[发明专利]一种n-氧化锌/p-硅纳米线三维异质结太阳能转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅纳米线太阳能电池装置，属于太阳能技术领域。

背景技术

随着全球能源危机和生态环境的日益恶化，世界各国积极研究和开发利用可再生能源，从而实现能源工业和社会的可持续发展。其中，太阳能以其清洁，丰富等特有的优势而成为可再生能源的焦点。假如把地球表面0.1%的太阳能转化为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×10¹²千瓦时，相当于目前世界上能耗的40倍，因而太阳能被认为是能源危机和生态环境恶化的最佳解决途径。

太阳能的直接利用主要是通过两个方面，即光热效应和光电效应。光热效应是将太阳能的能量集聚起来，转换成热能，如在我国已经广泛应用的太阳能热水器、太阳能灶等，这也包括将太阳能转换成热能后，利用热能发电。光电效应则是将太阳能通过太阳能电池，转换成电能，这种光电转换主要是借助于半导体器件的光生伏特效应进行的。

太阳能电池是通过半导体p-n结的光生伏特效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前主要的太阳能光伏转换器件有硅基太阳能电池，多元化合物太阳能电池，染料敏化太阳能电池和薄膜太阳能电池等。其中，硅基太阳能电池是主要技术，商业化太阳能电池以单晶硅和非晶硅为主。目前单晶硅太阳电池转化效率已经超过20%，但成本依然很高，无法与传统电能相比；非晶硅电池近年来发展迅速，其主要优点是生产效率高，成本低。但是非晶硅由于其内部结构的不稳定性和大量氢原子的存在，具有光疲劳效应，故非晶硅太阳能电池经过长期工作稳定性存在问题，其光电转换效率会随着光照时间的延续而衰减，阻碍了其应用，到目前为止仍然没有根本解决。由于多晶硅薄膜材料没有转换效率衰减的问题，既有晶体硅晶格完整的优点，又有非晶硅成本低廉、制备方便的优点。多晶硅薄膜电池成为世界关注的新热点。但是，由于晶粒细小等原因，多晶硅薄膜电池的转化效率还是较低，仅有10%左右。

在第三代低成本高转换效率的太阳能电池研发竞赛中，纳米技术作为建设更好的太阳能电池的一种新方法出现了，一维纳米材料应用于太阳能电池上能够极大地提高光电转换效率，有望为绿色能源的发展带来革命性的变化。由于纳米材料在光收集，光电转换和储存等方面所具有的潜在应用价值，各种结构的纳米材料受到了科学家们的高度关注。例如，用于下一代光伏转换装置的纳米粒子，纳米线，纳米管等方面的工作已经有很多报道，受到了广泛的研究，目的是进一步提高太阳能收集和转换效率。2005年美国加州大学的杨培东教授课题组首次采用一维ZnO纳米线作为染料敏化太阳能电池的阳极材料，该染料敏化太阳能电池的光电转换效率可达到1.5%[Law M, Greene L E, Johnson J C, Saykally R, Yang P D. Nat Mater, 2005, 4: 455.]。2010年杨培东教授课题组采用反应离子刻蚀制得硅纳米线，然后通过硼扩散的方式设计出一块径向p-n结太阳能电池，该p-n结太阳能电池的转换效率可达到5%[Garnett E, Yang P D. Nano Lett, 2010, 10: 1082.]。2008年清华大学的朱静院士课题组采用湿法化学刻蚀的方法在Si（111）衬底上制得了大面积倾斜取向的纳米线阵列，然后应用此阵列设计了一块p-n结太阳能电池，这块太阳能电池的效率达到了11.37%，明显高于由竖直取向硅纳米线阵列制得的太阳能电池效率[Fang H, Li X D, Song S, Xu Y, Zhu J. Nanotechnology, 2008, 19: 255703.]。2009年北京师范大学的彭奎庆教授课题组用铂纳米粒子修饰的硅纳米线阵列作为光电极设计了一块光电化学电池，其转换效率达到了8.1%[Peng K Q, Wang X, Wu X L, Lee S T. Nano Lett, 2009, 9: 3704.]，这种由半导体-液体结构成的太阳能电池在成本上要优于固基太阳能电池。2010年彭奎庆教授课题组通过深紫外光刻技术在硅片上制得贵金属模板，然后通过贵金属催化作用在氢氟酸水溶液中进行硅纳米孔的刻蚀，从而得到规则排列的纳米孔阵列，由这种阵列设计成的硅纳米孔阵列三维径向p-n结太阳能电池的效率达到了9.51%，这要优于以硅纳米线，平面硅和金字塔型绒面硅为基的太阳能电池[Peng K Q, Wang X, Li L, Wu X L, Lee S T. J Am Chem Soc, 2010, 132: 6872.]。与其他半导体材料相比，硅材料含量丰富且廉价，同时与目前的半导体微加工工艺兼容，因此，基于硅纳米结构的太阳能电池正受到越来越多的重视。

 

发明内容