一种带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池及制备方法技术

带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池，包括p型硅衬底，p型硅衬底上设有渐变厚度的多层非晶硅/碳化硅膜结构，渐变厚度的非晶硅/碳化硅指硅量子点/碳化硅多层膜结构，由p型硅衬底、碳化硅本征层即i层和最外层的n型纳米晶硅膜构成的p-i-n电池结构；并在表面引出电极构成电池。p型硅衬底上往表面生长的每个氢化非晶硅/碳化硅的周期中非晶硅子层厚度是逐渐减薄的；p型硅衬底上或近p型硅衬底生长的非晶硅子层最厚，往表面生长的非晶硅子层最薄。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是属于新能源材料与新型太阳电池器件领域。尤其是涉及一种基于带隙渐变硅量子点多层膜结构的太阳电池及其制备。
技术介绍
硅是可大规模应用太阳电池的首选材料，但其带隙为1. leV，太阳光中的近红外和近紫外光子能量不能被充分吸收利用，有效响应光谱仅在500-900nm范围，因此存在所谓的单结的娃太阳电池效率的Shockley-Queisser极限。针对这一难题,为了解决获得高效率Si基太阳电池的关键问题，本专利技术利用制备出具有不同厚度的非晶硅膜/碳化硅多层 膜，通过后处理(热退火或激光退火)技术，在样品中获得尺寸渐变的硅量子点多层结构，而由于量子限制效应，不同尺寸的硅量子点具有不同的带隙，因此也就构成了带隙渐变的硅量子点多层膜，利用这种结构，可以设计成简单的宽光谱响应全硅基太阳电池，拓宽电池的 光谱响应范围，特别是对紫外-可见光的利用，这对于实现宽光谱响应的高效薄膜太阳电池有重要的意义和价值。能源是现代人类文明不断发展和进步的基石，随着作为常规能源的石油、天然气、煤炭等日益凸现的资源枯竭问题以及国际社会对环境问题的日益关注，发展可再生的新型绿色能源以代替传统能源已成为目前世界各国，无论是政府、还是公众或是研究机构，所关注的最重要的课题。大力研究和发展可再生能源，对于国民经济和社会的进一步发展无疑具有极其重要的研究意义与价值。在各种新能源当中，太阳能电池发电是被认为未来最有希望的主要能源来源之一，也是当前世界各国争相投入，大力研发的关键课题。作为未来希望大规模使用的太阳能电池，首要一条就是组成其材料的元素应该是非常丰富的。而半导体硅材料，在这一点上，具有其他材料所无法比拟的优势，它在地壳中的含量约为27%,居于第二位,仅次于氧兀素。同时,娃材料本身无毒无害，对环境是友好的，而基于硅材料的器件制作工艺也已相当成熟，因此，半导体硅是价廉物美的首选太阳能电池基质材料，硅基太阳能电池已成为当前和未来发展的主流。目前，基于单晶硅和多晶硅的太阳能电池已占据市场份额的90%。从技术角度看，自1953年，Bell实验室报道了世界上第一个单晶硅太阳能电池以来，太阳能电池经历了从第一代，即基于单晶硅晶片和半导体微加工技术的太阳能电池，到第二代，即基于多晶硅(微晶硅)、非晶硅等材料并与薄膜技术相结合的太阳能电池。目前硅基太阳能电池的最大问题仍是其效率-成本问题，薄膜太阳能电池虽然成本较之第一代有明显下降，但也同时牺牲了电池的光电转换效率。因此，发展高效率，低成本的第三代硅基太阳能电池已成为目前人们所关注的前沿研究课题之一，是世界范围内应对能源危机所追求的重大研发目标，其研究的科学意义，应用前景以及重要性都是不言而喻的。半导体太阳能电池一般是利用半导体pn结的光生伏特效应来进行光电转换的。半导体单晶硅室温下带隙为1. leV，正好落在太阳光辐射谱的峰值附近，有比较高的光电能量转换效率。早在上个世纪60年代初，ff. Shockley和H. J. Queisser就分析了基于单pn结的单晶硅太阳能电池的理论上的最高转换效率，提出其极限光电转换效率大约为30%，这被人们称为Shockley-Queisser极限。从根本上说，Si单晶太阳电池转换效率的理论极限是由于电池对太阳光辐射的非全谱响应造成的。长于Si吸收限(IlOOnm)的光未能被材料充分吸收利用，而短波长的紫外光虽然可以被Si吸收，但它激发的过热的光生载流子弛豫(弛豫时间在ps量级)到带底时，其动能大部转化为热能，而短波光的吸收层又很靠近表面，即使是弛豫到带底的载流子也大部被界面态复合，因此太阳辐射的短波光也未能为电池充分利用。这样，能量低于材料带隙的长波长光子和能量较高的短波长光子均不能被有效地利用，其有效响应光谱仅在500nm-900nm范围，从而导致有很大的能量损失。为了突破Shockley-Queisser极限，问题的关键就是在Si基质材料上研究出能对长波长和短波长的光均能产生有效响应的新结构、新材料。其中之一就是通过调控半导体的能带结构，增加具有不同带隙的材料数目以匹配太阳光谱，即构建叠层太阳能电池是解决上述能量损失的有效方法，这在πι-v族半导体太阳能电池已得到验证。但对于单晶硅和多晶硅薄膜，尚无法获得叠层太阳能电池，非晶半导体虽然可以形成叠层太阳能电池，但由于其存在着光致衰退现象以及无序结构导致的电池转换效率低下等问题，使得非晶半导体太阳能电池的发展受到阻碍。近几年来，随着纳米材料制备技术和纳米科学的发展，硅基纳米结构材料逐渐引起了人们的重视。采用硅基纳米材料，可以得到比单晶硅带隙大的可控宽带隙纳米硅薄膜，有利于提高近紫外-可见光波段的光谱吸收，因此设计和制备基于半导体硅基纳米材料与结构的宽光谱吸收的太阳能电池已成为目前研究和发展的重点方向之一 。近来，国外著名的太阳能电池研究机构，例如美国新能源实验室(NREL)，澳大利亚新南威尔士大学小组，日本东京工业大学等单位都正在开展这方面的研究工作。澳大利亚的M. Green等人提出了全硅基太阳电池的概念，并从理论上讨论了多结硅基电池的结构和效率，在2结的情况，转换效率可以达到42. 5%，而在3结的情况，可以得到47. 5%的转换效率。但为了实现这一叠层太阳电池结构，就需要利用不同尺寸的硅纳米材料分别构成子电池，这样不仅增加了工艺难度，而且子电池之间需要利用重掺杂半导体层构成隧道结，增加电池界面层数，会造成载流子在界面上的复合损失，另外一个重要问题就是各个子电池之间的电流匹配很难实现，这就使得硅量子点叠层电池的效率提高受到了极大限制。 从技术上说，虽然纳米Si结构是实现短波光有效吸收的重要途径，但目前所用的纳米硅材料制备方法一般是通过高温退火由富硅氧化硅形成镶嵌型的纳米硅薄膜，为了得到不同尺寸的纳米硅构成的子电池，就需要分别制备出具有不同组分比富硅氧化硅薄膜， 并构成子电池，这样在纳米Si中产生的光生载流子很难通过绝缘的SiO2输运到两侧的电极，形成光电流。另一方面，界面过多，界面态作为复合中心或陷阱，使得通过结的光生电流下降，再则纳米硅晶粒的尺寸及分布呈随机形态，不利于传输通道的隧道运作，最终导致开路电压下降(实测的开路电压仅为463mV) ，收集效率和转换效率下降。参考文献 Mart in A. Green. The Path to 25 percent Silicon Solar Cell Efficiency:History of Silicon Cell Evolution.Progress in PhotoVoltaics 17(2009) 183 ；W. Shockley, H. J. Queisser，J. App1. Phys. 32 (1961) 510 ； E. C. Cho, M. A. Green, G. Conibeer et al·，Advances in Optoelectronics2007(2007) I ；A. Slaoui and R. T. Collins, MRS Bulletin 32(2007)211 ； A. Luque and A. Marti, Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 5014 ；M. A. Green, Thi本文档来自技高网...

【技术保护点】
带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池，其特征是包括p型硅衬底，p型硅衬底上设有渐变厚度的多层非晶硅/碳化硅膜结构，渐变厚度的非晶硅/碳化硅指硅量子点/碳化硅多层膜结构，由p型硅衬底、碳化硅本征层即i层和最外层的n型纳米晶硅膜构成的p?i?n电池结构；并在表面引出电极构成电池。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐骏，曹蕴清，绪欣，李淑鑫，芮云军，李伟，徐岭，陈坤基，孙胜华，张晓伟，陆鹏，许杰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：