纳米复合材料及其在光电学中的应用制造技术

材料包括由其中分散有核/壳型的纳米颗粒的半导体或绝缘体透明材料制成的基体。纳米颗粒的核由半导体组成，且纳米颗粒的壳由选自氧化物TiO2和/或CeO2的材料形成。这些纳米复合材料尤其可以用作光电吸收器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及新的纳米复合材料,用于制造该纳米复合材料的方法和该纳米复合材料的应用，特别是作为光电吸收器的应用。具体地，本专利技术的材料可以用于制造使用吸收剂材料以将光子转换成电流的光伏电池或者任何类型的光电系统。本专利技术涉及光电元件领域，即涉及发光或与光相互作用的电子元件。
技术介绍
光伏电池是暴露于光(光子)时产生电的电子元件。得到的电流取决于入射光。所产生的电取决于照明条件。 光伏电池常常结合在太阳能光伏模组或太阳能面板，它们的数量基于所需的电功率而变化。光伏电池最常用地由半导体，主要基于硅(Si)的半导体以及有时诸如硒化铜铟(CuIn (Se)2或CuInGa(Se)2)或者碲化镉(CdTe)的其他半导体构成。这些电池一般采用放置在两个金属触点之间的薄片形式，电池的宽度为每个侧边约10厘米，所得装置的厚度大约是I毫米。光伏电池可由以各种配置结合的众多材料构成。“活性材料”的表述将用来表示将光转变成电子/空穴载流子的吸收剂材料。目前，已知道三代光伏电池是已知的第一代的活性材料基于单晶硅或多晶硅；第二代基于薄膜(活性材料无定形的、多晶形、微晶硅；CIGS ;CdTe，等等)而开发；且第三代直接从第二代中衍生，但包括用于收集光的先进概念。这些概念目标在于提高通过如下分类的各种方法收集的光量(i)提高入射光的光学散射；(ii)通过在此材料的膜中产生等离子体效应来提高活性材料的光学吸收；(iii)使活性材料与太阳光谱相匹配。在该第三方法中，活性材料常常使用多结与太阳光谱匹配，每个结用于吸收太阳光谱的特定部分。这是例如III-V族的双结或三结的情况(King等人，应用物理快报，90，(2007)，第 183516 页(King et al.，Applied Physics Letters,90, (2007)，p 183516)),这些结的组合致使太阳光谱的大部分被吸收。多结的每种材料具有特定的带隙并且在给定的光谱范围内吸收。为了满足使活性材料与太阳光谱相匹配的同样目的，另一种方法在于使用半导体纳米颗粒，半导体纳米颗粒的带隙取决于它们的尺寸以调节所吸收的光谱范围。直径小于5nm的半导体纳米颗粒一般具有这种性质。这尤其是对于硅纳米颗粒的情况，当微晶的尺寸从5nm降低到3nm的时候，硅纳米颗粒的带隙从I. IeV增加到2. 5eV。通常，为了它们能用于制造光电元件，这些纳米颗粒嵌入电介质基体以形成纳米复合材料。如果使用包括各种纳米材料(每种复合材料包含给定尺寸的纳米颗粒)的多层，则制造与太阳光谱中的所有光子(无论它们的能量如何)相互作用的多结光伏电池。将硅纳米颗粒用于光伏应用在几年前由M. Green等人提出，“在介电基体中中的基于使用硅量子点的“人造的”合成的半导体的全硅串联电池”，第20届欧洲光伏太阳能会议，巴塞罗那，2005. 6,第 3 页”(“All_silicon tandem cells basedon“artificial，，semiconductors synthesized using silicon quantum dots in a dielectricmatrix，，,Proceedingsof the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference,Barcelona,June 2005,p. 3”)。这些硅纳米粒子被称为“量子点”。一般地，用于制造这些纳米复合材料的技术包括真空沉积包含过量硅的膜，诸如SiOx (其中X < 2)，SiCy (其中y < I)或甚至SiNz(其中z< 4/3)。在高温(1100°C )下使这些化合物退火致使过量的硅沉积并形成硅纳米晶体。该技术的一个变体在于，交替沉积非常薄(通常l_5nm厚)的电介质与纯硅膜(A.K.Dutta，应用物理快报，68，9，(1996)，第 1189 页(A. K. Dutta, Applied Physics Letters ;68，9，(1996)，ρ· 1189))或 SiO 膜(Zacharias 等人,应用物理快报,80, (1996),第661 页(Zacharias etal. Applied Physics Letters, 80 (2002), p. 661))的多层并且使所生产的多层退火。因此，这些技术可以生产基于硅纳米颗粒或纳米晶体(称为通用术语硅量子点)的纳米复合材料，这些纳米颗粒或纳米晶体嵌入到二氧化硅基体中。相似的技术已经用于生产锗纳米晶体，大多往往通过使用CVD或PVD(J. Skov·Jensen等人,应用物理A, 83, (2006),第 41-8 页(J. Skov Jensen et al. ,Applied PhysicsA, 83, (2006), p 41-8))技术共沉积 Si(1_x)Gex 化合物(A. K. Dutta，应用物理快报，68，9，(1996)，第 1189 页；T. P. Leervad Pedersen 等人，应用物理 Α，81，(2005), % 1591-93 页(A. K. Dutta,Applied Physics Letters,68,9, (1996)，p 1189 ；T.P.Leervad Pedersen etal.，Applied Physics A, 81, (2005)，pl591_93))，随后进行退火步骤，通常在温度 800 和1000°C之间保持0. 5到2个小时。这种复合材料的光电行为是在纳米颗粒中光产生电荷载流子(电子或空穴)并通过基体传导的结果。如果基体由二氧化硅制成，此传导仅在纳米颗粒彼此接触或者与彼此非常接近时发生。为了提高电荷转移这个方面，最近提出的解决方案之一在于，将纳米颗粒嵌入到半导体(SiC)或导电氧化物(ΖηΟ，ΙΤ0, In2O3)基体中。目前正在研究这些解决方案，而且它们的可行性有待证明。除使用的沉积技术之外，还可通过分析该系统的热力学性质预测在使用导电氧化物的情况下难以控制纳米颗粒和基体之间的界面。这些材料基于由无论掺杂与否的导电氧化物如In203、IT0(In、Sn、0)或ZnO)制成的透明基体。半导体量子点或纳米颗粒被插入此基体中，这些量子点或纳米颗粒吸收太阳光并产生电子/空穴对。为了保持量子局限效应，这些纳米颗粒的直径在I到30nm之间变化，而且优选在I到15nm之间变化。由这些纳米颗粒制成的材料是最普通的共价半导体，如Si或Ge或它们的合金Si(1_x)Gex。还可使用被称作“II_VI族”的离子型材料如CdTe、CdSe,ZnTe和ZnSe，或甚至“III-V族”材料，如GaP、GaAs和InSb等。在任何情况下，将期望生成的理想结构是图I中示出的结构，其中(I. I)代表透明导电基体，(I. 2)代表硅纳米晶体。如果仅考虑共价半导体的使用，在氧化物基体中沉淀Si、Ge或SiGe纳米颗粒的传统技术中，需要在几百度的温度下退火。而且，该退火是不可缺少的，如果要生产无电子缺陷(引起电荷载流子再结合的阱)且具有光伏应用可接受的载流子迁移率的半导体纳米晶体。在这些条件下，而且由于由此形成的纳米复合材料的组成的热力学性质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.08 FR 10024101.一种材料，所述材料包括由其中分散有核/壳纳米颗粒的透明半导体或绝缘材料制成的基体，纳米颗粒的核由选自共价半导体Si、Ge和SiGe以及II-VI族或III-V族离子型半导体的半导体制成，且纳米颗粒的壳由选自氧化物TiO2和/或CeO2的材料制成。2.根据权利要求I所述的材料，其中，所述基体由选自无论掺杂与否的Si02、SiC、SiNx (x ( 4/3)、In2O3、ITO 和 ZnO 的材料制成。3.根据权利要求I或2所述的材料，其中，所述纳米颗粒的尺寸在I和30nm之间。4.根据权利要求I至3中任意一项所述的材料，其中，每个所述纳米颗粒具有尺寸在I和25nm之间的核。5.根据权利要求I至4中任意一项所述的材料，其中，每个所述纳米颗粒具有核，这些核都具有基本相同的尺寸。6.根据权利要求I至5中任意一项所述的材料,其中，所述核由选自Si；Ge ;和Si(1_x)Gex，其中X是数字且O. I彡X彡0.9的半导体制成。7.根据权利要求I至6中任意一项所述的材料，其中，所述基体中的纳米颗粒的浓度在I X IO16Cm 3 和 I X IO19Cm 3 之间。8.一种制品，所述制品通过层叠根据权利要求I至7中任意一项所述的材料的膜而形成。9.根据权利要求8所述的制品，所述制品包括I至10层的根据权利要求I至7中所述的材料的膜。10.根据权利要求8或9所述的制品，其中，层叠的材料的膜都包括由相同材料制成的基体。11.根据权利要求8至10中任意一项所述的制品，其中，所述层叠的材料的膜都基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾蒂安·凯内尔，
申请(专利权)人：原子能和替代能源委员会，
类型：
国别省市：