一種可控陣列納米線太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池技術(shù)，尤其涉及一種可控陣列納米線太陽(yáng)能電池及其制備 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體納米線結(jié)構(gòu)晶體質(zhì)量高、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)良好，使其在納米器件，比如光電 轉(zhuǎn)換器件、高效率發(fā)光器件、場(chǎng)效應(yīng)器件、傳感器件、單電子存儲(chǔ)器件和單光子器件等，領(lǐng)域 有很大的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，能源問題成為影響世界各國(guó)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性問題，發(fā)展以 太陽(yáng)能電池為代表的可再生能源技術(shù)顯得日益重要，電池光電轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高始終 是人們追求的目標(biāo)之一?？煽仃嚵屑{米線具有光子晶體效應(yīng)和小尺寸聚光效應(yīng)，是太陽(yáng)能 電池光電轉(zhuǎn)換效率得以提高的有效途徑。
[0003] 根據(jù)所用材料不同，太陽(yáng)能電池可分為：硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電 池、聚合物多層太陽(yáng)能電池、有機(jī)太陽(yáng)能電池、塑料太陽(yáng)能電池、染料敏化太陽(yáng)能電池、納米 晶太陽(yáng)能電池等。納米晶太陽(yáng)能電池具有成本低、轉(zhuǎn)換效率穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具有很大 的應(yīng)用市場(chǎng)，但是，納米晶體排列隨機(jī)、可控性差，降低了太陽(yáng)能電池的性能。然而，原生長(zhǎng) 的納米線結(jié)構(gòu)，表面形貌良好、晶體質(zhì)量高，并且陣列納米線具有光子晶體效應(yīng)和小尺寸聚 光效應(yīng)可進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)光的吸收，達(dá)到提高太陽(yáng)能電池開路電壓、短路電流和填充因 子的目的，因此，陣列納米線太陽(yáng)能電池迫在眉睫。
[0004] 目前制備陣列納米線太陽(yáng)能電池的方法主要包括，自組織生長(zhǎng)納米線結(jié)構(gòu)和利用 自上而下技術(shù)制備納米線結(jié)構(gòu)。但是，前者可控性太差，后者會(huì)引入其他缺陷，從而導(dǎo)致可 控陣列納米線太陽(yáng)能電池難以實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種可控陣列納米線太陽(yáng)能電池及 其制備方法，能夠制備出可控陣列納米線太陽(yáng)能電池，通過(guò)對(duì)納米線的周期、直徑的調(diào)控增 強(qiáng)陣列納米線太陽(yáng)能電池的光吸收效率，從而制備出具有較大開路電壓、短路電流和填充 因子的高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池。
[0006] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種可控陣列納米線太陽(yáng)能電池。
[0007] 本發(fā)明的可控陣列納米線太陽(yáng)能電池包括：襯底、N型摻雜層、N型納米線、多量子 阱、P型摻雜層、絕緣材料、P型電極和N型電極；其中，在襯底上生長(zhǎng)N型摻雜層；在N型摻 雜層的一部分上形成周期性排布的N型納米線，構(gòu)成陣列納米線，與襯底的表面垂直；在N 型納米線外生長(zhǎng)多量子阱包裹N型納米線，構(gòu)成核-殼結(jié)構(gòu)；在核-殼結(jié)構(gòu)外生長(zhǎng)P型摻 雜層，包裹核-殼結(jié)構(gòu)；在生長(zhǎng)了P型摻雜層的核-殼結(jié)構(gòu)之間填充絕緣材料，并且絕緣材 料不覆生長(zhǎng)了P型摻雜層的蓋核-殼結(jié)構(gòu)的頂端；在包裹核-殼結(jié)構(gòu)的P型摻雜層的頂端 形成P型電極；在N型摻雜層的一部分上形成N型電極；N型納米線的材料采用II-VI族或 III-V族的材料；N型納米線的材料、摻雜的濃度和摻雜原子均與N型摻雜層一致。
[0008] N型納米線采用III-V族的材料，摻雜為Si;N型納米線采用II-VI族的材料，摻 雜為A1。
[0009] 多量子阱為11，1族三元合金八(11)3(11)1:;(：(￥1)，或111，族三元合金八(111) XB(III)iXC(V)，X為II族或III族元素A的組分，1-x為II族或III族元素B的組分，這 里的組分是指II族的元素與VI族的元素或者III族的元素與V族的元素的原子數(shù)目比， 其中勢(shì)皇層為B(II)C(VI)或B(III)C(V)，與N型納米線的材料相同。
[0010] 陣列納米線的圖形的排布可以是等間距排布的二維點(diǎn)陣，也可以是矩形排布的二 維點(diǎn)陣。
[0011] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種可控陣列納米線太陽(yáng)能電池的制備方法。
[0012] 本發(fā)明的可控陣列納米線太陽(yáng)能電池的制備方法，用于制備II-VI族或III-V族 的陣列納米線太陽(yáng)能電池，包括以下步驟：
[0013] 1)選取半導(dǎo)體材料中生長(zhǎng)速率最快的晶面作為襯底；
[0014] 2)在襯底上預(yù)生長(zhǎng)N型摻雜層；
[0015] 3)根據(jù)陣列納米線的形狀，設(shè)計(jì)圖形化襯底的圖形，在N型摻雜層上制備圖形化 襯底；
[0016] 4)對(duì)圖形化襯底進(jìn)行預(yù)處理，使圖形化襯底的表面潔凈；
[0017] 5)根據(jù)圖形化襯底，選擇N型納米線的生長(zhǎng)條件，在潔凈的圖形化襯底上生長(zhǎng)周 期性的排布的N型納米線，形成陣列納米線；
[0018] 6)在N型納米線上生長(zhǎng)多量子講，包裹N型納米線，形成核-殼結(jié)構(gòu)；
[0019] 7)在N型納米線和多量子阱構(gòu)成的核-殼結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)P型摻雜層，包裹核-殼結(jié) 構(gòu)；
[0020] 8)利用透明的絕緣材料填充生長(zhǎng)了P型摻雜層的核-殼結(jié)構(gòu)之間的空隙，并使生 長(zhǎng)了P型摻雜層的蓋核-殼結(jié)構(gòu)的頂端不被絕緣材料覆蓋；
[0021] 9)利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件制備工藝，臺(tái)面刻蝕，露出N型摻雜層，形成互相獨(dú)立的 單元，在包裹核-殼結(jié)構(gòu)的P型摻雜層的頂端形成P型電極，在露出的N型摻雜層的一部分 上形成N型電極。
[0022] 其中，在步驟1)中，選擇襯底的表面，在其上生長(zhǎng)N型納米線的材料沿襯底的表面 法線方向的生長(zhǎng)速率大于其他方向的生長(zhǎng)速率。在襯底上生長(zhǎng)的N型納米線的方向沿其法 線方向，生長(zhǎng)N型納米線的材料沿襯底的材料表面法線方向的生長(zhǎng)速率越大，N型納米線的 取向越均勻一致，并且N型納米線的直徑尺寸能得到有效控制。
[0023] 在步驟2)中，襯底上進(jìn)行N型摻雜層的預(yù)生長(zhǎng)需要考慮N型摻雜濃度和N型摻雜 層的厚度。N型摻雜濃度在5X1018~lX1019cm3之間，確保后續(xù)的N型電極能夠形成良好 的歐姆接觸，并且表面具有原子級(jí)平整度；N型摻雜層的厚度在0. 5~1μm之間，既要滿足 后續(xù)圖形化襯底的制備要求，又要保證后續(xù)工藝中能夠形成良好的臺(tái)面結(jié)構(gòu)。
[0024]在步驟3)中，設(shè)計(jì)圖形化襯底的圖形是指，確定陣列納米線的周期（0. 5~1μπι) 和直徑（50~200nm)，根據(jù)陣列納米線的周期和直徑，設(shè)計(jì)圖形化襯底的圖形排布和直徑。 圖形化襯底的圖形為周期性的孔狀二維點(diǎn)陣。陣列納米線的圖形的排布可以是等間距排布 的二維點(diǎn)陣，也可以是矩形排布的二維點(diǎn)陣?？椎闹睆絛決定N型納米線的直徑D，N型納 米線的直徑D略大于孔直徑d，二者之比D/d的值在1~2之間。圖形化襯底的制備方法包 括：納米壓印技術(shù)、電子束曝光EBL和聚焦離子束FIB等。
[0025] 在步驟4)中，對(duì)圖形化襯底的預(yù)處理包括：對(duì)已制備的圖形化襯底進(jìn)行化學(xué)清 洗，然后進(jìn)行高溫烘烤，除去表面的雜質(zhì)原子，從而使得圖形化襯底的表面潔凈。
[0026] 在步驟5)中，生長(zhǎng)N型納米線的方法包括：分子束外延MBE、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相 沉積M0CVD、化學(xué)氣相沉積CVD和脈沖激光沉積PLD等，生長(zhǎng)方法決定了生長(zhǎng)速率。N型納 米線的材料采用II-VI族或III-V族的材料，需根據(jù)圖形化襯底的具體尺寸確定N型納米 線的生長(zhǎng)條件：首先，根據(jù)生長(zhǎng)速率v確定VI族或V族原子的原子束流匕，滿足關(guān)系F1 = hv，其中，h為系數(shù)，與N型納米線材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)；然后，根據(jù)所設(shè)計(jì)圖形化襯底的周 期和直徑來(lái)確定II族或III族原子束流匕，匕與圖形化襯底的周期和N型納米線的直徑D 有關(guān)，滿足關(guān)系式：F2=kW2/!^2,或者F2=k2DV(L2L3)，其中，k2為系數(shù)，與生長(zhǎng)陣列納米線 所采用的生長(zhǎng)方法有關(guān)，Q為等間距排布的二維點(diǎn)陣中，相鄰兩點(diǎn)之間的距離，L2和L3分別 為矩形排布的二維點(diǎn)陣中的行間距和列間距。同時(shí)，還需確保N型納米線的摻雜濃度和步 驟1)中