一種基于硅納米錐晶體的全太陽(yáng)光譜響應(yīng)的太陽(yáng)電池制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光伏新型材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種基于硅納米錐晶體的全太陽(yáng)光譜響應(yīng)的太陽(yáng)電池制備方法。具體步驟包括：（1）制備PN結(jié)，對(duì)P型或N型硅片進(jìn)行摻雜形成PN結(jié)；（2）表面硅納米錐制備，對(duì)硅片進(jìn)行大束流離子束轟擊，在表面自組織生長(zhǎng)硅納米錐，同時(shí)進(jìn)行真空退火，消除表面缺陷；（3）上表面鈍化，蒸鍍一層二氧化硅或三氧化二鋁或氮化硅等鈍化層；（4）下表面鈍化加場(chǎng)效應(yīng)，蒸鍍一層三氧化二鋁或氧化鎂；（5）制作上下電極。本發(fā)明方法對(duì)設(shè)備要求較低，成本低廉，安全無(wú)毒，是一種新型的制備全太陽(yáng)光譜響應(yīng)太陽(yáng)電池的方法。
【專利說(shuō)明】-種基于硅納米錐晶體的全太陽(yáng)光譜響應(yīng)的太陽(yáng)電池制備 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光伏新型材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于硅納米錐晶體的全太陽(yáng)光 譜響應(yīng)的太陽(yáng)電池制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 提高太陽(yáng)電池效率的方法之一是讓更多入射光子進(jìn)入電池，常用的方法是在電池 表面采用金字塔表面和減反射膜，這種兩種方法的效果不是十分理想，不僅在短波和長(zhǎng)波 范圍內(nèi)反射較大，而且對(duì)低入射角的太陽(yáng)光以及散射光的反射很大；此外，常規(guī)方法的工藝 復(fù)雜、成本較高。
[0003] 硅表面納米或者微米結(jié)構(gòu)通常由表面針狀或錐狀陣列構(gòu)成，由于其獨(dú)特的光學(xué)性 質(zhì)在提高光電探測(cè)器靈敏度、提高太陽(yáng)能電池效率等多方面找到應(yīng)用，受到了極大的關(guān)注。 這種納米或微米結(jié)構(gòu)的針狀或錐狀陣列應(yīng)用太陽(yáng)電池表面，不僅在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)（從 短波到長(zhǎng)波)的反射極小，而且對(duì)不同角度入射的太陽(yáng)光的反射也比常規(guī)方法小得多。有很 多途徑可以制備這種表面，比如電化學(xué)刻蝕、等離子體增強(qiáng)化學(xué)刻蝕以及活性脈沖激光刻 蝕等，但由于這些方法對(duì)設(shè)備的要求較高，很難適用大規(guī)模生產(chǎn)(例如太陽(yáng)能電池的表面制 絨化處理)。
[0004] 本發(fā)明采用離子束濺射引導(dǎo)硅表面納米錐陣列結(jié)構(gòu)，此方法對(duì)設(shè)備要求較低，成 本低廉，安全無(wú)毒且外延結(jié)晶度好，是一種新型的制備表面制絨硅的有效途徑。同時(shí)基于此 種硅納米錐晶體對(duì)全太陽(yáng)光譜波段的強(qiáng)吸收特性以及紅外光電性質(zhì)，制備成一種全太陽(yáng)光 譜響應(yīng)的太陽(yáng)電池。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種新的基于硅納米錐晶體的太陽(yáng)電池的制備方法，其對(duì) 設(shè)備要求較低，制造成本低廉，安全無(wú)毒，能夠獲得極低反射的全太陽(yáng)光譜響應(yīng)的太陽(yáng)電 池。
[0006] 本發(fā)明通過(guò)離子束轟擊得到表面制絨硅，其是一種對(duì)可見(jiàn)和近紅外波段的光有低 反射和強(qiáng)吸收的硅表面結(jié)構(gòu)，通常由表面針狀或錐狀陣列構(gòu)成。由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，在 提高光電探測(cè)器靈敏度、提高太陽(yáng)能電池效率等多方面找到應(yīng)用。
[0007] 本發(fā)明提供的一種基于硅納米錐晶體的全太陽(yáng)光譜響應(yīng)的太陽(yáng)電池制備方法，具 體步驟如下： (1) 制備PN結(jié)：對(duì)P型或N型硅片進(jìn)行摻雜形成PN結(jié)，結(jié)深為100納米到600納米； (2) 表面硅納米錐制備：對(duì)硅片進(jìn)行大束流離子束轟擊，在表面自組織生長(zhǎng)硅納米錐， 同時(shí)進(jìn)行真空退火，消除表面缺陷，硅納米錐的高度為1〇〇納米到400納米； (3) 上表面鈍化：在上表面蒸鍍一層二氧化硅、三氧化二鋁或氮化硅鈍化層實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng) 鈍化，鈍化層的厚度為10納米到100納米； (4) 下表面鈍化：在下表面蒸鍍一層三氧化二鋁或氧化鎂實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)鈍化，鈍化層的厚 度為10納米到200納米； (5) 制作上下電極，從而得到太陽(yáng)電池。
[0008] 上述步驟（1)中，通過(guò)掩模板對(duì)P型或N型硅片進(jìn)行金屬離子摻雜，摻雜元素包括 鐵、鉻或鑰中任一種。
[0009] 上述步驟（1)中，通過(guò)磷漿的旋涂施膠、熱擴(kuò)散燒結(jié)方法對(duì)P型或N型硅片進(jìn)行磷 摻雜。
[0010] 上述步驟（2)中，采用離子束為惰性氣體離子束；所述惰性氣體離子束為氬離子 或氮離子中任一種。其采用考夫曼離子源，它為一種標(biāo)準(zhǔn)化離子源，由燈絲、陽(yáng)極環(huán)、永磁 鐵、屏柵和加速柵構(gòu)成。
[0011] 上述步驟（2 )中，通過(guò)輻射或熱傳導(dǎo)加熱控制平面硅片的溫度，進(jìn)而改變納米錐形 貌特征。真空退火時(shí)采用一個(gè)真空腔內(nèi)的鎢絲熱電子轟擊裝置，對(duì)樣品進(jìn)行加熱。
[0012] 上述步驟（5 )中，通過(guò)絲網(wǎng)印刷背面鋁電極漿料或蒸鍍鋁電極制作下電極，通過(guò)上 表面上絲網(wǎng)印刷銀電極，或者蒸鍍TiAg或TiPaAg，或者采用透明導(dǎo)電膜TC0制作上電極。
[0013] 本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明通過(guò)離子束轟擊得到表面制絨硅，由于其對(duì)全太 陽(yáng)光譜波段的強(qiáng)吸收特性，且制備方法成本低廉，可用于大規(guī)模生產(chǎn)，因此可作為一種基于 硅納米錐晶體的新型表面減反射制絨硅襯底。同時(shí)經(jīng)過(guò)表面鈍化以及背部鋁背場(chǎng)效應(yīng)，最 后加上一些常規(guī)的電池電極制作工藝，可得到一種對(duì)全太陽(yáng)光譜響應(yīng)的基于硅納米錐晶體 的太陽(yáng)電池。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明得到的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖2為實(shí)施例得到的電池結(jié)構(gòu)示意圖，其中硅納米錐是鑲嵌在二氧化硅層中。
[0016] 圖3為硅納米錐陣列SEM結(jié)構(gòu)圖表征。
[0017] 圖4為平面硅和表面制絨硅的光學(xué)性質(zhì)(吸收譜)。
[0018] 圖5為電池測(cè)量結(jié)果，包括IV曲線、效率等，由太陽(yáng)光模擬光源AM1. 5儀器測(cè)試完 成，其中Voc為開(kāi)路電壓，Jsc為短路電流密度，F(xiàn)F為填充因子，Eff為電池效率。
[0019] 圖中標(biāo)號(hào)：11 為 Al，21 為 A1203 或者 Mg0,31 為 p-Si，41 為 n-Si，51 為 Si02 , 52 為 納米錐，61 為 TC0,62 為 Ag 或 PaAg 或 TiPaAg。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例用以說(shuō)明本發(fā)明，但不用于限制本發(fā)明。
[0021] 如圖1所示是本發(fā)明得到的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意。其中，圖1A所示結(jié)構(gòu)包括：下 電極A1 (11)，鈍化層A1203或者M(jìn)gO (21)，p型Si (31)，n型Si (41)，上表面鈍化層Si02 (51)，納米錐（52)，上電極為透明導(dǎo)電膜TCO (61)。圖1B所示結(jié)構(gòu)的上電極為Ag或PaAg 或TiPaAg (62)，其它與結(jié)構(gòu)A相同。
[0022] 實(shí)施例1 1、原料 硅片：lcmXlcmX0. 15mm P型單晶硅硅片（100)，電阻率1-3歐姆；磷漿、氨水（：濃度 25wt%)、雙氧水(濃度30wt%)、高純氮?dú)?、氫氟?濃度20wt%)、去離子水、高純氦氣、二氧化 硅顆粒、氧化鋁顆粒、氧化鎂顆粒、鋁絲、銀顆粒。
[0023] 2、設(shè)備 臺(tái)式勻膠機(jī)、管式電阻爐、考夫曼離子源、高真空腔、鎢絲熱電子加熱、高真空鍍膜機(jī)。
[0024] 3、工藝參數(shù)設(shè)定 硅片在混合溶液中蒸煮時(shí)間：20分鐘； 磷漿旋涂時(shí)間：20秒； 磷漿旋涂轉(zhuǎn)速：2000轉(zhuǎn)/分鐘； 磷摻雜煅燒：高純氮?dú)?60°C，20分鐘； 考夫曼離子源轟擊參數(shù)：屏極電壓1500V，加速極電壓200V，陽(yáng)極電壓60V，束流密度 1000 μ A cm2,轟擊時(shí)間25分鐘。
[0025] 鎢絲熱電子真空加熱：離子束轟擊加熱時(shí)間25分鐘，真空退火1小時(shí)，溫度 800。。。
[0026] 表面鈍化加場(chǎng)效應(yīng)：二氧化硅膜厚度10nm，氧化鋁/氧化鎂膜厚度10nm，高純氮?dú)?425°C退火1小時(shí)。
[0027] 4、工藝過(guò)程 工藝具體過(guò)程為： (1) 將原料P型硅片放在氨水和雙氧水體積比為1 :1的混合溶液中蒸煮20分鐘，之后 通過(guò)勻膠機(jī)將磷漿均勻旋涂在硅片表面上進(jìn)行磷摻雜，旋涂時(shí)間為20秒，轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/ 分鐘；接下來(lái)將硅片放入管式電阻爐中，通入高純氮?dú)?60°C煅燒20分鐘進(jìn)行磷摻雜；待冷 卻到室溫后用氫氟酸和去離子水洗去硅片表面殘留的磷漿； (2) 將PN結(jié)硅片放入裝配有考夫曼離子源的高真空腔內(nèi)，經(jīng)受能量為1.5 keV、束流密 度為1000 μ A cnT2的離子束垂直轟擊25分鐘；同時(shí)一個(gè)鎢絲熱電子加熱裝置對(duì)樣品進(jìn)行 加熱，加熱溫度為800°C ;之后在腔中進(jìn)行800°C真空退火一個(gè)小時(shí)； (3) 在樣品上表面蒸鍍10nm厚度的二氧化硅，下表面蒸鍍10nm厚度的氧化鋁或氧化 鎂；之后在高純氮?dú)庵?25°C退火一個(gè)小時(shí)； (4) 在樣品下表面蒸鍍鋁電極，之后在高純氮?dú)庵?80°C退火10分鐘；上表面進(jìn)行絲網(wǎng) 印刷銀電極，得到的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
[0028] 5、結(jié)果和分析 在通過(guò)磷擴(kuò)散制作PN結(jié)的基礎(chǔ)上，根據(jù)本實(shí)施例方法，制得的納米錐表面制絨硅的硅 納米錐陣列SEM如圖3所示；其吸收譜如圖4所示，其在350nm至llOOnm波段吸收率超過(guò) 96%，在1 lOOnm至2000nm波段吸收率超過(guò)92%，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)全太陽(yáng)光譜的吸收；同時(shí)加上 表面鈍化和場(chǎng)效應(yīng)以及電極制作工藝，得到了一種基于硅納米錐晶體的全太陽(yáng)光譜響應(yīng)的 太陽(yáng)電池，其由太陽(yáng)光模擬光源AM1. 5儀器測(cè)試，得到結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明：開(kāi)路電 壓Voc達(dá)到0. 54V，在沒(méi)有件反射膜的情況下，短路電流Jsc達(dá)到25. 99 mA/cm2,填充因子 為71. 16%，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10. 01%。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于硅納米錐晶體的全太陽(yáng)光譜響應(yīng)的太陽(yáng)電池制備方法，其特征在于，具體 步驟如下： (1) 制備PN結(jié)：對(duì)P型或N型硅片進(jìn)行摻雜形成PN結(jié)，結(jié)深為100納米到600納米； (2) 表面硅納米錐制備：對(duì)硅片進(jìn)行大束流離子束轟擊，在表面自組織生長(zhǎng)硅納米錐， 同時(shí)進(jìn)行真空退火，消除表面缺陷，硅納米錐的高度為100納米到400納米； (3) 上表面鈍化：在上表面蒸鍍一層二氧化硅、三氧化二鋁或氮化硅鈍化層實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng) 鈍化，鈍化層的厚度為10納米到100納米； (4) 下表面鈍化：在下表面蒸鍍一層三氧化二鋁或氧化鎂實(shí)現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)鈍化，鈍化層的厚 度為10納米到200納米； (5) 制作上下電極，從而得到太陽(yáng)電池。
2. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（1)中，通過(guò)掩模板對(duì)P型或N型 娃片進(jìn)行金屬離子摻雜，摻雜元素包括鐵、鉻或鑰中任一種。
3. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（1)中，通過(guò)磷漿的旋涂施膠、熱擴(kuò) 散燒結(jié)方法對(duì)P型硅片進(jìn)行磷摻雜；或者對(duì)N型硅片進(jìn)行硼摻雜。
4. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（2)中采用離子束為惰性氣體離子 束。
5. 如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：所述惰性氣體離子束為氬離子或氮離 子中任一種。
6. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（2)中通過(guò)輻射或熱傳導(dǎo)加熱控制 平面硅片的溫度，進(jìn)而改變納米錐形貌特征。
7. 如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟（5)中，通過(guò)絲網(wǎng)印刷背面鋁電極 楽料或蒸鍍錯(cuò)電極制作下電極，通過(guò)上表面上絲網(wǎng)印刷銀電極，或者蒸鍍TiAg或TiPaAg, 或者采用透明導(dǎo)電膜TCO制作上電極。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK104064625SQ201410268886
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】邱迎, 王亮興, 周靖, 宋省池, 陸明 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)