[发明专利]一种带隙渐变硅量子点多层膜的太阳电池及制备方法

说明书

一、技术领域：

本发明是属于新能源材料与新型太阳电池器件领域。尤其是涉及一种基于带隙渐变硅量子点多层膜结构的太阳电池及其制备。

二、背景技术：

硅是可大规模应用太阳电池的首选材料，但其带隙为1.1eV，太阳光中的近红外和近紫外光子能量不能被充分吸收利用，有效响应光谱仅在500-900nm范围，因此存在所谓的单结的硅太阳电池效率的Shockley-Queisser极限。针对这一难题，为了解决获得高效率Si基太阳电池的关键问题，本发明利用制备出具有不同厚度的非晶硅膜/碳化硅多层膜，通过后处理（热退火或激光退火）技术，在样品中获得尺寸渐变的硅量子点多层结构，而由于量子限制效应，不同尺寸的硅量子点具有不同的带隙，因此也就构成了带隙渐变的硅量子点多层膜，利用这种结构，可以设计成简单的宽光谱响应全硅基太阳电池，拓宽电池的光谱响应范围，特别是对紫外-可见光的利用，这对于实现宽光谱响应的高效薄膜太阳电池有重要的意义和价值。

能源是现代人类文明不断发展和进步的基石，随着作为常规能源的石油、天然气、煤炭等日益凸现的资源枯竭问题以及国际社会对环境问题的日益关注，发展可再生的新型绿色能源以代替传统能源已成为目前世界各国，无论是政府、还是公众或是研究机构，所关注的最重要的课题。大力研究和发展可再生能源，对于国民经济和社会的进一步发展无疑具有极其重要的研究意义与价值。在各种新能源当中，太阳能电池发电是被认为未来最有希望的主要能源来源之一，也是当前世界各国争相投入，大力研发的关键课题。

作为未来希望大规模使用的太阳能电池，首要一条就是组成其材料的元素应该是非常丰富的。而半导体硅材料，在这一点上，具有其他材料所无法比拟的优势，它在地壳中的含量约为27%，居于第二位，仅次于氧元素。同时，硅材料本身无毒无害，对环境是友好的，而基于硅材料的器件制作工艺也已相当成熟，因此，半导体硅是价廉物美的首选太阳能电池基质材料，硅基太阳能电池已成为当前和未来发展的主流。目前，基于单晶硅和多晶硅的太阳能电池已占据市场份额的90%[1]。从技术角度看，自1953年，Bell实验室报道了世界上第一个单晶硅太阳能电池以来，太阳能电池经历了从第一代，即基于单晶硅晶片和半导体微加工技术的太阳能电池，到第二代，即基于多晶硅（微晶硅）、非晶硅等材料并与薄膜技术相结合的太阳能电池。目前硅基太阳能电池的最大问题仍是其效率-成本问题，薄膜太阳能电池虽然成本较之第一代有明显下降，但也同时牺牲了电池的光电转换效率。因此，发展高效率，低成本的第三代硅基太阳能电池已成为目前人们所关注的前沿研究课题之一，是世界范围内应对能源危机所追求的重大研发目标，其研究的科学意义，应用前景以及重要性都是不言而喻的。

半导体太阳能电池一般是利用半导体pn结的光生伏特效应来进行光电转换的。半导体单晶硅室温下带隙为1.1eV，正好落在太阳光辐射谱的峰值附近，有比较高的光电能量转换效率。早在上个世纪60年代初,W.Shockley和H.J.Queisser就分析了基于单pn结的单晶硅太阳能电池的理论上的最高转换效率，提出其极限光电转换效率大约为30%，这被人们称为Shockley-Queisser极限[2]。从根本上说，Si单晶太阳电池转换效率的理论极限是由于电池对太阳光辐射的非全谱响应造成的。长于Si吸收限（1100nm）的光未能被材料充分吸收利用，而短波长的紫外光虽然可以被Si吸收，但它激发的过热的光生载流子弛豫（弛豫时间在ps量级）到带底时，其动能大部转化为热能，而短波光的吸收层又很靠近表面，即使是弛豫到带底的载流子也大部被界面态复合，因此太阳辐射的短波光也未能为电池充分利用。这样，能量低于材料带隙的长波长光子和能量较高的短波长光子均不能被有效地利用，其有效响应光谱仅在500nm-900nm范围，从而导致有很大的能量损失[3]。