專利名稱：包含碳納米管層的硅太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施方案通常涉及硅太陽能電池，更具體地，涉及包括碳納米管層的硅太陽能電池，所述碳納米管層設(shè)置在p-n結(jié)硅基底的前表面和背表面的至少一個(gè)表面上。
背景技術(shù)：
為了解決環(huán)境問題和高油價(jià)問題，清潔替代能源的開發(fā)已經(jīng)引起了許多興趣，因此對開發(fā)太陽能電池(或光伏電池)已有許多研究。太陽能電池是利用光電效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。參考圖1，如同二極管，太陽能電池有ρ型半導(dǎo)體110和η型半導(dǎo)體120的結(jié)結(jié)構(gòu)。當(dāng)光(L)入射到太陽能電池上時(shí)，通過入射光與組成太陽能電池的半導(dǎo)體材料的相互作用，產(chǎn)生帶負(fù)㈠電荷的電子和因電子發(fā)射導(dǎo)致的帶正⑴電荷的空穴，電流因電子和空穴的運(yùn)動(dòng)而流動(dòng)。這就被稱為光電效應(yīng)。在此情況下，電子和空穴被P-n結(jié)115周圍形成的電場各自吸向η型半導(dǎo)體120和ρ型半導(dǎo)體110，并且移動(dòng)到電極140和130，所述電極， 分別地，與η型半導(dǎo)體120和ρ型半導(dǎo)體110連接。然后，電流通過連接到電極140和130 的外部回路150流動(dòng)。基于以上所述原理驅(qū)動(dòng)的太陽能電池主要分成兩個(gè)類型硅太陽能電池和化合物半導(dǎo)體太陽能電池。然而，考慮到光電轉(zhuǎn)換效率低，太陽能電池有許多問題。因此，為了改善硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，已進(jìn)行許多研究。例如，在一篇文章[J. Non-crystal. Solids,354,19 (2008) Vacuum, 80,1090(2006) ；Science, 285,692 (1999)]中，公開了使用凹凸結(jié)構(gòu)和防反射膜減少反射性，或者通過熱處理?xiàng)l件中的變化抑制少數(shù)載流子的重組， 從而改善太陽能電池的效率。然而，光電轉(zhuǎn)換效率沒有明顯改善，因?yàn)檫€存在待解決的問題，包括電子-空穴重組、重組率、接觸電阻等。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，提供本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施方案，可基本上避免由于相關(guān)技術(shù)的局限性和缺點(diǎn)所帶來的一個(gè)或多個(gè)問題。本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施方案提供硅太陽能電池，所述硅太陽能電池由于引入碳納米管層，其光電轉(zhuǎn)換效率得到改善。在一些實(shí)施例實(shí)施方案中，硅太陽能電池包括p-n結(jié)硅基底，所述硅基底包括P型硅層和η型硅層；在硅基底的正表面或背表面上設(shè)置的碳納米管層；以及在沒有設(shè)置碳納米管層的硅基底表面上設(shè)置的第一電極。
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硅太陽能電池可以進(jìn)一步包括設(shè)置在碳納米管層上的第二電極。此外，設(shè)置碳納米管層的硅基底表面可以有凹凸結(jié)構(gòu)。在其它的實(shí)施例實(shí)施方案中，硅太陽能電池包括p-n結(jié)硅基底，所述硅基底包括ρ 型硅層和η型硅層；以及設(shè)置在硅基底的前表面和背表面上的碳納米管層。硅太陽能電池可以進(jìn)一步包括電極，所述電極設(shè)置在至少一個(gè)設(shè)置在硅基底前表面和背表面上的碳納米管層上。此外，硅基底的前表面和背表面至少一個(gè)可以有凹凸結(jié)構(gòu)。


參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施方案，本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施方案將更加清楚，其中圖1是說明太陽能電池基本結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖2是說明硅太陽能電池的剖視圖，其中碳納米管層設(shè)置在p-n結(jié)硅基底的前表面上。圖3是說明硅太陽能電池的剖視圖，其中碳納米管層設(shè)置在p-n結(jié)硅基底的背表面上。圖4是說明設(shè)置在p-n結(jié)硅基底表面上的碳納米管層的示意圖，所述硅基底表面有(a)平面結(jié)構(gòu)或(b)凹凸結(jié)構(gòu)。圖5是說明硅太陽能電池的剖視圖，其中碳納米管層設(shè)置在p-n結(jié)硅基底的前表面和背表面上。圖6是說明比較例1生產(chǎn)的硅太陽能電池的剖視圖，所述硅太陽能電池不包括碳
納米管層。圖7是說明比較例1生產(chǎn)的硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的圖，所述硅太陽能電池不包括碳納米管層。圖8至10，分別地，是說明制備實(shí)施例1至3中生產(chǎn)的硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的圖，所述硅太陽能電池不包括碳納米管層。圖11和12，分別地，是說明制備實(shí)施例4和5中生產(chǎn)的硅太陽能電池的剖視圖。圖13是說明比較例2中生產(chǎn)的硅太陽能電池的剖視圖。圖14是說明制備實(shí)施例4和5以及比較例2中生產(chǎn)的硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的圖。圖15是說明制備實(shí)施例6中生產(chǎn)的硅太陽能電池的剖視圖。圖16是說明制備實(shí)施例6中生產(chǎn)的硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的圖。
具體實(shí)施例方式本說明書中公開了本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施方案。然而，本說明書中公開的具體的結(jié)構(gòu)和功能詳細(xì)內(nèi)容，僅代表說明發(fā)明實(shí)施例實(shí)施方案的目的，然而，本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施方案可以以許多替代形式實(shí)施，不應(yīng)理解為受限于本說明書中闡述的本發(fā)明實(shí)施例實(shí)施方案。相應(yīng)地，雖然本發(fā)明可接受各種修改和替代形式，其具體的實(shí)施方案以舉例形式在附圖中顯示，并在本說明書中詳細(xì)描述。應(yīng)該理解，然而，沒有任何將本發(fā)明限制于所公開的具體形式的意圖，相反，本發(fā)明涵蓋了落在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同、和替代。對圖的說明始終用同樣的編號來指示同樣的部件。應(yīng)當(dāng)理解，雖然在本說明書中可能使用第一、第二等術(shù)語來說明各種部件，這些部件不應(yīng)受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語只用于區(qū)別一個(gè)部件和另一個(gè)。例如，第一部件可以稱為第二部件，并且，類似地，第二部件可以稱為第一部件，而不會偏離本發(fā)明的范圍。本說明書中使用的術(shù)語只用于說明具體實(shí)施方案的目的，無意于限制本發(fā)明。如在本說明書中所使用，單數(shù)形式的“一”、“一個(gè)”和“該”也用來包括復(fù)數(shù)形式，除非語境清楚地另有所指。應(yīng)進(jìn)一步理解，術(shù)語“包括”和/或“包含”用在本說明書中時(shí)，說明了存在所表明的特點(diǎn)、整體(integers)、步驟、操作、部件、和/或成分，但不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其它的特點(diǎn)、整體(integers)、步驟、操作、部件、成分和/或其組合。除非另有規(guī)定，本說明書中使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)與本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常所理解的有相同的含義。應(yīng)進(jìn)一步理解，術(shù)語，例如常用詞典所規(guī)定的那些，應(yīng)該解釋為與相關(guān)技術(shù)語境中的含義一致的含義，不應(yīng)從理想化或過于正規(guī)的意義上解釋，除非本說明書中明確如此規(guī)定。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例實(shí)施方案的硅太陽能電池包括p-n結(jié)硅基底，所述硅基底包括 P型硅層和η型硅層；在硅基底的前表面或后表面上設(shè)置的碳納米管層；在沒有設(shè)置碳納米管層的硅基底表面上設(shè)置的第一電極；以及在碳納米管層上設(shè)置的第二電極。然而，可以省去設(shè)置在碳納米管層上的第二電極。此外，硅太陽能電池可以在設(shè)置碳納米管層的硅基底表面上形成有凹凸結(jié)構(gòu)。圖2是說明硅太陽能電池的剖視圖，其中碳納米管層設(shè)置在p-n結(jié)硅基底的前表面上。參考圖2，硅太陽能電池包括p-n結(jié)硅基底100，所述硅基底100包括ρ型硅層110 和η型硅層120 ；設(shè)置在硅基底100的前表面122(即，η型硅層的表面)上的碳納米管層 220 ；設(shè)置在硅基底100的背表面112上的背面電極130 ；以及設(shè)置在碳納米管層220上的正面電極140。然而，可以省去正面電極140。圖3是說明硅太陽能電池的剖視圖，其中碳納米管層設(shè)置在p-n結(jié)硅基底的背表面上。參考圖3，硅太陽能電池包括p-n結(jié)硅基底100，所述硅基底100包括ρ型硅層110 和η型硅層120 ；設(shè)置在硅基底100的背表面112(即，ρ型硅層的表面)上的碳納米管層 210 ；設(shè)置在硅基底100的前表面122上的正面電極140 ；以及設(shè)置在碳納米管層210上的背面電極130。然而，可以省去背面電極130。如圖2和3所示，p-n結(jié)硅基底100有形成在ρ型硅層110和η型硅層120之間的 P-n結(jié)115，用來接收光并利用光電效應(yīng)產(chǎn)生電流。ρ型硅層110可以是摻雜了諸如硼(B)、 鎵(Ga)和銦(In)的III族元素的硅層，而η型硅層120可以是摻雜了諸如磷(P)、砷(As) 和銻(Sb)的V族元素的硅層。形成p-n結(jié)硅基底100的方法可以包括在ρ型硅基底上涂敷諸如V族元素的η型摻雜物，并使用加熱處理方法使η型摻雜物擴(kuò)散進(jìn)入P型硅基底。同時(shí)，形成p-n結(jié)硅基底 100的方法可以包括使用等離子體的離子摻雜方法，或者包括在η型硅基底上堆疊ρ型發(fā)射體硅層。然而，本發(fā)明不限定于此。對于設(shè)置在p-n結(jié)硅基底100的前表面和背表面122和112上的碳納米管層220 和210的厚度沒有特別的限制。然而，陽光入射到的設(shè)置在前表面122上的碳納米管層220 可以優(yōu)選形成為約200nm或更低的厚度。這是因?yàn)?，?dāng)設(shè)置在p_n結(jié)硅基底100的前表面 122上的碳納米管層220的厚度超過200nm時(shí)，會阻止一些陽光穿透進(jìn)入p-η結(jié)硅基底100。對用于形成碳納米管層220和210的碳納米管沒有特別的限制，可以包括諸如單壁碳納米管和多壁碳納米管的碳納米管，如在本領(lǐng)域中所知?？梢允褂脟婌F方法或膏絲網(wǎng)印刷方法形成碳納米管層220和210。然而，本發(fā)明不限定于此。優(yōu)選地，可以使用噴霧方法形成碳納米管層220和210。噴霧方法的優(yōu)勢在于可以容易地形成碳納米管層220和210，其方法包括在諸如乙醇的溶劑中分散碳納米管制備分散溶液，將分散溶液噴射在P-n結(jié)硅基底100上，并作為后續(xù)方法對p-n結(jié)硅基底100進(jìn)行加熱處理(例如，在約80°C的溫度下)。當(dāng)碳納米管層220和210如上所述形成在p_n結(jié)硅基底100上時(shí)，碳納米管層形成為具有平面內(nèi)導(dǎo)電性的網(wǎng)狀薄膜，并且可以提高作用于裝置上的電場強(qiáng)度。因此，可以降低電子-空穴重組水平及重組率，從而改善光電轉(zhuǎn)換效率。此外，因?yàn)樘技{米管通常具有與 P型半導(dǎo)體類似的性能，當(dāng)碳納米管層設(shè)置在η型硅層上時(shí)，可以形成新的P-n結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)多重激子產(chǎn)生(MEG)效應(yīng)。此外，當(dāng)碳納米管層設(shè)置在ρ型硅層上時(shí)，存在碳納米管層自身就可實(shí)現(xiàn)背表面場(BSF)效應(yīng)。因此，可以省去通過沉積和背面電極(尤其是，Al電極) 的高溫?zé)崽幚硇纬葿SF的方法(如后面所述)。進(jìn)一步，其上設(shè)置有碳納米管層220和210的p_n結(jié)硅基底100的表面可以有凹
凸結(jié)構(gòu)。圖4是說明設(shè)置在p-n結(jié)硅基底100表面上的碳納米管層的示意圖，所述硅基底 100的表面有(a)平面結(jié)構(gòu)或(b)凹凸結(jié)構(gòu)。參考圖4，當(dāng)凹凸結(jié)構(gòu)(b)形成在p-n結(jié)硅基底100上時(shí)，除了在光接收表面提高光吸收，可以增加碳納米管200的量，所述碳納米管200相對于硅基底100中的p-n結(jié)界面基本上垂直設(shè)置。在該情況下，從圖4所示的等電位面(E)可見，作用于裝置的強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高，這有助于改善光電轉(zhuǎn)換效率。對形成凹凸面結(jié)構(gòu)的紋理方法沒有特別的限制，其實(shí)現(xiàn)方法可以包括使用基底或酸溶液的濕蝕刻方法或使用等離子體的干蝕刻方法。同時(shí)，沒有進(jìn)行凹凸結(jié)構(gòu)形成時(shí)，可以使用輕敲或摩擦方法提高碳納米管層220 和210中的碳納米管的垂直取向。在此，執(zhí)行輕敲方法包括形成碳納米管層220和210并且用膠帶貼上及拆卸碳納米管層220和210，而執(zhí)行摩擦方法包括用摩擦輥摩擦碳納米管層 220 和 210。再一次參考圖2和3，正面電極140可以含有諸如金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)/Ag、或鈦(Ti)/Au的金屬。正面電極140例如可以通過沿預(yù)設(shè)的圖案涂敷含有Ag或Au的電極形成膏并經(jīng)過熱處理過程而形成，或者可以通過使用帶圖案的鉻掩模通過濺射法沉積可用作正面電極的金屬如Ti/Au而形成。然而，當(dāng)碳納米管層220設(shè)置在p-n結(jié)硅基底100的前表面122上時(shí)，可以省去正面電極140。在此情況下，具有出色的透光性和導(dǎo)電性的碳納米管層220可以發(fā)揮正面電極140的作用。背面電極130可以，例如，包括至少一種選自以下組中的金屬銅(Cu)、鎢(W)、鐵(Fe)、鋁(Al)、碳(C)、Ag、鎳(Ni)、Ti和氮化鈦(TiN)。優(yōu)選地，可以使用鋁電極作為背面電極130。這是因?yàn)?，容易與鋁電極形成結(jié)，因?yàn)殇X電極具有出色的導(dǎo)電性和良好的硅親合力。 此外，鋁電極由三價(jià)元素制成，可以使用高溫度熱處理方法在與硅基底100的背表面112的結(jié)表面上形成P+層，也即，背表面場(BSF，未顯示)。背表面場可以用來防止陽光激發(fā)的電子從硅基底100內(nèi)部向背表面移動(dòng)并與空穴重組，從而減少泄漏電流并改善太陽能電池的效率。形成背面電極130的方法可以包括沿預(yù)設(shè)的圖案涂敷含有諸如Al的金屬的電極形成膏，并經(jīng)過加熱處理方法。然而，當(dāng)碳納米管層210形成在硅基底100的背表面112上時(shí)，也可以省去背面電極130。在此情況下，如上所述，存在碳納米管層210自身就可以實(shí)現(xiàn) BSF效應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明其它實(shí)施例實(shí)施方案的硅太陽能電池包括p-n結(jié)硅基底，所述硅基底包括P型硅層和η型硅層；設(shè)置在硅基底的前表面和背表面上的碳納米管層；和設(shè)置在碳納米管層上的電極，所述碳納米管層設(shè)置在硅基底的前表面和背表面上。然而，可以省去至少一個(gè)設(shè)置在碳納米管層上的電極。此外，硅太陽能電池可以在硅基底的前表面和背表面的至少一個(gè)上有凹凸結(jié)構(gòu)。圖5是說明硅太陽能電池的剖視圖，其中碳納米管層設(shè)置在p-n結(jié)硅基底的前表面和后表面上。參考圖5，根據(jù)這些實(shí)施例實(shí)施方案的硅太陽能電池包括p-n結(jié)硅基底100，所述硅基底100包括P型硅層110和η型硅層120 ；分別設(shè)置在硅基底100的前表面122和后表面112上的碳納米管層220和210 ；以及分別設(shè)置在碳納米管層220和210上的正面電極 140和背面電極130。然而，可以省去分別設(shè)置在碳納米管層220和210上的正面電極140 和背面電極130的至少一個(gè)。參考圖2和3說明如圖5所示的硅太陽能電池的組成和生產(chǎn)方法，與如上所述的那些相同，除了碳納米管層220和210形成在硅基底100的前表面122和背表面112上。此外，硅基底100的前表面122和背表面112的至少一個(gè)可以有凹凸結(jié)構(gòu)，所述凹凸結(jié)構(gòu)在參考圖4說明的實(shí)施例實(shí)施方案中復(fù)述。在下文中，提供優(yōu)選實(shí)施例，促進(jìn)更好地理解本發(fā)明。然而，應(yīng)該理解，給出本發(fā)明的以下實(shí)施例只是為了說明目的，并不用來限制本發(fā)明的范圍。制備實(shí)施例1使用標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗方法清洗商業(yè)途徑可得到的ρ型硅晶片(LG Siltron, Inc.， Korea ；電阻率1 5QCm，厚度500士5 μ m，摻雜密度4. 5 X IO16離子/cm3，取向100)。 標(biāo)準(zhǔn) RCA 清洗方法包括 Mandard Clean-I(SCl)方法和 Mandard Clean_2(SC2)方法。 首先，執(zhí)行SCl方法(在清洗溶液(NH4OH H2O2 Dl-water (去離子水)=1:1:5) 中，70°C時(shí)，5分鐘)除去硅晶片上的金屬和有機(jī)殘留物，并執(zhí)行SC2方法(在清洗溶液 (HCl H2O2 Dl-water= 1:1:5)中，70°C時(shí)，5分鐘)除去硅晶片上的金屬。然后， P型硅晶片經(jīng)過WET清洗過程，如SPM (硫酸過氧化物混合物或piranha溶液)處理和HF處理。然后，執(zhí)行形成p-n結(jié)的POClJf散方法(在950°C的溫度下預(yù)沉積時(shí)間10分鐘， 然后再加30分鐘)(擴(kuò)散方法后，硅晶片表面電阻從20至200 Ω /sq變?yōu)?0 Ω /sq,摻雜密
7度為約2 X IO19離子/cm3)。將在乙醇中溶解碳納米管得到的溶液噴在p-n結(jié)硅基底的前表面(即，η型硅層的表面)上，所述p-n結(jié)硅基底通過使用POCl3擴(kuò)散方法形成p-n結(jié)得到，從而形成厚度為 Inm至200nm的碳納米管層。然后，使用濺射方法在碳納米管層上形成含有Ti/Au的正面電極，其方法應(yīng)能使Ti的厚度為50nm且Au的厚度為4nm，所述碳納米管層已形成在p_n結(jié)硅基底的前表面上。然后，使用濺射方法在p-n結(jié)硅基底的背表面(即，P型硅層的表面)上形成厚度 200nm的含Al的背面電極，并使用鹵素?zé)敉ㄟ^執(zhí)行RTA方法(在850°C時(shí))形成BSF層。制備實(shí)施例2以與制備實(shí)施例1中相同的方法生產(chǎn)硅太陽能電池，除了碳納米管層形成在p-n 結(jié)硅基底的背表面(即，P型硅層表面)上。制備實(shí)施例3以與制備實(shí)施例1中相同的方法生產(chǎn)硅太陽能電池，除了碳納米管層形成在p-n 結(jié)硅基底的兩個(gè)表面(即，前表面和背表面)上。比較例1以與制備實(shí)施例1中相同的方法生產(chǎn)硅太陽能電池，除了沒有形成碳納米管層 (圖 6)。在圖7至10中給出并且在以下表1中列出了制備實(shí)施例1至3中生產(chǎn)的硅太陽能電池的效率，所述硅太陽能電池包括碳納米管層，和比較例1中生產(chǎn)的硅太陽能電池的效率，所述硅太陽能電池不包括碳納米管層。在圖7至10中，在無光條件下測量電流得到暗電流，在存在光源時(shí)測量光照下的電流，所述光源使用氙(Xe)燈，最接近自然光。在此，氙燈的光強(qiáng)度為4mW/cm2，大氣質(zhì)量 (AM)為 1. 5。表 權(quán)利要求
1.硅太陽能電池，其包括包含P型硅層和η型硅層的Ρ-Π結(jié)硅基底；在所述硅基底的前表面或背表面上設(shè)置的碳納米管層；及在沒有設(shè)置碳納米管層的硅基底表面上設(shè)置的第一電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硅太陽能電池，其還包括在所述碳納米管層上設(shè)置的第二電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的硅太陽能電池，其中設(shè)置有碳納米管層的硅基底表面具有凹凸結(jié)構(gòu)。
4.硅太陽能電池，其包括包含P型硅層和η型硅層的ρ-η結(jié)硅基底；及在所述硅基底的前表面和背表面上設(shè)置的碳納米管層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的硅太陽能電池，其還包括在所述硅基底的前表面和背表面上設(shè)置的碳納米管層中的至少一層上設(shè)置的電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的硅太陽能電池，其中所述硅基底的前表面和背表面中的至少一面具有凹凸結(jié)構(gòu)。
全文摘要
提供包括碳納米管層的硅太陽能電池。碳納米管層設(shè)置在p-n結(jié)硅基底的前表面和背表面至少之一上，所述硅基底包括p型硅層和n型硅層。相應(yīng)地，由于引入碳納米管層，可以提高作用于器件的電場強(qiáng)度，從而導(dǎo)致改善光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號B82B1/00GK102414840SQ201080019295
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者李正雨, 李輝健 申請人:漢陽大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)