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摻雜的單晶基底上通過分子外延的方法生長垂直半導體納米線陣列；在所述垂直半導體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導電層；其中，所述單晶基底為背電極，所述透明導電層為頂電極，所述垂直半導體納米線陣列為光吸收層及減反射層。采用本發明可以實現以簡單工藝低成本制作高轉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
技術領域
[0001]本發明涉及太陽能電池技術領域，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】
[0002]當前，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，直接向可利用的電能轉化的太陽能電池技術受到了世人的廣泛關注。
[0003]早期太陽能電池技術以硅基平板太陽能電池為代表，雖然商業化的單結硅太陽能電池的轉化效率達到了約18%，但是其發電成本仍然較高；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，雖然費用有所降低，但是光電轉化效率卻降到約10%。新一代太陽能電池技術則將致力于保持高轉化率的同時降低成本。
[0004]太陽能電池主要通過不同費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結方式，但是pn結需要復雜的制作工藝，因此不利于成本的降低。
【發明內容】
[0005]本發明實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，用以實現利用簡單工藝低成本制作高轉化效率太陽能電池，該方法包括:
[0006]采用金屬催化劑在重摻雜的單晶基底上通過分子外延的方法生長垂直半導體納米線陣列；
[0007]在所述垂直半導體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導電層；
[0008]其中，所述單晶基底為背電極，所述透明導電層為頂電極，所述垂直半導體納米線陣列為光吸收層及減反射層。
[0009]一個實施例中，在所述垂直半導體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導電層，包括:
[0010]在所述垂直半導體納米線陣列中旋涂有機介質，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電層連接各納米線的金屬催化劑。
[0012]—個實施例中，在所述垂直半導體納米線陣列中旋涂有機介質，包括:在所述垂直半導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]—個實施例中，所述金屬催化劑包括:招、金、鈾、鈀或鎳。
[0015]—個實施例中，所述單晶基底包括:硅、砷化鎵、砸化鎘或磷化銦基底。
[0016]一個實施例中，所述垂直半導體納米線陣列包括:硅、砷化鎵、磷化銦或砸化鎘納米線陣列。
[0017]—個實施例中，所述透明導電層包括:氧化銦錫、鋁摻雜氧化鋅或氟摻雜氧化鋅透明導電層。
[0018]本發明實施例中，利用金屬催化劑與垂直半導體納米線陣列之間天然的肖特基接觸勢皇，以垂直半導體納米線陣列生長的單晶基底為背電極，以垂直半導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結方式相比，雖然二者的理論光電轉化效率相近，但是肖特基接觸簡化了工藝，在保持高轉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，由垂直半導體納米線陣列構成的減反射層三維結構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化效率。
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中:
[0020]圖1為本發明實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為本發明實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為本發明實施例中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為本發明實施例中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為本發明實施例中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為本發明實施例中CdSe納米線陣列肖特基太陽能電池的電流電壓曲線圖。
【具體實施方式】
[0026]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合附圖對本發明實施例做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。
[0027]發明人考慮到，與pn結方式相比，采用金屬與半導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化效率相近，但是pn結需要復雜的制作工藝，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構的減反射層。而理論與實踐均證明，由納米線、納米棒等陣列構成的三維結構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化效率。基于此，為了實現以簡單工藝低成本制作高轉化效率太陽能電池的目的，本發明實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摻雜的單晶基底上通過分子外延的方法生長垂直半導體納米線陣列；
[0029]步驟102、在所述垂直半導體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導電層；其中，所述單晶基底為背電極，所述透明導電層為頂電極，所述垂直半導體納米線陣列為光吸收層及減反射層。
[0030]具體實施時，在所述垂直半導體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導電層，可以包括:在所述垂直半導體納米線陣列中旋涂有機介質，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電層連接各納米線的金屬催化劑。
[0031]實施例中，在所述垂直半導體納米線陣列中旋涂有機介質時，可以根據需求采用適合的有機介質，例如可以在所述垂直半導體納米線陣列中旋涂SU8膠或PMMA膠等有機介質。在使用刻蝕的方法暴露出所述金屬催化劑時，也可以根據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，本發明實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體納米線陣列之間天然的肖特基接觸勢皇，利用垂直半導體納米線陣列生長的基底為背電極，同時利用垂直半導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，說明本發明實施例方法的技術路線。圖2中示出了本例中技術方案，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(有機介質);(4)、在金催化劑顆粒附近沉積ITO透明導電電極。
[0034]參考圖2所示，實施例中可以包括:以不同金屬為催化劑采用分子外延的方法在重摻雜的單晶基底上生長垂直半導體納米線陣列；在納米線陣列中旋涂有機介質，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電層。該太陽能電池以重摻雜的單晶基底為背電極，以接觸在金屬催化劑上的透明導電層為頂電極，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，因而實現了以簡單工藝低成本制作高轉化效率太陽能電池的目的。
[0035]具體實施時，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電層。
[0036]下面舉具體實例說明本發明實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]實施例一:以鋁為催化劑，在重摻雜η型(111)硅基底上使用化學氣相沉積技術生長約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。使用磁控濺射技術在表面沉積I微米厚的氧化銦錫透明導電層，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]實施例二:以金為催化劑，在重摻雜P型(111)硅基底上使用化學氣相沉積技術生長約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。使用磁控濺射技術在表面沉積I微米厚的鋁摻雜氧化鋅透明導電層，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]實施例三:以鉑為催化劑，在重摻雜η型(111)砷化鎵基底上使用化學氣相沉積技術生長約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。使用磁控濺射技術在表面沉積I微米厚的氟摻雜氧化鋅透明導電層，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]實施例四:以鈀為催化劑，在重摻雜P型(111)砸化鎘基底上使用化學氣相沉積技術生長約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。使用磁控濺射技術在表面沉積I微米厚的氧化銦錫透明導電層，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，本發明實施例為了達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摻雜的單晶基底上生長半導體納米線，并在納米線陣列上制作接觸金屬催化劑的透明導電電極；以重摻雜的基底為背電極，以接觸在金屬催化劑上的透明導電層為頂電極，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。本發明實施例對各種半導體納米線均適用，且工藝簡單，不需要復雜的pn結制作技術。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、高效率的優勢。
[0042]具體的，本發明實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，極大降低了表面費米能級凍結的作用，具有理想的肖特基接觸勢皇，因而有助于提高光電轉化效率。
[0043]本發明實施例的太陽能電池制作技術的目標用戶可以包括“綠色住宅”理念下的建筑屋頂及外墻發電，生態農業中的照明、灌溉發電等，在日益受到環境問題困擾的中國及其他發展中國家具有相當廣闊的應用前景。
[0044]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
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摻雜的單晶基底上通過分子外延的方法生長垂直半導體納米線陣列； 在所述垂直半導體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導電層； 其中，所述單晶基底為背電極，所述透明導電層為頂電極，所述垂直半導體納米線陣列為光吸收層及減反射層。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述垂直半導體納米線陣列上制作接觸所述金屬催化劑的透明導電層，包括: 在所述垂直半導體納米線陣列中旋涂有機介質，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電層連接各納米線的金屬催化劑。3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述垂直半導體納米線陣列中旋涂有機介質，包括:在所述垂直半導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.如權利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，所述金屬催化劑包括:鋁、金、鉑、鈀或鎳。5.如權利要求1至3任一項所述的方法，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.如權利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，所述垂直半導體納米線陣列包括:硅、砷化鎵、磷化銦或砸化鎘納米線陣列。7.如權利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，所述透明導電層包括:氧化銦錫、鋁摻雜氧化鋅或氟摻雜氧化鋅透明導電層。
【文檔編號】H01L31/18GK105990466SQ201510055914
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月3日
【發明人】何頌賢, 韓寧
【申請人】香港城市大學深圳研究院