肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法，該方法包括：采用金屬催化劑在重?fù)诫s的單晶基底上通過分子外延的方法生長垂直半導(dǎo)體納米線陣列；在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導(dǎo)電層；其中，所述單晶基底為背電極，所述透明導(dǎo)電層為頂電極，所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列為光吸收層及減反射層。采用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)以簡單工藝低成本制作高轉(zhuǎn)化效率太陽能電池的目的。
【專利說明】
肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，由于煤、石油、天然氣等化石能源的日漸枯竭，及其燃燒排放大量有毒有害及溫室氣體，世界各國都在致力尋找清潔的可再生能源。而太陽能由于無污染且用之不盡的特點(diǎn)，直接向可利用的電能轉(zhuǎn)化的太陽能電池技術(shù)受到了世人的廣泛關(guān)注。
[0003]早期太陽能電池技術(shù)以硅基平板太陽能電池為代表，雖然商業(yè)化的單結(jié)硅太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了約18%，但是其發(fā)電成本仍然較高；第二代太陽能電池著眼于降低材料的成本，如使用價格較低的銅銦鎵砸薄膜材料，雖然費(fèi)用有所降低，但是光電轉(zhuǎn)化效率卻降到約10%。新一代太陽能電池技術(shù)則將致力于保持高轉(zhuǎn)化率的同時降低成本。
[0004]太陽能電池主要通過不同費(fèi)米能級的材料接觸的勢皇將光生載流子分離與收集。其勢皇的形成主要有pn結(jié)方式，但是pn結(jié)需要復(fù)雜的制作工藝，因此不利于成本的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例提供一種肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法，用以實(shí)現(xiàn)利用簡單工藝低成本制作高轉(zhuǎn)化效率太陽能電池，該方法包括:
[0006]采用金屬催化劑在重?fù)诫s的單晶基底上通過分子外延的方法生長垂直半導(dǎo)體納米線陣列；
[0007]在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導(dǎo)電層；
[0008]其中，所述單晶基底為背電極，所述透明導(dǎo)電層為頂電極，所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列為光吸收層及減反射層。
[0009]一個實(shí)施例中，在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導(dǎo)電層，包括:
[0010]在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列中旋涂有機(jī)介質(zhì)，使用刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑；
[0011]在頂部沉積所述透明導(dǎo)電層連接各納米線的金屬催化劑。
[0012]—個實(shí)施例中，在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列中旋涂有機(jī)介質(zhì)，包括:在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列中旋涂SU8膠或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)膠；
[0013]和/或，使用刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑，包括:使用氧氣、氬氣或四氟化碳等離子體刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑。
[0014]—個實(shí)施例中，所述金屬催化劑包括:招、金、鈾、鈀或鎳。
[0015]—個實(shí)施例中，所述單晶基底包括:硅、砷化鎵、砸化鎘或磷化銦基底。
[0016]一個實(shí)施例中，所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列包括:硅、砷化鎵、磷化銦或砸化鎘納米線陣列。
[0017]—個實(shí)施例中，所述透明導(dǎo)電層包括:氧化銦錫、鋁摻雜氧化鋅或氟摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電層。
[0018]本發(fā)明實(shí)施例中，利用金屬催化劑與垂直半導(dǎo)體納米線陣列之間天然的肖特基接觸勢皇，以垂直半導(dǎo)體納米線陣列生長的單晶基底為背電極，以垂直半導(dǎo)體納米線陣列本身作為光吸收層及減反射層，僅需要簡單的頂電極制作步驟即可制作太陽能電池，與PU結(jié)方式相比，雖然二者的理論光電轉(zhuǎn)化效率相近，但是肖特基接觸簡化了工藝，在保持高轉(zhuǎn)化率的同時降低成本；同時，為了最大限度地吸收入射光，太陽能電池表面需制作減反射層，由垂直半導(dǎo)體納米線陣列構(gòu)成的減反射層三維結(jié)構(gòu)具有極佳的減反特性，因而更適用于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中:
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法的示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中制作金催化的砷化鎵納米線太陽能電池的示例圖；
[0022]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中Si納米線陣列肖特基太陽能電池的電流電壓曲線圖；
[0023]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中GaAs納米線陣列肖特基太陽能電池的電流電壓曲線圖；
[0024]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中InP納米線陣列肖特基太陽能電池的電流電壓曲線圖；
[0025]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中CdSe納米線陣列肖特基太陽能電池的電流電壓曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0027]發(fā)明人考慮到，與pn結(jié)方式相比，采用金屬與半導(dǎo)體的肖特基接觸方式制作太陽能電池，雖然二者的理論光電轉(zhuǎn)化效率相近，但是pn結(jié)需要復(fù)雜的制作工藝，因此不利于成本的降低；相反，肖特基接觸則簡化了工藝，在保持高轉(zhuǎn)化率的同時可以降低成本。同時，為了最大限度地吸收入射光，太陽能電池表面常需要制作三維結(jié)構(gòu)的減反射層。而理論與實(shí)踐均證明，由納米線、納米棒等陣列構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)具有極佳的減反特性，因而更適用于提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。基于此，為了實(shí)現(xiàn)以簡單工藝低成本制作高轉(zhuǎn)化效率太陽能電池的目的，本發(fā)明實(shí)施例中提供一種肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法，如圖1所示，該方法可以包括:
[0028]步驟101、采用金屬催化劑在重?fù)诫s的單晶基底上通過分子外延的方法生長垂直半導(dǎo)體納米線陣列；
[0029]步驟102、在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導(dǎo)電層；其中，所述單晶基底為背電極，所述透明導(dǎo)電層為頂電極，所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列為光吸收層及減反射層。
[0030]具體實(shí)施時，在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導(dǎo)電層，可以包括:在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列中旋涂有機(jī)介質(zhì)，使用刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑；在頂部沉積所述透明導(dǎo)電層連接各納米線的金屬催化劑。
[0031]實(shí)施例中，在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列中旋涂有機(jī)介質(zhì)時，可以根據(jù)需求采用適合的有機(jī)介質(zhì)，例如可以在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列中旋涂SU8膠或PMMA膠等有機(jī)介質(zhì)。在使用刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑時，也可以根據(jù)需求選用適合的具體刻蝕方法，例如可以使用氧氣、氬氣或四氟化碳等等離子體刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑。
[0032]可見，本發(fā)明實(shí)施例的肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法，利用了金屬催化劑與垂直半導(dǎo)體納米線陣列之間天然的肖特基接觸勢皇，利用垂直半導(dǎo)體納米線陣列生長的基底為背電極，同時利用垂直半導(dǎo)體納米線陣列本身作為光吸收層及減反層，僅需要簡單的頂電極制作步驟即可制作太陽能電池，因而即保證了高光電轉(zhuǎn)化效率，又簡化了工藝，降低了成本。
[0033]下面以制作金催化的砷化鎵納米線太陽能電池為例，說明本發(fā)明實(shí)施例方法的技術(shù)路線。圖2中示出了本例中技術(shù)方案，包括:(I)、金納米顆粒沉積于單晶硅基底上；(2)、分子外延生長垂直砷化鎵納米線陣列；(3)、沉積絕緣隔層(有機(jī)介質(zhì));(4)、在金催化劑顆粒附近沉積ITO透明導(dǎo)電電極。
[0034]參考圖2所示，實(shí)施例中可以包括:以不同金屬為催化劑采用分子外延的方法在重?fù)诫s的單晶基底上生長垂直半導(dǎo)體納米線陣列；在納米線陣列中旋涂有機(jī)介質(zhì)，并使用刻蝕的方法將金屬催化劑暴露；最終沉積僅接觸金屬催化劑的透明導(dǎo)電層。該太陽能電池以重?fù)诫s的單晶基底為背電極，以接觸在金屬催化劑上的透明導(dǎo)電層為頂電極，以納米線陣列本身作為光吸收層及減反層，利用金屬催化劑與納米線之間的肖特基接觸高效分離光生載流子。實(shí)施時僅利用納米線生長一個步驟即完成了背電極、肖特基接觸及減反射層三個制作過程，僅需要增加簡單的頂電極制作工藝，因而實(shí)現(xiàn)了以簡單工藝低成本制作高轉(zhuǎn)化效率太陽能電池的目的。
[0035]具體實(shí)施時，金屬催化劑可以采用鋁、金、鉑、鈀或鎳等金屬。單晶基底可以采用硅、砷化鎵、砸化鎘或磷化銦等基底。垂直半導(dǎo)體納米線陣列可以采用硅、砷化鎵、磷化銦或砸化鎘等納米線陣列。透明導(dǎo)電層可以采用氧化銦錫、鋁摻雜氧化鋅或氟摻雜氧化鋅等透明導(dǎo)電層。
[0036]下面舉具體實(shí)例說明本發(fā)明實(shí)施例的肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法。
[0037]實(shí)施例一:以鋁為催化劑，在重?fù)诫sη型(111)硅基底上使用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長約10微米長硅納米線陣列。在硅納米線陣列上旋涂SU8膠，約15微米厚，并通過氧氣等離子體將SU8膠減薄到< 10微米，暴露出鋁催化劑顆粒。使用磁控濺射技術(shù)在表面沉積I微米厚的氧化銦錫透明導(dǎo)電層，得到高效硅納米線陣列肖特基型垂直太陽能電池，其典型的光電響應(yīng)曲線可以如圖3所示。圖3為Si納米線陣列肖特基太陽能電池的電流電壓曲線。開路電壓0.57V，短路電流36.1mAcm 2，填充因子34%，效率約7.0%。
[0038]實(shí)施例二:以金為催化劑，在重?fù)诫sP型(111)硅基底上使用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長約5微米長砷化鎵納米線陣列。在砷化鎵納米線陣列上旋涂SU8膠，約8微米厚，并通過氬氣等離子體將SU8膠減薄到< 5微米，暴露出金催化劑顆粒。使用磁控濺射技術(shù)在表面沉積I微米厚的鋁摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電層，得到高效砷化鎵納米線陣列肖特基型垂直太陽能電池，其典型的光電響應(yīng)曲線可以如圖4所示。圖4為GaAs納米線陣列肖特基太陽能電池的電流電壓曲線。開路電壓0.7V，短路電流52.5mAcm2，填充因子30%，效率約11%。
[0039]實(shí)施例三:以鉑為催化劑，在重?fù)诫sη型(111)砷化鎵基底上使用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長約20微米長磷化銦納米線陣列。在磷化銦納米線陣列上旋涂SU8膠，約25微米厚，并通過氧氣等離子體將SU8膠減薄到< 20微米，暴露出鉑催化劑顆粒。使用磁控濺射技術(shù)在表面沉積I微米厚的氟摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電層，得到高效磷化銦納米線陣列肖特基型垂直太陽能電池，其典型的光電響應(yīng)曲線可以如圖5所示。圖5為InP納米線陣列肖特基太陽能電池的電流電壓曲線。開路電壓0.37V，短路電流34mAcm 2，填充因子31.5%，效率約
3.96%。
[0040]實(shí)施例四:以鈀為催化劑，在重?fù)诫sP型(111)砸化鎘基底上使用化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長約2微米長砸化鎘納米線陣列。在砸化鎘納米線陣列上旋涂PMMA膠，約5微米厚，并通過四氟化碳等離子體將PMMA膠減薄到< 2微米，暴露出鈀催化劑顆粒。使用磁控濺射技術(shù)在表面沉積I微米厚的氧化銦錫透明導(dǎo)電層，得到高效砸化鎘納米線陣列肖特基型垂直太陽能電池，其典型的光電響應(yīng)曲線可以如圖6所示。圖6為CdSe納米線陣列肖特基太陽能電池的電流電壓曲線。開路電壓0.28V，短路電流34.2mAcm2，填充因子46%，效率約
4.
[0041]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例為了達(dá)到以簡便工藝低成本制作高效太陽能電池的目的，以不同金屬為催化劑采用分子外延的方法在重?fù)诫s的單晶基底上生長半導(dǎo)體納米線，并在納米線陣列上制作接觸金屬催化劑的透明導(dǎo)電電極；以重?fù)诫s的基底為背電極，以接觸在金屬催化劑上的透明導(dǎo)電層為頂電極，利用金屬催化劑與納米線之間的肖特基接觸得到太陽能電池。本發(fā)明實(shí)施例對各種半導(dǎo)體納米線均適用，且工藝簡單，不需要復(fù)雜的pn結(jié)制作技術(shù)。而且納米線本身具有良好的吸光效果，不需要后期的減反層制作，因而具有低成本、高效率的優(yōu)勢。
[0042]具體的，本發(fā)明實(shí)施例在生長納米線的同時完成了背電極、肖特基接觸勢皇及減反射層三個制作過程，只需一步簡單的頂電極制作即完成了太陽能電池的制作過程，因而簡化了工藝，有助于降低成本。誘導(dǎo)納米線生長的金屬催化劑與納米線之間具有原子級的接觸，極大降低了表面費(fèi)米能級凍結(jié)的作用，具有理想的肖特基接觸勢皇，因而有助于提高光電轉(zhuǎn)化效率。
[0043]本發(fā)明實(shí)施例的太陽能電池制作技術(shù)的目標(biāo)用戶可以包括“綠色住宅”理念下的建筑屋頂及外墻發(fā)電，生態(tài)農(nóng)業(yè)中的照明、灌溉發(fā)電等，在日益受到環(huán)境問題困擾的中國及其他發(fā)展中國家具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。
[0044]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(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，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，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)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種肖特基型垂直納米線陣列太陽能電池的制作方法，其特征在于，包括: 采用金屬催化劑在重?fù)诫s的單晶基底上通過分子外延的方法生長垂直半導(dǎo)體納米線陣列； 在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導(dǎo)電層； 其中，所述單晶基底為背電極，所述透明導(dǎo)電層為頂電極，所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列為光吸收層及減反射層。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導(dǎo)電層，包括: 在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列中旋涂有機(jī)介質(zhì)，使用刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑； 在頂部沉積所述透明導(dǎo)電層連接各納米線的金屬催化劑。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列中旋涂有機(jī)介質(zhì)，包括:在所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列中旋涂SU8膠或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA膠； 和/或，使用刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑，包括:使用氧氣、氬氣或四氟化碳等離子體刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑。4.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述金屬催化劑包括:鋁、金、鉑、鈀或鎳。5.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述單晶基底包括:硅、砷化鎵、砸化鎘或磷化銦基底。6.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述垂直半導(dǎo)體納米線陣列包括:硅、砷化鎵、磷化銦或砸化鎘納米線陣列。7.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述透明導(dǎo)電層包括:氧化銦錫、鋁摻雜氧化鋅或氟摻雜氧化鋅透明導(dǎo)電層。
【文檔編號】H01L31/18GK105990466SQ201510055914
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月3日
【發(fā)明人】何頌賢, 韓寧
【申請人】香港城市大學(xué)深圳研究院