一种物质组合物，特别是光电池，其包括：至少一个核心半导体纳米线，其在石墨衬底上，所述至少一个核心纳米线已经外延生长在所述衬底上，其中所述纳米线包括至少一种III-V族化合物或至少一种II-VI族化合物或至少一种IV族元素；半导体壳，其围绕所述核心纳米线，所述壳包括至少一种III-V族化合物或至少一种II-VI族化合物或至少一种IV族元素以使所述核心纳米线和所述壳分别形成n-型半导体和p-型半导体，或反之亦然；和外部导电涂层，其围绕所述壳，所述外部导电涂层形成电极触点。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】太阳能电池 本专利技术关于在石墨衬底上外延生长纳米线和随后向那些纳米线提供壳和导电涂 层的方法。特别地，本专利技术采用分子束外延技术在石墨衬底上外延生长和理想地垂直生长 纳米线，允许壳材料及然后外部导电涂层材料被负载于纳米线上。所得的经涂布的核壳纳 米线形成本专利技术的进一步的方面。具有石墨衬底和外部导电涂层的核壳纳米线形成可用于 在太阳能应用中吸收光子的电池。 近年来，随着纳米技术成为重要的工程学科，对半导体纳米线的兴趣已经加强。已 经发现纳米线 也被一些作者称为纳米晶须、纳米棒、纳米柱或纳米圆柱等等 在各 种电气装置中重要的应用，例如传感器、LED的太阳能电池。 为了本申请的目的，术语纳米线应解释为基本上是一维形式的结构，即具有其宽 度或直径和其长度通常在几l〇〇nm至几ym的范围的纳米尺寸。通常，纳米线被认为具有 不大于500nm的至少两个维度。 在纳米级上控制一维生长提供了将材料组合和操纵特性一一包括机械、电气、光 学、热电、压电和电磁特性一一以及设计新颖装置的独特机会。 存在许多不同类型的纳米线，包括金属的（例如Ni、Pt、Au)、半导体的（例如Si、 InP、GaN、GaAs、ZnO等等）和绝缘的（例如Si02、Ti02)纳米线。尽管应想到下文详细概述 的原理适用于纳米线技术的所有方式，但是本专利技术人主要关注于半导体纳米线。 习惯上，半导体纳米线生长在与纳米线自身相同的衬底上（同质外延生长）。因此 GaAs纳米线生长在GaAs衬底上，以此类推。当然，这确保衬底的晶体结构和生长的纳米线 的晶体结构之间存在晶格匹配。衬底和纳米线二者可具有完全相同的晶体结构。 然而，在匹配的衬底上生长纳米线是非常昂贵和有限制的。例如，GaAs衬底需要被 特别制造且是昂贵的。为了确保纳米线生长是在通常有利的B方向，与具有（001)取 向的表面的更平常的衬底相比，该衬底需要专门地切割以具有（lll)B取向的表面。（111) B取向的GaAs衬底比（001)取向的GaAs衬底更昂贵。另外，不管怎样，GaAs不是负载纳米 线的理想材料。例如，其易碎且不是惰性的。其不是柔韧或透明的。如果可以采用其它更 有吸引力的衬底会更好。 本专利技术人寻求抛弃这些有局限衬底的方法。当然，这样做不仅仅是使用不同的衬 底的问题。衬底一旦不同于生长中的纳米线，按照定义，则就有潜在的晶格失配存在于衬底 和纳米线之间，以及要考虑其它众多可能的问题。然而，文献包含其他工作者在可选的衬底 上生长半导体纳米线的尝试。在Plissard等人的Nanotechnology21 (2010)，385602-10 中，已经做出使用Ga 作为催化剂在硅（111)取向的衬底上生长垂直的GaAs纳米线的尝试。显然，硅是优选的电 子衬底，但其纯形式也是昂贵的。而且，它不是透明且不是柔韧的。它也与金存在不利反应， 金是纳米线生长中经常使用的催化剂。金可扩散进硅中并在纳米线和衬底中形成中间禁带 缺陷（mid-gapdefect)状态。事实上，Plissard等人得出结论：金与Si衬底一起使用是 不期望的，并且开发了无金纳米线生长技术。 本专利技术人寻求在石墨衬底上外延生长纳米线。石墨衬底是由单层或多层的石墨烯 或其衍生物组成的衬底。在其最优的形式中，石墨烯是布置成蜂窝状晶格图案的用双电子 键（称为SP2键）结合在一起的碳原子的单原子层厚薄片。不像例如GaAs衬底的其它半导 体衬底，石墨衬底是非常便宜、容易获取的材料，其为纳米线的生长提供了理想的衬底。使 用很少分层的石墨烯衬底是理想的，因为这些衬底是薄、轻和柔韧的，还非常坚固。它们的 电学特性可从高度导电修改为绝缘。其也不受任何事物影响，是非常惰性的并因此与金和 其它催化剂相容。 然而，这样的不同材料种类之间的纳米线的无缺陷外延生长不是显而易见的，因 为（大多数）半导体是在表面具有反应性悬键的三维样，然而石墨具有在表面没有悬键的 二维蜂窝状结构且因此形成非常惰性和疏水的表面。 在例如石墨的衬底上生长纳米线也可以是挑战性的，因为察觉到衬底和生长的纳 米线之间存在的大的晶格失配。大的晶格失配可导致具有位移的缺陷纳米线或事实上导致 完全没有纳米线生长。重要的是，外延生长纳米线以使纳米线将是有序的，并且采用匹配衬 底的相容的晶体结构。 对于许多应用，纳米线可垂直于衬底表面垂直生长将是重要的。半导体纳米线通 常在方向（如果是立方晶体结构）或方向（如果是六角晶体结构）生长。这 意味着衬底表面需要是（111)或（0001)取向的，其中衬底的表面原子被布置为六角对称。 在可在石墨表面上生长半导体纳米线之前仍存在许多障碍以待克服。 如上所述，已经做出在Si(111)衬底上生长垂直的GaAs纳米线的尝试。本专利技术只 涉及石墨衬底。也已经做出在石墨衬底上生长晶体纳米材料的一些尝试。 在JACS2010、132、3270-3271中，Ni、Co和Fe的氧化物和氢氧化物的纳米晶体被 合成在石墨烯支撑物上。 在Appl.PhysLett. 95, 213101 (2009)中，Kim等人报告了生长在石墨稀层上的垂 直排列的ZnO纳米结构。所述ZnO纳米结构使用无催化剂的金属有机气相外延（MOVPE)而 生长，并且ZnO纳米结构的表面形态取决于生长温度。 本专利技术人已经发现，某些化合物/元素的外延的纳米线可生长在石墨衬底上。由 于石墨衬底在表面不具有悬键，并且与如硅和GaAs的典型的半导体相比，具有非常短的原 子键长度，因此没有理由预期纳米线在其上的成核作用和外延生长。如下文出人意料地注 意到，当使用石墨烯时，取决于半导体原子如何放置在石墨烯的表面，其与许多半导体存在 良好的晶格匹配。 特别地，使用分子束外延在纳米线生长方面提供了卓越的结果。特别地，本专利技术能 够在石墨衬底上生长IV族、II-VI族或特别是III-V族半导体纳米线。本专利技术人已经使用 此出人意料的在导电石墨衬底上生长外延的纳米线的能力，并且发展了形成可吸收光子的 光电池的概念，并因此提供在太阳能技术和作为光电探测器方面的价值。
技术实现思路
因此，从一个方面来看，本专利技术提供了一种物质组合物，特别是光电池，其包括： 至少一个核心半导体纳米线，其在石墨衬底上，所述至少一个核心纳米线已经外 延生长在所述衬底上，其中所述纳米线包括至少一种III-V族化合物或至少一种II-VI族 化合物或至少一种IV族元素； 半导体壳，其围绕所述核心纳米线，所述壳包括至少一种III-V族化合物或至少 一种II-VI族化合物或至少一种IV族元素以使得所述核心纳米线和所述壳分别形成n-型 半导体和P-型半导体，或反之亦然；和 外部导电涂层，其围绕所述壳，所述外部导电涂层形成电极触点（contact)。 从另一个方面来看，本专利技术提供一种物质组合物，特别是光电池，其包括： 至少一个核心半导体纳米线，其在石墨衬底上，所述至少一个核心纳米线已经外 延生长在所述衬底上，其中所述纳米线包括至少一种III-V族化合物或至少一种II-VI族 化合物或至少一种IV族元素； 半导体壳，其围绕所述核心纳米线，所述壳包括至少一种III-V族化合物或至少 一种II-VI族化合物或至少一种IV族元素以使得所述核心纳米线和所述壳分别形成n-型 半本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种物质组合物，特别是光电池，其包括：至少一个核心半导体纳米线，其在石墨衬底上，所述至少一个核心纳米线已经外延生长在所述衬底上，其中所述纳米线包括至少一种III‑V族化合物或至少一种II‑VI族化合物或至少一种IV族元素；半导体壳，其围绕所述核心纳米线，所述壳包括至少一种III‑V族化合物或至少一种II‑VI族化合物或至少一种IV族元素以使所述核心纳米线和所述壳分别形成n‑型半导体和p‑型半导体，或反之亦然；和任选地外部导电涂层，其围绕所述壳，所述外部导电涂层形成电极触点或触点层和/或导电层，所述电极触点或触点层和/或导电层接触在所述纳米线上的所述半导体壳的顶部并形成电极，例如，比如石墨烯的透明石墨层。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：H·沃曼，BO·芬兰，D·C·金姆，
申请(专利权)人：挪威科技大学NTNU，
类型：发明
国别省市：挪威;NO
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