專利名稱：硅基太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其制備方法，具體是指量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)的硅 基太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
太陽能發(fā)電是近年來發(fā)展非常迅速的清潔能源技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)2009年全球太 陽能電池產(chǎn)量為8. 6GW，與2007年相比增幅達(dá)90%。預(yù)測2010年全球太陽能電池產(chǎn)量將 達(dá)到14.7GW。盡管如此，與傳統(tǒng)火電相比，由于太陽能發(fā)電成本昂貴，導(dǎo)致上網(wǎng)電價(jià)居高不 下，太陽能發(fā)電仍然不具備明顯價(jià)格競爭力，這是阻礙太陽能發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，大面積普 及使用的一個(gè)主要瓶頸。盡可能提高太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，降低太陽能發(fā)電的成本，是目前 業(yè)界最關(guān)心的話題之一。太陽能光伏電池技術(shù)主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。其中，發(fā)展最為成熟的是晶體硅 電池技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率在15-19%之間，是當(dāng)前光伏市場的主流產(chǎn)品，被稱為第一代太陽能電 池。第二代太陽能電池主要包括薄膜硅、CdTe, CIGS等在內(nèi)的薄膜電池，它們的理論轉(zhuǎn)換 效率比晶體硅電池高，但實(shí)際產(chǎn)品的效率尚不能完全達(dá)到要求。以納米材料和納米結(jié)構(gòu)電 池為代表的第三代太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率，其理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到60%以 上，因而越來越受到人們的重視，其中最有前景的是量子點(diǎn)超晶格電池。半導(dǎo)體超晶格是指由兩種交替生長的半導(dǎo)體薄層材料組成一維周期性結(jié)構(gòu)，其薄 層厚度小于電子的德布羅意波長，因而具有量子限制效應(yīng)，其有效禁帶寬度也與基體材料 相異。如果組成超晶格的材料不是單純的薄層，而是由具有三維結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)構(gòu)成，這種材 料就被稱為量子點(diǎn)超晶格材料。以硅為基體材料的量子點(diǎn)超晶格材料就是硅基量子點(diǎn)超 晶格材料。中國發(fā)明專利[CN101552302A]、[CN101567403A]、[CN201185192Y]等公開了基 于薄膜硅的超晶格結(jié)構(gòu)太陽能電池，其超晶格由非晶硅和非晶碳、非晶硅和結(jié)晶硅構(gòu)成，這 種超晶格結(jié)構(gòu)的太陽能電池的吸收層中不包含有量子限制效應(yīng)的納米硅微晶粒。Disgupta Neil等人申請(qǐng)了一種梯度量子點(diǎn)電池[國際發(fā)明專利公開號(hào)[W02009/142677A2]，提出用 精確控制量子點(diǎn)尺度的方法來制備費(fèi)米能級(jí)和帶隙具有梯度變化特性的III、V族化合物 太陽能電池。這種方法由于在控制量子點(diǎn)尺度方面難度非常大，因此實(shí)際上不具備可行性。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述已有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明的目的是提出一種量子點(diǎn)類超晶格結(jié) 構(gòu)的硅基太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明的硅基太陽能電池，包括在ρ型或η型硅單晶基片上制備有吸收層，在該 吸收層上制備有η型或P型的非晶硅層作為窗口層，窗口層上依次制備有透明導(dǎo)電膜和金 屬柵線。所說的吸收層為本征型的硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)層，由此構(gòu)成一個(gè)p-i-n或n-i-p 量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)的硅基太陽能電池。所說的硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)層由多個(gè)周期，每個(gè)周期依次包含有SiO2層和納米微晶的量子點(diǎn)納米硅層疊合組成。所說的各個(gè)周期的量子點(diǎn)納米硅層的厚度由硅單晶基片向上依次遞減，其所包含 的量子點(diǎn)尺度同樣也在該方向上依次遞減。每個(gè)周期的SiO2膜厚保持不變，為l-2nm。量子點(diǎn)納米硅層的厚度分別從7-8nm線性遞減到lnm，總共為20-40個(gè)周期。本發(fā)明的硅基太陽能電池的制備方法，其步驟如下1)用常規(guī)太陽能電池前道工藝對(duì)硅單晶基片進(jìn)行清洗、去損傷層、制絨等；2)將處理好的硅基片轉(zhuǎn)入等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的SiO2腔室，通入N2O氣 體，流量為600-800sccm ;N2氣體，流量為150-200sccm，保持腔室壓強(qiáng)在600_700Pa，等離子 體源放電功率20-30W，沉積溫度為300-400°C，制備SiO2膜；3)將上述已制備好SiO2膜的樣品放入非晶硅腔室內(nèi)，通入SiH4氣體，流量 為30-60sccm ；He氣，流量為400-500sccm，并保持腔室壓強(qiáng)在200_400Pa，沉積溫度為 300-5000C，等離子體源放電功率30-40W，制備非晶硅膜；4)依次重復(fù)上述步驟2)、3)，每個(gè)周期的SiO2膜厚保持不變，為l-2nm;非晶硅膜 層厚度依次遞減，分別從7-8nm逐漸遞減到l-2nm，總共為20-40個(gè)周期；5)將上述樣品轉(zhuǎn)入退火腔室，升溫至1050-11001，退火1-1.5小時(shí)后，緩慢降溫， 3-4小時(shí)后降溫至400°C，通入H2并保持大氣壓，1-1. 5小時(shí)后，交替生長的SiO2膜和非晶 硅膜成為硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)層；6)將退火后的樣品轉(zhuǎn)入非晶硅室，制備8-lOnm的非晶硅窗口層；7)在非晶硅窗口層上采用磁控濺射方法制備透明導(dǎo)電膜，其厚度為800-900nm ；8)用真空熱蒸發(fā)的方法制備上下表面金屬柵線，工藝參數(shù)與常規(guī)p-i-n或n-i-p 電池相同，完成器件制備。本發(fā)明電池基于的原理在半導(dǎo)體超晶格中，材料的電學(xué)性能具有獨(dú)特性能。當(dāng)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的尺度小于電 子的德布羅意波長時(shí)，由于量子限制效應(yīng)，超晶格的導(dǎo)帶和價(jià)帶與組成超晶格的基體材料 相比發(fā)生變化，即發(fā)生帶寬延拓效應(yīng)。超晶格的各組成膜層越薄，超晶格材料的導(dǎo)帶底和價(jià) 帶頂就越遠(yuǎn)離，即有效帶寬越大。對(duì)于硅量子點(diǎn)超晶格材料而言，硅量子點(diǎn)的尺度和間距與 有效帶寬具有類似關(guān)系，因此如果能夠有效精確控制硅量子點(diǎn)超晶格中的量子點(diǎn)尺度和間 距值，就能實(shí)現(xiàn)帶寬的漸變，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光譜的廣譜吸收和轉(zhuǎn)換。同時(shí)，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換既是一個(gè)光子吸收的過程，也是一個(gè)載流子分離和 收集的過程。對(duì)高效率太陽能電池的要求是“長光程、短電程”，即光子在材料中盡可能有 更遠(yuǎn)的行程，而電子(或載流子)盡可能有比較短的行程，以便于迅速分離和收集減少載流 子復(fù)合。為此，本發(fā)明提出吸收層由一種“類超晶格”結(jié)構(gòu)組成。由于介質(zhì)層本身不吸收光 子，同時(shí)SiO2的折射率與硅相差較大，入射光在經(jīng)過各個(gè)界面時(shí)發(fā)生多次反射和透射，增加 了實(shí)際有效光程，從而增強(qiáng)了對(duì)入射光的吸收。插入的SiO2膜層非常薄，約在l-2nm，因此 光生電子可以隧穿這些SiO2膜層而被收集。在實(shí)際制備工藝中，精確控制量子點(diǎn)的尺度是非常困難的，尤其是硅量子點(diǎn)材料 的制備。為此，本發(fā)明提出了一種新的吸收層制備方法，即在硅基片上，用等離子體增強(qiáng)型 化學(xué)氣相沉積方法依次交替制備多個(gè)周期的非晶硅薄膜和SiO2薄膜，每個(gè)周期的非晶硅薄膜厚度是依次遞減的，而SiO2薄膜厚度保持不變，然后將其置于真空氣氛中進(jìn)行退火處理 和鈍化處理。由于非晶硅在iioo°c附近其部分非晶結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)微粒，形成硅量子點(diǎn)， 這些硅量子點(diǎn)在膜層面內(nèi)仍處于非晶態(tài)的包圍中，硅量子點(diǎn)晶粒的尺度受到兩邊的SiO2層 的約束，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)硅量子點(diǎn)尺度的精確控制。最終形成硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)吸收層。本發(fā)明的特點(diǎn)在于用具有硅量子點(diǎn)尺度漸變特性的多層“類超晶格”結(jié)構(gòu)來替代 硅基異質(zhì)結(jié)電池中的吸收層，由于所使用的結(jié)構(gòu)具有帶隙漸變特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射太陽光 的廣譜吸收；同時(shí)由于是折射率有差異的多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了長光程、短電程，從而提高了電池 的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖1為本發(fā)明的硅基太陽能電池的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明見圖1，本發(fā)明的p-i-n硅基太陽能電池，包括在ρ型硅單晶基片1上制備有本 征型的硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)吸收層2，在該硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)吸收層上制備有η型 的非晶硅層作為窗口層3，窗口層上依次制備有透明導(dǎo)電膜5和金屬柵線4，基片1背面置 有金屬柵線6，由此構(gòu)成一個(gè)p-i-n量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)的硅基太陽能電池。所說的硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)吸收層2由30個(gè)周期，每個(gè)周期依次包含有疊合的 納米微晶的量子點(diǎn)納米硅層201和SiO2層202組成。所說的每個(gè)周期的量子點(diǎn)納米硅層的厚度由硅單晶基片1向上依次遞減，其所包 含的量子點(diǎn)尺度同樣也在該方向上依次遞減。每個(gè)周期的SiO2膜厚保持不變，為1. 5nm。量子點(diǎn)納米硅層厚度分別從7nm依次遞減到lnm。p-i-n硅基太陽能電池的具體制備方法如下1)選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的ρ型硅單晶基片，電阻率在0. 3-6歐姆厘米之間，進(jìn)行清洗、去 損傷層、制絨等前道工藝，其工藝過程及參數(shù)與制備傳統(tǒng)電池基本相同；2)將上述樣品放入SiO2腔室，通入N2O氣體，710sccm ；N2氣體180sccm ；保持腔室 壓強(qiáng)在600Pa，等離子體源放電功率20W，沉積溫度為350°C，制備SiO2膜；3)再將上述已制備好SiO2膜的樣品轉(zhuǎn)入PECVD的非晶硅腔室，通入SiH4氣體，流 量50SCCm ；He氣，475sCCm ；保持腔室壓強(qiáng)在 300Pa，沉積溫度為350°C，等離子體源放電 功率40W，制備非晶硅膜；4)依次重復(fù)2)、3)步驟，每個(gè)周期的非晶硅層厚度分別從7nm依次遞減到1歷， SiO2膜厚度保持不變，總共為20個(gè)周期；5)然后將上述樣品轉(zhuǎn)入退火腔室，升溫至1100°C，退火1小時(shí)后，緩慢降溫3小時(shí) 后降至400攝氏度，通入H2至1大氣壓并保持此溫度1小時(shí)；6)將退火后的樣品重新轉(zhuǎn)入非晶硅室，制備9nm的B摻雜濃度為IO2tlCnT1n型非晶 硅窗口層；7)在非晶硅窗口層表面采用磁控濺射方法制備透明導(dǎo)電膜(5)，其厚度為SOOnm ；
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8)用真空熱蒸發(fā)的方法制備上、下表面金屬柵線，工藝參數(shù)與常規(guī)p-i-n電池相 同，完成器件制備。
權(quán)利要求
一種硅基太陽能電池，包括在p型或n型硅單晶基片(1)上制備有吸收層(2)，在該吸收層(2)上制備有n型或p型的非晶硅層作為窗口層(3)，窗口層上依次制備有透明導(dǎo)電膜(5)和金屬柵線(4)，基片(1)背面制備有金屬柵線(6)，其特征在于所說的吸收層為硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種硅基太陽能電池，其特征在于所說的硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié) 構(gòu)層是由20-40個(gè)周期，每個(gè)周期依次包含有SiO2 (202)層和納米微晶的量子點(diǎn)納米硅層 (201)疊合組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的一種硅基太陽能電池，其特征在于所說的每個(gè)周期的量子點(diǎn)納 米硅層的厚度由硅單晶基片(1)向上依次線性遞減，其厚度分別從7-8nm遞減到lnm，其所 包含的量子點(diǎn)尺度同樣也在該方向上依次遞減，每個(gè)周期的SiO2膜厚保持不變，為l-2nm。
4.一種硅基太陽能電池的制備方法，其特征在于步驟如下§A.用常規(guī)太陽能電池前道工藝對(duì)硅單晶基片(1)進(jìn)行清洗、去損傷層、制絨； § B.將處理好的硅基片(1)轉(zhuǎn)入SiO2腔室，通入N2O氣體，流量為600-800SCCm ;N2氣 體，流量為150-200SCCm，保持腔室壓強(qiáng)在600-700Pa，等離子體源放電功率20-30W，沉積溫 度為300-400°C，制備3102膜；§ C.將上述已制備好SiO2膜的樣品放入等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的非晶硅腔 室內(nèi)，通入SiH4氣體，流量為30-60sccm ；He氣，流量為400-500sccm，并保持腔室壓強(qiáng)在 200-400Pa，沉積溫度為300-500°C，等離子體源放電功率30-40W，制備非晶硅膜；§D.依次重復(fù)上述步驟§B、§ C，每個(gè)周期的SiO2膜厚保持不變，為l-2nm;非晶硅膜 層厚度依次遞減，分別從7-8nm逐漸線性遞減到lnm，總共為20-40個(gè)周期；§E.將上述樣品轉(zhuǎn)入退火腔室，升溫至1050-1100°C，退火1-1. 5小時(shí)后，緩慢降溫， 3-4小時(shí)后降溫至400°C，隨后通入吐至大氣壓并保持此溫度1小時(shí)；此時(shí)，在硅單晶基片 (1)上形成了硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)層，即吸收層⑵；§F.將退火后的樣品重新轉(zhuǎn)入非晶硅室，制備8-lOnm的非晶硅窗口層(3)； §G.在非晶硅窗口層上采用磁控濺射方法制備透明導(dǎo)電膜(5)，其厚度為800-900nm; §H.用真空熱蒸發(fā)的方法制備上、下表面金屬柵線(4、6)，工藝參數(shù)與常規(guī)p-i-n或 n-i-p電池相同，完成器件制備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基太陽能電池及其制備方法，該電池包括在硅單晶基片上依次制備有吸收層、作為窗口層的非晶硅層、透明導(dǎo)電膜層和金屬柵線。所說的吸收層為硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)層由多個(gè)周期，每個(gè)周期依次有疊合的SiO2層和量子點(diǎn)納米硅層組成。各個(gè)周期量子點(diǎn)納米硅層的厚度是遞減的，所包含的量子點(diǎn)尺度同樣也是遞減的；每個(gè)周期的SiO2膜厚保持不變。該制備方法的特征是通過采用等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積多個(gè)周期交替排列的SiO2膜層和非晶硅層及熱處理的方法，使沉積的吸收層成為硅量子點(diǎn)類超晶格結(jié)構(gòu)層，解決了量子點(diǎn)尺度不可控的難點(diǎn)。該電池的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)入射太陽光可廣譜吸收，從而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/0248GK101950762SQ20101023756
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者周呈悅, 王懿喆, 馬小鳳 申請(qǐng)人:上海太陽能電池研究與發(fā)展中心