一种基于半导体纳米孔结构的量子点中间带太阳能电池

本实用新型涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种基于半导体纳米孔结构的量子点中间带太阳能电池。

背景技术：

在过去的几十年里，可再生能源在能源应用领域的研究比重不断提高。其中最值得一提的，是在二十世纪70年代全球石油危机之后，逐渐崛起的太阳能应用领域的研究。石油危机迫使全世界能源领域的研究人员开始着力研究如何更高效地利用太阳能，太阳能电池可以直接将太阳能转换为电能，在全球清洁能源需求不断增加的当下，提供了一种实用且可持续的能源解决方案。

对于高效的太阳电池，光电转换过程中的光吸收起着很重要的作用，它直接决定了太阳电池的性能，因此，在诸多提高太阳电池效率的方案中，提高太阳电池对光子的吸收率具有重要意义。传统的太阳能电池只能吸收能量大于半导体禁带宽度的光子，吸收光谱范围窄，光电转化效率低。所以，通过在半导体材料中引入中间带形成中间带太阳电池，是提高太阳能电池光电转化效率的一重要途径。中间带太阳电池实现了在输出电压基本不变的情况下，通过吸收低于半导体带隙能量的光子，增加了电池的光电流，从而提高了电池的转换效率。根据理论计算，中间带太阳电池能够突破shockley-queisser根据细致平衡理论和单阈值吸收得出的31％的单结太阳电池极限效率，并且在全聚光条件下可以达到63.1％。目前，制备中间带太阳电池主要是采用砷化铟/砷化镓(inas/gaas)量子点，inas为量子点点层材料，gaas为量子点垒层材料。但是，量子点中间带太阳能电池通过引入中间能带吸收能量小于半导体禁带宽度的光子的同时也增加了载流子复合途径，导带的电子会通过带内俄歇复合很快弛豫回中间带(时间常数为皮秒量级)。实验表明，较强的光强会抑制载流子复合，随着入射光强的增加，量子点中间带太阳能电池效率会急剧增加。传统增加太阳能电池入射光强的方式主要是透镜聚光，但透镜聚光不仅要设计一套复杂的太阳光跟踪系统，而且材料吸收也会导致部分能量损失。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型针对现有技术存在的问题，提供一种基于半导体纳米孔结构的量子点中间带太阳能电池，本实用新型的太阳能电池既能增加太阳能电池表面的入射光吸收率，又能拓宽太阳能电池的吸收光谱，从而提高太阳能电池的光电转化效率。

本实用新型所述的基于半导体纳米孔结构的量子点中间带太阳能电池，包括若干呈周期性排列的半导体纳米孔结构，所述半导体纳米孔结构为中间设有纳米孔的半导体块，所述纳米孔的直径为180nm～380nm，深度为1～1.5倍直径，所述纳米孔表面上设有若干层介质层，所述介质层由量子点和在量子点外侧的间隔层构成，或由量子点、在量子点外侧的缓冲层和在缓冲层上的间隔层构成。量子点外侧生长一层缓冲层可以形成ii类量子点，在ii类能带结构的量子点中，能带的交错使电子和空穴分别束缚于两种材料中，波函数分离，可实现对带内俄歇复合的抑制，提高太阳电池光电转换效率。

其中，所述纳米孔可以为表面呈反向抛物线面的凹孔，半导体纳米孔结构的排列周期t为1～1.5倍直径。也可以为倒圆锥形，圆锥体的底面直径为180nm～380nm，排列周期为1～1.5倍直径。也可以为正圆柱形，圆柱体底面直径为180nm～380nm，排列周期为1～1.5倍直径。也可以为与水平面呈预设角度倾斜的圆柱形，预设角度范围为45°～90°，圆柱体底面直径为180nm～380nm，排列周期为1.2～1.5倍直径。也可以为倒金字塔形，底面边长180nm～380nm，排列周期为1～1.5倍底面边长。也可以为所述纳米孔为棱柱体形，棱柱体底面边长为180nm～380nm，周期为1～3倍底面边长，也可以为与水平面呈预设角度倾斜的棱柱体形，角度范围为45°～90°，底面边长为180nm～380nm，排列周期为1.5～2倍底面边长。倾斜纳米孔阵列可以增强对tm偏振光的吸收，对波长大于400nm以上波段较为明显，因此倾斜纳米孔阵列可以提高量子点中间带太阳能电池吸收率，进而获得更高的转换效率。还可以为周期性不规则柱体，最大直径为200nm～400nm，最小直径为100nm～200nm，不规则柱体的周期性变化为沿轴向呈周期性正弦函数模式变化、或周期性一次函数模式变化、或周期性常函数模式变化。

其中，所述纳米孔半导体结构呈正方阵列排列或六方阵列排列，在纳米孔形状垂直水平面的情况下，六方排列中的纳米孔对光具有更好的吸收能力，但在与水平面有一定角度的情况下，相比于六方排列正方排列对光的吸收率较高。

有益效果：本实用新型半导体纳米孔结构可以在较宽的波长范围和较广的入射角上降低太阳电池的表面反射率，例如在33.3°的宽入射角下，在450～700nm的可见范围内，表面反射率降低到小于2.5％，在900～1400nm的宽近红外波长范围内，平均反射率小于4％适用于太阳能电池的光捕获，入射光强的增加，使量子点中间带太阳能电池效率会大幅增加，在太阳能电池中应用前景广泛。

附图说明

图1是本实用新型提供的实施例1的结构图；

图2是本实用新型提供的实施例2的结构图；

图3是本实用新型提供的实施例3的结构图；

图4是本实用新型提供的实施例4的结构图；

图5是本实用新型提供的实施例5的结构图；

图6是本实用新型提供的实施例6的结构图；

图7是本实用新型提供的实施例7的结构图；

图8是本实用新型提供的实施例8的结构图；

图9是本实用新型提供的实施例9的结构图；

图10是本实用新型提供的实施例10的结构图；

图11是本实用新型提供的实施例11的结构图；

图12是本实用新型提供的实施例12的结构图；

图13是本实用新型提供的实施例13的结构图；

图14是本实用新型提供的实施例14的结构图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种基于半导体纳米孔结构的量子点中间带太阳能电池，如图1所示，包括若干呈周期性排列的半导体纳米孔结构，具体为正方阵列排列，所述半导体纳米孔结构为中间设有纳米孔的半导体块，所述纳米孔为表面呈反向抛物线面的凹孔，直径为180nm～380nm，半导体纳米孔结构的排列周期t为1～1.5倍直径，深度为1～1.5倍直径，所述纳米孔表面上设有若干层介质层，所述介质层由量子点和在量子点外侧的间隔层构成，或由量子点、在量子点外侧的缓冲层和在缓冲层上的间隔层构成。

上述太阳能电池的制备方法为：用变剂量电子束光刻(ebl)刻蚀gaas半导体块广角抗反射表面形成纳米孔，纳米孔为表面呈反向抛物线面的凹孔，孔的直径d为180nm～380nm，深度h为1～1.5倍直径，周期t为1～1.5倍直径。采用分子束外延或金属有机物化学汽相沉积的方法在纳米孔上沉积一层inas量子点，在量子点外侧生长一层gaas间隔层，量子点、间隔层共同看做介质层，每层介质层的厚度为2nm，层与层之间的gaas间隔层厚度为10nm。重复上述步骤直至量子点层数满足要求。由于本实施例的孔反向抛物线表面结构可以在较宽的波长范围和较广的入射角上降低gaas的表面反射率，光射入纳米柱后可进行多次反射，延长了光程，尤其对于非法向入射光包容性更强，提高了入射光的吸收率，提高了量子点中间带太阳能电池整体光电转化效率。

实施例2

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图2所示，其纳米孔为倒圆锥型，圆锥底面直径d为180nm～380nm，高度h为1～1.5倍直径，周期t为1～1.5倍直径。半导体材料为gaas，介质层由量子点、在量子点外侧的gaas(1-x)sbx缓冲层(其中x＝0.14～0.3)和在缓冲层上的间隔层构成。

实施例3

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图3所示，其纳米孔为圆柱形，圆柱底面直径d为180nm～380nm，高度h为1～1.5倍直径，半导体纳米孔结构的排列周期t为1～1.5倍直径，半导体材料为si。

实施例4

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图4所示，其纳米孔为倒金字塔型，金字塔地面边长为180nm～380nm，高度h为1～1.5倍底面边长，半导体纳米孔结构的排列周期t为1～1.5倍底面边长。

实施例5

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图5所示，其纳米孔为三棱柱型，棱柱边长为180nm～380nm，高度h为1～1.5倍底面边长，半导体纳米孔结构的排列周期t为1～1.5倍底面边长。

实施例6

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图6所示，其纳米孔为四棱柱型，棱柱边长为180nm～380nm，高度h为1～1.5倍底面边长，半导体纳米孔结构的排列周期t为1.2～1.5倍底面边长。

实施例7

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图7所示，其纳米孔结构为五棱柱型，棱柱体底面边长为180nm～380nm，深度为1～1.5倍底面边长，半导体纳米孔结构的排列周期为1.5～2.5倍底面边长。

实施例8

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图8所示，其纳米孔结构为六棱柱型，棱柱体底面边长为180nm～380nm，深度为1～1.5倍底面边长，半导体纳米孔结构的排列周期为2～3倍底面边长。

实施例9

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图9所示，其纳米孔为沿轴向变化的不规则圆柱体形状，最大直径为200nm～400nm，最小直径为100nm～200nm，不规则柱体的周期性变化具体为沿轴向呈周期性正弦函数模式变化、或周期性一次函数模式变化、或周期性常函数模式变化。

实施例10

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图10所示，其纳米孔为倾斜的圆柱形纳米孔，与水平面呈一定的角度，角度范围为45°～90°，纳米孔直径d为180nm～380nm，高度h为1～1.5倍直径，半导体纳米孔结构的排列周期t为1.2～1.5倍直径。倾斜纳米孔阵列可以增强对tm偏振光的吸收，对波长大于400nm以上波段较为明显，因此倾斜纳米孔阵列太阳能电池可以获得更高的短路电流，进而获得更高的转换效率。

实施例11

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例10的不同点是：如图11所示，其纳米孔为倾斜的棱柱型，纳米孔底面边长d为180nm～380nm，高度h为1～1.5倍底面边长，周期为1.5～2倍底面边长。

实施例12

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例1的不同点是：如图12所示，所述纳米孔半导体结构呈六方阵列排列，六方排列中的纳米孔对光具有更好的吸收能力。

实施例13

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例12的不同点是：如图13所示，其纳米孔结构为六方阵列排列的棱柱型。

实施例14

本实施例提供了一种量子点中间带太阳能电池，该实施例与实施例12的不同点是：如图14所示，其纳米孔结构为六方阵列排列的倾斜圆柱型，与水平面呈一定的角度，角度范围为45°～90°。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。