一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池制造技术

本发明专利技术公开了一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池。该电池将半导体纳米线和有机导电材料分别与硅衬底异质集成，解决传统多结电池中的晶格匹配及高衬底成本问题，并实现电池的紫外到红外波段宽谱高效响应。以半导体纳米线与硅衬底构成的异质结作为紫外至可见光及红外波段的子电池，以较少的材料成本就能够完成相应波段的高效吸收；以有机导电材料与硅衬底构成的异质结作为可见光波段子电池，并在电池的制备过程中引入等离激元陷光结构，实现电池对可见光的高效吸收。该电池设计可大幅降低电池材料成本，实现了开路电压、短路电流的提升，显著降低电池的光损失及热损耗，提升电池的宽光谱响应及光电转换效率。

Semiconductor nano type heterogeneous integrated solar cell

The invention discloses a semiconductor nanometer type heterogeneous integrated solar cell. The battery will semiconductor nanowires and organic conductive materials are integrated with a silicon substrate heterogeneity, solve the traditional multi junction cell lattice matching and high substrate cost, UV and realize the battery to the infrared band wide spectral response efficiency. To constitute a heterogeneous semiconductor nanowires and the silicon substrate of the seed cell as ultraviolet to visible light and infrared wavelengths, it can efficiently complete the corresponding absorption band with less material cost; heterogeneous consisting of organic conductive material and the silicon substrate junction as visible light battery and battery piece, in the preparation process of introduction plasmon light trapping structure, to achieve efficient battery absorption of visible light. The design of the battery can greatly reduce the cost of the battery material, realize the increase of the open circuit voltage and short-circuit current, reduce the light loss and heat loss of the battery, and improve the wide spectral response and photoelectric conversion efficiency of the battery.

【技术实现步骤摘要】
一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池
本专利技术具体是一种半导体纳米线、有机-硅异质集成的太阳电池，属于太阳电池

技术介绍
太阳电池已成为当今重要的能源供给方式，二十一世纪以来，太阳电池产量在全球范围内得到了大幅的增长，经过急速增长期之后，虽然该领域取得了长足的发展与进步，然而占据市场最大份额的晶体硅等电池的光电转换效率仅为18％-20％左右，这是由于电池中的光子转换成载流子的效率原理上为Shockley-Queisser极限所限。太阳光谱覆盖350nm到2000nm宽谱波段，单带隙的硅材料难以高效地将所有入射光子转换成载流子：能量低于硅半导体带隙的光子不能被半导体吸收，而能量高于带隙的光子将通过热化过程快速损失掉额外的能量。理论上，多结太阳能电池可有效解决这一效率限制，可通过不同带隙的半导体吸收不同波段的光，覆盖整个太阳光谱，并尽可能地减少电池中的热损失。目前，砷化镓基多结太阳能电池目前效率已达35％以上，然而该结电池生长过程需考虑晶格匹配，工艺要求高，且衬底昂贵。高转换效率、低成本的太阳电池是光伏
研究人员一直在不懈追求的目标。相关研究表明，有机聚合物和半导体材料也可形成异质结，用于光电转换。相比于半导体晶体材料，有机聚合物材料可采用液相旋涂、卷对卷等低成本工艺大面积制备，并可方便地在聚合物功能层中增加各种纳米功能结构，为电池中的光学运筹和电子设计提供了全新的手段，极具发展前景。然而，有机-硅异质结电池均在紫外波段、可见光波段的响应较差，红外光(1100nm-2000nm)不能吸收利用，需要提出全新原理和新结构的器件，实现从紫外、可见到红外光的宽光谱响应及光电转换效率的提升。随着微纳制造技术的发展，可将半导体PIN结的尺寸缩小到纳米尺度，在该尺度下，纳米PIN结可通过其侧壁释放残余应力，因而该类器件可在晶格不匹配的低成本衬底上制备，有望与硅材料电池形成异质集成。此外，半导体纳米线电池以其超高的比表面积的电池结构，实现了电池的光路与电路的隔离，其光学吸收截面远大于其上表面的面积，因此半导体纳米线电池在保持较高效率的情况下，可大幅度降低电池的材料成本。另一方面，等离激元陷光技术在电池中已经得到了初步发展，近年来，研究表明，具有表面等离激元局域或亚波长传导的纳米结构有望用于提高太阳能电池的效率，但是，需要将表面等离激元结构镶嵌在光伏功能层内部(PN结内部)，才能发挥作用。限于工艺和器件结构，目前绝大多数无机材料构成的传统太阳电池(如晶体硅、砷化镓太阳能电池)，都无法实现内部镶嵌表面等离激元结构，也就无法利用这种表面等离激元效应实现增效。对于特定结构的串联电池，如何设计等离激元陷光结构，降低工艺要求并有效地提高电池效率，仍然是该技术中面临的巨大挑战。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是解决已有太阳电池光电转换效率低、宽光谱响应差、成本高等技术问题，提出一种半导体纳米线、有机-硅异质结异质集成的太阳电池，不仅降低了电池成本，提升了开路电压、短路电流，该电池还具有宽谱光电响应及较高的光电转换效率。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池由第一透明导电薄膜层、第一半导体纳米线、第一绝缘聚合物层、第二透明导电薄膜层、等离激元陷光结构、有机导电材料层、硅衬底、高掺杂半导体层、第二半导体纳米线、第二绝缘聚合物层、和背电极构成；其位置关系由上至下依次为第一透明导电薄膜层、第一绝缘聚合物层、第二透明导电薄膜层、有机导电材料层、硅衬底、高掺杂半导体层、第二绝缘聚合物层和背电极；其中第一半导体纳米线顶部第一透明导电薄膜层紧密接触，其底部与第二透明导电薄膜层紧密接触，其它部分与第一绝缘聚合物层紧密接触，等离激元陷光结构分散在有机导电材料层中或者分散在有机导电材料层与硅衬底界面处；第二半导体纳米线顶部与高掺杂半导体层紧密接触，其底部与背电极紧密接触，其它部分与第二绝缘聚合物层紧密接触。所述的第一半导体纳米线为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线，间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间；第一半导体纳米线长度为100纳米到1微米，直径为10纳米到200纳米；所述的第一半导体纳米线对紫外至可见及红外波段的太阳光具有一定的吸收能力，为半导体纳米线PIN结，由上至下依次为p型半导体区域、i型半导体区域和n型半导体区域，p型半导体区域长度为第一半导体纳米线长度的十分之一到三分之一，i型半导体区域长度为第一半导体纳米线长度的十分之八到三分之一，n型半导体区域长度为第一半导体纳米线长度的十分之一到三分之一；所述的半导体纳米线PIN结供选材料为镓铟磷、铝镓铟磷、铝镓砷、砷化镓或磷化铟宽带隙半导体材料；所述的第一半导体纳米线或为下转换纳米结构，供选材料为镉锌硫或硒化镉纳米线，或铕Eu2+，Eu3+、铽Tb3+或钐Sm3+稀土元素掺杂纳米线，绝缘介质层包覆在第一半导体纳米线的侧表面，其高度低于半导体纳米线的高度，供选材料为氧化铝、二氧化硅或氮化硅绝缘介质材料，厚度为1纳米到20纳米。所述的第二半导体纳米线可为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线，或可为不同尺寸、不同材料的半导体纳米线。所述的第二半导体纳米线间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间；所述的第二半导体纳米线长度为100纳米到1微米，直径为10纳米到200纳米；所述的第二半导体纳米线由上至下依次为重掺杂p型半导体区域、p型半导体区域、i型半导体区域和n型半导体区域，重掺杂p型半导体区域长度为第二半导体纳米线长度的十分之一到四分之一，掺杂浓度为1019每立方厘米到1020每立方厘米；p型半导体区域长度为第二半导体纳米线长度的十分之一到四分之一，i型半导体区域长度为第二半导体纳米线长度的十分之七到四分之一，n型半导体区域长度为第二半导体纳米线长度的十分之一到四分之一；所述的第二半导体纳米线供选材料为砷化铟镓、磷砷镓铟、锑化镓或锗窄带隙半导体材料；绝缘介质层包覆在第二半导体纳米线侧表面，其高度低于重掺杂p型半导体区域，供选材料为氧化铝、二氧化硅或氮化硅绝缘介质材料，厚度为1纳米到20纳米。所述的第一透明导电薄膜层、第二透明导电薄膜层为同种材料，供选材料为氧化铟锡ITO、掺铝氧化锌AZO或掺氟氧化锡FTO，厚度为10纳米到200纳米。所述的第一绝缘聚合物层、第二绝缘聚合物层为同种材料，供选材料为NOA73紫外固化胶，SU-8光刻胶，苯并环丁烯BCB，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS，厚度为100纳米到500纳米。所述的等离激元陷光结构，供选材料为金、银或钯材料，采用的形状为圆片、椭圆片、四边形片或六边形片，直径为10纳米到100纳米，厚度为1纳米到20纳米。所述的有机导电材料层，供选材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS、聚3-已基噻吩P3HT、聚3-辛基噻吩P3OT、PEH-PPV或小分子Spiro-OMeTAD，厚度为10纳米到200纳米。所述的硅衬底为n型硅，厚度为1微米到500微米。所述的高掺杂半导体层，材料为硅，掺杂浓度为1018每立方厘米到1019每立方厘米，其厚度为1纳米到50纳米。所述的背电极，供选材料为金、铟、铝或铟镓混合物，厚度为10纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于，该太阳电池由第一透明导电薄膜层(11)、第一半导体纳米线(2)、第一绝缘聚合物层(31)、第二透明导电薄膜层(12)、等离激元陷光结构(4)、有机导电材料层(5)、硅衬底(6)、高掺杂半导体层(7)、第二半导体纳米线(8)、第二绝缘聚合物层(32)、和背电极(9)构成；其位置关系由上至下依次为第一透明导电薄膜层(11)、第一绝缘聚合物层(31)、第二透明导电薄膜层(12)、有机导电材料层(5)、硅衬底(6)、高掺杂半导体层(7)、第二绝缘聚合物层(32)和背电极(9)；其中第一半导体纳米线(2)顶部第一透明导电薄膜层(1)紧密接触，其底部与第二透明导电薄膜层(12)紧密接触，其它部分与第一绝缘聚合物层(31)紧密接触，等离激元陷光结构(4)分散在有机导电材料层(5)中或者分散在有机导电材料层(5)与硅衬底(6)界面处；第二半导体纳米线(8)顶部与高掺杂半导体层(7)紧密接触，其底部与背电极(9)紧密接触，其它部分与第二绝缘聚合物层(32)紧密接触。

【技术特征摘要】
1.一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于，该太阳电池由第一透明导电薄膜层(11)、第一半导体纳米线(2)、第一绝缘聚合物层(31)、第二透明导电薄膜层(12)、等离激元陷光结构(4)、有机导电材料层(5)、硅衬底(6)、高掺杂半导体层(7)、第二半导体纳米线(8)、第二绝缘聚合物层(32)、和背电极(9)构成；其位置关系由上至下依次为第一透明导电薄膜层(11)、第一绝缘聚合物层(31)、第二透明导电薄膜层(12)、有机导电材料层(5)、硅衬底(6)、高掺杂半导体层(7)、第二绝缘聚合物层(32)和背电极(9)；其中第一半导体纳米线(2)顶部第一透明导电薄膜层(1)紧密接触，其底部与第二透明导电薄膜层(12)紧密接触，其它部分与第一绝缘聚合物层(31)紧密接触，等离激元陷光结构(4)分散在有机导电材料层(5)中或者分散在有机导电材料层(5)与硅衬底(6)界面处；第二半导体纳米线(8)顶部与高掺杂半导体层(7)紧密接触，其底部与背电极(9)紧密接触，其它部分与第二绝缘聚合物层(32)紧密接触。2.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于，所述的第一半导体纳米线(2)为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线，间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间；第一半导体纳米线(2)长度为100纳米到1微米，直径为10纳米到200纳米；所述的第一半导体纳米线(2)对紫外至可见及红外波段的太阳光具有一定的吸收能力，为半导体纳米线PIN结，由上至下依次为p型半导体区域(21)、i型半导体区域(22)和n型半导体区域(23)，p型半导体区域(21)长度为第一半导体纳米线(2)长度的十分之一到三分之一，i型半导体区域(22)长度为第一半导体纳米线(2)长度的十分之八到三分之一，n型半导体区域(23)长度为第一半导体纳米线(2)长度的十分之一到三分之一；所述的半导体纳米线PIN结供选材料为镓铟磷、铝镓铟磷、铝镓砷、砷化镓或磷化铟宽带隙半导体材料；所述的第一半导体纳米线(2)或为下转换纳米结构，供选材料为镉锌硫或硒化镉纳米线，或铕Eu2+，Eu3+、铽Tb3+或钐Sm3+稀土元素掺杂纳米线，绝缘介质层(24)包覆在第一半导体纳米线(2)的侧表面，其高度低于半导体纳米线的高度，供选材料为氧化铝、二氧化硅或氮化硅绝缘介质材料，厚度为1纳米到20纳米。3.根据权利要求1所述的一种半导体纳米线型异质集成的太阳电池，其特征在于，所述的第二半导体纳米线(8)可为同一尺寸、同一材料的半导体纳米线，或可为不同尺寸、不同材料的半导体纳米线。所述的第二半导体纳米线(8)间距视其中的半导体纳米线个数决定，间距为10纳米到100纳米之间；所述的第二半导体纳米线(8)长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彤，苏丹，王善江，张晓阳，吴静远，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32