械栗抽取走残余前驱体和氮气；
[0057]4d)通入二甲基镉，在上文所述的第一单层上形成Cd的第二单层，第一单层与第二单层形成S-Cd键;通入氮气冲洗后由机械栗抽走残余前驱体和氮气；
[0058]4e)依次重复步骤4c)和4d)，重复次数为900次，完成厚度为60纳米的n_型硫化镉薄膜的沉积；
[0059]5)将步骤4)中的衬底层放置于磁控溅射仪中，在η-型硫化镉薄膜之上沉积厚度为30纳米的钛电极；
[0060]6)将步骤5)中衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解；
[0061]7)将步骤6)中衬底层放置于快速退火炉中，密闭炉腔并将腔内压力抽至小于10—3Pa，快速升温至400 0C，完成快速退火，其中，快速升温时间为120秒，退火温度为400 V，退火时间为6分钟。
[0062]完成上述大开路电压纳米异质结太阳能电池的制备后，将其在标准模拟光源下测试可得其开路电压为I.5V、转换效率为4.70%。
[0063]实施例3，制作衬底层为PET柔性衬底，金电极厚度为90纳米，钝化层为氮化硅且厚度为8纳米，η-型硫化镉薄膜厚度为80纳米，钛电极厚度为35纳米的大开路电压纳米异质结太阳能电池。
[0064]参照图3，本实施例的制作步骤如下:
[0065]I)将直径为150-250纳米，长度为15-25微米，空穴浓度为118-1O19Cnf3的ρ-型砸化锌纳米线转移至衬底层上，P-型砸化锌纳米线在衬底层上呈水平阵列排布，纳米线平行间隔为1-5微米；
[0066]2)将衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使ρ-型半导体纳米线一端裸露，再将此衬底层放置于磁控溅射仪中，在P-型砸化锌纳米线裸露的一端之上沉积厚度为90纳米的金电极，最后将所述的衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解，得到一端沉积有金电极的P-型砸化锌纳米线；
[0067]3)再次在衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使ρ-型砸化锌纳米线的另一端裸露，然后将此衬底层放置于原子层沉积设备中，在P-型砸化锌纳米线裸露的一端之上沉积厚度为8纳米的氮化硅钝化层；
[0068]4)使用原子层沉积法在钝化层之上沉积η-型硫化镉薄膜:
[0069]4a)把步骤3)中的衬底层放置于原子层沉积的反应腔内，密闭反应腔并将腔内压力抽至小于10—4Pa,并加热使腔体内温度保持为130°C;
[0070]4b)以硫代乙酰胺(H3CCSNH2)粉末和液态二甲基镉Cd(CH3)2为前驱体，以氮气为载气和净化气，并使用加热套将硫代乙酰胺加热至I10C;
[0071]4c)通入硫代乙酰胺前驱体，在氮化硅钝化层表面形成S的第一单层;然后通入氮气冲洗后由机械栗抽取走残余前驱体和氮气；
[0072]4d)通入二甲基镉，在上文所述的第一单层上形成Cd的第二单层，第一单层与第二单层形成S-Cd键;通入氮气冲洗后由机械栗抽走残余前驱体和氮气；
[0073]4e)依次重复步骤4c)和4d)，重复次数为1200次，完成厚度为80纳米的η-型硫化镉薄膜的沉积；
[0074]5)将步骤4)中的衬底层放置于磁控溅射仪中，在η-型硫化镉薄膜之上沉积厚度为35纳米的钛电极；
[0075]6)将步骤5)中衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解；
[0076]7)将步骤6)中衬底层放置于快速退火炉中，密闭炉腔并将腔内压力抽至小于10—3Pa，快速升温至300°C，完成快速退火，其中，快速升温时间为60秒，退火温度为300°C，退火时间为4分钟。
[0077]完成上述大开路电压纳米异质结太阳能电池的制备后，将其在标准模拟光源下测试可得其开路电压为1.05V、转换效率为3.40%。
【主权项】
1.一种大开路电压纳米异质结太阳能电池，其特征在于:包括衬底层(I)，所述衬底层(I)之上设有P-型半导体纳米线(2)，所述P-型半导体纳米线(2)的一端之上设有金电极(3)，所述P-型半导体纳米线(2)的另一端之上设有钝化层(4)，所述钝化层(4)之上设有n-型半导体薄膜(5)，所述η-型半导体薄膜(5)之上设有钛电极(6)。2.根据权利要求书I所述的一种大开路电压纳米异质结太阳能电池，其特征在于:所述衬底层(I)为石英玻璃、带有氧化层的硅片、蓝宝石衬底或者PET (Po Iyethyleneterephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)柔性衬底。3.根据权利要求书I所述的一种大开路电压纳米异质结太阳能电池，其特征在于:所述的P-型半导体纳米线(2)为P-型砸化锌(ZnSe)纳米线;所述的P-型半导体纳米线(2)的直径为150-250纳米，长度为15-25微米，空穴浓度为1018-1019cm—3;所述的p_型半导体纳米线(2)在衬底层(I)之上呈水平阵列排布，P-型半导体纳米线平行间隔为1-5微米。4.根据权利要求书I所述的一种大开路电压纳米异质结太阳能电池，其特征在于:所述金电极(3)厚度为50-100纳米。5.根据权利要求书I所述的一种大开路电压纳米异质结太阳能电池，其特征在于:所述钝化层(4)为氮化硅(Si3N4)或氧化铝(Al2O3)层;所述钝化层(4)厚度为4-8纳米;所述钝化层(4)将P-型半导体纳米线(2)的一端均匀包裹。6.根据权利要求书I所述的一种大开路电压纳米异质结太阳能电池，其特征在于:所述η-型半导体薄膜(5)为η-型硫化镉(CdS)薄膜;所述η-型半导体薄膜(5)的厚度为40-100纳米。7.根据权利要求书I所述的一种大开路电压纳米异质结太阳能电池，其特征在于:所述钛电极(6)的厚度为20-40纳米。8.—种大开路电压纳米异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤: 1)将P-型半导体纳米线转移至衬底层上，使之呈水平阵列排布； 2)将衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使P-型半导体纳米线一端裸露，再将此衬底层放置于磁控溅射仪中，在P-型半导体纳米线裸露的一端之上沉积金电极，最后将所述的衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解，得到一端沉积有金电极的ρ-型半导体纳米线； 3)再次在衬底层表面涂抹光刻胶后放置于光刻机中，通过曝光和显影使P-型半导体纳米线的另一端裸露，然后将此衬底层放置于原子层沉积设备中，在P-型半导体纳米线裸露的一端之上沉积钝化层； 4)使用原子层沉积法在钝化层之上沉积η-型半导体薄膜: 4a)把步骤3)中的衬底层放置于原子层沉积的反应腔内，密闭反应腔并将腔内压力抽至小于10—4Pa,并加热使腔体内温度保持为130°C; 4b)以硫代乙酰胺(H3CCSNH2)粉末和液态二甲基镉Cd(CH3)2为前驱体，以氮气为载气和净化气，并使用加热套将硫代乙酰胺加热至110°C ; 4c)通入硫代乙酰胺前驱体，在钝化层表面形成S的第一单层;然后通入氮气冲洗后由机械栗抽取走残余前驱体和氮气； 4d)通入二甲基镉，在上文所述的第一单层上形成Cd的第二单层，第一单层与第二单层形成S-Cd键;通入氮气冲洗后由机械栗抽取走残余前驱体和氮气； 4e)依次重复步骤4c)和4d)，完成η-型半导体薄膜的沉积； 5)将步骤4)中的衬底层放置于磁控溅射仪中，在η-型半导体薄膜之上沉积钛电极； 6)将步骤5)中衬底层放置于丙酮溶剂中，使光刻胶溶解； 7)将步骤6)中衬底层放置于快速退火炉中，密闭炉腔并将腔内压力抽至小于10—￥&，快速升温至300-400 °C，完成快速退火。9.如权利要求8所述的一种大开路电压纳米异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤4e)中所述的依次重复步骤4c)和4d)的次数为600-1500次。10.如权利要求8所述的一种大开路电压纳米异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤7)所述的快速升温时间为60-120秒，退火温度为300-400 °C，退火时间为3-6分钟。
【文档编号】H01L31/0445GK106057931SQ201610543913
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】张希威, 孟丹, 汤振杰, 胡丹, 于凤军, 贾拴稳, 牛晓平
【申请人】安阳师范学院