本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能光伏發(fā)電是未來(lái)最理想的潔凈可再生能源之一。然而，太陽(yáng)能電池發(fā)電至今還沒(méi)有被大量推廣，最根本原因是造價(jià)太高。它比常規(guī)的發(fā)電要高出數(shù)十倍。幾十年來(lái)，太陽(yáng)能電池研究主要圍繞兩個(gè)大方向，一是降低電池的生產(chǎn)成本；二提高太陽(yáng)能電池的效率。我們知道，太陽(yáng)光譜包含光子能量范圍從0.5eV到3.5eV。而材料的禁帶寬度是一個(gè)固定值Eg，能量小于Eg的光子不能被太陽(yáng)電池吸收；能量遠(yuǎn)大于Eg的光子被太陽(yáng)電池吸收，激發(fā)出光生載流子，多余的能量傳遞給晶格，變成熱能而浪費(fèi)掉。1961年Shockley和Queisser進(jìn)行了理論分析。假設(shè)無(wú)聚光太陽(yáng)輻射、根據(jù)細(xì)致平衡原理、單閾值吸收，半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的極限效率大約是31％。這就是以后大家常說(shuō)的Queisser-Shockley極限。
五十多年來(lái)科學(xué)家們一直孜孜不倦尋求突破Queisser-Shockley極限。我們知道，納米材料和技術(shù)的研究已經(jīng)有幾十年，應(yīng)用在很多領(lǐng)域，例如微波半導(dǎo)體晶體管、激光器、光電檢測(cè)等。把納米材料和技術(shù)應(yīng)用到太陽(yáng)能電池，提高電池效率成為人們思考的方向。也是高效太陽(yáng)能電池研究的重點(diǎn)。
1997年A.Luque和A.Marti提出一種中間能帶太陽(yáng)能電池(IBSC)，最近該結(jié)構(gòu)成為納米太陽(yáng)電池的研究熱點(diǎn)，特別是在聚光應(yīng)用時(shí)，大有前途，主要原因是單結(jié)電池的效率，極限值達(dá)到63.2％。IBSC的原理結(jié)構(gòu)是一種三明治夾心結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)發(fā)射極之間，插入一層中間能帶材料。這樣，就在宿主半導(dǎo)體材料的禁帶中引入一個(gè)中間能帶。當(dāng)光子能量大于價(jià)帶到中間能帶差時(shí)，光子激發(fā)價(jià)帶電子到中間能帶，如果中間能帶是全滿的，那么這種激發(fā)將不起作用，也就是說(shuō)，中間能帶必須有足夠空位，使電子能夠從價(jià)帶躍遷到中間能帶。另一方面，光子能量大于中間能帶到導(dǎo)帶之差時(shí)，光子將從中間能帶激發(fā)電子到導(dǎo)帶。同時(shí)中間能帶必須有足夠的電子，才能激發(fā)到導(dǎo)帶。結(jié)合以上兩點(diǎn)，如果要達(dá)到總的極大值，中間能帶應(yīng)該是半填充狀態(tài)。即，電子占據(jù)中間能帶的幾率為50％。并且半填充條件必須是存在全部或絕大部分量子材料中。
Luque、Marti和Lopez報(bào)道了量子點(diǎn)中間能帶電池在非理想空間電荷區(qū)的工作情況，以及中間能帶半填充情況。電壓～電容測(cè)量表明，電池量子層數(shù)10層，每層量子點(diǎn)密度 (～4×1010cm-2)，N發(fā)射極摻雜為(～2×1017cm-2)，在兩個(gè)發(fā)射極之間并沒(méi)有一個(gè)平帶區(qū)域，這意味著耗盡區(qū)一直達(dá)到N型發(fā)射區(qū)，量子點(diǎn)就處于空間電荷區(qū)內(nèi)，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)不再是一個(gè)常數(shù)。文獻(xiàn)給出測(cè)量結(jié)果為：GaAs光電流為18.8mA/cm2，開(kāi)路電壓0.846伏，效率12.1％，而量子點(diǎn)電池(QD-IBSC)光電流18.8mA/cm2，開(kāi)路電壓0.667伏，效率9.3％。比普通電池還低。2006年Marti和Lopez報(bào)道了量子點(diǎn)中間能帶電池，在GaAs襯底上，生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)陣列，光發(fā)光測(cè)量，證實(shí)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的吸收，驗(yàn)證了量子點(diǎn)陣列的中間能帶的正確性。但是光電流比GaAs同質(zhì)材料還低。作者分析認(rèn)為，有可能是量子點(diǎn)的材料(尺寸、間距、摻雜、缺陷、應(yīng)力)不合適；也可能是量子點(diǎn)層數(shù)太少，使空間電荷區(qū)延伸到量子點(diǎn)陣列內(nèi)，使準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)發(fā)生傾斜，中間能帶的電子從全耗盡到全填充。阻擋太陽(yáng)光激發(fā)電子從價(jià)帶到中間能帶，或者從中間能帶到價(jià)帶。也就是說(shuō)：中間能帶電子半填充條件得不到滿足。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，在p型半導(dǎo)體層與量子點(diǎn)陣列層之間插入一層摻雜的阻尼層，阻擋空間電荷區(qū)擴(kuò)展到量子點(diǎn)區(qū)域，使全部中間能帶的電子滿足半填充的條件，從而提高中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
(二)技術(shù)方案
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，包括：襯底層，所述襯底層下表面設(shè)有背電極；n型半導(dǎo)體層，設(shè)置于襯底層之上；浸潤(rùn)層，設(shè)置于所述的n型半導(dǎo)體層之上；量子點(diǎn)層，設(shè)置于所述的浸潤(rùn)層之上，呈島狀均勻分布；量子點(diǎn)覆蓋層，設(shè)置于所述的浸潤(rùn)層之上，并覆蓋所述的呈島狀均勻分布的量子點(diǎn)，由一層所述的量子點(diǎn)層與覆蓋其上的量子點(diǎn)覆蓋層形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)周期結(jié)構(gòu)，在所述的一種中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中含有N層串接的所述周期結(jié)構(gòu)；阻尼層，設(shè)置于第N層所述周期結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)覆蓋層之上，所述的阻尼層處于全耗盡的臨界狀態(tài)，使N層串接的所述周期結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)層不存在外加電場(chǎng)，從而保證量子點(diǎn)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)處于平帶狀態(tài)，使量子點(diǎn)層形成的中間能帶達(dá)到理想的半填充狀態(tài)；p型半導(dǎo)體層，設(shè)置于阻尼層之上；所述的p型半導(dǎo)體層上表面設(shè)有梳狀表面電極，無(wú)電極覆蓋區(qū)域設(shè)有減反層。
所述的n型半導(dǎo)體層材料為III-V族化合物半導(dǎo)體和II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的浸潤(rùn)層材料為本征III-V族化合物半導(dǎo)體和本征II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的量子點(diǎn)層材料為摻雜或未摻雜III-V族化合物半導(dǎo)體和摻雜或未摻雜II-VI族化合物半導(dǎo)體中 的一種；所述的量子點(diǎn)覆蓋層材料為摻雜或未摻雜III-V族化合物半導(dǎo)體和摻雜或未摻雜II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的阻尼層材料為n型III-V族化合物半導(dǎo)體和n型II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的p型半導(dǎo)體層的材料為III-V族化合物半導(dǎo)體和II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的襯底層材料為n+型III-V族化合物半導(dǎo)體和n+型II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的背電極和表面電極的材料為Al、Au、Ag、Au-Ag合金中的一種。
所述的量子點(diǎn)層材料，與所述的n型半導(dǎo)體層的材料、所述的浸潤(rùn)層材料、所述的量子點(diǎn)覆蓋層、所述的阻尼層材料、所述的p型半導(dǎo)體層材料，為不同種材料。
所述的周期結(jié)構(gòu)串接的層數(shù)為1-100層。
所述的減反層為單層透明氧化物或多層透明氧化物形成的復(fù)合層。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明一種中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池具有以下有益效果：
(1)通過(guò)設(shè)置阻尼層，使全部中間能帶的電子滿足半填充的條件，提高了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率；
(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作工藝不復(fù)雜、便于生產(chǎn)、成本低，適合于廣泛推廣。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明所述的一種中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的剖面結(jié)構(gòu)圖。
【本發(fā)明主要元件符號(hào)說(shuō)明】
1-襯底層； 2-背電極；
3-n型半導(dǎo)體層； 4-浸潤(rùn)層；
5-量子點(diǎn)層； 6-量子點(diǎn)覆蓋層；
7-阻尼層； 8-p型半導(dǎo)體層；
9-減反層； 10-表面電極；
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形 式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的剖面結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，本發(fā)明一種中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池包括：襯底層1、背電極2、n型半導(dǎo)體層3、浸潤(rùn)層4、量子點(diǎn)層5、量子點(diǎn)覆蓋層6、阻尼層7、p型半導(dǎo)體層8、減反層9、表面電極10。
以下對(duì)本實(shí)施例中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
襯底層1，所述襯底層1下表面設(shè)有背電極2；n型半導(dǎo)體層3，設(shè)置于襯底層1之上；浸潤(rùn)層4，設(shè)置于所述的n型半導(dǎo)體層3之上；量子點(diǎn)層5，設(shè)置于所述的浸潤(rùn)層4之上，呈島狀均勻分布；量子點(diǎn)覆蓋層6，設(shè)置于所述的浸潤(rùn)層4之上，并覆蓋所述的呈島狀均勻分布的量子點(diǎn)層5，由一層所述的量子點(diǎn)層5與覆蓋其上的量子點(diǎn)覆蓋層6形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)周期結(jié)構(gòu)，在所述的一種中間能帶量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中含有N層串接的所述周期結(jié)構(gòu)；阻尼層7，設(shè)置于第N層所述周期結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)覆蓋層6之上，所述的阻尼層7處于全耗盡的臨界狀態(tài)，使N層串接的所述周期結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)層5不存在外加電場(chǎng)，從而保證量子點(diǎn)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)處于平帶狀態(tài)，使量子點(diǎn)層5形成的中間能帶達(dá)到理想的半填充狀態(tài)；p型半導(dǎo)體層8，設(shè)置于阻尼層7之上；所述的p型半導(dǎo)體層8上表面設(shè)有梳狀表面電極1O，無(wú)電極覆蓋區(qū)域設(shè)有減反層9。
所述的襯底層1的材料為n+型III-V族化合物半導(dǎo)體和n+型II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的n型半導(dǎo)體層3的材料為III-V族化合物半導(dǎo)體和II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的浸潤(rùn)層4的材料為本征III-V族化合物半導(dǎo)體和本征II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的量子點(diǎn)層5的材料為摻雜或未摻雜III-V族化合物半導(dǎo)體和摻雜或未摻雜II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的量子點(diǎn)覆蓋層6的材料為摻雜或未摻雜III-V族化合物半導(dǎo)體和摻雜或未摻雜II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的阻尼層7的材料為n型III-V族化合物半導(dǎo)體和n型II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的p型半導(dǎo)體層8的材料為III-V族化合物半導(dǎo)體和II-VI族化合物半導(dǎo)體中的一種；所述的背電極2和表面電極10的材料為Al、Au、Ag、Au-Ag合金中的一種。所述的減反層9為單層透明氧化物或多層透明氧化物形成的復(fù)合層。本實(shí)施例中，襯底層1所用材料為n+GaAs，背電極2所用材料為Au、n型半導(dǎo)體層3所用材料為n-GaAs、浸潤(rùn)層4所用材料為GaAs、量子點(diǎn)層5所用材料為InAs、量子點(diǎn)覆蓋層6所用材料為GaAs、阻尼層7所用材料為n-GaAs、p型半導(dǎo)體層8所用材料為p+GaAs、減反層9所用材料為SiO2-Ta2O5、表面電極10所用材料為Au-Ag合金。
所述的量子點(diǎn)層5的材料，與所述的n型半導(dǎo)體層3的材料、所述的浸潤(rùn)層4的材料、所述的量子點(diǎn)覆蓋層的材料、所述的阻尼層7的材料、所述的p型半導(dǎo)體層8的材料，為不同種材料。
所述的周期結(jié)構(gòu)串接的層數(shù)為1-100層。材料實(shí)施例中，所述的周期結(jié)構(gòu)串接層數(shù)為10層。
綜上所述，本發(fā)明通過(guò)設(shè)置阻尼層，使全部中間能帶的電子滿足半填充的條件，提高了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作工藝不復(fù)雜、便于生產(chǎn)、成本低，適合于廣泛推廣。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。