專利名稱：一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜太陽能電池的制備方法，尤其涉及一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，屬于光電應(yīng)用和新能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
不可再生能源如煤炭和石油等地球儲(chǔ)存量有限，而社會(huì)高速發(fā)展又需要大量能源。所以能源問題日益成為制約國際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，越來越多的國家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”，開發(fā)太陽能發(fā)電資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的潔凈能源。應(yīng)用太陽能，既不會(huì)出現(xiàn)大氣污染，也不會(huì)影響生態(tài)平衡，只要陽光所及之處，均能利用太陽能。目前太陽能的利用主要有光熱、光化學(xué)轉(zhuǎn)換和太陽電池發(fā)電三種形式。光熱利用成本低、方便、效率較高，但不利于能量傳輸，一般只能就地使用，且輸出能量形式不具有通用性。光化學(xué)轉(zhuǎn)換在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人類還不能很好地利用。太陽電池是一種小型的半導(dǎo)體器件，當(dāng)太陽光投射到它的表面時(shí)，它就把光能直接轉(zhuǎn)換成電能。太陽電池的發(fā)電利用以電能作為最終表現(xiàn)形式，具有傳輸方便的特點(diǎn)，在通用性、可存儲(chǔ)性等方面具有前兩者無法替代的優(yōu)勢(shì)。單晶硅和多晶硅太陽電池的制備技術(shù)已很成熟，其產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)17% -22%，占太陽電池產(chǎn)品市場(chǎng)份額的95%。但高昂的材料成本在全部生產(chǎn)成本中占據(jù)主導(dǎo)地位，使其成本始終居高不下，而且制作全過程中要消耗很多的能源。為此，基于薄膜技術(shù)的第二代太陽電池便發(fā)展起來了。薄膜光伏電池工藝，經(jīng)過多年的研究發(fā)展，主要包括非晶硅(a-Si)薄膜太陽電池和(μ c-Si)微晶硅薄膜太陽電池以及納米硅薄膜太陽電池，碲化鎘(CdTe)薄膜太陽電池和銅銦(鎵)硒(CI(Ga)Se)薄膜太陽電池以及染料敏化TW2納米薄膜太陽電池。薄膜太陽電池不用硅片做原材料(> 300微米厚)，而是在玻璃等廉價(jià)襯底上或柔性襯底上沉積壓微米到微米量級(jí)的半導(dǎo)體有源層，并且采用低溫工藝沉積薄膜工藝。在眾多薄膜電池中，很有前途的薄膜太陽電池之一為納米硅薄膜太陽電池。這是因?yàn)榧{米硅薄膜有獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)即納米硅薄膜的組分是大量的微小晶粒占總體積百分比 50%，另外50%是由小晶粒中間無序狀態(tài)的硅原子構(gòu)成，各晶粒之間界面層度為2-4個(gè)原子層，與非晶硅(a_Si:H)、微晶硅(yc-Si:H)和多晶硅(pc_Si)相比，納米尺寸硅晶粒和大量界面的存在對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)物性有重要的作用即由于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)而表現(xiàn)出高電導(dǎo)率(δ = 10_3 IO-1Q-1 · cm—1)、低電導(dǎo)激活能(ΔΕ = 0. 12 0. 15eV)的特征，并且其薄膜電池光譜響應(yīng)曲線的峰值波長比單晶硅的峰值波長小即向短波方向移動(dòng)，這表明納米硅薄膜太陽電池在可見光及紅外范圍光吸收系數(shù)比單晶硅高，這有利于太陽光的充分吸收而提高光電轉(zhuǎn)換效率，其光電轉(zhuǎn)換效率的理論值為31. 34%，這比單晶硅太陽電池的理論值27%高。納米硅薄膜的光能隙范圍為1. 6 2. &V，不同晶態(tài)比值X。和晶粒尺寸d值的硅薄膜具有不同寬度的光能隙值，并且通過控制沉淀過程中的工藝條件可以人為的改變nc-Si:H膜的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其光能隙即硅膜中所含晶粒尺寸越小其光能隙越大。這樣通過工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)改變nc-Si:H膜的光能隙值，就可以選配出合理的頂?shù)纂姵貛督M合。另外，納米硅薄膜制備無須高溫?cái)U(kuò)散工藝，基本上克服了非晶硅薄膜電池的S-W效應(yīng)即光致效率退化效應(yīng)，并且其制備工藝即PECVD工藝與現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)相匹配可以降低成本。所以納米硅薄膜將可能成為取代單晶硅、非晶硅的光伏材料。但是，上述所有薄膜太陽能電池的薄膜制備技術(shù)的成熟度很差，這表現(xiàn)在薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率低，并且沒有工藝的重復(fù)性。本發(fā)明旨在用橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)并采用納米硅薄膜材料制備薄膜光伏電池，以提升工藝的重復(fù)性和提高納米硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
1.發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，它克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)制備納米硅薄膜太陽能電池；通過橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，可提高納米硅薄膜太陽能電池工藝的重復(fù)性，并提高納米硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。2.技術(shù)方案內(nèi)容本發(fā)明一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，該方法包括以下步驟步驟一采用濕化學(xué)法對(duì)單晶硅片進(jìn)行各向異性腐蝕，獲得金字塔狀的絨面硅片襯底。步驟二采用熱蒸發(fā)方法或磁控濺射方法制備納米硅薄膜太陽能電池的背電極。步驟三采用PECVD法即等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，通入硅烷SiH4制備I層納米硅薄膜，通入硅烷SiH4和磷烷PH3等混合氣體制備N層納米硅薄膜，通入硅烷SiH4和硼烷IH5等混合氣體制備P層納米硅薄膜。步驟四在步驟三沉積納米硅薄膜過程中，采用橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控薄膜生長過程的制備方法，這是本專利申請(qǐng)的核心。步驟五采用熱蒸發(fā)方法或磁控濺射方法或絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備納米硅薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電膜電極和上電極(刪極)。其中，步驟一的具體作法是硅片清洗后放在聚四氟乙烯容器中用HF 去離子水=1 50的稀溶液腐蝕9-11秒鐘的時(shí)間，然后在四-31秒左右的時(shí)間內(nèi)用大量的去離子水沖洗HF酸，從而去除單晶硅片上的二氧化硅層。采用堿溶液化學(xué)腐蝕的方法即以NaOH作為反應(yīng)物并以異丙醇作為添加劑調(diào)節(jié)腐蝕速度各向異性因子，其NaOH與異丙醇的混合溶液對(duì)單晶硅進(jìn)行各向異性腐蝕，NaOH濃度3%，異丙醇的用量5%，反應(yīng)溫度90°C，腐蝕時(shí)間為50min。在這一條件下，制備出類金字塔的織構(gòu)表面即絨面硅片襯底。其中，步驟二的具體作法是采用熱蒸發(fā)方法制備背電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空抽至8.0X10-4Pa以下，樣品溫度為200°C 400°C，電阻蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)高純鋁Al膜等金屬導(dǎo)電膜皆可；采用磁控濺射方法制備背電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空抽至8. OX 10-4 以下，樣品溫度為200°C 400°C，濺射電流0. 4-0. 8A，濺射電壓350-450V，工作氣體Ar2,工作氣壓0. 5-3Pa，濺射高純鋁Al靶等金屬靶，從而在樣品表面上形成高純鋁Al膜等金屬導(dǎo)電膜；再進(jìn)行真空退火處理即系統(tǒng)本底真空抽至8. 0 X 10_4Pa以下，退火溫度為450°C 560°C，退火時(shí)間為5min 20min，這時(shí)沉積的鋁膜明顯致密，膜與襯底的結(jié)合變好，有利于降低薄膜的電阻。其中，步驟三的具體作法是先將系統(tǒng)本底真空度抽到8. OX 10-4 以下，再通入氫稀釋了的濃度為5%的高純硅烷SiH4,溫度為200-380°C，工作氣壓為1. 0-3. OTorr，射頻功率為40-60W，采用此工藝條件可制備出I層納米硅薄膜，其晶態(tài)含量在(50士幻％之間，晶態(tài)峰在509-518(^1之間，室溫電導(dǎo)率達(dá)到IO1 Ω -1Cm1-IO2 Ω cm"1 cm"1 ；在上述工藝的基礎(chǔ)上，再通入高純氫氣吐和氫稀釋了的濃度為0. 5%的高純磷烷PH3,其硅烷SiH4、氫氣H2、磷烷PH3這三種工作氣體的流量比為5 100 5-15 (SCCM)，采用此工藝條件可制備出N層納米硅薄膜，其電導(dǎo)率達(dá)IO1Q-1Cm1-IO2Q-1Cm1Cm1 ；在上述工藝的基礎(chǔ)上，將磷烷PH3換成硼烷IH5即通入高純氫氣H2和氫稀釋了的濃度為5%的高純硼烷IH5，其硅烷SiH4、氫氣H2、硼烷KH5這三種工作氣體的流量比為5 100 0. 3-0. 8 (SCCM)，并且直流偏壓為100-300V，采用此工藝條件可制備出P層納米硅薄膜，其電導(dǎo)率達(dá)IO1Q-1Cm1-IO2Q-1CmA其中，步驟四的具體作法是采用消光型橢園偏振光測(cè)膜厚儀原理，在工作腔室兩側(cè)的真空隔離腔室里分別安裝起偏器、四分之一波片和檢偏器、激光器；波長635nm激光經(jīng)起偏器和四分之一波片，再經(jīng)工作腔室左側(cè)窗口，進(jìn)入工作腔室以60° -80°度斜入射于樣品表面，其反射光束經(jīng)工作腔室右側(cè)窗口進(jìn)入右預(yù)真空腔室，再經(jīng)檢偏器入射于光電倍增管或半導(dǎo)體光電池而被探測(cè)其光強(qiáng)變化。對(duì)于設(shè)定的薄膜來說，有給定的橢偏參數(shù)Δ、Ψ即對(duì)應(yīng)于一定的起偏器角度和檢偏器角度時(shí)其光強(qiáng)為零，在薄膜生長過程中，其光強(qiáng)變化有相應(yīng)的變化，在光強(qiáng)為零時(shí)，便生長所設(shè)定的薄膜，這時(shí)關(guān)機(jī)停止薄膜生長，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控薄膜生長的目的。其中，步驟五的具體作法是采用熱蒸發(fā)方法制備電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空S-OXlO-4Pa以下，樣品溫度為200°C 500°C，電阻蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)勻可；采用磁控濺射方法制備電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空8.0X10_4Pa以下，樣品溫度為200°C 500°C，濺射電流0. 4-0. 8A，濺射電壓350-450V，工作氣體Ar2,工作氣壓0. 5_3Pa ；絲網(wǎng)印刷技術(shù)采用通用的絲網(wǎng)印刷技術(shù)。采用磁控濺射方法制備ITO等透明導(dǎo)電膜電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空8. OX IO^4Pa以下，樣品溫度為200°C 500°C，通入高純氬氣Ar和高純氧氣O2，這兩種工作氣體的流量比為100 1.5-2. 5 6010，工作氣壓0.5-3 ￡1;濺射電流0.4-0.64，濺射電壓350-420V。鍍膜材料采用透明導(dǎo)電膜材料如銦錫氧化物即ITO或摻鋁氧化鋅即AZO等，而上電極(刪極)材料采用金屬膜如鋁AL膜等或各金屬膜復(fù)合膜如鈦鈀銀等。3.優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)及積極效果采用橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控薄膜生長過程，從而提高了納米硅薄膜光伏電池工藝的重復(fù)性；本發(fā)明技術(shù)制備出的納米硅薄膜光伏電池其最佳光譜響應(yīng)波段在900nm附近，相比于單晶硅太陽電池的最佳光譜響應(yīng)波段IOOOnm向短波方向發(fā)生了移動(dòng)，因而在吸收可見光區(qū)域的能量方面納米硅薄膜太陽電池占優(yōu)；本發(fā)明技術(shù)是采用硅烷作為工作氣體，因而是低成本制備硅薄膜光伏電池的方法。

圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。圖中符號(hào)說明如下1、樣品清洗和制絨2、制背電極及退火處理3、橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控4、制I層、N層、P層納米硅薄膜5、制透明導(dǎo)電膜電極和上電極(刪極)
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，列舉具體實(shí)施例如下實(shí)施例一見圖1，本發(fā)明一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，包括以下步驟步驟一采用常規(guī)的硅片清洗工藝即改進(jìn)的RCA清洗工藝對(duì)P型硅片進(jìn)行清洗后， 放在聚四氟乙烯容器中用HF 去離子水=1 50的稀溶液腐蝕10秒鐘的時(shí)間，然后在30 秒鐘內(nèi)用大量的去離子水沖洗HF酸，從而去除單晶硅片上的二氧化硅層。采用堿溶液化學(xué)腐蝕的方法即以NaOH作為反應(yīng)物并以異丙醇作為添加劑調(diào)節(jié)腐蝕速度各向異性因子，其 NaOH與異丙醇的混合溶液對(duì)單晶硅進(jìn)行各向異性腐蝕，NaOH濃度3%，異丙醇的用量5%， 反應(yīng)溫度90°C，腐蝕時(shí)間為50min。在這一條件下，制備出類金字塔的織構(gòu)表面。步驟二 將磁控濺射系統(tǒng)本底真空抽止8. OX 10_4Pa以下，樣品溫度為200°C，濺射電流0. 8A，濺射電壓350V，工作氣體Ar2,工作氣壓0. 5Pa,濺射高純鋁Al靶等金屬靶，從而在樣品表面上形成高純鋁Al膜等金屬導(dǎo)電膜；再進(jìn)行真空退火處理即系統(tǒng)本底真空抽止 8.0X10-4Pa以下，退火溫度為560°C，退火時(shí)間為20min，這時(shí)沉積的鋁膜明顯致密，膜與襯底的結(jié)合變好，有利于降低薄膜的電阻。步驟三將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)本底真空度抽到8. 0 X KT4Pa 以下，再通入氫稀釋了的濃度為5%的高純硅烷SiH4,溫度為220°C，工作氣壓為3. OTorr, 射頻功率為60W，采用此工藝條件并在橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控下可制備出I層納米硅薄膜。再將樣品傳入到另一個(gè)在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中，將該等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)本底真空度抽到8. OX KT4Pa以下，再通入高純氫氣吐和氫稀釋了的濃度為0. 5%的高純磷烷PH3,其硅烷SiH4、氫氣H2、磷烷PH3這三種工作氣體的流量比為5 100 7(SCCM)，采用此工藝條件并在橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控下可制備出N層納米硅薄膜。步驟四在上述沉積納米硅薄膜即步驟三的過程中，開啟氦氖激光器，波長635nm 激光經(jīng)起偏器和四分之一波片，再經(jīng)工作腔室左側(cè)窗口，進(jìn)入工作腔室以70°度斜入射于樣品表面，其反射光束經(jīng)工作腔室右側(cè)窗口進(jìn)入右預(yù)真空腔室，再經(jīng)檢偏器入射于光電倍增管或半導(dǎo)體光電池而被探測(cè)其光強(qiáng)變化。對(duì)于設(shè)定的薄膜來說，有給定的橢偏參數(shù)Δ、 Ψ即對(duì)應(yīng)于一定的起偏器角度和檢偏器角度時(shí)其光強(qiáng)為零，在薄膜生長過程中，其光強(qiáng)變化有相應(yīng)的變化，在光強(qiáng)為零時(shí)，便生長所設(shè)定的薄膜，這時(shí)關(guān)機(jī)停止薄膜生長。步驟五采用磁控濺射方法制備ITO透明導(dǎo)電膜電極。將磁控濺射系統(tǒng)本底真空抽止8.0X10_4Pa以下，樣品溫度為230°C，通入高純氬氣Ar和高純氧氣02，這兩種工作氣體的流量比為100 1. 5 (SCCM)，工作氣壓0. 8Pa ；濺射電流0. 5，濺射電壓400V，從而在納米硅薄膜光伏電池表面上鍍了一層透明導(dǎo)電膜，起鈍化和透明導(dǎo)電膜電極作用。再采用熱蒸發(fā)方法制備納米硅薄膜太陽能電池的上電極即柵極(含收集極和匯流極等)。將蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)本底真空抽至8. 0 X 以下，樣品溫度為230°C，進(jìn)行電阻蒸發(fā)，蒸發(fā)電壓20V，蒸發(fā)電流40A，蒸發(fā)時(shí)間anin。實(shí)施例二見圖1，本發(fā)明一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，包括以下步驟步驟一采用常規(guī)的硅片清洗工藝即改進(jìn)的RCA清洗工藝對(duì)N型硅片進(jìn)行清洗后， 放在聚四氟乙烯容器中用HF 去離子水=1 50的稀溶液腐蝕10秒鐘然后在30秒鐘內(nèi)用大量的去離子水沖洗HF酸，從而去除單晶硅片上的二氧化硅層。采用堿溶液化學(xué)腐蝕的方法即以NaOH作為反應(yīng)物并以異丙醇作為添加劑調(diào)節(jié)腐蝕速度各向異性因子，其NaOH與異丙醇的混合溶液對(duì)單晶硅進(jìn)行各向異性腐蝕，NaOH濃度3%，異丙醇的用量5%，反應(yīng)溫度95°C，腐蝕時(shí)間為50min。在這一條件下，制備出類金字塔的織構(gòu)表面。步驟二 將磁控濺射系統(tǒng)本底真空抽至8. OX 10_4Pa以下，樣品溫度為260°C，濺射電流0. 9A，濺射電壓350V，工作氣體Ar2,工作氣壓0. 6Pa,濺射高純鋁Al靶等金屬靶，從而在樣品表面上形成高純鋁Al膜等金屬導(dǎo)電膜；再進(jìn)行真空退火處理即系統(tǒng)本底真空抽至 8.0X10-4Pa以下，退火溫度為560°C，退火時(shí)間為25min，這時(shí)沉積的鋁膜明顯致密，膜與襯底的結(jié)合變好，有利于降低薄膜的電阻。步驟三將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)本底真空度抽到8. 0 X KT4Pa 以下，再通入氫稀釋了的濃度為5%的高純硅烷SiH4,溫度為210°C，工作氣壓為2. OTorr, 射頻功率為50W，采用此工藝條件并在橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控下可制備出I層納米硅薄膜。再將樣品傳入到另一個(gè)在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中，將該等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)本底真空度抽到8. OX KT4Pa以下，通入高純氫氣吐和氫稀釋了的濃度為5%的高純硼烷IH5，其硅烷SiH4、氫氣H2、硼烷IH5這三種工作氣體的流量比為 5 100 0. 4(3010，并且直流偏壓為200￥，溫度為2101，工作氣壓為2.01101^，射頻功率為50W，采用此工藝條件可制備出P層納米硅薄膜。步驟四在上述沉積納米硅薄膜即步驟三過程中，開啟氦氖激光器，波長635nm激光經(jīng)起偏器和四分之一波片，再經(jīng)工作腔室左側(cè)窗口，進(jìn)入工作腔室以70°度斜入射于樣品表面，其反射光束經(jīng)工作腔室右側(cè)窗口進(jìn)入右預(yù)真空腔室，再經(jīng)檢偏器入射于光電倍增管或半導(dǎo)體光電池而被探測(cè)其光強(qiáng)變化。對(duì)于設(shè)定的薄膜來說，有給定的橢偏參數(shù)△、Ψ 即對(duì)應(yīng)于一定的起偏器角度和檢偏器角度時(shí)其光強(qiáng)為零，在薄膜生長過程中，其光強(qiáng)變化有相應(yīng)的變化，在光強(qiáng)為零時(shí)，便生長所設(shè)定的薄膜，這時(shí)關(guān)機(jī)停止薄膜生長。步驟五采用磁控濺射方法制備ITO透明導(dǎo)電膜電極。將磁控濺射系統(tǒng)本底真空抽至8.0X10_4Pa以下，樣品溫度為220°C，通入高純氬氣Ar和高純氧氣02，這兩種工作氣體的流量比為100 1. 5 (SCCM)，工作氣壓1. OPa ；濺射電流0. 8，濺射電壓400V，從而在納米硅薄膜光伏電池表面上鍍了一層透明導(dǎo)電膜，起鈍化和透明導(dǎo)電膜電極作用。再采用熱蒸發(fā)方法制備納米硅薄膜太陽能電池的上電極即柵極(含收集極和匯流極等)。將蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)本底真空抽至8. 0 X IO-4Pa以下，樣品溫度為230°C，進(jìn)行電阻蒸發(fā)，蒸發(fā)電壓15V，蒸發(fā)電流70A，蒸發(fā)時(shí)間aiiin。實(shí)施例三見圖1，本發(fā)明一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，包括以下步驟步驟一采用常規(guī)的硅片清洗工藝即改進(jìn)的RCA清洗工藝對(duì)P型硅片進(jìn)行清洗后， 放在聚四氟乙烯容器中用HF 去離子水=1 50的稀溶液腐蝕10秒鐘然后在30秒鐘內(nèi)用大量的去離子水沖洗HF酸，從而去除單晶硅片上的二氧化硅層。采用堿溶液化學(xué)腐蝕的方法即以NaOH作為反應(yīng)物并以異丙醇作為添加劑調(diào)節(jié)腐蝕速度各向異性因子，其NaOH與異丙醇的混合溶液對(duì)單晶硅進(jìn)行各向異性腐蝕，NaOH濃度3%，異丙醇的用量5%，反應(yīng)溫度85°C，腐蝕時(shí)間為60min。在這一條件下，制備出類金字塔的織構(gòu)表面。步驟二 將磁控濺射系統(tǒng)本底真空抽至9. OX 10_4Pa以下，樣品溫度為200°C，濺射電流1. 1A，濺射電壓350V，工作氣體Ar2，工作氣壓1. 2Pa，濺射高純鋁Al靶等金屬靶，從而在樣品表面上形成高純鋁Al膜等金屬導(dǎo)電膜；再進(jìn)行真空退火處理即系統(tǒng)本底真空抽至 8.0\10_卞3以下，退火溫度為5701，退火時(shí)間為15min，這時(shí)沉積的鋁膜明顯致密，膜與襯底的結(jié)合變好，有利于降低薄膜的電阻。步驟三將等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)本底真空度抽到8. 0 X KT4Pa 以下，再通入氫稀釋了的濃度為5%的高純硅烷SiH4,溫度為200°C，工作氣壓為2. OTorr, 射頻功率為40W，采用此工藝條件并在橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控下可制備出I層納米硅薄膜。再將樣品傳入到另一個(gè)在等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)中，將該等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)系統(tǒng)本底真空度抽到9. OX KT4Pa以下，再通入高純氫氣吐和氫稀釋了的濃度為0. 5%的高純磷烷PH3,其硅烷SiH4、氫氣H2、磷烷PH3這三種工作氣體的流量比為5 100 8(3010，溫度為2001，工作氣壓為2.01101^，射頻功率為401，采用此工藝條件并在橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控下可制備出N層納米硅薄膜。步驟四在上述沉積納米硅薄膜即步驟三的過程中，開啟氦氖激光器，波長635nm 激光經(jīng)起偏器和四分之一波片，再經(jīng)工作腔室左側(cè)窗口，進(jìn)入工作腔室以70°度斜入射于樣品表面，其反射光束經(jīng)工作腔室右側(cè)窗口進(jìn)入右預(yù)真空腔室，再經(jīng)檢偏器入射于光電倍增管或半導(dǎo)體光電池而被探測(cè)其光強(qiáng)變化。對(duì)于設(shè)定的薄膜來說，有給定的橢偏參數(shù)Δ、 Ψ即對(duì)應(yīng)于一定的起偏器角度和檢偏器角度時(shí)其光強(qiáng)為零，在薄膜生長過程中，其光強(qiáng)變化有相應(yīng)的變化，在光強(qiáng)為零時(shí)，便生長所設(shè)定的薄膜，這時(shí)關(guān)機(jī)停止薄膜生長。步驟五采用磁控濺射方法制備ITO透明導(dǎo)電膜電極。將磁控濺射系統(tǒng)本底真空抽至9.0X10_4Pa以下，樣品溫度為230°C，通入高純氬氣Ar和高純氧氣02，這兩種工作氣體的流量比為100 1. 5 (SCCM)，工作氣壓0. 8Pa ；濺射電流0. 7，濺射電壓380V，從而在納米硅薄膜光伏電池表面上鍍了一層透明導(dǎo)電膜，起鈍化和透明導(dǎo)電膜電極作用。再采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備納米硅薄膜太陽能電池的上電極即柵極(含收集極和匯流極等)。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，舉凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等設(shè)計(jì)變，均應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)方案所涵蓋。如襯底為玻璃和不銹鋼片等，都應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)方案所涵蓋。 綜上所述，本發(fā)明提供了一種納米硅薄膜光伏電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，通過橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，可提高納米硅薄膜光伏電池工藝的重復(fù)性，并提高納米硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明薄膜光伏電池制備方法的成本低，重復(fù)性好，可推廣應(yīng)用。因此，依法提出專利申請(qǐng)。
權(quán)利要求
1.一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一采用濕化學(xué)法對(duì)單晶硅片進(jìn)行各向異性腐蝕，獲得金字塔狀的絨面硅片襯底；步驟二 采用熱蒸發(fā)方法或磁控濺射方法制備納米硅薄膜太陽能電池的背電極；步驟三采用PECVD法即等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，通入硅烷SH4制備I層納米硅薄膜，通入硅烷SiH4和磷烷PH3混合氣體制備N層納米硅薄膜，通入硅烷SiH4和硼烷IH5混合氣體制備P層納米硅薄膜；步驟四在步驟三沉積納米硅薄膜過程中，采用橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控薄膜生長的過程；步驟五采用熱蒸發(fā)方法或磁控濺射方法或絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備納米硅薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電膜電極和上電極即刪極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，其特征在于步驟一的具體作法是硅片清洗后放在聚四氟乙烯容器中用HF 去離子水=1 50的稀溶液腐蝕9-11秒鐘的時(shí)間，然后在四-31秒的時(shí)間內(nèi)用大量的去離子水沖洗HF酸，從而去除單晶硅片上的二氧化硅層；采用堿溶液化學(xué)腐蝕的方法即以NaOH作為反應(yīng)物并以異丙醇作為添加劑調(diào)節(jié)腐蝕速度各向異性因子，其NaOH與異丙醇的混合溶液對(duì)單晶硅進(jìn)行各向異性腐蝕，NaOH濃度3 %，異丙醇的用量5 %，反應(yīng)溫度90°C，腐蝕時(shí)間為50min ；在這一條件下，制備出類金字塔的織構(gòu)表面即絨面硅片襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，其特征在于步驟二的具體作法是采用熱蒸發(fā)方法制備背電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空抽至8. OX 10_4Pa以下，樣品溫度為200°C 400°C，電阻蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)高純鋁Al金屬導(dǎo)電膜皆能用；采用磁控濺射方法制備背電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空抽至8. OX 10-4 以下，樣品溫度為200°C 400°C，濺射電流0. 4-0. 8A，濺射電壓350-450V，工作氣體Ar2，工作氣壓0. 5-3Pa，濺射高純鋁Al靶作金屬靶，從而在樣品表面上形成高純鋁Al膜為金屬導(dǎo)電膜；再進(jìn)行真空退火處理即系統(tǒng)本底真空抽至8. 0 X 10_4Pa以下，退火溫度為450°C 560°C，退火時(shí)間為5min 20min，這時(shí)沉積的鋁膜明顯致密，膜與襯底的結(jié)合變好，有利于降低薄膜的電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，其特征在于步驟三的具體作法是先將系統(tǒng)本底真空度抽到8. OXlO—Va以下，再通入氫稀釋了的濃度為5%的高純硅烷SiH4,溫度為200-380°C，工作氣壓為1. 0-3. OTorr，射頻功率為40-60W，采用此工藝條件制備出I層納米硅薄膜，其晶態(tài)含量在50士5%之間，晶態(tài)峰在509-518(^1之間，室溫電導(dǎo)率達(dá)到IO1 Ω -1Cm^1-IO2 Ω ^m 1 ；在上述工藝的基礎(chǔ)上，再通入高純氫氣H2和氫稀釋了的濃度為0. 5%的高純磷烷PH3,其硅烷SiH4、氫氣H2、磷烷PH3這三種工作氣體的流量比為5 100 5-15(SCCM)，采用此工藝條件制備出N層納米硅薄膜，其電導(dǎo)率達(dá)IO1 Ω -1Cm LlO2 Ω ^m 1 ；在上述工藝的基礎(chǔ)上，將磷烷PH3換成硼烷即通入高純氫氣吐和氫稀釋了的濃度為5%的高純硼烷IH5，其硅烷SiH4、氫氣H2、硼烷IH5這三種工作氣體的流量比為5 100 0.3-0. 8 (SCCM)，并且直流偏壓為100-300V，采用此工藝條件制備出P層納米硅薄膜，其電導(dǎo)率達(dá)IO1Q-1Cm1-IO2Q-1CmA
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，其特征在于步驟四的具體作法是采用消光型橢園偏振光測(cè)膜厚儀原理，在工作腔室兩側(cè)的真空隔離腔室里分別安裝起偏器、四分之一波片和檢偏器、激光器；波長635nm激光經(jīng)起偏器和四分之一波片，再經(jīng)工作腔室左側(cè)窗口，進(jìn)入工作腔室以60° -80°度斜入射于樣品表面，其反射光束經(jīng)工作腔室右側(cè)窗口進(jìn)入右預(yù)真空腔室，再經(jīng)檢偏器入射于光電倍增管或半導(dǎo)體光電池而被探測(cè)其光強(qiáng)變化對(duì)于設(shè)定的薄膜來說，有給定的橢偏參數(shù)△、Ψ即對(duì)應(yīng)于一定的起偏器角度和檢偏器角度時(shí)其光強(qiáng)為零，在薄膜生長過程中，其光強(qiáng)變化有相應(yīng)的變化，在光強(qiáng)為零時(shí)，便生長所設(shè)定的薄膜，這時(shí)關(guān)機(jī)停止薄膜生長，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控薄膜生長的目的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，其特征在于步驟五的具體作法是采用熱蒸發(fā)方法制備電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空S-OXlO-4Pa以下，樣品溫度為200°C 500°C，電阻蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)勻都行；采用磁控濺射方法制備電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空8. OX 10_4Pa以下，樣品溫度為200°C 500°C，濺射電流·0. 4-0. 8A，濺射電壓350-450V，工作氣體Ar2，工作氣壓0. 5_3Pa ；絲網(wǎng)印刷技術(shù)采用通用的絲網(wǎng)印刷技術(shù)；采用磁控濺射方法制備ITO透明導(dǎo)電膜電極時(shí)，系統(tǒng)本底真空8. OX 10_4Pa以下，樣品溫度為200°C 500°C，通入高純氬氣Ar和高純氧氣O2，這兩種工作氣體的流量比為100 1. 5-2. 5 (SCCM)，工作氣壓0. 5_3Pa ；濺射電流0. 4-0. 6A，濺射電壓!350-420V ；鍍膜材料采用透明導(dǎo)電膜材料銦錫氧化物即ITO或摻鋁氧化鋅即ΑΖ0，而上電極材料采用金屬膜如鋁膜或各金屬膜復(fù)合膜如鈦鈀銀。
全文摘要
一種納米硅薄膜太陽能電池橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控制備方法，它有五大步驟一、采用濕化學(xué)法對(duì)單晶硅片進(jìn)行各向異性腐蝕，獲得金字塔狀的絨面硅片襯底；二、采用熱蒸發(fā)方法或磁控濺射方法制備納米硅薄膜太陽能電池的背電極；三采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，通入硅烷SiH4制備I層納米硅薄膜，通入硅烷SiH4和磷烷PH3混合氣體制備N層納米硅薄膜，通入硅烷SiH4和硼烷B2H5混合氣體制備P層納米硅薄膜；四、在步驟三沉積納米硅薄膜過程中，采用橢園偏振光實(shí)時(shí)監(jiān)控薄膜的生長；五、采用熱蒸發(fā)方法或磁控濺射方法或絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備納米硅薄膜太陽能電池的透明導(dǎo)電膜電極和上電極。它在光電應(yīng)用和新能源技術(shù)領(lǐng)域里具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C14/54GK102569517SQ20121000627
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者劉嘉, 吳然嵩, 孫月峰, 張冷, 張維佳, 馬強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)