专利名称：具有量子点纳米线阵列的太阳能电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及具有量子点纳米线阵列的太阳能电池及其制造方法，并且更具体地， 涉及具有内部嵌入半导体量子点的量子点纳米线阵列的太阳能电池及其制造方法。
背景技术：
由于针对被认为造成全球变暖的二氧化碳(CO2)排放的京都议定书已经在1997 年12月正式通过，为了大量减小二氧化碳(CO2)，已经积极开展了可再生的并且清洁的替代 能源(诸如太阳能、风力和水力)的研究。作为清洁的替代能源而被关注的光电器件(太阳能电池)是指利用光电效应(半 导体吸收光以产生电子和空穴)产生电流-电压的器件。已经主要使用无机半导体材料(诸如，硅或砷化镓(GaAs))的n_p 二极管，已证明 其稳定性和有效性，但是，其高制造成本已经成为太阳能电池被大量使用的阻碍。虽然已经积极开发了使用染色敏化材料和有机/聚合材料的更便宜的太阳能电 池，由于其低效能和因劣化而急转的短寿命，相比于基于硅的太阳能电池，其市场份额很 低，大约3%。虽然大部分光电器件使用单晶硅和多晶硅，构建太阳能系统的硅原料和晶片所占 的成本超过了所有构建成本的40%，因此，已经努力通过结构上(形态上)或物理上(带隙 设计)的手段来减少生产单位电能所需的硅的量，以及通过薄膜器件使硅的消耗最少。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种太阳能电池，其能够在从可见光到红外光的宽光谱范围 内进行光电转换，能够通过材料的带隙设计最大化光吸收，以及能够提高由吸收光而产生 的电子和空穴的导电效率。本发明的另一个目的是提供一种简单且经济的具有可控带隙能 量及光吸收层的高效率太阳能电池的制造方法，其中，用于进行光电转换的光吸收层具有 大的特定表面面积。技术方案为了实现上述目的，本发明提供了一种制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池 的方法，包括a)通过在掺有ρ型或η型杂质的半导体基片的上部重复堆叠由半导体氮化物或半 导体氧化物形成的基质层以及半导体层来制造多层体；b)通过垂直于半导体基片部分刻 蚀多层体来制造由多个量子点纳米线构成的量子点纳米线阵列，量子点纳米线的一端固定 在半导体基片上并且相互隔开以垂直排列，以及；将掺有与半导体基片的杂质类型相反的 杂质的半导体沉积在形成有量子点纳米线阵列的半导体基片的上部上，并使用该掺有相反 类型的杂质的半导体来至少填充量子点纳米线的另一端与半导体基片之间的空间隔；以及 d)在半导体基片的下部上形成下电极，并且在形成有量子点纳米线阵列及掺有相反类型的杂质的半导体表面的上部表面上，或者在掺有相反类型的杂质的半导体表面的上部上，形 成上电极，使得上电极与下电极相对应。制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法，具体包括a)通过在掺有ρ型 或η型杂质的半导体基片上交替氮化硅(或氧化硅)层和半导体层制造多层膜；b)通过垂 直于半导体基片部分地刻蚀多个堆叠层来制造量子点纳米线阵列，该纳米线阵列的一端固 定在半导体基片上并且相互隔开以垂直设置；)使用掺有相反类型的杂质的半导体来填充 量子点纳米线的另一端与半导体基片之间的空间隔；以及d)在半导体基片的下部上形成 下电极，在形成有量子点纳米线阵列的上部上形成上电极。步骤a)的多层体可以通过使用PVD或CVD的沉积工艺制造，并且构成该多层体的 半导体层和基质层可以相互独立地具有小于IOnm的厚度；构成该多层体的多个半导体层 可以具有不同的厚度，并且各半导体层相互独立地的厚度可以小于lOnm。步骤b)可以包 括bl-l)在多层体的上部上以网型沉积Ag、Au或为过渡金属的催化剂金属；以及bl-2)使 用包含氢氟酸和双氧水的混合水溶液进行湿刻蚀。步骤b)还可以包括b2_l)在量子点多层体的上部上形成圆形金属纳米点阵列； 以及b2-2)使用金属纳米点作为掩模进行反应离子刻蚀(RIE)。此时，通过步骤b)的刻蚀(湿刻蚀或反应离子刻蚀)制造复合纳米线形状，其中 依次重复地连接纳米盘形基质和纳米盘形半导体，并且纳米盘形半导体的表面在刻蚀过程 中或刻蚀过程之后自然氧化。通过步骤b)的刻蚀制造量子点纳米线，其半导体量子点嵌入基质中，并且通过构 成多层体的每一半导体层的厚度来控制半导体量子点的尺寸，并且借助所述基质的种类、 所述半导体量子点的尺寸或其组合来控制光吸收波长。步骤C)可以是使用CVD或PVD的沉积。半导体基片可以是ρ型(或η型)硅基片，掺有相反类型的杂质的半导体是η型 (或P型)硅，基质是氧化硅或氮化硅，多层体的半导体层是硅。本发明提供了一种使用如上所述的制造方法制造的具有量子点纳米线阵列的太 阳能电池，包括下电极；第一半导体层，其形成于下电极的上部并掺有η型(或ρ型)杂质；第二 半导体层，其形成于第一半导体层上并掺有与第一半导体层类型相反的杂质；上电极，其形 成于半导体层的上部；以及，量子点纳米线阵列，其由垂直排列于第二半导体层内以相互隔 开的多条量子点纳米线构成，其中，构成量子点纳米线阵列的、其一端与第一半导体层接触 的量子点纳米线包括基质和由基质围绕的至少一个半导体量子点。此时，量子点纳米线的另一端位于第二半导体层的表面上，使得另一端可以与上 电极接触，或者，量子点纳米线的另一端位于第二半导体层中，使得量子点纳米线可以嵌入 第二半导体层中。第一半导体层和第二半导体层可以具有相同的半导体物质，分别掺有具有不同性 质(P型或η型)的杂质，基质可以是半导体氮化物，半导体氧化物或其混合物。更优选地， 半导体氮化物或半导体与构成第一半导体层和第二半导体层的半导体物质相同。构成量子点纳米线阵列的量子点纳米线具有垂直于量子点纳米线排列的两个或更多半导体量子点，并且包含于量子点纳米线内的半导体量子点可以制造为具有相同或不 同的尺寸。量子点纳米线可以由直径小于IOnm的半导体量子点组成。根据本发明的太阳能电池，可以借助基质的种类、半导体量子点的尺寸或其组合 来控制光吸收的波长。第一半导体层是硅层，第二半导体层是硅层，基质是氧化硅、氮化硅或其混合物， 半导体量子点是硅量子点。有益效果根据本发明的太阳能电池包括具有异质结构的量子点纳米线阵列，其包括基质 和半导体量子点；以及ρ型和η型半导体和电极，其每一个与量子点纳米线接触。根据本 发明的太阳能电池，半导体量子点的带隙能量容易被控制，具有不同尺寸的半导体量子点 设置于量子点纳米线中，使得可以在从可见光至红外光的宽光谱内进行光电转换，量子点 嵌入高密度量子点纳米线阵列中，使得可以最大化光吸收，并且量子点纳米线大面积接触P 型和η型半导体，这可以提高电子和空穴的导电率。根据本发明的制造方法形成堆叠的薄 层，该薄层中基质层和半导体层的厚度是数纳米，然后对堆叠的薄层进行刻蚀，由此制造形 成有半导体量子点的量子点纳米线阵列。因此，根据本发明的制造方法，可以通过简单和经济的工艺制造高效能的太阳能 电池，可以通过控制堆叠薄膜的半导体层厚度、基质的种类和量子点纳米线的收缩的直径 等等而很容易地控制吸收光波长，并且可以通过吸收从红外光至可见光的宽光谱范围内的 光而产生电子/空穴对。
本发明的上述和其它目的、特征及优点将从下面结合附图的优选实施例的描述中 变得显而易见，其中图1是示出根据本发明制造太阳能电池的方法的示例性工艺流程图；图2是根据本发明的制造太阳能电池的方法中制造量子点纳米线阵列的示例性 工艺流程图；图3是根据本发明的制造太阳能电池的方法中制造量子点纳米线阵列的另一个 示例性工艺流程图；图4是示出在根据本发明的制造太阳能电池的方法中通过RIE形成粗糙度的步骤 的示例性工艺流程图；图5是根据本发明的制造太阳能电池的方法中制造量子点纳米线阵列的另一个 示例性工艺流程图；以及图6是示出根据本发明的太阳能电池的结构的一个示例。[主要元件的详细说明]110 φ型半导体120 多层体121 :基质层122 半导体层120'具有表面粗糙度的多层体130 量子点纳米线131 基质
132:半导体量子点140:n型半导体151、152:电极200:金属网210:圆形金属点300 纳米孔阳极铝
具体实施例方式下面，将参考附图详细描述根据本发明的具有量子点纳米线阵列的太阳能电池及 其制造方法。在此提供了所列的附图，使得本领域的技术人员可以充分理解本发明。因此， 本发明可以以不同的方式实施并且不应该理解为限于在此提出的实施例。所有相同的参考 标号表示相同的元件。此时，在此使用的技术和科学术语如果没有特别定义，术语具有的含义是本发明 所属领域的技术人员通常所理解的。在下面的描述和附图中，如果判断相关的众所周知的 功能或结构的特定说明可能会混淆本发明的主旨，那么将省略其详细说明。图1是示出根据本发明制造太阳能电池的方法的示例性工艺流程图。参考图1，通 过使用沉积工艺交替沉积基质薄膜(基质层121)和半导体薄膜(半导体层12 来在ρ-型 半导体层110的上部上制造多层体120，并且随后以从上至下的方法制造量子点纳米线130 阵列，该从上至下的方法是指在垂直于P型半导体层110的表面的方向上部分刻蚀所制造 的多层体120。优选地，在沉积时，基质薄膜121和半导体薄膜122的厚度分别沉积为纳米级，并 且更优选地，基质薄膜121和半导体薄膜122的厚度相互独立地沉积为小于lOnm。基质薄膜121由半导体氧化物、半导体氮化物或其混合物形成。构成多层体的多 个基质薄膜121可以具有不同的物质(半导体氧化物、半导体氮化物以及半导体氧化物和 半导体氮化物的混合物)，并且每层膜具有不同的厚度。通过对多层体120的部分刻蚀来制造根据本发明的量子点纳米线130，使得其特 征在于，构成多层体120的晶体或非晶体基质131和晶体或非晶体半导体132以彼此异端 接触的形式混合，并且具有这样的结构，即，晶体或非晶体半导体132以量子点形状嵌入纳 米线中。这意味着，在用于制造量子点纳米线130阵列的刻蚀工艺过程中或之后，通过刻 蚀而暴露于表面的半导体132的表面自然氧化层被感应，从而使得构成量子点纳米线130 的半导体以量子点形状嵌入纳米线中。如上所述，根据本发明的量子点纳米线130阵列的特征是，借助于部分刻蚀多层 体120以从上至下的方法来制造量子点纳米线130阵列，而不是通过从下至上的方法(诸 如，使用贵金属催化剂的VLS生长方法)。因此，不管附着有纳米线130的ρ型半导体层的 物质、结晶度和表面的晶体方向等等如何，量子点纳米线130都可以在垂直于ρ型半导体层 的方向上形成，其中，多条量子点纳米线130以高密度规则排列。通过部分地刻蚀多层体120来制造量子点纳米线130，使得量子点纳米线130具有 这样的结构两个或更多嵌入的量子点132垂直于纳米线的主轴排列。虽然图1示出了具有相同厚度的半导体膜122，可以通过将构成多层体120的半导 体膜122的厚度控制为不同而来将沿量子点纳米线130的主轴方向排列的量子点132的尺寸控制为不同。更具体地，使用刻蚀方法以从上至下的方法制造量子点纳米线130及其阵列，使 得可以通过控制构成多层体120的每层基质薄膜121和半导体薄膜122的厚度和重复沉积 的次数来控制量子点纳米线130的主轴长度，使得可以通过控制构成多层体120的半导体 薄膜122的膜数量来控制嵌入量子点纳米线130中的半导体量子点132的数量，并且使得 可以通过控制构成多层体120的半导体薄膜122的厚度来控制半导体量子点132的尺寸。并且，可以通过控制在多层体120内半导体薄膜122的位置来控制在量子点纳米 线130内半导体量子点132的位置。并且，优选地，可以通过制造具有几纳米至几百纳米厚度的多层体120来控制使 得通过刻蚀多层体120而制造的量子点纳米线的主轴具有几纳米至几百纳米的长度。为了制造具有大约几纳米至几十纳米收缩直径(contracted diameter)的量子点 纳米线，以及具有高密度的量子点纳米线阵列，优选地，部分刻蚀是使用金属作为催化剂的 金属辅助(metal assisted)化学刻蚀或反应离子刻蚀(RIE)。图1示出了使用金属辅助化学刻蚀的制造方法。通过重复沉积基质薄膜121和半 导体薄膜122来制造多层体120，使得其层厚度分别变为纳米级，随后将Ag、Au或过渡金属 的催化剂金属以网型沉积在多层体120的上部上。根据网型催化剂金属200的空洞尺寸确 定待制造的量子点纳米线130的收缩直径。优选地，催化剂金属的形状为网型，其中，直径 为几纳米至几十纳米数量级的圆形洞规则排列以相互隔开。在用于对刻蚀进行催化的网型催化剂金属200形成之后，制造量子点纳米线130 阵列，其一端接触/固定至P型半导体层110并且以均勻尺寸规则且密集地排列。此后，将掺有相反类型的杂质的η型半导体沉积在ρ型半导体层110上。在沉积时，对ρ型半导体层的上部上的多层体120进行部分刻蚀而形成的所有空 间隔填充有η型半导体140，并且优选地，量子点纳米线130阵列全部由其覆盖，将其沉积， 使得η型半导体140仅保留在表面上。这样，通过允许半导体量子点130产生的电子-孔穴被吸收光平滑地分离并移动， 提高了外部抽取效率。此后，分别在ρ型半导体层110的下部和η型半导体140的表面上形成电极，由此 制造根据本发明的太阳能电池。图2是示出图1中制造方法中的网型催化金属步骤和刻蚀步骤的俯视图。将网型 催化金属200 (其中，直“为几纳米至几十纳米数量级的圆形洞地规则地排列以相互隔开) 形成于基质层121 (其形成于多层体120的最上部)的上部之后，使用金属200作为催化剂 进行湿化学刻蚀，从而制造具有规则密度结构的量子点纳米线矩阵，其中它们垂直于P型 半导体层110排列。图3是更加精确地示出了在根据本发明的制造方法中通过使用催化金属进行化 学刻蚀的量子点纳米线的制造步骤的工艺流程截面图。图3示出的情况是为了制造沿纳米 线的垂直方向嵌入排列有数种尺寸的半导体量子点的量子点纳米线而使半导体薄膜12沉 积为具有不同的厚度。为了高密度地制造量子点纳米线130以使其具有大的特定表面积，并且为了将量 子点纳米线130的收缩直径制造为几纳米至几十纳米的数量级，优选地，使用纳米孔阳极氧化铝(AAO) 300作为掩模制造网型催化剂金属200。可以通过使用硫酸、草酸或磷酸作为电解液对铝进行阳级氧化处理来制造纳米孔 阳极氧化铝(形成有贯穿多孔的阳极氧化铝)。纳米孔阳极氧化铝的更详细的制造方法公 开在本申请人的论文中((W. Lee等Nature Nanotech. 3,402(2008))并在此作为参考。更具体地，如图3和4所示，通过使用纳米孔阳极氧化铝300作为掩模在多层体 120上进行部分反应离子刻蚀(RIE)，在多层体120的表面形成表面粗糙度。因此，在纳米孔阳极氧化铝的有孔部分(图4的孔)的形状中以预定的深度(图 4所刻蚀的)刻蚀多层体120，从而形成表面粗糙度。此后，催化剂金属沉积在其上形成有表面粗糙度的多层体120’的上部上。在沉积 时，通过多层体120’的表面步骤将催化剂金属选择性地沉积在凸出区域(不通过RIE刻蚀 的区域)上，由此制造网型金属200，网型金属200中形成有洞，洞的尺寸和排列与纳米孔阳 极氧化铝类似。优选地，在化学刻蚀时起催化作用的金属200是Ag、Au，或为过渡金属的催化金 属，其中，过渡金属优选为狗或Ni。在使用金属催化剂的湿刻蚀中，刻蚀溶液优选为混合有氢氟酸和双氧水的混合水 溶液。优选地，刻蚀溶液是包含体积比为1 0.3 0.7 3 4的氢氟酸、双氧水及水 的混合溶液。在使用金属催化剂的情况下，以及制造具有平坦表面的量子点纳米线130而 不考虑其长度的情况下，这样的物质和比率可以有效地刻蚀构成多层体120的半导体薄膜 122和基质薄膜121。在湿刻蚀的过程中制造量子点纳米线形状，该量子点纳米线形状中的纳米盘形基 质和纳米盘形半导体依次重复连接，其中，纳米盘形半导体的表面与包含在刻蚀溶液中的 氧(双氧水，水)反应，使得其表面自然氧化。由此，纳米盘形的半导体表面通过刻蚀液自 然氧化，因而具有这样的结构半导体以量子点形状嵌入量子点纳米线内。通过使用金属网200的化学刻蚀和使用纳米孔阳极氧化铝(AAO)的金属催化剂， 可以将量子点纳米线制造为具有收缩直径为5nm至25nm的很精细的纳米线，这些纳米线以 大约2xl010至3xl010/cm2的高密度设置(参见本申请人的论文Nano Lett. 8，3046-3051， 2008)。图5是工艺流程的截面图，示出了根据本发明的制造方法中通过进行反应离子刻 蚀制造量子点纳米阵列的步骤。通过沉积工艺形成多层体120之后，可以通过使用利用上述金属催化剂的化学湿 刻蚀来制造量子点纳米线阵列，并且可以如图5所示的那样通过使用纳米孔阳极氧化铝 (AAO)和反应离子刻蚀(RIE)来制造量子点纳米线阵列。如图5所示，使用纳米孔阳极氧化铝(AAO) 300作为掩模将金属沉积在多层体120 的上部。此时，金属沉积在多层体120的上部上，多层体120具有与纳米孔阳极氧化铝的孔 类似的尺寸和排列。使用由金属沉积工艺制造的圆形金属点(纳米尺寸的圆盘形金属)210 作为掩模，通过在P型半导体层110上垂直地进行反应离子刻蚀(RIE)制造量子点纳米线 130阵列。此时，当半导体表面经反应离子刻蚀之后暴露于空气时，其被氧气自然氧化，因而具有半导体量子点形状，在此，半导体以与化学湿刻蚀相同的方式嵌入量子点纳米线130 内。尽管与化学湿刻蚀相比工艺时间有些长，图5所示的方法可以以高密度制造具有 数纳米厚度的精细纳米线。在RIE工艺中，优选使用SF6A)2等离子体GOsccm，IOmTorr和 200W)，其优点在于可以通过调节RIE的时间来控制量子点纳米线的长度。根据图1-5所描述的本发明的制造方法可以得知以下内容。在将数纳米厚的基质层和半导体层依次沉积在光学器件的p-n结的ρ型半导体或 η型半导体的上部之后，通过使用纳米孔阳极氧化铝或催化金属的化学湿刻蚀；或通过使 用纳米孔阳极氧化铝的干刻蚀或反应离子刻蚀，以从上至下的方法制造具有高密度的精细 量子点纳米线阵列。由于刻蚀过程中遭受到的刻蚀剂或在刻蚀完成后遭受到的氧气，构成量子点纳米 线的半导体表面自然氧化，由此形成了以半导体量子点的形状嵌入量子点纳米线中的结 构。将掺有相反类型杂质的半导体物质沉积在量子点纳米线之间因刻蚀产生的的空 间隔内，从而形成具有高电子/孔穴移动效率的P-n结。在多层体的沉积工艺过程中控制半导体薄膜厚度和基质薄膜的物质种类，从而最 终控制量子点纳米线内的半导体量子点的带隙能量。在多层体沉积的工艺过程中，具有不同厚度的半导体薄膜与基质薄膜交替沉积， 从而具有各种范围的带隙能量，使其可能吸收从红外光到可见光的宽波长范围内的光。可以通过使用PVD或CVD的一般半导体沉积工艺沉积多层体。可以通过使用PVD 或CVD的一般半导体工艺，优选通过使用CVD的沉积，进行掺有相反类型杂质的半导体材料 的沉积。使用一般的印刷方法(诸如使用导电金属浆料的丝网印刷和模板印刷)或使用 PVD/CVD的沉积方法制造电极151和152。根据本发明的制造方法可以借助基质的种类、组成量子点纳米线的半导体量子点 的尺寸或其组合很容易地控制光吸收波长(半导体量子点的带隙)，并且进一步可以以低 成本的从上至下的方法容易并快速地制造小尺寸的纳米结构形状的光敏层。根据本发明的制造方法可以这样制造太阳能电池使用通过吸收光产生电子-孔 穴对的半导体物质作为半导体量子点，将掺有P型杂质的半导物质作为P型半导体，将掺有 η型杂质的半导物质作为η型半导体，以及将半导体物质的氮化物或氧化物作为基质。但 是，为了使用本发明有效地制造太阳能电池，优选地，半导体基片是P型硅基质，掺有相反 类型杂质的半导体是η型硅，基质是氧化硅或氮化硅，多层体的半导体是硅。图6示出了根据本发明的制造方法制造的太阳能电池的截面结构。参考图6，太 阳能电池包括下电极152 ；形成于下电极之上并掺有η型或ρ型杂质的第一半导体层；形成 于第一半导体层之上并掺有与第一半导体层110类型相反的杂质的第二半导体层140 ；形 成于半导体层140之上的上电极151 ；以及，垂直排列于第二半导体层140内以相互隔开的 量子点纳米线130阵列，其中，一端与第一半导体层110接触的量子点纳米线130包括基质 131和由基质围绕着的至少一个半导体量子点132。此时，量子点纳米线130的另一端位于第二半导体层140的表面上，使得该另一端可以与上电极151接触；或者，量子点纳米线130的另一端位于第二半导体层140中，使得 量子点纳米线130可以嵌入第二半导体层140。基质131是半导体氮化物、半导体氧化物或其混合物。优选地，第一半导体层110和第二半导体层140具有掺有类型彼此相反的杂质的 相同的半导物质，基质是第一或第二半导体层110和140的半导体物质的氮化物、第一或第 二半导体层110和140的半导体物质的氧化物或其混合物。在量子点纳米线130中，两个或更多半导体量子点132垂直于量子点纳米线130 排列，其中，设置于量子点纳米线130中的半导体量子点132具有不同的尺寸。这种情况下， 量子点纳米线中的半导体量子点的直径是Inm至10nm，量子点纳米线的收缩直径是5nm至 10nm，量子点纳米线的密度是MIOiq至3X101Q/Cm2。根据本发明的太阳能电池，半导体量子点的尺寸和基质的种类是可控的，使其可 能容易地控制半导体量子点的带隙能量；具有不同尺寸的半导体量子点设置于量子点纳米 线中，使其可能在从可见光至红外光的宽光谱范围内进行光电转换；发生光电转换的光敏 部分是具有小尺寸纳米结构形状的高密度量子点纳米线阵列，使其可能最大化光吸收；量 子点纳米线大面积接触P型和η型半导体，使其可能提高电子和孔穴的导电效率。更具体地，根据本发明的太阳能电池通过控制硅量子点的带隙能量在太阳能电池 的全波长范围内进行光电转换，从而最大化内部光产生效率；根据本发明的太阳能电池构 成的光敏部分是具有大特定表面面积的小尺寸纳米结构形状，从而最大化光吸收和光电转 换效率；根据本发明的太阳能电池具有量子点纳米线，其每一个均具有由η型半导体围绕 的结构并且与P型半导体接触，从而提高由光产生的电子-孔穴的导电效率。优选地，第一半导体层是P型硅层，η型半导体层是η型硅层，基质是氧化硅、氮化 硅或其混合物，半导体量子点是硅量子点。本领域的技术人员可以理解前面描述中公开的概念和具体实施例可以作为修改 或设计实施本发明的相同目的的其他实施例的基础。本领域的技术人员也可以理解这些 等价实施例不脱离所附权利要求中提出的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法，包括a)通过在掺有P型或η型杂质的半导体基片上部上重复堆叠由半导体氮化物或半导体 氧化物形成的基质层以及半导体层来制造多层体；b)通过垂直于所述半导体基片部分地刻蚀所述多层体来制造由多个量子点纳米线构 成的量子点纳米线阵列，所述量子点纳米线的一端固定在所述半导体基片上并且相互隔开 以垂直排列；以及，c)将掺有与所述半导体基片的杂质类型相反的杂质的半导体沉积在形成有量子点纳 米线阵列的所述半导体基片的上部上，并使用所述掺有相反类型杂质的半导体来至少填充 所述量子点纳米线的另一端与半导体基片之间的空间隔；以及d)在所述半导体基片的下部上形成下电极，并且在形成有量子点纳米线阵列以及掺有 相反类型杂质的半导体表面的上部表面上，或者在所述掺有相反类型杂质的半导体表面的 上部上，形成上电极，使得所述上电极与所述下电极相对应。
2.如权利要求1所述的制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法，其中，步骤a)中的所述多层体是通过使用PVD或CVD的沉积工艺制造，并且构成所述多层体的半导体层的厚度是不同的。
3.如权利要求1或2所述的制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法，其中，构 成所述多层体的所述半导体层和所述基质层相互独立地具有小于IOnm的厚度。
4.如权利要求1所述的制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法，其中，所述 步骤b)还包括bl-Ι)在所述多层体的上部上以网型沉积Ag、Au或为过渡金属的催化剂金属；以及bl-2)使用包含氢氟酸和双氧水的混合水溶液进行湿刻蚀。
5.如权利要求1所述的制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法，其中，所述 步骤b)还包括b2-l)在所述多层体的上部上形成圆形金属纳米点阵列；以及b2-2)使用所述金属纳米点作为掩模进行反应离子刻蚀(RIE)
6.如权利要求4或5所述的制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法，其中，通 过所述步骤b)的刻蚀制造其半导体量子点嵌入所述基质中的所述量子点纳米线，并且通 过构成所述多层体的每一半导体层的厚度控制所述半导体量子点的尺寸。
7.如权利要求6所述的制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法，其中，借助 所述基质的种类、构成所述量子点纳米线的半导体量子点的尺寸或其组合来控制光吸收波 长。
8.如权利要求3所述的制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法，其中，所述 步骤c)是使用CVD或PVD的沉积。
9.如权利要求1、2、4、5或7所述的制造具有量子点纳米线阵列的太阳能电池的方法， 其中，所述半导体基片是P型或Π型硅基片，所述掺有相反类型杂质的半导体是η型或P型 硅，所述基质是氧化硅或氮化硅，并且所述多层体的半导体层是硅层。
10.一种使用如权利要求1、2、4、5、7或8中任一项所述的制造方法制造的具有量子点 纳米线阵列的太阳能电池，包括下电极；第一半导体层，形成于所述下电极的上部上并掺有η型或ρ型杂质； 第二半导体层，形成于所述第一半导体层上并掺有与所述第一半导体层类型相反的杂质；上电极，形成于所述半导体层的上部上；以及量子点纳米线阵列，由垂直排列在第二半导体层中以相互隔开的多个量子点纳米线构 成，构成所述量子点纳米线阵列的、其一端与所述第一半导体层接触的所述量子点纳米线 包括基质和由所述基质围绕的至少一个半导体量子点。
11.如权利要求10所述的具有量子点纳米线阵列的太阳能电池，其中，所述基质是半 导体氮化物、半导体氧化物或其混合物。
12.如权利要求10所述的具有量子点纳米线阵列的太阳能电池，其中，构成所述量子 点纳米阵列的所述量子点纳米线具有垂直于所述量子点纳米线排列的两个或更多半导体 量子点。
13.如权利要求12所述的具有量子点纳米线阵列的太阳能电池，其中，所述量子点纳 米线被配置为具有不同尺寸的半导体量子点。
14.如权利要求10、12或13所述的具有量子点纳米线阵列的太阳能电池，其中，所述量 子点纳米线中的半导体量子点的直径小于lOnm。
15.如权利要求10、11、12、或13中任一项所述的具有量子点纳米线阵列的太阳能电 池，其中，借助所述基质的种类、所述半导体量子点的尺寸或其组合来控制光吸收波长。
16.如权利要求15所述的具有量子点纳米线阵列的太阳能电池，其中，所述第一半导 体层是P型硅层，所述第二半导体层是η型硅层，所述基质是氧化硅、氮化硅或其混合物，并 且所述半导体量子点是硅量子点。
全文摘要
本发明涉及具有量子点纳米线阵列的太阳能电池及其制造方法。根据本发明的太阳能电池包括具有异质结构的量子点纳米线阵列，其包括基质和半导体量子点；以及p型和n型半导体和电极，其每一个与量子点纳米线接触。根据本发明的太阳能电池，半导体量子点的带隙能量容易被控制，具有不同尺寸的半导体量子点设置于量子点纳米线中，使得可以在从可见光至红外光的宽光谱内进行光电转换，量子点嵌入高密度量子点纳米线阵列中，使得光吸收可以最大化，并且量子点纳米线大面积接触p型和n型半导体，可以提高电子和空穴的导电效率。
文档编号H01L31/042GK102119446SQ200880130715
公开日2011年7月6日 申请日期2008年11月10日 优先权日2008年8月11日
发明者李 雨, 金庆中 申请人:韩国标准科学研究院