帶隙漸變硅量子點多層膜的太陽電池，包括p型硅襯底，p型硅襯底上設有漸變厚度的多層非晶硅/碳化硅膜結構，漸變厚度的非晶硅/碳化硅指硅量子點/碳化硅多層膜結構，由p型硅襯底、碳化硅本征層即i層和最外層的n型納米晶硅膜構成的p-i-n電池結構；并在表面引出電極構成電池。p型硅襯底上往表面生長的每個氫化非晶硅/碳化硅的周期中非晶硅子層厚度是逐漸減薄的；p型硅襯底上或近p型硅襯底生長的非晶硅子層最厚，往表面生長的非晶硅子層最薄。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術是屬于新能源材料與新型太陽電池器件領域。尤其是涉及一種基于帶隙漸變硅量子點多層膜結構的太陽電池及其制備。
技術介紹
硅是可大規模應用太陽電池的首選材料，但其帶隙為1. leV，太陽光中的近紅外和近紫外光子能量不能被充分吸收利用，有效響應光譜僅在500-900nm范圍，因此存在所謂的單結的娃太陽電池效率的Shockley-Queisser極限。針對這一難題,為了解決獲得高效率Si基太陽電池的關鍵問題，本專利技術利用制備出具有不同厚度的非晶硅膜/碳化硅多層 膜，通過后處理(熱退火或激光退火)技術，在樣品中獲得尺寸漸變的硅量子點多層結構，而由于量子限制效應，不同尺寸的硅量子點具有不同的帶隙，因此也就構成了帶隙漸變的硅量子點多層膜，利用這種結構，可以設計成簡單的寬光譜響應全硅基太陽電池，拓寬電池的 光譜響應范圍，特別是對紫外-可見光的利用，這對于實現寬光譜響應的高效薄膜太陽電池有重要的意義和價值。能源是現代人類文明不斷發展和進步的基石，隨著作為常規能源的石油、天然氣、煤炭等日益凸現的資源枯竭問題以及國際社會對環境問題的日益關注，發展可再生的新型綠色能源以代替傳統能源已成為目前世界各國，無論是政府、還是公眾或是研究機構，所關注的最重要的課題。大力研究和發展可再生能源，對于國民經濟和社會的進一步發展無疑具有極其重要的研究意義與價值。在各種新能源當中，太陽能電池發電是被認為未來最有希望的主要能源來源之一，也是當前世界各國爭相投入，大力研發的關鍵課題。作為未來希望大規模使用的太陽能電池，首要一條就是組成其材料的元素應該是非常豐富的。而半導體硅材料，在這一點上，具有其他材料所無法比擬的優勢，它在地殼中的含量約為27%,居于第二位,僅次于氧兀素。同時,娃材料本身無毒無害，對環境是友好的，而基于硅材料的器件制作工藝也已相當成熟，因此，半導體硅是價廉物美的首選太陽能電池基質材料，硅基太陽能電池已成為當前和未來發展的主流。目前，基于單晶硅和多晶硅的太陽能電池已占據市場份額的90%。從技術角度看，自1953年，Bell實驗室報道了世界上第一個單晶硅太陽能電池以來，太陽能電池經歷了從第一代，即基于單晶硅晶片和半導體微加工技術的太陽能電池，到第二代，即基于多晶硅(微晶硅)、非晶硅等材料并與薄膜技術相結合的太陽能電池。目前硅基太陽能電池的最大問題仍是其效率-成本問題，薄膜太陽能電池雖然成本較之第一代有明顯下降，但也同時犧牲了電池的光電轉換效率。因此，發展高效率，低成本的第三代硅基太陽能電池已成為目前人們所關注的前沿研究課題之一，是世界范圍內應對能源危機所追求的重大研發目標，其研究的科學意義，應用前景以及重要性都是不言而喻的。半導體太陽能電池一般是利用半導體pn結的光生伏特效應來進行光電轉換的。半導體單晶硅室溫下帶隙為1. leV，正好落在太陽光輻射譜的峰值附近，有比較高的光電能量轉換效率。早在上個世紀60年代初，ff. Shockley和H. J. Queisser就分析了基于單pn結的單晶硅太陽能電池的理論上的最高轉換效率，提出其極限光電轉換效率大約為30%，這被人們稱為Shockley-Queisser極限。從根本上說，Si單晶太陽電池轉換效率的理論極限是由于電池對太陽光輻射的非全譜響應造成的。長于Si吸收限(IlOOnm)的光未能被材料充分吸收利用，而短波長的紫外光雖然可以被Si吸收，但它激發的過熱的光生載流子弛豫(弛豫時間在ps量級)到帶底時，其動能大部轉化為熱能，而短波光的吸收層又很靠近表面，即使是弛豫到帶底的載流子也大部被界面態復合，因此太陽輻射的短波光也未能為電池充分利用。這樣，能量低于材料帶隙的長波長光子和能量較高的短波長光子均不能被有效地利用，其有效響應光譜僅在500nm-900nm范圍，從而導致有很大的能量損失。為了突破Shockley-Queisser極限，問題的關鍵就是在Si基質材料上研究出能對長波長和短波長的光均能產生有效響應的新結構、新材料。其中之一就是通過調控半導體的能帶結構，增加具有不同帶隙的材料數目以匹配太陽光譜，即構建疊層太陽能電池是解決上述能量損失的有效方法，這在πι-v族半導體太陽能電池已得到驗證。但對于單晶硅和多晶硅薄膜，尚無法獲得疊層太陽能電池，非晶半導體雖然可以形成疊層太陽能電池，但由于其存在著光致衰退現象以及無序結構導致的電池轉換效率低下等問題，使得非晶半導體太陽能電池的發展受到阻礙。近幾年來，隨著納米材料制備技術和納米科學的發展，硅基納米結構材料逐漸引起了人們的重視。采用硅基納米材料，可以得到比單晶硅帶隙大的可控寬帶隙納米硅薄膜，有利于提高近紫外-可見光波段的光譜吸收，因此設計和制備基于半導體硅基納米材料與結構的寬光譜吸收的太陽能電池已成為目前研究和發展的重點方向之一 。近來，國外著名的太陽能電池研究機構，例如美國新能源實驗室(NREL)，澳大利亞新南威爾士大學小組，日本東京工業大學等單位都正在開展這方面的研究工作。澳大利亞的M. Green等人提出了全硅基太陽電池的概念，并從理論上討論了多結硅基電池的結構和效率，在2結的情況，轉換效率可以達到42. 5%，而在3結的情況，可以得到47. 5%的轉換效率。但為了實現這一疊層太陽電池結構，就需要利用不同尺寸的硅納米材料分別構成子電池，這樣不僅增加了工藝難度，而且子電池之間需要利用重摻雜半導體層構成隧道結，增加電池界面層數，會造成載流子在界面上的復合損失，另外一個重要問題就是各個子電池之間的電流匹配很難實現，這就使得硅量子點疊層電池的效率提高受到了極大限制。 從技術上說，雖然納米Si結構是實現短波光有效吸收的重要途徑，但目前所用的納米硅材料制備方法一般是通過高溫退火由富硅氧化硅形成鑲嵌型的納米硅薄膜，為了得到不同尺寸的納米硅構成的子電池，就需要分別制備出具有不同組分比富硅氧化硅薄膜， 并構成子電池，這樣在納米Si中產生的光生載流子很難通過絕緣的SiO2輸運到兩側的電極，形成光電流。另一方面，界面過多，界面態作為復合中心或陷阱，使得通過結的光生電流下降，再則納米硅晶粒的尺寸及分布呈隨機形態，不利于傳輸通道的隧道運作，最終導致開路電壓下降(實測的開路電壓僅為463mV) ，收集效率和轉換效率下降。參考文獻 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本文檔來自技高網...
【技術保護點】
帶隙漸變硅量子點多層膜的太陽電池，其特征是包括p型硅襯底，p型硅襯底上設有漸變厚度的多層非晶硅/碳化硅膜結構，漸變厚度的非晶硅/碳化硅指硅量子點/碳化硅多層膜結構，由p型硅襯底、碳化硅本征層即i層和最外層的n型納米晶硅膜構成的p?i?n電池結構；并在表面引出電極構成電池。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：徐駿，曹蘊清，緒欣，李淑鑫，芮云軍，李偉，徐嶺，陳坤基，孫勝華，張曉偉，陸鵬，許杰，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：
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