CN102185037A - 能提高光电转换效率的硅纳米柱太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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梁萌
蒋玉龙
茹国平
屈新萍
李炳宗
张卫
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Abstract

本发明属于太阳能电池技术领域，具体为一种能提高光电转换效率的硅纳米柱太阳能电池及其制造方法。本发明在硅纳米柱太阳能电池衬底端表面加入纳米尺寸金属铝圆柱体颗粒，通过引入局域表面等离激元共振效应，提升太阳能电池吸收率，从而提高硅纳米柱太阳能电池的光电转换效率。金属铝的使用，相对于常用贵金属（如金、银），可大幅降低生产成本，同时得到更好的吸收增强效果。

Description

能提高光电转换效率的硅纳米柱太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种硅纳米柱太阳能电池及其制造方法。
背景技术
随着煤炭、石油等传统燃料资源的频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。取之不尽、用之不竭的太阳能，作为最重要的可再生能源，已受到广泛关注。越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。太阳能电池是现阶段利用太阳能的主要方式之一。
硅薄膜太阳能电池在生产中主要面对两大问题：一是太阳能电池光电转换效率太低；二是其生产成本过高。解决这两个问题，需要寻找高性能的光电转换材料或结构和适合于规模生产的制造工艺技术。
硅纳米柱太阳能电池以硅薄膜太阳能电池为基础，在硅薄膜上构造纳米柱结构，以提升太阳能电池光电转换效率。硅纳米柱结构已被证明可大幅提升太阳能电池光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可进一步增强硅纳米柱太阳能电池光电转换效率的太阳能电池及其制造方法。
本发明提出的可以提高光电转换效率的硅纳米柱太阳能电池的制造方法，是在硅纳米柱太阳能电池硅纳米柱底端周围加入纳米尺寸的金属铝圆柱体颗粒，通过引入局域表面等离激元共振效应（LSPR：Localized Surface Plasmon Resonance），增强电池对太阳光的吸收率，从而提升太阳能电池的光电转换效率。具体操作步骤如下：
1、使用制造薄膜太阳能电池常用的非晶硅（或微晶硅）衬底，该衬底厚度为1.5—2.5um，已掺杂形成p-n结，并已淀积背电极。
2、在n型硅一侧上表面旋涂光刻胶，光刻胶用正胶。
3、利用正胶曝光、显影，在硅表面形成圆柱状周期性阵列的图形。例如其优化周期为500nm，半径为125nm。
4、利用反应离子刻蚀技术（RIE）刻蚀没有光刻胶覆盖的硅衬底，深度约为0.8—1.2um。
5、去除剩余光刻胶，形成约0.8—1.2um高的周期性硅纳米柱阵列。
6、应用物理气相淀积技术（PVD）淀积约10-200nm厚铝薄膜。
7、利用电子束刻蚀技术（EBL）在纳米柱底部周围形成密集分布、半径20-60nm的金属铝颗粒。
8、应用化学气象淀积技术（CVD）将纳米柱之间的缝隙用二氧化硅填满。
9、应用化学机械抛光技术（CMP）将表面平整化，同时保证硅纳米柱顶端暴漏在外。
10、应用物理气相淀积技术（PVD）在平整表面淀积氧化铟锡（ITO）薄膜，该薄膜厚度为一般为20nm左右（如18—30nm），作为表面透明电极。
由上述方法制备的硅纳米柱太阳能电池，在纳米柱底部周围分布的铝颗粒形状为圆柱体，圆柱体半径为20-60nm，高度为10-200nm。
本发明中金属铝的使用，相对于常用贵金属（如金、银），可大幅降低生产成本，同时得到更好的吸收增强效果。
实验表明，由上述方法制备的太阳能电池，具有更高的光电转换效率。
附图说明
图1—图10为工艺流程的示意图（侧视图）。其中，图10为最后工艺步骤形成的器件侧视图。
图中标号：1为硅薄膜，2为光刻胶，3为硅纳米柱，4为金属铝，5为二氧化硅，6为ITO。
具体实施方式
下面通过具体工艺步骤进一步描述本发明：
1、使用厚度约2um，已掺杂形成p-n结并淀积金属铝作为背电极的多晶硅薄膜样品。经标准RCA清洗工艺后，用浓度为2%的HF稀释溶液去除硅片表面的本征氧化层，如图1所示。
2、在硅薄膜上表面旋涂光刻胶，光刻胶用正胶，如图2所示。
3、利用正胶曝光、显影，在硅表面形成周期500nm，半径125nm的圆柱状周期性阵列的图形，如图3所示。
4、用反应离子刻蚀工艺刻蚀硅，深度约1um，如图4所示。
5、使用丙酮去除剩余光刻胶，形成约1um高的周期性硅纳米柱阵列，如图5所示。
6、应用物理气相淀积技术淀积40nm厚铝薄膜，如图6所示。
7、利用电子束刻蚀技术在纳米柱底部周围形成密集分布、半径50nm的金属铝颗粒，如图7所示。
8、应用化学气象淀积技术淀积二氧化硅，将硅纳米柱之间的缝隙填满，如图8所示。
9、应用化学机械抛光技术将表面平整化，露出硅纳米柱顶端，如图9所示。
10、应用物理气相淀积技术在平整表面淀积约20nm厚的氧化铟锡，作为表面透明电极；至此工艺完成，如图10所示。

Claims (2)

1.一种能提高光电转换效率的硅纳米柱太阳能电池的制造方法，其特征在于：在硅纳米柱太阳能电池纳米柱底端周围加入纳米尺寸的金属铝圆柱体颗粒，通过引入局域表面等离激元共振效应，增强电池对太阳光的吸收率，从而提升太阳能电池的光电转换效率；具体步骤为：
（1）、使用制造薄膜太阳能电池常用的非晶硅或微晶硅衬底，该衬底厚度为1.5—2.5um，已掺杂形成p-n结，并已淀积背电极；
（2）、在n型硅一侧上表面旋涂光刻胶，光刻胶用正胶；
（3）、利用正胶曝光、显影，在硅表面形成圆柱状周期性阵列的图形；
（4）、利用反应离子刻蚀技术刻蚀没有光刻胶覆盖的硅衬底，深度为0.8—1.2um；
（5）、去除剩余光刻胶，形成0.8—1.2um高的周期性硅纳米柱阵列；
（6）、应用物理气相淀积技术淀积10-200nm厚铝薄膜；
（7）、利用电子束刻蚀技术在硅纳米柱底部周围形成密集分布的、半径为20-60nm的金属铝颗粒；
（8）、应用化学气象淀积技术将硅纳米柱之间的缝隙用二氧化硅填满；
（9）、应用化学机械抛光技术将表面平整化，同时保证硅纳米柱顶端暴漏在外；
（10）、应用物理气相淀积技术在平整表面淀积约氧化铟锡薄膜，作为表面透明电极。
2.一种根据权利要求1所述的方法制造的硅纳米柱太阳能电池，其特征在于在硅纳米柱太阳能电池的纳米柱底端周围引入纳米尺寸的金属铝圆柱体颗粒，圆柱体的半径为20-60nm，高度为10-200nm。
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