一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池及制备方法技术

一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，其特征在于，包括：径向pn结、重掺杂隧道结、电介质薄膜、衬底、透明电极、背电极；其中：径向pn结，包括纳米线和壳层，壳层位于纳米线外侧，所述径向pn结至少为二个，沿纳米线轴向方向排列；位于上一节的径向pn结的材料的带隙宽度比位于下一节的径向pn结的材料的带隙宽度大；重掺杂隧道结，位于二节径向pn结之间；电介质薄膜，包裹于径向pn结和重掺杂隧道结的外侧；衬底，位于所述器件的底层；透明电极，位于所述器件的顶层；背电极，位于衬底的底面。本发明专利技术提供的技术方案充分结合了纳米线径向pn结高的转化效率和轴向多节结构宽的吸收光谱的优点，进一步提高了器件的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米工程和纳米材料应用
，特别涉及。
技术介绍
太阳能电池作为一种清洁的可再生能源，近年来受到了人们的广泛关注。II1-V族半导体材料由于其直接带隙的特点，具有更高的光电转换效率，比传统的硅薄膜材料有明显优势。此外，将不同带隙的材料串联起来形成多节太阳能电池，可以进一步拓展光谱的吸收范围，达到极高的转换效率。目前，多节薄膜材料II1-V族太阳能电池的转换效率已经接近 40%[Martin A. Green, et al. , Prog. Photovolt: Res. Appl. 2012; 20:12-20] 然而，由于不同节材料之间存在晶格失配，多节结构的晶体质量受到很大挑战。此外，随着节数的增多，器件的制备成本也随之提高。近年来，半导体纳米线以其独特的结构和优越的性能受到了国内外的广泛关注，基于II1-V族纳米线的激光器、·发光二极管、光电探测器、场效应管等已纷纷问世，并展现出广阔的应用前景[Ruoxue Yan, et al. ,Nature Photonics, Vol. 3,2009 ；Ke Sun, et al.,IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 17,4, 2011]。由于其独特的一维几何结构，纳米线具有在侧面释放应力的能力，可以方便地沿轴向串接多节材料，也使其与异质衬底(如廉价的Si衬底)的集成成为可能。加之其还具有使用材料较少、对光的吸收率高等诸多优点，纳米线有望用来制备极低成本、极高效率的新一代太阳能电池。太阳能电池的核心是pn (pin)结。与薄膜材料不同,基于纳米线的pn结分为轴向pn结和径向pn结两类。与轴向pn结相比,径向pn结具有吸收面积更大、光的吸收路径与载流子分离方向正交、载流子收集距离短等诸多优点，从而极大地提高了转换效率[BozhiTian et al.，Chem. Soc. Rev.，Vol. 38,2009]。然而，若想进一步拓宽光谱吸收范围而沿纳米线径向生长多层不同材料的pn结，将会面临晶格失配带来的晶体质量下降的问题，最终影响器件性能；而现有技术的的轴向多节纳米线太阳能电池则因其结构缺陷限制了转换效率。因此，现有技术中的单一结构的纳米线轴向多节太阳能电池、纳米线径向多节太阳能电池是无法实现器件性能最优化的。
技术实现思路
本专利技术提供，以解决现有技术中单一结构的纳米线轴向多节太阳能电池、纳米线径向多节太阳能电池无法进一步提升性能的问题。本专利技术提供的一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，包括径向pn结，包括纳米线和壳层，壳层位于纳米线外侧，所述径向pn结至少为二个，沿纳米线轴向方向排列；位于上一节的径向pn结的材料的带隙宽度比位于下一节的径向pn结的材料的带隙宽度大；重掺杂隧道结，位于二节径向pn结之间；电介质薄膜，包裹于径向pn结和重掺杂隧道结的外侧；衬底，位于所述器件的底层；透明电极，位于所述器件的顶层；背电极，位于衬底的底面。进一步,本专利技术所述的太阳能电池,所述电介质薄膜略高于每一节的径向pn结的纳米线的底部，以避免位于上一节的径向pn结的壳层与其下方的重掺杂隧道结或者衬底相接触。进一步，本专利技术所述的太阳能电池，位于最底层的径向pn结的材料是IV族单质半导体或者II1-V族化合物半导体。进一步，本专利技术所述的太阳能电池，位于最底层的径向pn结的材料是锗晶体或者铟砷化镓晶体。 进一步，本专利技术所述的太阳能电池，位于最底层以上的各节的径向pn结的材料是II1-V族化合物半导体。进一步，本专利技术所述的太阳能电池，其中，所述隧道结的材料是II1-V族化合物半导体；所述衬底的材料是砷化镓晶体或者锗晶体；所述电介质薄膜的材料是二氧化硅或者聚酰亚胺； 所述透明电极的材料是镍金合金或者铟锡金属氧化物；所述背电极的材料是镍金合金或者钼钛钼金合金。进一步，本专利技术所述的太阳能电池，所述径向pn结的数量是2至4个。进一步，本专利技术所述的太阳能电池，对于有3个径向pn结的太阳能电池，从最底层向最顶层，径向pn结的材料依次为锗、铟砷化镓、磷化铟镓；或者依次为铟砷化镓、铟砷化镓、磷化铟镓；或者，对于有4个径向pn结的太阳能电池，从最底层向最顶层,径向pn结的材料依次为错、氣神化钢嫁、钢神化嫁、憐化钢嫁；或者依次为铟砷化镓、铟砷化镓、砷化招镓、磷化铟镓。本专利技术提供的一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池的制备方法，包括步骤S100,生长第一节径向pn结；包括步骤SlOl，在η型或者ρ型衬底上沉积金属纳米颗粒或金属薄膜，退火后形成纳米合金颗粒；步骤S102，以所述纳米合金颗粒作为催化物，沿垂直于衬底方向生长η型或者ρ型纳米线；步骤S103，结束所述η型或者ρ型纳米线的生长，在其上沉积一层电介质薄膜；步骤S104，通过腐蚀工艺，将所述电介质薄膜腐蚀至仅剩覆盖衬底的一层；步骤S105，增高生长温度，在所述η型或者ρ型纳米线的外侧生长P型或者η型径向pn结的壳层,形成第一节径向pn结；步骤S200，生长第二节的径向pn结；包括，步骤S201，降低至合适温度，在所述径向pn结的纳米线顶端继续生长重掺杂隧道结；步骤S202，在所述重掺杂隧道结上继续生长η型或者ρ型纳米线；步骤S203，结束所述η型或者ρ型纳米线的生长，在其上沉积一层电介质薄膜； 步骤S204，通过腐蚀工艺，将所述电介质薄膜腐蚀至略高于刚生长的η型或者ρ型纳米线的底部；步骤S205，提高生长温度，在上述η型或者ρ型纳米线的外侧生长P型或者η型径向pn结的壳层,形成第二节径向pn结；步骤S300，重复步骤S2，完成后续各节径向pn结的生长；步骤S400，结束所述径向pn结的生长，在其上镀一层透明电极，并在衬底的背侧镀一层电极，即背电极。进一步，本专利技术所述的太阳能电池的制备方法，所述第一节径向pn结的材料是IV族单质半导体或者II1-V族化合物半导体。进一步,本专利技术所述的太阳能电池的制备方法,所述第一节径向pn结的材料是锗晶体或者铟砷化镓晶体。进一步，本专利技术所述的太阳能电池的制备方法，第二节及后续各节的径向pn结的材料是II1-V族化合物半导体。 进一步，本专利技术所述的太阳能电池的制备方法，其中，所述隧道结的材料是II1-V族化合物半导体；所述衬底的材料是砷化镓晶体或者锗晶体；所述电介质薄膜的材料是二氧化硅或者聚酰亚胺；所述透明电极的材料是镍金合金或者铟锡金属氧化物；所述背电极的材料是镍金合金或者钼钛钼金合金。本专利技术提供的一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，利用MOCVD生长方法，以纳米合金颗粒作为催化物，通过调整生长温度，生长基于不同材料的纳米线径向Pn结。并利用重掺杂的隧道结，实现上述径向pn结的轴向串联。同时，利用SiO2等电介质薄膜，使每一节径向Pn结的壳层与其下方的隧道结或衬底隔开，避免形成附加pn结而造成干扰，其有益效果在于充分结合了纳米线径向pn结高的转化效率和轴向多节结构宽的吸收光谱的优点，由于径向Pn结的纳米线的光吸收区面积大，光吸收路径与光生载流子产生、分离、收集路径正交，载流子分离距离短，可以有效提高光能量的吸收效率；其次纳米线在轴向上容忍位错能力强，而且可以生长多节异质结构，将多节径向pn结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，其特征在于，包括：径向pn结，包括纳米线和壳层，壳层位于纳米线外侧，所述径向pn结至少为二个，沿纳米线轴向方向排列；位于上一节的径向pn结的材料的带隙宽度比位于下一节的径向pn结的材料的带隙宽度大；重掺杂隧道结，位于二节径向pn结之间；电介质薄膜，包裹于径向pn结和重掺杂隧道结的外侧；衬底，位于所述器件的底层；透明电极，位于所述器件的顶层；背电极，位于衬底的底面。

【技术特征摘要】
1.一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池，其特征在于，包括径向pn结,包括纳米线和壳层,壳层位于纳米线外侧,所述径向pn结至少为二个,沿纳米线轴向方向排列；位于上一节的径向pn结的材料的带隙宽度比位于下一节的径向pn结的材料的带隙宽度大；重掺杂隧道结，位于二节径向pn结之间；电介质薄膜，包裹于径向Pn结和重掺杂隧道结的外侧；衬底，位于所述器件的底层；透明电极，位于所述器件的顶层；背电极，位于衬底的底面。2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述电介质薄膜略高于每一节的径向pn结的纳米线的底部。3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，位于最底层的径向pn结的材料是 IV族单质半导体或者II1-V族化合物半导体。4.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，位于最底层的径向pn结的材料是锗晶体或者铟砷化镓晶体。5.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，位于最底层以上的各节的径向pn 结的材料是II1-V族化合物半导体。6.根据权利要求1至5任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述隧道结的材料是II1-V族化合物半导体；所述衬底的材料是砷化镓晶体或者锗晶体；所述电介质薄膜的材料是二氧化硅或者聚酰亚胺；所述透明电极的材料是镍金合金或者铟锡金属氧化物；所述背电极的材料是镍金合金或者钼钛钼金合金。7.根据权利要求6所述的太阳能电池，其特征在于，所述径向pn结的数量是2至4个。8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，对于有3个径向pn结的太阳能电池，从最底层向最顶层，径向pn结的材料依次为锗、 铟砷化镓、磷化铟镓；或者依次为铟砷化镓、铟砷化镓、磷化铟镓；或者，对于有4个径向pn结的太阳能电池，从最底层向最顶层，径向pn结的材料依次为锗、 氮砷化铟镓、铟砷化镓、磷化铟镓；或者依次为铟砷化镓、铟砷化镓、砷化招镓、磷化铟镓。9.一种基于多节纳米线径向pn结的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤S100,生长第一节径向pn结；包括步骤SlOI,在η型或...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜鑫，张霞，李军帅，王思佳，黄永清，任晓敏，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：