一种可控阵列纳米线太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能电池技术，尤其涉及一种可控阵列纳米线太阳能电池及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 半导体纳米线结构晶体质量高、光学和电学性质良好，使其在纳米器件，比如光电 转换器件、高效率发光器件、场效应器件、传感器件、单电子存储器件和单光子器件等，领域 有很大的应用价值。近年来，能源问题成为影响世界各国可持续发展的关键性问题，发展以 太阳能电池为代表的可再生能源技术显得日益重要，电池光电转换效率的进一步提高始终 是人们追求的目标之一。可控阵列纳米线具有光子晶体效应和小尺寸聚光效应，是太阳能 电池光电转换效率得以提高的有效途径。
[0003] 根据所用材料不同，太阳能电池可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电 池、聚合物多层太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池、染料敏化太阳能电池、纳米 晶太阳能电池等。纳米晶太阳能电池具有成本低、转换效率稳定、寿命长等优点，具有很大 的应用市场，但是，纳米晶体排列随机、可控性差，降低了太阳能电池的性能。然而，原生长 的纳米线结构，表面形貌良好、晶体质量高，并且阵列纳米线具有光子晶体效应和小尺寸聚 光效应可进一步增强对太阳光的吸收，达到提高太阳能电池开路电压、短路电流和填充因 子的目的，因此，阵列纳米线太阳能电池迫在眉睫。
[0004] 目前制备阵列纳米线太阳能电池的方法主要包括，自组织生长纳米线结构和利用 自上而下技术制备纳米线结构。但是，前者可控性太差，后者会引入其他缺陷，从而导致可 控阵列纳米线太阳能电池难以实现。
【发明内容】
[0005] 针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种可控阵列纳米线太阳能电池及 其制备方法，能够制备出可控阵列纳米线太阳能电池，通过对纳米线的周期、直径的调控增 强阵列纳米线太阳能电池的光吸收效率，从而制备出具有较大开路电压、短路电流和填充 因子的高转换效率太阳能电池。
[0006] 本发明的一个目的在于提供一种可控阵列纳米线太阳能电池。
[0007] 本发明的可控阵列纳米线太阳能电池包括：衬底、N型掺杂层、N型纳米线、多量子 阱、P型掺杂层、绝缘材料、P型电极和N型电极；其中，在衬底上生长N型掺杂层；在N型掺 杂层的一部分上形成周期性排布的N型纳米线，构成阵列纳米线，与衬底的表面垂直；在N 型纳米线外生长多量子阱包裹N型纳米线，构成核-壳结构；在核-壳结构外生长P型掺 杂层，包裹核-壳结构；在生长了P型掺杂层的核-壳结构之间填充绝缘材料，并且绝缘材 料不覆生长了P型掺杂层的盖核-壳结构的顶端；在包裹核-壳结构的P型掺杂层的顶端 形成P型电极；在N型掺杂层的一部分上形成N型电极；N型纳米线的材料采用II-VI族或 III-V族的材料；N型纳米线的材料、掺杂的浓度和掺杂原子均与N型掺杂层一致。
[0008] N型纳米线采用III-V族的材料，掺杂为Si;N型纳米线采用II-VI族的材料，掺 杂为A1。
[0009] 多量子阱为11，1族三元合金八(11)3(11)1:;(：(￥1)，或111，族三元合金八(111) XB(III)iXC(V)，X为II族或III族元素A的组分，1-x为II族或III族元素B的组分，这 里的组分是指II族的元素与VI族的元素或者III族的元素与V族的元素的原子数目比， 其中势皇层为B(II)C(VI)或B(III)C(V)，与N型纳米线的材料相同。
[0010] 阵列纳米线的图形的排布可以是等间距排布的二维点阵，也可以是矩形排布的二 维点阵。
[0011] 本发明的另一个目的在于提供一种可控阵列纳米线太阳能电池的制备方法。
[0012] 本发明的可控阵列纳米线太阳能电池的制备方法，用于制备II-VI族或III-V族 的阵列纳米线太阳能电池，包括以下步骤：
[0013] 1)选取半导体材料中生长速率最快的晶面作为衬底；
[0014] 2)在衬底上预生长N型掺杂层；
[0015] 3)根据阵列纳米线的形状，设计图形化衬底的图形，在N型掺杂层上制备图形化 衬底；
[0016] 4)对图形化衬底进行预处理，使图形化衬底的表面洁净；
[0017] 5)根据图形化衬底，选择N型纳米线的生长条件，在洁净的图形化衬底上生长周 期性的排布的N型纳米线，形成阵列纳米线；
[0018] 6)在N型纳米线上生长多量子讲，包裹N型纳米线，形成核-壳结构；
[0019] 7)在N型纳米线和多量子阱构成的核-壳结构上生长P型掺杂层，包裹核-壳结 构；
[0020] 8)利用透明的绝缘材料填充生长了P型掺杂层的核-壳结构之间的空隙，并使生 长了P型掺杂层的盖核-壳结构的顶端不被绝缘材料覆盖；
[0021] 9)利用传统的半导体器件制备工艺，台面刻蚀，露出N型掺杂层，形成互相独立的 单元，在包裹核-壳结构的P型掺杂层的顶端形成P型电极，在露出的N型掺杂层的一部分 上形成N型电极。
[0022] 其中，在步骤1)中，选择衬底的表面，在其上生长N型纳米线的材料沿衬底的表面 法线方向的生长速率大于其他方向的生长速率。在衬底上生长的N型纳米线的方向沿其法 线方向，生长N型纳米线的材料沿衬底的材料表面法线方向的生长速率越大，N型纳米线的 取向越均匀一致，并且N型纳米线的直径尺寸能得到有效控制。
[0023] 在步骤2)中，衬底上进行N型掺杂层的预生长需要考虑N型掺杂浓度和N型掺杂 层的厚度。N型掺杂浓度在5X1018~lX1019cm3之间，确保后续的N型电极能够形成良好 的欧姆接触，并且表面具有原子级平整度；N型掺杂层的厚度在0. 5~1μm之间，既要满足 后续图形化衬底的制备要求，又要保证后续工艺中能够形成良好的台面结构。
[0024]在步骤3)中，设计图形化衬底的图形是指，确定阵列纳米线的周期（0. 5~1μπι) 和直径（50~200nm)，根据阵列纳米线的周期和直径，设计图形化衬底的图形排布和直径。 图形化衬底的图形为周期性的孔状二维点阵。阵列纳米线的图形的排布可以是等间距排布 的二维点阵，也可以是矩形排布的二维点阵。孔的直径d决定N型纳米线的直径D，N型纳 米线的直径D略大于孔直径d，二者之比D/d的值在1~2之间。图形化衬底的制备方法包 括：纳米压印技术、电子束曝光EBL和聚焦离子束FIB等。
[0025] 在步骤4)中，对图形化衬底的预处理包括：对已制备的图形化衬底进行化学清 洗，然后进行高温烘烤，除去表面的杂质原子，从而使得图形化衬底的表面洁净。
[0026] 在步骤5)中，生长N型纳米线的方法包括：分子束外延MBE、金属有机物化学气相 沉积M0CVD、化学气相沉积CVD和脉冲激光沉积PLD等，生长方法决定了生长速率。N型纳 米线的材料采用II-VI族或III-V族的材料，需根据图形化衬底的具体尺寸确定N型纳米 线的生长条件：首先，根据生长速率v确定VI族或V族原子的原子束流匕，满足关系F1 = hv，其中，h为系数，与N型纳米线材料的晶体结构有关；然后，根据所设计图形化衬底的周 期和直径来确定II族或III族原子束流匕，匕与图形化衬底的周期和N型纳米线的直径D 有关，满足关系式：F2=kW2/!^2,或者F2=k2DV(L2L3)，其中，k2为系数，与生长阵列纳米线 所采用的生长方法有关，Q为等间距排布的二维点阵中，相邻两点之间的距离，L2和L3分别 为矩形排布的二维点阵中的行间距和列间距。同时，还需确保N型纳米线的掺杂浓度和步 骤1)中