基于蝶形等離激元天線增強的納米線中間帶太陽能電池結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種納米線太陽能電池結構及其制備方法，屬于太陽能電池技術領域。
【背景技術】
[0002]太陽能電池是利用光伏半導體材料的光生伏特效應將太陽能轉變成電能的光電器件，在生產和生活中都得到了廣泛的應用。現(xiàn)有的太陽能電池一般由超純凈的單晶硅圓制成，同時要求這種非常昂貴的材料的厚度約為200um，以盡可能多地吸收太陽光，這使硅基平板太陽能電池制造過程變得復雜，能耗大，成本高。與傳統(tǒng)太陽能電池相比，納米線聚光型太陽能電池擁有幾大優(yōu)勢:分離、聚焦電荷能力更強，可由儲量豐富的廉價材料制成。
[0003]中間帶太陽能電池是指在半導體禁帶中引入一個能態(tài)密度小的中間帶(窄能帶)的太陽能電池，用于提高太陽能電池的效率。由于中間帶太陽能電池具有結構簡單、成本低且理論效率非常高等優(yōu)點，具有很好的應用前景。然而，目前中間帶光伏電池的光電轉換效率仍然較低，主要由于中間帶態(tài)密度低，對低能光子的吸收利用能力相對較弱所致。以高失配合金摻氧碲化鋅(ZnTe:0，帶隙為2.25eV)的中間帶光伏材料為例，氧的等電子摻雜在禁帶內形成穩(wěn)定的中間帶，能級位置位于導帶底以下0.45eV，即位于680nm處。目前實驗證明，該中間帶的存在對低能光子具有吸收，但其態(tài)密度相對較低，吸收系數較小。為了增加低能光子的吸收效率，有大量研究人員研究了金屬納米天線結構表面等離基元效應在中間帶太陽能電池中的應用。利用金屬納米天線可以有效地將入射光集中的限制在局域表面等離子體共振模式，使得局域的電磁場得到很大的增強。特別對于小尺寸的金屬納米天線，它們對光的反射率較低，可以更有效的將光限制在局域表面等離子體共振模式。
[0004]傳統(tǒng)的金、銀納米結構在光照條件下具有很好的表面等離激元效應。這一過程源于光照條件下金屬納米結構表面自由電子的周期性震蕩，這一現(xiàn)象在很多光電子過程中得到了廣泛應用，比如:光發(fā)射器，生物傳感器，表面增強拉曼散射等等。金、銀納米結構的等離子體的共振頻率與可見光或近紅外光相匹配，能很大的增強其吸收或散射，因此可以用來提高中間帶太陽能電池的光吸收效率，但金銀等貴重金屬的使用會大大提高器件的制備成本。相比金屬金、銀等，金屬鋁在可見光波段等離激元特性更具優(yōu)勢，且價格低廉，制備工藝上與互補金屬氧化物半導體兼容。本發(fā)明利用金屬鋁納米結構的表面等離激元效應，在P型摻氧碲化鋅/n型氧化鋅核殼結構的納米線兩側制備蝶形鋁納米天線結構，使得摻氧碲化鋅在帶邊吸收和中間帶光吸收效率同時得到增強，從而提高中間帶太陽能電池對低能光子的吸收及整體光電轉換效率。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提出了一種基于蝶形等離激元增強天線的納米線中間帶太陽能電池結構，解決了中間帶太陽能電池在中間帶態(tài)密度小而吸收效率偏低的問題，為制備出高效太陽能電池打下了堅實的基礎，有望實現(xiàn)下一代太陽能電池向高效、低成本的方向發(fā)展。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案來解決問題的:基于蝶形等離激元增強天線的納米線中間帶太陽能電池結構，其特征在于，二氧化硅或石英襯底上為平躺的氧摻雜碲化鋅/氧化鋅核殼結構納米線，氧化鋅在外層，氧摻雜碲化鋅/氧化鋅核殼結構的納米線長度為1-1011111，核殼結構納米線的直徑為200-40011111，氧化鋅的厚度為5-4011111;核殼結構納米線的兩側設有若干對金屬鋁蝶形天線，每一對金屬鋁蝶形天線為尖端對尖端的三棱錐結構，每一對蝶形天線中兩個尖端對尖端的三棱錐相對于納米線是可以是中心對稱的，也可以是非中心對稱的。
[0007]氧摻雜碲化鋅/氧化鋅核殼結構的納米線為P型氧摻雜碲化鋅/n型氧化鋅核殼結構，碲化鋅中氧擴散摻雜濃度為1-5 %，氧化鋅的厚度為5-40nm。
[0008]蝶形天線中三棱錐尖端距離納米線的距離g為0-100nm。
[0009]蝶形天線的厚度和P型氧摻雜碲化鋅/n型氧化鋅核殼結構的納米線直徑Dl保持一致，為200-400nm，蝶形天線中三棱錐的寬度W為lOO-lOOOnm，高度H為100-500nm。
[0010]每對蝶形鋁納米天線之間的間隔距離a為300-500nm。
[0011]基于蝶形等離激元天線增強的納米線中間帶太陽能電池的制備方法，采用物理氣相沉積制備直徑和長度可控的P型氧摻雜碲化鋅/n型氧化鋅納米線核殼結構，并將其轉移至平面襯底上;再采用電子束光刻等半導體工藝在納米線兩側制備多對金屬鋁蝶形天線。利用在蝶形鋁納米天線表面產生的局域表面等離子共振和蝶形天線的尖端效應，使得氧摻雜碲化鋅在帶邊吸收和中間帶光吸收效率同時得到增強，從而提高中間帶太陽能電池對低能光子的吸收及整體光電轉換效率。
[0012]制備步驟為:
[0013](I)采用物理氣相沉積方法制備氧摻雜碲化鋅/氧化鋅核殼納米線結構，并采用機械方法轉移使其平躺在二氧化硅或石英襯底上；
[0014](2)在含有納米線的襯底表面上旋涂光刻膠，光刻膠采用正膠；
[0015](3)利用電子束曝光、顯影，在納米線兩側形成尖端對尖端的三棱錐周期性陣列的圖形；
[0016](4)利用電子束蒸發(fā)沉積金屬鋁，其厚度和納米線直徑相當；
[0017](5)剝離金屬鋁，并去除剩余光刻膠；
[0018](6)采用共焦離子束刻蝕納米線一端的氧化鋅殼層，使得P型氧摻雜碲化鋅暴露在外，采用原位沉積Au和氧摻雜碲化鋅形成歐姆接觸；
[0019](7)采用共焦離子束在納米線另一端的氧化鋅殼層上原位沉積金屬鋁，和氧化鋅形成歐姆接觸。
[0020]所述的蝶形天線的材料選用鋁，鋁蝶形天線可以將光吸收限制在一個很小的范圍內，而且鋁與互補金屬氧化物半導體兼容。利用在蝶形鋁納米天線表面產生的局域表面等離子共振和蝶形鋁納米天線的尖端效應，使中間帶太陽能電池的光吸收效率增強。
[0021]有益效果:本發(fā)明中金屬鋁的使用，相對于常用貴金屬(金、銀)可大幅降低生產成本，同時也得到了更好的吸收增強效果。本發(fā)明具有特定的結構，實驗表明由上述方法制備的太陽能電池，相對于單納米線太陽能電池，在單納米線太陽能電池兩側制備一對蝶形招納米天線時，在550nm處光吸收效率增強1.2倍，在680nm處光吸收效率增強1.8倍;制備三對蝶形鋁納米天線時，在550nm處光吸收效率增強I.5倍，在680nm處光吸收效率增強2.7倍。主要解決中間帶太陽能電池吸收層中間帶態(tài)密度小而吸收效率偏低的問題，實現(xiàn)太陽光全光譜吸收增強而提高器件整體光電轉換效率。本發(fā)明蝶形天線的材料選用鋁，金屬鋁蝶形天線可以將光吸收限制在一個很小的范圍內，而且鋁與互補金屬氧化物半導體兼容。利用在蝶形鋁納米天線表面產生的局域表面等離子共振和蝶形天線的尖端效應，使得氧摻雜碲化鋅在帶邊吸收和中間