[发明专利]基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与新能源技术领域，尤其涉及一种基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能的装置。光线照射在太阳能电池上，具有足够能量的光子能够将电子激发，产生电子-空穴对。电子-空穴对在内建电场的作用下被分离，进而产生光伏效应。然而，自然条件下太阳光的能量密度较小，目前的太阳能电池又存在光电转化效率较低、制造成本较高等不足，这直接导致了太阳电能在整个能源结构中所占比例微乎其微。目前，商业化电池主要以硅太阳电池为主，其中单晶硅电池的实验室效率已达到24.7%。但是，由于硅是间接带隙半导体，要实现光的吸收需要的硅片厚度约为500 μm，因此，要降低晶体硅太阳能电池的成本需要引进复杂的表面减反射技术或绒面制备工艺，成本较高且制备工艺较复杂。

研究表明，采用相对简单的水热腐蚀技术制备的硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)，可以实现在可见光区域积分反射率小于2%；另一方面，以ZnO、CdS、ZnS等为代表的Ⅱ-Ⅵ 族宽带隙化合物半导体具有可调的光致发光特性、宽谱带光透明性和高电导率等特点，均为n型半导体。因此，如何能够在保证较低制造成本前提下，显著提高太阳能电池的光电转换效率，不仅是一个具有挑战性的科学和技术问题，也具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池及其制备方法，此方法制作出来的太阳能电池转换效率高、所需成本低。

本发明采用下述技术方案：一种基于Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池，包括上、下接触电极，其特征在于：还包括透明导电薄膜、n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体、p型硅纳米孔柱阵列、p型单晶硅层以及金属导电薄膜层，其中p型硅纳米孔柱阵列覆盖在p型单晶硅层顶面，n型Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；透明导电薄膜沉积在Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的表面，金属导电薄膜层沉积在p型单晶硅层底面。

所述的n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。

所述的金属导电薄膜层为铝膜。

所述的基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：（1）、先通过水热腐蚀法用p型单晶硅层制备p型硅纳米孔柱阵列做为衬底；（2）、以p型硅纳米孔柱阵列为衬底，利用沉积制备技术在p型硅纳米孔柱阵列上沉积n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体，与p型硅纳米孔柱阵列形成异质结；（3）、在n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体表面沉积透明导电薄膜作为顶电极；（4）、除去p型单晶硅底部的多孔层和氧化层，在p型单晶硅底面沉积金属导电薄膜层作为背电极；（5）、制备上、下接触电极。

所述步骤（2）中沉积制备之前先对p型硅纳米孔柱阵列进行氧化处理。

所述步骤（2）中沉积Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体之后在惰性气体保护气氛下进行退火。

所述步骤（5）中金属导电薄膜为铝膜。

所述步骤（2）和步骤（3）的n型Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体是由纳米或亚微米尺寸的颗粒、棒、柱、线、管或锥或其或其任意两种或两种以上混合体组成的连续或准连续薄膜、束状或集束状阵列结构。

本发明制备的基于Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米孔柱阵列的太阳能电池与其它太阳能电池相比较具有以下优点：

本发明中硅纳米孔柱阵列Si-NPA的表面形貌和结构使其具备了一个能够实施纳米组装的功能性模板的特征，以Si-NPA或其复合结构作为太阳能电池材料，在光吸收性能方面具有巨大的优势；Si-NPA还具有可大面积生产、制备工艺简单、成本低廉、结构可适度调控的优点，并且水热腐蚀技术与沉积制备技术工艺也均较简单，所以本发明太阳能电池的成本较低，制备工艺也相对简单。本发明采用沉积制备技术可在Si-NPA表面沉积Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体，从而形成大面积的Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体/硅纳米异质结构。由于硅纳米颗粒和Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体纳米单元均具有连续的粒径分布，可以实现一定范围内的光谱的连续吸收，从而使太阳光中处于不同频谱的光子均能高效地激发光生载流子，从而提高光电转换效率，因此在太阳能电池领域拥有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中的太阳能电池的结构示意图；

图2是本发明实施例中太阳能电池的CdS纳米颗粒/硅纳米孔柱阵列/单晶硅结构的场发射扫描电镜照片；