專利名稱：基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法
基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能電池制造工藝，具體為基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法。背景技術：
隨著世界人口的急劇增加和各國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求越來越多；能源問題已成為一個國家長久快速發(fā)展的戰(zhàn)略性問題。目前大規(guī)模使用的傳統(tǒng)能源如石油和煤炭由于儲量有限，按目前的消耗量在幾十年后至一百多年后將會枯竭，同時目前頻繁的使用化石能源造成嚴重的大氣污染和溫室效應，因此對清潔可再生能源的需求也越來越迫切；太陽能電池作為清潔能源的一種由此得到了快速發(fā)展。自1954年貝爾實驗室報道第一個商品化的硅(Si)太陽能電池以來，各種太陽能電池相繼問世。通過數(shù)十年來的不斷發(fā)展，太陽能電池從第一代的單晶硅太陽能電池、第二代的薄膜太陽能電池到現(xiàn)在第三代的高效太陽能電池，其制作成本逐步降低，轉換效率不斷提高。目前晶硅電池(單晶和多晶)電池各種太陽能電池中，其市場比重占到了 90%以上，但轉換效率普遍不高。如何制備出轉換效率高的電池是各國從事光伏行業(yè)面臨的一個關鍵問題，這也是降低太陽能成本的關鍵手段。由于Si是一種間接帶隙材料，其對光吸收的能力相對于直接帶隙半導體來說要弱的多。常規(guī)晶體硅電池由于單一能帶的屬性，處于350-600nm波段的光，此短波段光子的能量高，被常規(guī)晶體硅電池吸收后，大部分變成熱而消耗掉。如何提高短波響應，是業(yè)界共同關心的話題。為解決上述技術問題，確有必要提供一種先進的短波響應晶硅太陽能電池的制備方法，以克服現(xiàn)有技術中的所述缺陷。

發(fā)明內容為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其有效地提升350-600nm短波段的量子效率，使得光電流增加，最終達到高效轉換的目的。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其包括如下工藝步驟(I)，在P型晶體硅襯底上制備制絨面；(2)，利用平板等離子增強化學氣相淀積，在有絨面的P型晶體硅襯底表面進行非晶硅薄膜的沉積；(3)，對沉積有非晶硅薄膜的P型晶體硅襯底，利用快速熱退火過程形成硅量子占.(4)，對形成硅量子點的P型晶體硅襯底，利用平板等離子增強化學氣相淀積，再進行富硅的氮化硅薄膜沉積，形成一層硅量子點薄膜的制備；(5)，重復步驟(2)至步驟(4)多次，完成多層硅量子點薄膜的制備；
￠)，利用管式閉管擴散爐，對具有多層硅量子點薄膜的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結，并在500-150(TC溫度下進行恒定表面濃度擴散源的推進；(7)，利用管式或者平板式等離子增強化學氣相淀積方法在P型晶體硅襯底正面淀積Si3N4減反膜；(8)，對正面淀積有Si3N4減反膜的P型晶體硅襯底，在其背面和正面分別進行正、負電的絲網(wǎng)印刷；(9)，對絲網(wǎng)印刷后的P型晶體硅襯底，進 行絲印電極的退火，完成基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池的制備。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(1)中的P型晶體娃襯底選自P型125mmX125mm單晶娃片、p型156mmX 156mm單晶娃片和P型156 X 156mm多晶娃片中的一種。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(2)中形成的非晶硅薄膜的厚度為l_15nm之間。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(3)的快速熱退火過程，利用鏈式退火爐，在氮氣氣氛保護下，以快速熱退火的方式進行退火；或利用帶用快速熱退火設備的平板PECVD進行原位退火；快速熱退火過程的最高退火溫度為700-900°C之間，退火時間為20-400S。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(4)中的富硅的氮化硅薄膜的分子式為SixN,其中，X> 0. 75，富硅的氮化硅薄膜的厚度在lnm-30nm 之間。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(5)中的重復步驟(2)至步驟(4)的次數(shù)為100次以內，且形成的多層硅量子點薄膜的總厚度在IOOOnm以內。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟(6)中，利用管式閉管擴散爐，液態(tài)三氯氧磷為擴散源，對具有多層硅量子點薄膜的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結，擴散完畢后，關閉三氯氧磷擴散源，并原位進行高溫恒定表面濃度的磷的推進和再分布；高溫推進的溫度為500-1500°C之間，推進再分布時間為ls-lOh，該過程通氮氣進行保護。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(7)中的Si3N4減反膜的厚度在70nm-120nm之間。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(8)中，利用絲網(wǎng)印刷機，對背面進行絲網(wǎng)印刷鋁銀漿料，在正面印刷銀漿料，分別形成電池的正極和負極。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明利用Si量子點的量子限制效應，通過量子點尺寸改變導致的激子玻爾半徑與尺寸相比擬時，Si量子點的能帶發(fā)生展寬，可以吸收高能光子(350-600nm)，高能光子的弛豫變熱過程被抑制，進而光生載流子被PN結有效分離；可以有效地提升350-600nm波段的量子效率，使得光電流增加，最終達到高效轉換的目的；具有增加的工藝步驟少、能與大生產(chǎn)線上的工藝兼容，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等特點，最終達到降低成本的目的；表面具有多層硅量子點結構后，硅量點能帶的改變可以吸收高能光子，而硅量子點層和層之間形成超晶格結構，除可充分吸收短波光外，還有助于光生載流子的分離和輸運。

圖I為本發(fā)明的基于多層Si量子點的短波響應晶硅太陽能電池的制備方法的流程圖。圖2為本發(fā)明的P型晶體硅襯底示意圖。圖3為本發(fā)明在襯底正反面制備出絨面后示意圖。圖4為本發(fā)明利用平板等離子增強化學氣相淀積(平板式PECVD)非晶硅薄膜示 意圖。圖5為本發(fā)明通過快速熱退火過程形成Si量子點示意圖。圖6為本發(fā)明利用平板式PECVD淀積富Si的SixN薄膜。圖7為本發(fā)明重復淀積形成Si量子點和富Si的SixN薄膜，形成多層Si量子點薄膜結構。圖8為本發(fā)明進行磷擴散形成PN結，并在高溫下推進，使得磷摻雜再分布，而后利用平板式或者管式PECVD生長Si3N4減反膜示意圖。圖9為本發(fā)明利用絲網(wǎng)印刷技術在正面和背面分別印刷負電極和正電極示意圖。
具體實施方式以下結合附圖I至圖9對本發(fā)明的實施例作進一步詳細的描述。如圖I所示，其為本發(fā)明提供的制備基于多層Si量子點的短波響應晶硅太陽能電池的制備方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟101 :在P型晶體硅襯底上制備制絨面；步驟102 :利用平板式PECVD淀積非晶硅薄膜；步驟103 :氮氣氣氛保護下的快速熱退火，形成硅量子點；步驟104 :利用平板式等離子體增強化學氣相淀積富硅的氮化硅薄膜；步驟105 :重復102-104步驟多遍,形成多層娃量子薄膜；步驟106 :擴散形成PN結，并在高溫下進行擴散源的推進再分布；步驟107 :在P型晶體硅襯底正面淀積Si3N4減反膜；步驟108 :淀積氮化硅減反膜，背面、正面絲網(wǎng)印刷正、負極電極；步驟109 :絲印電極合金退火，完成短波響應高效晶硅太陽能電池的制備。圖2至圖9是用來說明本發(fā)明一個具體實施例的示意圖。請參閱圖2，為實現(xiàn)圖I中的步驟101而選材，選取的晶硅基板201為商用125單晶或者156多晶都可以，襯底類型為P型襯底，單晶電阻率為0. 5-3 Q cm，多晶電阻率為
0.5-6 Q *cmo也就是說步驟102的P型晶體娃襯底選自p型125mmX 125mm單晶娃片、p型156mm X 156mm單晶娃片和p型156 X 156mm多晶娃片中的一種。請參閱圖3，其實現(xiàn)圖I中的步驟101，為利用大規(guī)模生產(chǎn)線上制備絨面的方法，將厚度為180微米至250微米之間的晶硅襯底(也就是說晶硅基板201)放置于按一定比例配制的NaOH、Na2SiO3和無水乙醇混合而成的制絨液中，由于發(fā)生化學反應，會對晶硅進行各向異性腐蝕形成絨面301，絨面301的形狀呈現(xiàn)倒金字塔形；其中多晶硅制備絨面的方式略有不同。因為在制備過程中襯底正、反面因為均置于腐蝕液中，因此正反兩面制備出的絨面301特性基本一致。請參閱圖4，其實現(xiàn)圖I中的步驟102，為利用平板式PECVD，以硅烷和氫氣為淀積氣體，在有續(xù)面301的P型晶體娃襯底(也就是說晶娃基板201的續(xù)面301)表面進行超薄非晶硅薄膜的沉積，功率選擇在80KW，氣體流量比在I : 4至I : 10之間，襯底溫度選擇在400度，而后一層厚度在2nm的非晶硅薄 膜302。步驟(2)中形成的超薄非晶硅薄膜302的厚度為l_15nm之間。請參閱圖5，其實現(xiàn)圖I中的步驟103，為淀積超薄非晶硅薄膜302完畢后，利用原位式輻射快速熱退火爐或者鏈式快速熱退火的方式在700-900°C之間，退火時間為20-400s，快速熱退火形成硅納米晶401。硅納米晶401的大小、密度可由Si薄膜的厚度、退火溫度和退火時間來綜合控制；最佳退火時間和條件需要根據(jù)理論計算給出量子點的尺寸，以及此尺寸下所對應的能帶變化而設置沉積和處理條件。請參閱圖6，其實現(xiàn)圖I中的步驟104，為利用平板式PECVD淀積富Si的SixN薄膜501。富Si的SixN薄膜501，是非等化學配比，這一點在沉積制備中至關重要。射頻源可以選擇40kHz-13. 56MHz，使用硅烷、氨氣、氬氣，射頻功率依據(jù)平板式可達到1800W，真空設定壓強為0. 5Pa襯底溫度可選擇480度，沉積壓強調節(jié)到180Pa-220Pa之間。整個處理過程可以實現(xiàn)多片批量處理。在氣體流量調節(jié)中，硅烷與氨氣的氣體流量比，通過計算使得Si的原子數(shù)與N的原子數(shù)之比一定要大于0. 75，即，X > 0. 75，超薄富硅的氮化硅薄膜501的厚度在lnm-30nm之間,優(yōu)選地,使得超薄富娃的氮化娃薄膜501的厚度在10_15nm左右。請參閱圖7，其實現(xiàn)圖I中的步驟105，為重復步驟102、103、104多次形成多層硅量子點薄膜602，這里有一最佳厚度比值，如硅量子點直徑在3nm的情況下，多層硅量子點薄膜602的總厚度可不超過45nm，重復10個周期。因此，重復次數(shù)宜為100次以內，且形成的多層硅量子點薄膜602的總厚度控制在IOOOnm以內。請參閱圖8，其實現(xiàn)圖I中的步驟106，利用管式閉管擴散爐，液態(tài)三氯氧磷為擴散源，對具有多層硅量子點薄膜602的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結，擴散完畢后，關閉三氯氧磷擴散源，并原位進行高溫恒定表面濃度的磷的推進和再分布；高溫推進的溫度為500-1500°C之間，推進再分布時間為ls-lOh，該過程通氮氣進行保護。具體地，為三氯氧磷701的擴散，擴散爐溫度可在300°C至1300°C變化。選取擴散溫度在850-950°C之間，擴散源為液態(tài)P0C13?？梢詫崿F(xiàn)單面PN結擴散，也可實現(xiàn)雙面PN結擴散。在此例中，以單面PN結擴散為例，擴散出的PN結其結深在200-500nm之間，已經(jīng)把多層硅量子點擴透；擴散過程中，找一個陪(參考樣品)，以便擴散完后使得所形成的方塊電阻約在20-120 Q/ □變化。由于擴散過程中，會在電池表面形成磷硅玻璃，它會影響電池的效率，因此用HF酸、HNO3酸和水的混合腐蝕液來消除磷硅玻璃，清除完磷硅玻璃后用去離子水清洗干凈并烘干。請再次參閱圖8，其亦實現(xiàn)圖I中的步驟107，為Si3N4減反射膜601的沉積。將基片再放入到管式或者平板式PECVD中，生長Si3N4膜601，膜厚控制在70-120nm之間。對于晶硅電池的單層減反膜情況來說，其對光的減反效果可達到最佳。請參閱圖9，其實現(xiàn)圖I中的步驟108與步驟109，為正負電極制備過程。利用絲網(wǎng)印刷將鋁漿料印刷于電池背面，形成鋁背場電極，印刷完畢后在200°C熱處理并加以固化，形成背面的正電極801。接著用絲網(wǎng)印刷機在正面涂覆負電極銀漿料，形成柵線和匯流條，印刷完畢后在200°C熱處理并加以固化，形成正面的負電極802。最后按照大規(guī)模生產(chǎn)線的退火合金方式，對正面的負電極802、背面的正電極801進行從300°C至900°C的階梯式熱退火處理，最終完成基于多層Si量子點的良好短波響應高效晶硅太陽能電池的制備。本發(fā)明利用Si量子點的量子限制效應，通過量子點尺寸改變導致的激子玻爾半徑與尺寸相比擬時，Si量子點的能帶發(fā)生展寬，可以吸收高能光子(350-600nm)，高能光子的弛豫變熱過程被抑制，進而光生載流子被PN結有效分離；可以有效地提升350-600nm波段的量子效率，使得光電流增加，最終達到高效轉換的目的；具有增加的工藝步驟少、能與大生產(chǎn)線上的工藝兼容，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等特點，最終達到降低成本的目的；表面具有多層硅量子點結構后，硅量點能帶的改變可以吸收高能光子，而硅量子點層和層之間形成超晶格結構，除可充分吸收短波光外，還有助于光生載流子的分離和輸運。以上所述制備工藝，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。權利要求
1.基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于其包括如下工藝步驟 (1),在P型晶體硅襯底上制備制絨面； (2)，利用平板等離子增強化學氣相淀積，在有絨面的P型晶體硅襯底表面進行非晶硅薄膜的沉積； (3)，對沉積有非晶硅薄膜的P型晶體硅襯底，利用快速熱退火過程形成硅量子點； (4)，對形成硅量子點的P型晶體硅襯底，利用平板等離子增強化學氣相淀積，再進行富娃的氮化娃薄膜沉積，形成一層娃量子點薄膜的制備； (5)，重復步驟(2)至步驟(4)多次，完成多層硅量子點薄膜的制備； (6)，利用管式閉管擴散爐，對具有多層硅量子點薄膜的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結，并在500-150(TC溫度下進行恒定表面濃度擴散源的推進； (7)，利用管式或者平板式等離子增強化學氣相淀積方法在P型晶體硅襯底正面淀積Si3N4減反膜； (8)，對正面淀積有Si3N4減反膜的P型晶體硅襯底，在其背面和正面分別進行正、負電的絲網(wǎng)印刷； (9)，對絲網(wǎng)印刷后的P型晶體硅襯底，進行絲印電極的退火，完成基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池的制備。
2.如權利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(I)中的P型晶體娃襯底選自P型125mmX 125mm單晶娃片、p型156mmX 156mm單晶娃片和P型156X 156mm多晶娃片中的一種。
3.如權利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(2)中形成的非晶硅薄膜的厚度為l_15nm之間。
4.如權利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(3)的快速熱退火過程，利用鏈式退火爐，在氮氣氣氛保護下，以快速熱退火的方式進行退火；或利用帶用快速熱退火設備的平板PECVD進行原位退火；快速熱退火過程的最高退火溫度為700-900°C之間，退火時間為20-400s。
5.如權利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(4)中的富娃的氮化娃薄膜的分子式為SixN,其中，X > 0.75,富娃的氮化娃薄膜的厚度在lnm-30nm之間。
6.如權利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(5)中的重復步驟(2)至步驟(4)的次數(shù)為100次以內，且形成的多層硅量子點薄膜的總厚度在IOOOnm以內。
7.如權利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(6)中，利用管式閉管擴散爐，液態(tài)三氯氧磷為擴散源，對具有多層硅量子點薄膜的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結，擴散完畢后，關閉三氯氧磷擴散源，并原位進行高溫恒定表面濃度的磷的推進和再分布；高溫推進的溫度為500-1500°C之間，推進再分布時間為ls-lOh，該過程通氮氣進行保護。
8.如權利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(7)中的Si3N4減反膜的厚度在70nm-120nm之間。
9.如權利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(8)中，利用絲網(wǎng)印刷機，對背面進行絲網(wǎng)印刷鋁銀漿料，在正面印刷銀漿料，分別形成電池的正極和負極。
10.如權利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(9)中退火合金，正面的負電極、背面的正電極同時退火合金，完成基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池的制備。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池制備方法，其包括如下工藝步驟在P型晶體硅襯底上制備制絨面；進行非晶硅薄膜的沉積；利用快速熱退火過程形成硅量子點；形成一層硅量子點薄膜的制備；重復上述步驟二至步驟三多次，完成多層硅量子點薄膜的制備；形成PN結并進行恒定表面濃度擴散源的推進；在P型晶體硅襯底正面淀積Si3N4減反膜；在其背面和正面分別進行正、負電的絲網(wǎng)印刷；進行絲印電極的退火，完成基于多層硅量子點的短波響應晶硅太陽能電池的制備。本發(fā)明的優(yōu)點在于有效地提升350-600nm短波段的量子效率，使得光電流增加，最終達到高效轉換的目的。
文檔編號H01L31/18GK102751386SQ201210238099
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權日2012年7月11日
發(fā)明者王成林 申請人:遼寧朝陽光伏科技有限公司