專利名稱：不銹鋼襯底上柱狀結構硅太陽能電池的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能電池制造技術，特指利用原子層沉積技術在不銹鋼襯底上沉積很薄一層摻鋁氧化鋅層，在空氣利用飛秒激光加工技術在不銹鋼襯底上制備微米柱結構，再利用等離子增強化學氣相沉積方法在氧化鋅層上制備N-1-P結構的硅薄膜電池。
背景技術：
隨著能源危機與環(huán)境污染的日趨嚴重，開發(fā)可再生清潔能源成為國際范圍內的重大戰(zhàn)略問題之一；太陽能是取之不盡，用之不竭的清潔能源，因此，對大陽電池的研究受到世界各國的普遍重視；柔性薄膜電池由于其重量輕，可彎曲等特性，有著獨特的應用空間；如柔性薄膜電池很容易安裝在不規(guī)則的屋頂或車輛外面；還可做成像紙一樣可卷曲或折疊的太陽能電池組件；目前柔性基底主要有不銹鋼和聚酰亞胺襯底；在這兩種襯底上可制備非晶硅單結、非晶硅/非晶硅雙結疊層、非晶硅/微晶硅雙結疊層電池以及半導體化合物電池等。在表面光滑的不銹鋼襯底上制備的薄膜電池，因為要保證光的吸收，吸收層的厚度不能太??；如對非晶硅/微晶硅 雙結疊層電池，其吸收層的厚度在I微米以上，效率在10%左右；對于較厚的薄膜，多次折疊容易在薄膜中引入的裂紋，從而導致電池性能下降，最終可能導致電池的失效。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種解決柔性電池多次折疊容易失效問題的方法；即先利用原子層沉積(ALD)技術在不銹鋼襯底上包覆一層很薄的摻鋁氧化鋅(AZO)層，再在空氣中利用飛秒激光加工方法在覆蓋有AZO層的不銹鋼襯底上形成微米柱狀結構，然后再利用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)方法在其上形成N-1-P結構，最后利用濺射方法制備透明導電電極(ITO)。發(fā)明特點和益處:(I)在不銹鋼襯底上先利用ALD方法制備一層薄的致密ΑΖ0，再做激光加工處理，相對于濺射方法，ALD技術沉積制備的AZO薄膜更致密，能更好地防止不銹鋼表面在激光加工過程中被氧化；(2)在激光加工過程中，激光熱效應會提高AZO層中的鋁原子的摻雜活性，使得AZO的導電性更好，有利于提高電池效率；(3)飛秒激光加工形成的微米柱狀結構可以起到陷光作用，在保證電池效率的情況下，可以將PECVD沉積的硅薄膜厚度大大減小，這樣就可降低柔性薄膜電池多次折疊后產生裂紋的幾率；(4) AZO層的阻擋作用；不銹鋼襯底上的AZO層阻擋了在PECVD沉積過程中中的元素擴散進入N型硅薄膜，造成電池性能的下降，有了 AZO保護，不銹鋼襯底中的雜質控制要求可相對降低，從而襯底成本可進一步降低。實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案為:
1、利用ALD技術制備摻鋁的氧化鋅(AZO)層
采用Zn(CH2CH3)2 (DEZ)源和三甲基鋁(TMA)源在不銹鋼襯底上制備摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜，厚度5 15 nm。2、利用飛秒激光加工技術形成微米柱狀結構
激光器輸出中心波長808納米，脈沖寬度45飛秒，重復IkHz ;將鍍有摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜的不銹鋼襯底放在由計算機控制的三維精密移動平臺XY平面上；把激光聚焦到不銹鋼表面上，光束聚焦后光斑直徑100-200微米，計算機控制樣品臺沿著X方向從左到右移動；一行掃完后，沿Y方向上移50-100微米，再從右到左掃描，重復該過程，獲得所需的面積，飛秒激光功率100-400mW，掃描速率0.5-2mm/min ;微米柱直徑分布在3_10微米，高度分布在9-30微米。3、利用PECVD方法制備NIP結構
所用硅烷為氫稀釋過的硅烷，其中SiH4/SiH4+H2的體積比為5 %，磷烷為氫稀釋過的磷烷，[PH3]/ [PH3+ H2]的體積比是0.5 %，硼烷為氫稀釋過的硼烷，[B2H6]/[B2H6+ H2]白勺體積比是0.5 %。3.1、利用PECVD生長一層3_6nm厚的η型硅層:
生長條件:氫稀釋的娃燒流量10 sccm,氫稀釋的磷燒流量2 sccm,氫氣流量40sccm,射頻功率40-70 W，生長溫度150_200°C。3.2、利用PECVD生長20-40 nm厚的本征硅層:
生長條件:氫稀釋的硅烷流量10 sccm，氫氣流量40sccm，射頻功率40-70 W，生長溫度 150-200°C。3.3、利用PECVD生長一層3_6 nm厚的p型硅層，光學帶隙1.7 1.9 eV。生長條件:氫稀釋的娃燒流量10 sccm,氫稀釋的硼燒流量I sccm,氫氣流量50sccm,射頻功率40-70 W，生長溫度150_200°C。4、利用射頻磁控濺射方法制備銦錫氧化物(ITO)薄膜
采用摻10% SnO2的In2O3靶(純度99.99%)制備ITO薄膜，厚度50-100 nm。
圖1實例一中不銹鋼襯底上柱狀電池的SEM圖，從圖中可看出柱狀結構。
具體實施例方式實例一:不銹鋼襯底上柱狀結構電池 1、利用ALD技術生長10 nm厚的AZO層
沉積條件:將不銹鋼襯底放入反應腔室內，反應溫度200°C，在反應腔室通入Zn (CH2CH3)2 (DEZ) I S，氮氣清洗1.5 S，通水500 ms，氮氣清洗ls，重復上述過程20次后，再通入Al (CH3)3 (TMA)l.5 S，氮氣清洗2s，通水500 ms，氮氣清洗ls，完成一個循環(huán)；重復上述循環(huán)5次。2、不銹鋼襯底上微米柱狀結構的制備:
利用飛秒激光掃描形成微米柱狀結構；激光器輸出中心波長808納米，脈沖寬度45飛秒，重復1kHz，將鍍有摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜 的不銹鋼襯底放在由計算機控制的三維精密移動平臺XY平面上，把激光聚焦到不銹鋼表面上，光束聚焦后光斑直徑120微米，計算機控制樣品臺沿著X方向從左到右移動，一行掃完后，沿Y方向上移60微米，再從右到左掃描；重復該過程，獲得2厘米’2厘米的面積，飛秒激光功率250mW，掃描速率1.2mm/min,微米柱直徑分布在5-8微米，高度分布在15-20微米。3、NIP結構制備
所用硅烷為氫稀釋過的硅烷，其中SiH4/SiH4+H2的體積比為5 %，磷烷為氫稀釋過的磷烷，[PH3]/ [PH3+ H2]的體積比是0.5 %，硼烷為氫稀釋過的硼烷，[B2H6]/[B2H6+ H2]白勺體積比是0.5 %。3.1利用PECVD生長一層5nm厚的η型硅層:
生長條件:氫稀釋的娃燒流量10 sccm,氫稀釋的磷燒流量2 sccm,氫氣流量40sccm，射頻功率50 W，生長溫度180°C，生長時間5min。3.2、利用PECVD生長30 nm厚的本征硅層:
生長條件:氫稀釋的硅烷流量10 sccm，氫氣流量40SCCm，射頻功率60 W，生長溫度180°C，生長時間30 min。3.3、利用PECVD生長一層5 nm厚的p型硅層，光學帶隙是1.85 eV:
生長條件:氫稀釋的娃燒流量10 sccm,氫稀釋的硼燒流量I sccm,氫氣流量50sccm，射頻功率70 W，生長溫度180°C，生長時間5min。4、利用射頻磁控濺射方法制備銦錫氧化物(ITO)薄膜
采用摻10% SnO2的In2O3靶(純度99.99%)制備ITO薄膜，襯底溫度200°C，工作壓強IPa，工作氣體為Ar，射頻功率功率100W，沉積時間30 min, ITO厚度為60 nm，完成納米線太陽電池的制備；圖1是完·成電池的SEM照片。實施效果:最后進行電池的性能測試，在AMl.5，IOOmff/cm2標準光強的照射下，太陽電池樣品的開路電壓0.72V，短路電流16.9 mA，填充因子0.68，效率為8.27%。對比例一:光滑不銹鋼襯底上的超薄電池 1、利用PECVD生長一層5nm厚的η型納米硅層:
同實例一中步驟3。2、利用PECVD生長30 nm厚的本征納米硅層:
同實例一中步驟4。3、利用PECVD生長一層5 nm厚的p型納米硅層:
同實例一中步驟5。4、利用射頻磁控濺射方法生長60 nm厚的ITO層 同實例一中步驟6。實施效果:最后進行電池的性能測試，在AMl.5,10 Omff/cm2標準光強的照射下,太陽電池樣品的開路電壓0.63 V，短路電流5.3 mA，填充因子0.66，效率為2.2 %。
權利要求
1.不銹鋼襯底上柱狀結構硅太陽能電池的制備方法，包括制備N-1-P結構步驟和在P層上制備ITO薄膜的步驟，其特征在于:在制備N-1-P結構之前，先在不銹鋼襯底上利用ALD技術制備摻鋁的氧化鋅層，再在鍍有摻鋁氧化鋅薄膜的不銹鋼襯底上利用飛秒激光加工技術形成微米柱狀結構，再在形成微米柱狀結構的不銹鋼襯底上制備N-1-P結構。
2.如權利要求1所述的不銹鋼襯底上柱狀結構硅太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述的利用ALD技術制備摻鋁的氧化鋅層指:采用Zn(CH2CH3)2 (DEZ)源和三甲基鋁(TMA)源在不銹鋼襯底上制備摻鋁氧化鋅薄膜，具體為:將不銹鋼襯底放入反應腔室內，反應溫度200°C，在反應腔室通入Zn (CH2CH3)2 (DEZ) I S，氮氣清洗1.5 S，通水500 ms，氮氣清洗ls，重復上述過程20次后，再通入Al (CH3)3 (TMA) 1.5 S，氮氣清洗2s，通水500 ms,氮氣清洗ls，完成一個循環(huán)；重復上述循環(huán)直至摻鋁氧化鋅薄膜的厚度為5 15 nm。
3.如權利要求1所述的不銹鋼襯底上柱狀結構硅太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述的在鍍有摻鋁氧化鋅薄膜的不銹鋼襯底上利用飛秒激光加工技術形成微米柱狀結構指:將鍍有摻鋁氧化鋅薄膜的不銹鋼襯底放在由計算機控制的三維精密移動平臺XY平面上；把激光聚焦到不銹鋼表面上，光束聚焦后光斑直徑100-200微米，計算機控制樣品臺沿著X方向從左到右移動；一行 掃完后，沿Y方向上移50-100微米，再從右到左掃描，重復該過程，獲得所需的面積；激光器輸出中心波長808納米，脈沖寬度45飛秒，重復IkHz ;飛秒激光功率100-400mW，掃描速率0.5-2mm/min ;微米柱直徑分布在3_10微米，高度分布在9-30微米。
4.如權利要求1所述的不銹鋼襯底上柱狀結構硅太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述在形成微米柱狀結構的不銹鋼襯底上制備N-1-P結構指:利用PECVD方法制備NIP結構，具體為:利用PECVD生長一層3-6nm厚的η型硅層；生長條件:氫稀釋的硅烷流量10 sccm，氫稀釋的磷烷流量2 sccm，氫氣流量40 sccm，射頻功率40-70 W，生長溫度150-200°C ;利用PECVD生長20-40 nm厚的本征硅層；生長條件:氫稀釋的硅烷流量10sccm，氫氣流量40sccm，射頻功率40-70 W，生長溫度150_200°C ;利用PECVD生長一層3-6nm厚的P型硅層，光學帶隙1.7 1.9 eV ;生長條件:氫稀釋的硅烷流量10 sccm，氫稀釋的硼烷流量I sccm，氫氣流量50 sccm，射頻功率40-70 W，生長溫度150-200°C ； 所用硅烷為氫稀釋過的硅烷，其中SiH4/SiH4+H2的體積比為5 %，磷烷為氫稀釋過的磷烷，[PH3]/ [PH3+ H2]的體積比是0.5 %，硼烷為氫稀釋過的硼烷，[B2H6]/ [B2H6+ H2]的體積比是0.5 %。
5.如權利要求1所述的不銹鋼襯底上柱狀結構硅太陽能電池的制備方法，其特征在于:所述的在P層上制備ITO薄膜的步驟為:利用射頻磁控濺射方法制備銦錫氧化物(ITO)薄膜，具體為:采用摻10% SnO2的In2O3靶(純度99.99%)制備ITO薄膜，厚度50-100 nm,襯底溫度200°C，工作壓強IPa，工作氣體為Ar，射頻功率功率100W，控制沉積時間得到需要的ITO厚度。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽能電池制造技術，特指不銹鋼襯底上柱狀結構硅太陽能電池的制備方法。即先利用原子層沉積(ALD)技術在不銹鋼襯底上包覆一層很薄的摻鋁氧化鋅(AZO)層，再在空氣中利用飛秒激光加工方法在覆蓋有AZO層的不銹鋼襯底上形成微米柱狀結構，然后再利用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)方法在其上形成N-I-P結構，最后利用濺射方法制備透明導電電極(ITO)，完成納米線太陽電池的制備。
文檔編號H01L31/18GK103247719SQ201310139469
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權日2013年4月22日
發(fā)明者袁寧一, 陸鵬飛, 丁建寧, 陳夢蛟, 李坤堂, 邱建華, 王秀琴 申請人:常州大學