本发明涉及量子点太阳能电池及其制备方法技术领域，具体涉及一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
在能源危机和环境污染的国际大背景下，各国都致力于太阳能、风能、潮汐能、地热能和核能等新能源的研发和利用。其中太阳能作为一种充足洁净的可再生能源成为重点的研发对象。
传统的已经商业化的硅基太阳电池的效率已经接近其极限，为了实现更高效率的太阳电池，量子点太阳电池的概念被提出。量子点太阳电池是最近几年开始研究的第三代太阳电池，它采用具有量子限制效应和分立光谱特性的量子点作为有源区设计和制作的量子点太阳电池，可使其能量转换效率提高，其极限值能够达到66％。
传统地生长量子点的方法是基于s-k模式的分子束外延法，但是这种方法只能应用于异质材料体系，它要求量子点材料和基底材料要晶格失配。针对分子束外延法要求的晶格失配的问题，可以通过液滴外延法来解决，然而，采用该方法制备的量子点太阳电池的光学性能和转换效率都不太让人满意(5％左右)，主要的原因是低温液滴外延生长的量子点会引入很多的缺陷，进而影响到生长的量子点太阳电池的整体性能。
技术实现要素：
有鉴于此，本申请提供一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池及其制备方法，采用的液滴外延法能够得到零晶格失配的量子点层，在保持量子点的密度和尺寸的前提下，能够将液滴外延生长量子点层引入的缺陷达到最小化，提高量子点太阳能电池的光学性能和转换效率。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，所述量子点太阳能电池包括由下到上依次设置的衬底层、缓冲层、隔离层、多个周期的量子点结构层、发射层、电极接触层，所述多个周期的量子点结构层的每一周期包括至少一层量子点层、一层第一间隔层、一层第二间隔层，所述量子点层为液滴外延方法生长形成。
其中，所述的液滴外延方法生长具体为依次分别沉积多个单层的金属源。
优选的，所述量子点层为iii-v族化合物量子点层，所述第一间隔层为n型掺杂砷化镓铝层，所述第二间隔层为未掺杂砷化镓铝层。
更为优选的，所述iii-v族化合物量子点层为砷化镓铟量子点层或砷化镓量子点层。
更为优选的，所述iii-v族化合物量子点层为砷化镓量子点层。试验发现，量子点层分别采用砷化镓量子点层和砷化镓铟量子点层，制成的量子点太阳能电池，在物理形貌包括量子点密度和尺寸方面几乎没有差别的前提下，砷化镓量子点层的太阳电池的光学性能和转换效率都要优于砷化镓铟量子点层的太阳电池，原因是前者与砷化镓铝基底层的晶格参数更匹配。
优选的，所述多个周期的量子点结构层的周期数不小于2。
更为优选的，所述多个周期的量子点结构层的周期数为10。
优选的，所述多个周期的量子点结构层的沉积方式为分子束外延法或金属有机化学沉积法。
优选的，所述衬底层为n型砷化镓单晶片或半绝缘型砷化镓单晶片，所述缓冲层为砷化镓层，所述隔离层为砷化镓铝层，所述发射层为p型掺杂砷化镓铝层，所述电极接触层为p型重掺杂砷化镓层。
更为优选的，所述衬底层为n型重掺杂砷化镓单晶片，所述缓冲层为n型重掺杂砷化镓层。
更为优选的，所述发射层采用分子束外延方法或金属有机化学法沉积形成，其中砷化镓的掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3。
优选的，所述缓冲层和所述隔离层之间由下到上还依次设置有背电场层和基底层，所述背电场层为砷化镓层，所述基底层为砷化镓铝层。
优选的，所述发射层和所述电极接触层之间还设置有窗口层，所述窗口层为p型掺杂砷化镓铝层。
优选的，所述量子点太阳能电池还包括背电极和正电极，所述背电极位于所述衬底层下部，所述正电极位于所述电极接触层上部。
更为优选的，所述正电极和所述背电极为金属电极，可以采用本领域常用的合适的方式形成，比如采用真空镀膜方法形成。
其中，所述背电极为钛合金、金合金。
例如，背电极为先蒸镀ti20nm，再蒸镀au100nm形成的结构。
本申请技术方案还提供一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)提供一衬底层，所述衬底层为n型砷化镓单晶片或半绝缘型砷化镓单晶片；
(2)在所述衬底层上生长缓冲层，所述缓冲层为砷化镓层；
(3)在所述缓冲层上生长背电场层，所述背电场层为砷化镓层；
(4)在所述背电场层上生长基底层，所述基底层为砷化镓铝层；
(5)在所述基底层上生长隔离层，所述隔离层为砷化镓铝层；
(6)在所述隔离层上生长多个周期的量子点结构层，其中每一周期包括至少一层量子点层，一层第一间隔层，一层第二间隔层，所述量子点层为液滴外延方法生长形成；所述的第一间隔层的厚度为5～15nm，生长温度为350～450℃；所述第二间隔层的厚度为20～60nm，生长温度为550～620℃；
(7)在所述量子点结构层上形成发射层，所述发射层为p型掺杂砷化镓铝层；
(8)在所述发射层上形成窗口层，所述窗口层为p型掺杂砷化镓铝层；
(9)在所述窗口层上形成电极接触层，所述电极接触层为p型重掺杂砷化镓层；
(10)在400～800℃氮气条件下退火；通过此步骤减少液滴外延生长的量子点的缺陷，提高开路电压和短路电流；
(11)在所述电极接触层上形成正电极，在所述衬底层下形成背电极；
(12)在350～400℃氮气条件下退火，通过此步骤形成欧姆接触。
优选的，所述的第一间隔层的厚度为10nm，生长温度为400℃；所述第二间隔层的厚度为40nm，生长温度为590℃；
优选的，步骤(10)所述退火具体为采用快速退火炉进行退火。
优选的，所述缓冲层的厚度为80～150nm，生长温度为450～550℃；所述背电场层的厚度为10～50nm，生长温度为550～650℃；所述基底层的厚度为450～550nm；所述隔离层的厚度为20～80nm；所述发射层的厚度为150～250nm，生长温度为450～550℃；所述窗口层的厚度为10～50nm；所述电极接触层的厚度为20～80nm，生长温度为350～450℃。
更为优选的，所述缓冲层的厚度为100nm，生长温度为600℃；所述背电场层的厚度为30nm，生长温度为580℃；所述基底层的厚度为500nm；所述隔离层的厚度为50nm；所述发射层的厚度为200nm，生长温度为500℃；所述窗口层的厚度为30nm；所述电极接触层的厚度为50nm，生长温度为400℃。
优选的，所述量子点层为iii-v族化合物量子点层，所述第一间隔层为n型掺杂砷化镓铝层，所述第二间隔层为未掺杂砷化镓铝层。
更为优选的，所述iii-v族化合物量子点层为砷化镓铟量子点层或砷化镓量子点层。
更为优选的，所述iii-v族化合物量子点层为砷化镓量子点层。
优选的，所述多个周期的量子点结构层的周期数不小于2。
更为优选的，所述多个周期的量子点结构层的周期数为10。
优选的，所述衬底层为n型重掺杂砷化镓单晶片，所述缓冲层为n型重掺杂砷化镓层。
在本申请技术方案中，所述的重掺杂是指样品中掺杂杂质浓度达到1018cm-3。
本申请技术方案所述的量子点太阳能电池，包括了衬底层、缓冲层、隔离层、多个周期的量子点结构层、发射层、电极接触层，其中多个周期的量子点结构层的每一周期包括至少一层量子点层、一层第一间隔层、一层第二间隔层，所述量子点层为液滴外延方法生长形成。本申请技术方案采用液滴外延法生长无应变的零晶格失配的量子点，同时将量子点结构层设置为包括至少一层量子点层、一层第一间隔层、一层第二间隔层的三明治结构，防止后续高温操作对组分的分解作用，同时增强太阳能电池的光吸收。此外，量子点结构层中的量子点层采用了半导体iii-v族化合物量子点层，优化了其与基底层的晶格参数的匹配程度。
本申请所述的基于液滴外延技术的量子点太阳能电池采用前述的制备方法制备形成，其中在背电极形成之后还需要在350～400℃条件下进行退火处理，通过在制备过程中的热退火处理，可以减少液滴外延生长的量子点引入的缺陷，使缺陷引入的非辐射复合中心随时减少，让生长量子点引入的缺陷达到最小化。能够在保持量子点密度和尺寸前提下，吸收更多的光并产生更大的光电流，最大限度的保持了发射层的厚度，从而提高太阳电池的光学性能和转换效率。
因此，本申请与现有技术相比，其有益效果在于：相比于传统的自组装s-k生长模式，本申请技术方案采用的液滴外延法能够得到零晶格失配的量子点层，在保持量子点的密度和尺寸的前提下，能够将液滴外延生长量子点层引入的缺陷达到最小化，提高量子点太阳能电池的光学性能和转换效率。
附图说明
图1是本申请所述一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池的结构示意图，其中多个周期的量子点结构层的周期数为2。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本申请所述的一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，包括了由下到上依次设置的衬底层2、缓冲层3、隔离层6、多个周期的量子点结构层7、发射层8、电极接触层10，所述多个周期的量子点结构层7的每一周期包括至少一层量子点层71、一层第一间隔层72、一层第二间隔层73，所述量子点层71为液滴外延方法生长形成，多个周期的量子点结构层7的周期数不小于2，优选为10，其沉积方式为分子束外延法或金属有机化学沉积法。
其中，量子点层71为iii-v族化合物量子点层，优选为砷化镓铟量子点层或砷化镓量子点层，更优选为砷化镓量子点层，所述第一间隔层72为n型掺杂砷化镓铝层，所述第二间隔层73为未掺杂砷化镓铝层。
其中，衬底层2为n型砷化镓单晶片或半绝缘型砷化镓单晶片，优选为n型重掺杂砷化镓单晶片，所述缓冲层3为砷化镓层，优选为n型重掺杂砷化镓层，所述隔离层6为砷化镓铝层，所述发射层8为p型掺杂砷化镓铝层，采用分子束外延方法或金属有机化学法沉积形成，其中砷化镓的掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，所述电极接触层10为p型重掺杂砷化镓层。
此外，所述缓冲层3和所述隔离层6之间由下到上还依次设置有背电场层4和基底层5，所述背电场层4为砷化镓层，所述基底层5为砷化镓铝层，所述发射层8和所述电极接触层10之间还设置有窗口层9，所述窗口层9为p型掺杂砷化镓铝层，还包括背电极1和正电极11，所述背电极1位于所述衬底层下部，所述正电极11位于所述电极接触层10上部，所述正电极11和所述背电极1为金属电极，可以采用本领域常用的合适的方式形成。
上述基于液滴外延技术的量子点太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
(1)提供一衬底层2；
(2)在所述衬底层2上生长缓冲层3，所述缓冲层3的厚度为100nm，生长温度为600℃；
(3)在所述缓冲层3上生长背电场层4，所述背电场层4的厚度为30nm，生长温度为580℃；
(4)在所述背电场层4上生长基底层5，所述基底层5的厚度为500nm；
(5)在所述基底层5上生长隔离层6，所述隔离层6的厚度为50nm；
(6)在所述隔离层6上生长多个周期的量子点结构层7，其中每一周期包括至少一层量子点层71，一层第一间隔层72，一层第二间隔层73，所述量子点层71为液滴外延方法生长形成；所述的第一间隔层71的厚度为10nm，生长温度为400℃；所述第二间隔层72的厚度为40nm，生长温度为590℃；
(7)在所述量子点结构层7上形成发射层8，所述发射层8的厚度为200nm，生长温度为500℃；
(8)在所述发射层8上形成窗口层9，所述窗口层9的厚度为30nm；
(9)在所述窗口层9上形成电极接触层10，所述电极接触层10的厚度为50nm，生长温度为400℃；
(10)在400～800℃氮气条件下退火；
(11)在所述电极接触层10上形成正电极11，在所述衬底层2下形成背电极1；
(12)在350～400℃氮气条件下退火，采用快速退火炉进行退火。
为了验证本申请技术方案的技术效果，在上述具体实施方式要求的基础上，采用具体参数进行试验验证，得到以下具体实施例。
实施例1
本实施例所述的一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，包括由下到上依次设置的背电极1、衬底层2、缓冲层3、背电场层4、基底层5、隔离层6、多个周期的量子点结构层7、发射层8、窗口层9、电极接触层10、正电极11，所述多个周期的量子点结构层7的每一周期包括至少一层量子点层71、一层第一间隔层72、一层第二间隔层73，所述量子点层71为液滴外延方法生长形成，多个周期的量子点结构层7的周期数为2。
其中，量子点层71为砷化镓量子点层，所述第一间隔层72为n型掺杂砷化镓铝层，所述第二间隔层73为未掺杂砷化镓铝层，衬底层2为n型重掺杂砷化镓单晶片，所述缓冲层3为n型重掺杂砷化镓层，所述背电场层4为砷化镓层，所述基底层5为砷化镓铝层，所述隔离层6为砷化镓铝层，所述发射层8为p型掺杂砷化镓铝层，砷化镓的掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3，所述窗口层9为p型掺杂砷化镓铝层，所述电极接触层10为p型重掺杂砷化镓层，所述正电极11为金属电极，所述背电极1为钛合金。
上述基于液滴外延技术的量子点太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
(1)提供一衬底层2；
(2)在所述衬底层2上生长缓冲层3，所述缓冲层3的厚度为100nm，生长温度为600℃；
(3)在所述缓冲层3上生长背电场层4，所述背电场层4的厚度为30nm，生长温度为580℃；
(4)在所述背电场层4上生长基底层5，所述基底层5的厚度为500nm；
(5)在所述基底层5上生长隔离层6，所述隔离层6的厚度为50nm；
(6)在所述隔离层6上生长多个周期的量子点结构层7，其中每一周期包括至少一层量子点层71，一层第一间隔层72，一层第二间隔层73，所述量子点层71为液滴外延方法生长形成；所述的第一间隔层72的厚度为10nm，生长温度为400℃；所述第二间隔层73的厚度为40nm，生长温度为590℃；
(7)在所述量子点结构层7上形成发射层8，所述发射层8的厚度为200nm，生长温度为500℃；
(8)在所述发射层8上形成窗口层9，所述窗口层9的厚度为30nm；
(9)在所述窗口层9上形成电极接触层10，所述电极接触层10的厚度为50nm，生长温度为400℃；
(10)在600℃氮气条件下退火；
(11)在所述电极接触层10上形成正电极11，在所述衬底层2下形成背电极1；
(12)在380℃氮气条件下退火，采用快速退火炉进行退火。
本实施例所述的基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，转换效率为8.9％。
实施例2
本实施例所述的一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池与实施例1的区别在于：量子点层71为砷化镓铟量子点层，衬底层2为半绝缘型砷化镓单晶片，所述所述背电极1为金合金。
其余均与实施例1相同。
本实施例所述的基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，转换效率为8.1％。
实施例3
本实施例所述的一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池与实施例1的区别在于：所述背电极1为钛合金。
其余均与实施例1相同。
本实施例所述的基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，转换效率为9.1％。
实施例4
本实施例所述的一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池与实施例1的区别在于：多个周期的量子点结构层7的周期数为10(图中未示出，周期数为10即图1中量子点结构层具有10层)。
其余均与实施例1相同。
本实施例所述的基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，转换效率为12％。
实施例5
本实施例所述的一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池与实施例1的区别在于：缓冲层3的厚度为80nm，生长温度为550℃；背电场层4的厚度为10nm，生长温度为550℃；基底层5的厚度为450nm；隔离层6的厚度为20nm；第一间隔层72的厚度为5nm，生长温度为350℃；第二间隔层73的厚度为20nm，生长温度为550℃；发射层8的厚度为150nm，生长温度为450℃；窗口层9的厚度为10nm；电极接触层10的厚度为20nm，生长温度为350℃。
其余均与实施例1相同。
本实施例所述的基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，转换效率为9.0％。
实施例6
本实施例所述的一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池与实施例1的区别在于：缓冲层3的厚度为150nm，生长温度为650℃；背电场层4的厚度为50nm，生长温度为650℃；基底层5的厚度为550nm；隔离层6的厚度为80nm；第一间隔层72的厚度为15nm，生长温度为450℃；第二间隔层73的厚度为60nm，生长温度为620℃；发射层8的厚度为250nm，生长温度为550℃；窗口层9的厚度为50nm；电极接触层10的厚度为80nm，生长温度为450℃。
其余均与实施例1相同。
本实施例所述的基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，转换效率为7.3％。
实施例7
本实施例所述的一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池与实施例1的区别在于：步骤(10)在800℃氮气条件下退火，步骤(12)在400℃氮气条件下退火。
其余均与实施例1相同。
本实施例所述的基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，转换效率为9.1％。
实施例8
本实施例所述的一种基于液滴外延技术的量子点太阳能电池与实施例1的区别在于：步骤(10)在400℃氮气条件下退火，步骤(12)在350℃氮气条件下退火。
其余均与实施例1相同。
本实施例所述的基于液滴外延技术的量子点太阳能电池，转换效率为8.0％。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。