[发明专利]一种基于氧掺杂碲化锌纳米线阵列的太阳电池及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有纳米线吸收层的太阳电池结构及其制备方法，属于太阳电池技术领域。

背景技术

太阳电池是利用光伏半导体材料的光生伏特效应将太阳能转变成电能的光电器件，在生产和生活中都得到了广泛的应用。现有的太阳电池一般由超纯净的单晶硅圆制成，同时要求这种非常昂贵的材料的厚度约为200um，以尽可能多地吸收太阳光，这使硅基平板太阳电池制造过程变得复杂，能耗大，成本高。与传统太阳电池相比，中间带太阳电池以较为简单的结构实现高效了的光电转换，而具有中间带的纳米线吸收层则在保有中间带太阳电池优点的基础上缩短了载流子的漂移距离，进一步增加了太阳能的转换效率。

以单晶硅圆为材料的传统太阳电池只能吸收大于硅的禁带宽度(1.1eV)的光子，而超出禁带宽度的能量会以电子-晶格相互作用的形式转化为热能。所以理论预言传统硅太阳电池的转换效率不可能超过32％.中间带太阳电池是以高失配合金、量子点这类具有中间带性质的材料为吸收层的太阳电池。以高失配合金氧掺杂碲化锌(ZnTe:O，带隙为2.25eV)的中间带光伏材料为例，氧的等电子掺杂在禁带内形成稳定的中间带，能级位置位于导带底以下0.45eV，即位于1.8eV处。当受到阳光照射时，电子不仅可以通过价带-导带的方式跃迁，也可以通过价带-中间带-导带的方式进行跃迁，因而能量较低的光子也可以得到利用。所以中间带太阳电池的转换效率远高于传统太阳电池。另外单晶硅的透射率较高，因而需要几百微米量级厚度的硅吸收层才能充分吸收光子。而中间带材料吸收层一般有较低的透射率，吸收层的厚度在百纳米量级。

相比于层状结构的吸收层，纳米线的结构特点使得载流子平均漂移距离较短。吸收层中的光生载流子在漂移过程中，可能发生非辐射复合。缩短载流子在吸收层中的漂移距离有利于减少载流子复合的几率，从而进一步增加太阳电池的光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种氧掺杂碲化锌纳米线阵列增强吸收的中间带太阳电池结构，在中间带太阳电池技术的基础上，以纳米线为吸收层进一步提升中间带太阳电池的光转换效率，为制备出高效太阳电池打下了坚实的基础，有望实现下一代太阳电池向高效、低成本的方向发展。

本发明解决问题的技术方案是：基于氧掺杂碲化锌纳米线阵列的太阳电池，自上而下依次为：包裹了氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌三层同轴包覆的纳米线阵列顶端的n型AZO透明导电薄膜、氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌三层同轴包覆的(竖直的)纳米线阵列、包裹纳米线底端的PMDS支撑层和p型掺杂高导单晶硅层衬底，利用具有中间带特性的氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌三层同轴包覆的竖直纳米线阵列作为光电吸收层；在AZO透明导电薄膜和p型掺杂高导单晶硅层分别引出电极；

氧掺杂碲化锌纳米线阵列高度为5～10μm，直径为100-300nm，氧掺杂碲化锌中氧扩散掺杂浓度为1-5％,扩散层厚度在20～100nm；碲化锌厚度为10～50nm；氧化锌、氧掺杂碲化锌、碲化锌三者形成同轴包覆结构，氧化锌在最外层；在高分辨率场发射扫描电子显微镜下观察，每平方微米衬底表面上能观察到的氧掺杂碲化锌纳米线数量应在2根以上。

制备方法：氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌三层同轴包覆的纳米线阵列的物理气相沉积在多温区管式炉中完成；碲化锌源是粉末状碲化锌晶体，置于气流的上游并且位于管式炉的一个温区加热段的中央；沉积碲化锌纳米线的衬底置于碲化锌源的下游并且位于一个温区加热段中央或两加热段之间；沉积过程中多个加热段同时升温以保证管式炉内温度分布均匀恒定,且保证蒸发源温度维持在780～900℃，衬底温度维持在380～450℃，保温30～90分钟，制备出均匀无缺陷的碲化锌纳米线；

沉积碲化锌所用催化剂金或者铋，由电子束蒸发或磁控溅射工艺，镀在用于沉积碲化锌的衬底上，再经退火形成直径25～100nm的颗粒；气相输运碲化锌的输运气体使用高纯氮气，流量由气体流量计精确控制在50～200sccm，由碲化锌源流向衬底；衬底表面与气相输运碲化锌的气流呈50°～80°角；

在完成碲化锌纳米线的沉积后，将管式炉内气氛置换为氧气与氮气的混合气，升温并维持在200～300℃，保温2～20小时。碲化锌纳米线的表面形成氧化锌层，同时氧扩散入碲化锌晶格，形成氧掺杂碲化锌层。三者形成氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌同轴包覆纳米线结构。氧化锌/氧掺杂碲化锌/碲化锌同轴包覆纳米线阵列通过对碲化锌纳米线阵列在氧气与氮气的混合气氛下退火制备而成。