本发明专利技术涉及一种基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，同时涉及其制备方法，属于太阳能电池材料领域。该电池装置包括在掺杂硅基衬底上生长的至少二层Ge/Si量子点结构层；Ge/Si量子点结构层由含有直径2-7nm的Ge量子点的Si薄膜层构成，最内层的Si薄膜层为2-4nm，以后逐层递增；最外层的量子点结构层为填充量子点间隙的SiO2覆盖薄膜层，形成量子点阵列填充薄膜多层结构；覆盖薄膜层外生长有一层厚度10-20nm的硅掺杂层保护膜，硅掺杂层和硅基衬底外表面生长有电极。本发明专利技术的能带范围拓展到0.4-0.22eV之间，对应的转换效率在55-57%之间，相比现有技术可以提高7%以上，显著提升了太阳能电池的光电转换效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种太阳能电池，具体涉及基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，同时涉及其制备方法，属于太阳能电池材料领域。
技术介绍
太阳能是地球上取之不尽、用之不竭的可再生、清洁能源，对太阳能的高效使用是目前研究机构、工业界等重点关注的核心课题之一，其中包括基于光电转换效应的太阳能电池装置及应用。量子点太阳能电池技术是现行太阳能电池研究的新一代技术。基于半导体量子点的太阳能电池具有以下特征：量子点的尺寸在数个纳米尺度，常被称为“人造原子”，能带结构受到三维量子尺寸效应，能级不连续，且量子点的尺度直接决定能级特征；量子点内的电子运动空间局限于德布罗意波长的范围内，在三维势阱下，电子各个方向均量子化；量子点太阳能电池共振隧穿效应能提高对光生载流子的收集率，从而增大光电流；量子点太阳能电池存在碰撞离化效应，一个高能量光子可以激发两个或数个热电子的存在；嵌入致密的量子点阵列的叠层结构的太阳能电池可产生中间带，调控量子点的尺寸和形状，能够直接使太阳能电池的能级尽可能与太阳光谱相匹配。理论和实践表明，量子点太阳能电池有着很高的转换效率等优点。锗材料、硅材料的量子点由于材料无毒性、资源多，且完全与目前成熟的微电子工艺体系相兼容。对Ge量子点、Si量子点的技术研究成为当前一大热点和难点。现有基于量子点太阳能电池及制备方法已经成熟，申请号为200910033256.1、201110199377.0以及201210195987.8的中国专利分别公开了一种实现纳米硅量子点可控掺杂的方法、基于异质结结构的硅量子点太阳能电池及制备方法、多结异质量子点阵列及太阳能电池的制备方法。这些多层结构的量子点太阳能电池，结构简单，光谱响应宽，与现有的硅基微电子工艺兼容。其中，201110199377.0采用包含Si量子点的氮化硅薄膜、非晶硅薄膜构建异质结构的硅量子点太阳能电池，并阐释了制备方法；201210195987.8采用Ge量子点层、Si量子点层交错排列来设计多结异质量子点阵列的太阳能电池及制备方法。对于Ge晶体材料、Si晶体材料由于晶格常数的存在差异，对应的太阳能装置中必然会引入应变效应。然而，应变效应及其在太阳能电池中的有效利用上述专利文献及目前可知的相关文献均未报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，同时给出其制备方法，从而通过借助外层Si薄膜层厚度调制内部Ge量子点的应变大小、进而调节量子点的禁带宽度，以提高量子点与太阳光谱的匹配度、提升太阳能电池的光电转换效率。为了达到以上目的，本专利技术基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置基本技术方案为：包括在掺杂硅基衬底上生长的至少二层Ge/Si量子点结构层；所述Ge/Si量子点结构层由含有直径2-7nm的Ge量子点的Si薄膜层构成，最内层的Si薄膜层厚度为2-4nm，外层Si薄膜层的厚度范围为在上一层厚度范围两端点分别递增2nm；最外层的量子点结构层为填充量子点间隙的SiO2覆盖薄膜层覆盖，形成量子点阵列填充薄膜多层结构；所述覆盖薄膜层外生长有一层厚度10-20nm的硅掺杂层保护膜；所述硅掺杂层和硅基衬底外表面生长有电极。本专利技术基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置制备方法包括如下步骤：步骤一. 采用真空化学气相沉积法，在清洗后的掺杂硅基衬底上通入锗烷气体，在硅基衬底上生长Ge薄膜层；步骤二. 控制Ge薄膜层厚度在2-7nm ，并原位退火；步骤三. 在生长出Ge薄膜层的硅基衬底上通入硅烷气体，在Ge薄膜层上生长Si薄膜层；步骤四. 第一次生长的最内层Si薄膜层厚度控制在2-4nm，以后逐层递增，Si薄膜层生成后原位退火；步骤五. 冷却生长成由含有直径2-7nmGe量子点的Si薄膜层构成的Ge/Si量子点结构层；步骤六. 根据所需预定层数，重复步骤三、步骤四，最内层之外的Si薄膜层的厚度范围为在上一层厚度范围两端点分别递增2nm；步骤七. 达到预定层数后，通入硅烷和氧气，氧化生长一层填充量子点间隙的SiO2覆盖薄膜层，厚度控制在2-4nm，形成量子点阵列填充薄膜多层结构；步骤八. 通入四氯化硅和氢气外延生长一层硅掺杂层作为保护膜，厚度控制在10-20nm，掺杂类型与硅基衬底类型相反（如果硅基衬底为n型，则硅掺杂层为p型）;步骤九. 分别在硅掺杂层和硅基衬底外表面生长电极。理论分析可知，由于Ge量子点阵列分别由不同厚度的Si晶体薄膜覆盖，并且Si薄膜厚度自内而外（自下而上）逐渐增厚，因此相邻的Ge/Si量子点结构层晶格常数存在差异，导致在其材料交界面处存在应变分布。对于相同尺寸的Ge量子点而言，Si薄膜层越厚，产生的应变分布越大；反之，产生的应变分布就小。而应变导致其内部量子点的晶格常数变小、相邻原子间的波函数交叠变大、相邻原子之间的波函数相互作用变强，结果原本简并的能级因受到增强的相互作用，而使新能级之间的间距变大，即禁带宽度变大；反之，禁带宽度变小。因此，应变分布的大小差异会造成对应量子点的禁带宽度变化。根据光子与禁带宽度的匹配关系式：Eg=hν=h*(c/λ)（式中Eg为禁带宽度，单位电子福特eV；h为普朗克常数；ν为光子频率，单位赫兹Hz；c为光速常数；λ光波长，单位埃，即0.1nm）可知，当Ge量子点的禁带宽度变小时，波长λ变大，此时可吸收低能量范围的太阳光谱；反之，Ge量子点的禁带宽度变大时，可吸收高能量范围的太阳光谱。依据上述理论，本专利技术Ge量子点阵列分别由不同厚度的Si晶体薄膜覆盖、且Si薄膜厚度自内而外逐渐增厚，可以进一步有效拓宽太阳能电池对太阳光的光谱响应范围，提高与太阳光谱的匹配度，从而提升太阳能电池的光电转换效率。本专利技术基于Ge量子点与Si薄膜层之间的晶格常数差异，利用Si薄膜层厚度差异引起Ge量子点内应变的改变来调控太阳能电池的性能。Ge量子点与Si薄膜层构建异质结构的叠层结构太阳能电池装置，其原理机制完全不同于上述现有专利。试验证明，本专利技术的太阳能电池装置的能带范围拓展到0.4-0.22eV之间，对应的转换效率在55-57%之间，相比现有技术可以提高7%以上，显著提升了太阳能电池的光电转换效率。 并且Shockley –Queissr多结能带理论（参见201210195987.8）——应变可以导致Ge量子点的禁带宽度变小，使本专利技术具有理论依据。本专利技术进一步的完善是，所述硅掺杂层的掺杂类型与硅基衬底的掺杂类型相反。本专利技术又进一步的完善是，所述Ge量子点的阵列中，相邻两个量子点外径表面之间的距离控制在4nm之内。本专利技术更进一步的完善是，所述Si薄膜层共有四层，第一层、第二层、第三层、第四层的厚度自下而上逐渐增厚，分别为2-4nm、4-6nm、6-8nm、8-10nm。本专利技术的Si薄膜层厚度指先用Si材料填充Ge量子点之间的间隙后，在球形硅量子点顶部的Si薄膜层的厚度。本专利技术还进一步的完善是，所述硅掺杂层和硅基衬底的掺杂密度相同。本专利技术再进一步的完善是，所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，包括在掺杂硅基衬底上生长的至少二层Ge/Si量子点结构层；其特征在于：所述Ge/Si量子点结构层由含有直径2‑7nm的Ge量子点的Si薄膜层构成，最内层的Si薄膜层厚度为2‑4nm，外层Si薄膜层的厚度范围为在上一层厚度范围两端点分别递增2nm；最外层的量子点结构层为填充量子点间隙的SiO2覆盖薄膜层覆盖，形成量子点阵列填充薄膜多层结构；所述覆盖薄膜层外生长有一层厚度10‑20nm的硅掺杂层保护膜，所述硅掺杂层的掺杂类型与硅基衬底的掺杂类型相反；所述硅掺杂层和硅基衬底外表面生长有电极。
【技术特征摘要】
1.一种基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，包括在掺杂硅基衬底上生长的至少二层Ge/Si量子点结构层；其特征在于：所述Ge/Si量子点结构层由含有直径2-7nm的Ge量子点的Si薄膜层构成，最内层的Si薄膜层厚度为2-4nm，外层Si薄膜层的厚度范围为在上一层厚度范围两端点分别递增2nm；最外层的量子点结构层为填充量子点间隙的SiO2覆盖薄膜层覆盖，形成量子点阵列填充薄膜多层结构；所述覆盖薄膜层外生长有一层厚度10-20nm的硅掺杂层保护膜，所述硅掺杂层的掺杂类型与硅基衬底的掺杂类型相反；所述硅掺杂层和硅基衬底外表面生长有电极。
2.根据权利要求1所述基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，其特征在于：所述硅掺杂层的掺杂类型与硅基衬底的掺杂类型相反。
3.根据权利要求2所述基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，其特征在于：所述Ge量子点的阵列中，相邻两个量子点外径表面之间的距离控制在4nm之内。
4.根据权利要求3所述基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，其特征在于：所述Si薄膜层共有四层，第一层、第二层、第三层、第四层的厚度自下而上逐渐增厚，分别为2-4nm、4-6nm、6-8nm、8-10nm。
5.根据权利要求4所述基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，其特征在于：所述硅掺杂层和硅基衬底的掺杂密度相同。
6.根据权利要求5所述基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置，其特征在于：所述硅掺杂层和硅基衬底外表面分别生长有透明导电薄膜，所述透明导电薄膜外生长有外部接触电极。
7.根据权利要求1至6任一所述基于应变型异质结量子点的太阳能电池装置的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一. 采用真空化学气相沉积法，在清洗后的掺杂硅基衬底上通入锗烷气体，在硅基衬底上生长Ge薄膜层；
步骤二. 控制Ge薄膜层厚...
【专利技术属性】
技术研发人员：许洪华，延巧娜，凃俊，
申请(专利权)人：国家电网公司，江苏省电力公司南京供电公司，江苏省电力公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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