CN102227002A - 多晶硅纳米线太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

多晶硅纳米线太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种太阳能电池技术领域的多晶硅纳米线太阳能电池及其制备方法，该多晶硅纳米线太阳能电池包括：由上而下依次设置的复合层栅电极、透明ITO导电薄膜层、氮化硅钝化抗反射层、n型硅纳米线阵列、p型硅基底和金属背电极，透明ITO导电薄膜层、氮化硅钝化抗反射层和n型硅纳米线阵列均为方波结构。本发明通过伽伐尼置换方法，采用多晶硅纳米线阵列作为太阳能电池的吸收层，并通过沉积氮化硅钝化抗反射层和ITO薄膜，在常温常压下，制备大面积多晶硅纳米线，制备得到的多晶硅纳米线太阳能电池，提高了太阳能电池光电转换效率。

Description

多晶硅纳米线太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种太阳能电池技术领域的电池及制备，具体是一种多晶硅纳米线太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着世界能源的日趋紧张，人们对可再生能源的重视提到了前所未有的高度。面对全球的能源短缺以及生存环境恶劣的压力，世界各国积极研究和开发可再生能源，其中，太阳能以其独有的优势成为研究的热点。从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料。
近来纳米线结构由于其独特的陷光结构及光电性能而成为研究的重点。经过对现有技术的检索发现，2005年，清华大学朱静小组在单晶硅基底上制备了大面积的纳米线阵列。由于其特有的陷光作用，利用纳米线阵列结构作为太阳能电池的吸收层。该结构的太阳能电池有较高的光电转换效率，达到9.31％[Aligned single-crystalline Si nanowire arrays for photovoltaic applications.Small，2005(11)：1062-1067]。
2007年，哈佛大学Lieber研究组设计出单根Si多层结构的同轴电缆太阳能电池，其光电转换效率较高，一般能达3％以上，最高时能达到5％。[Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources.Nature Letter，2007(449)：889-890].
由于硅材料含量丰富，而且可与目前的半导体微加工工艺兼容，因此，基于硅纳米线结构的太阳能电池越来越受到重视。现有的技术是在单晶硅基底上制备纳米线阵列，其制备方法的成本比较高。而且由于单晶硅的价格较多晶硅贵好几倍，甚至几十倍，从目前国际太阳能电池的发展趋势来看，重心已由单晶硅向多晶硅方向发展，多晶硅太阳能电池是未来具有广阔前景太阳能电池。开发新的技术，进一步提高多晶硅太阳能电池效率，成为太阳能电池的热点研究方向。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多晶硅纳米线太阳能电池及其制备方法，采用伽伐尼置换方法，在常温常压下，制备大面积多晶硅纳米线。本发明采用的伽伐尼置换方法，与通过CVD、MOCVD、PECVD、HWCVD、光刻，纳米压印等制备纳米线的方法相比，伽伐尼置换方法制备的纳米线不需要复杂设备和高温高压等条件，在常温常压下就可实现。由于制备获得的多晶硅纳米线阵列具有较强的陷光作用，本发明采用多晶硅纳米线阵列作为太阳能电池的吸收层，并通过沉积氮化硅钝化抗反射层和ITO薄膜。本发明的多晶硅纳米线太阳能电池，提高了太阳能电池光电转换效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种多晶硅纳米线太阳能电池，包括：由上而下依次设置的复合层栅电极、透明ITO导电薄膜层、氮化硅钝化抗反射层、n型硅纳米线阵列、p型硅基底和金属背电极，其中：透明ITO导电薄膜层、氮化硅钝化抗反射层和n型硅纳米线阵列均为方波结构。
所述的复合层栅电极由含有Ti、Pd、Ag三种金属材料的银浆料高温烧结而成。
所述的n型硅纳米线阵列中纳米线的直径为30nm-250nm。
本发明涉及上述太阳能电池的制备方法，通过将p型多晶硅片与氢氟酸和硝酸银的混合液蚀刻反应后，通过对纳米线热扩散进行n型掺杂，制成由n型掺杂的纳米线结构多晶硅层和p型掺杂的多晶硅基底层组成p-n结；然后在纳米线结构多晶硅层的正面依次沉积氮化硅钝化抗反射层和透明ITO导电薄膜层，采用丝网印刷方式得到复合层栅电极；最后在p型基底背面采用溅射、蒸发或涂敷方式制备得到金属背电极并进行退火合金化处理，得到所述多晶硅纳米线太阳能电池。
所述的p型多晶硅片是指：根据标准半导体清洗步骤，即RCA方法对p型多晶硅片进行清洗，并在常温下用氮气吹干。
所述的氢氟酸和硝酸银的混合液中：氢氟酸的质量百分比为20％，硝酸银的浓度为0.045mol/L，其余为去离子水。
所述的蚀刻反应是指：在常温常压下将p型多晶硅片放入氢氟酸和硝酸银的混合液中密封反应15-60min，用去离子水冲洗掉残留刻蚀液后并浸入HNO3质量比为20％的稀硝酸溶液中去除还原的银沉积物。
所述的退火合金化处理是指：在500-800℃的环境下退火合金化1-30min，形成欧姆接触和铝背面场。
本发明在常温常压下采用伽伐尼置换方法制备多晶硅纳米线阵列；制备获得的多晶硅纳米线阵列具有很强的抗反射特性，增强了电池对入射太阳光的吸收；采用具有多晶硅纳米线阵列的多晶硅基片制备如图1所示的多晶硅纳米线太阳能电池；通过在多晶硅纳米线阵列表面生长一层氮化硅钝化层，大大降低了非平衡载流子的表面复合；在钝化层上溅射ITO导电薄膜，增加了电流的收集。本发明提高了多晶硅太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1多晶硅纳米线太阳能电池示意图；
图中：1为复合层栅电极、2为透明ITO导电薄膜层、3为氮化硅钝化抗反射层、4为n型硅纳米线阵列、5为p型硅基底、6为金属背电极。
图2为实施例1得到的多晶硅纳米线阵列SEM图。
图3为实施例2得到的多晶硅纳米线阵列SEM图。
图4为实施例3得到的多晶硅纳米线阵列SEM图。
图5为实施例1得到的多晶硅纳米线阵太阳能电池。
图6为实施例2得到的多晶硅纳米线阵太阳能电池。
图7为实施例3得到的多晶硅纳米线阵太阳能电池。
图8为实施例1，实施列2和实施列3得到的多晶硅纳米线阵列的反射光谱图；
图中：(a)实施例1得到的多晶硅纳米线的反射曲线、(b)实施例2得到的多晶硅纳米线的反射曲线，(c)实施例3得到的多晶硅纳米线的反射曲线。
图9为实施例3得到的多晶硅纳米线阵太阳能电池的I-V特性曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
1、根据标准半导体清洗步骤(RCA方法)对p型多晶硅片进行清洗，并在常温下用氮气吹干备用。在常温常压下，将准备好的p型多晶硅片放入装有HF(20％)和AgNO3(0.045mol/L)刻蚀溶液的特氟龙(Teflon)烧杯中，密封反应15min。用塑料镊子取出样品，用大量去离子水冲洗掉残留刻蚀液。之后把样品浸入稀HNO3(20％)溶液，去除还原的银沉积物。最后，用大量去离子水清洗干静，用氮气吹干备用。
2、通过热扩散，以POCl3为源，在温度为930℃下对多晶硅纳米线阵列进行n型掺杂20min，形成p-n结，其中多晶硅纳米线结构层4为n型掺杂，多晶硅层5为p型硅基底。纳米线的直径为30nm-250nm，深度约为2.3μm。
3、通过PECVD方法，在温度为410℃，NH3与SiH4流量比例为11，射频功率为3700w条件下，在纳米线结构多晶硅层4上沉积氮化硅钝化抗反射层3。
4、通过直流磁控溅射方法，以氧氩体积比为：1∶40，溅射速率为5nm/min，溅射气压为0.5Pa，镀膜温度为120℃的条件下，在氮化硅钝化抗反射层3上沉积ITO层2。
5、通过丝网印刷技术在ITO层2上印刷银浆料，形成间距约3mm，宽度约0.1～0.12mm的银栅线，宽度为3～4mm的两条电极导线。
6、在背面的p型基底上，采用铝浆料印刷整个背面(除背银电极外)，然后再用银浆料印刷两条背电极，宽度为3～4mm，形成背面金属导电层6，其中：p型基底与金属背电极相接触，纳米线及其下面一薄层硅则为作为太阳能电池的正面的n型基底。
7、500-800℃/1-30min下退火合金化，形成欧姆接触和铝背表面场。
本实例制备得到的太阳能电池的结构如图5所示。本实例制备得到的多晶硅纳米线阵列的SEM图如图2所示。本实例制备得到的多晶硅纳米线阵列的反射光谱图如图8中曲线(a)所示。
实施例2
1、根据标准半导体清洗步骤(RCA方法)对p型多晶硅片进行清洗，并在常温下用氮气吹干备用。在常温常压下，将准备好的p型多晶硅片放入装有HF(20％)和AgNO3(0.045mol/L)刻蚀溶液的特氟龙(Teflon)烧杯中，密封反应30min。用塑料镊子取出样品，用大量去离子水冲洗掉残留刻蚀液。之后把样品浸入稀HNO3(20％)溶液，去除还原的银沉积物。最后，用大量去离子水清洗干静，用氮气吹干备用。
2、通过热扩散，以POCl3为源，在温度为930℃下对多晶硅纳米线阵列进行n型掺杂20min，形成p-n结，其中多晶硅纳米线结构层4为n型掺杂，多晶硅层5为p型硅基底。纳米线的直径为30nm-250nm，深度约为4.6μm。
3、通过PECVD方法，在温度为410℃，NH3与SiH4流量比例为11，射频功率为3700w条件下，在纳米线结构多晶硅层4上沉积氮化硅钝化抗反射层3。
4、通过直流磁控溅射方法，以氧氩体积比为：1∶40，溅射速率为5nm/min，溅射气压为0.5Pa，镀膜温度为120℃的条件下，在氮化硅钝化抗反射层3上沉积ITO层2。
5、通过丝网印刷技术在ITO层2上印刷银浆料，形成间距约3mm，宽度约0.1～0.12mm的银栅线，宽度为3～4mm的两条电极导线。
6、在背面的p型基底上，采用铝浆料印刷整个背面(除背银电极外)，然后再用银浆料印刷两条背电极，宽度为3～4mm，形成背面金属导电层6。
7、500-800℃/1-30min下退火合金化，形成欧姆接触和铝背表面场。
本实例制备得到的太阳能电池的结构如图6所示。本实例制备得到的多晶硅纳米线阵列的SEM图如图3所示。本实例制备得到的多晶硅纳米线阵列的反射光谱图如图8中曲线(b)所示。
实施例3
1、根据标准半导体清洗步骤(RCA方法)对p型多晶硅片进行清洗，并在常温下用氮气吹干备用。在常温常压下，将准备好的p型多晶硅片放入装有HF(20％)和AgNO3(0.045mol/L)刻蚀溶液的特氟龙(Teflon)烧杯中，密封反应60min。用塑料镊子取出样品，用大量去离子水冲洗掉残留刻蚀液。之后把样品浸入稀HNO3(20％)溶液，去除还原的银沉积物。最后，用大量去离子水清洗干静，用氮气吹干备用。
2、通过热扩散，以POCl3为源，在温度为930℃下对多晶硅纳米线阵列进行n型掺杂20min，形成p-n结，其中多晶硅纳米线结构层4为n型掺杂，多晶硅层5为p型硅基底。纳米线的直径为30nm-250nm，深度约为8.3μm。
3、通过PECVD方法，在温度为410℃，NH3与SiH4流量比例为11，射频功率为3700w条件下，在纳米线结构多晶硅层4上沉积氮化硅钝化抗反射层3。
4、通过直流磁控溅射方法，以氧氩体积比为：1∶40，溅射速率为5nm/min，溅射气压为0.5Pa，镀膜温度为120℃的条件下，在氮化硅钝化抗反射层3上沉积ITO层2。
5、通过丝网印刷技术在ITO层2上印刷银浆料，形成间距约3mm，宽度约0.1～0.12mm的银栅线，宽度为3～4mm的两条电极导线。
6、在背面的p型基底上，采用铝浆料印刷整个背面(除背银电极外)，然后再用银浆料印刷两条背电极，宽度为3～4mm，形成背面金属导电层6。
7、500-800℃/1-30min下退火合金化，形成欧姆接触和铝背表面场。
本实例制备得到的太阳能电池的结构如图7所示。本实例制备得到的多晶硅纳米线阵列的SEM图如图4所示。本实例制备得到的多晶硅纳米线阵列的反射光谱图如图8中曲线(c)所示。本实例制备得到的多晶硅纳米线阵太阳能电池的I-V特性曲线图如图9所示。
本发明在常温常压下采用伽伐尼置换方法制备多晶硅纳米线阵列，制备获得的多晶硅纳米线阵列增强了电池对入射太阳光的吸收，采用具有多晶硅纳米线阵列的多晶硅基片制备如图1所示的多晶硅纳米线太阳能电池，通过对多晶硅纳米线阵列沉积氮化硅钝化层和ITO导电薄膜，非平衡载流子的表面复合减小，银栅线间纳米线阵列的电流能够有效地收集，从而使短路电流增大，进一步提高了多晶硅纳米线阵列的光电转换效率。本发明制备的多晶硅纳米线太阳能电池的短路电流达到了3.499A，转换效率达到了8.986％，比现有报道的4.73％提高了约48％。

Claims (8)

1.一种多晶硅纳米线太阳能电池，其特征在于，包括：由上而下依次设置的复合层栅电极、透明ITO导电薄膜层、氮化硅钝化抗反射层、n型硅纳米线阵列、p型硅基底和金属背电极，其中：透明ITO导电薄膜层、氮化硅钝化抗反射层和n型硅纳米线阵列均为方波结构。
2.根据权利要求1所述的多晶硅纳米线太阳能电池，其特征是，所述的复合层栅电极由含有Ti、Pd、Ag三种金属材料的银浆料高温烧结而成。
3.根据权利要求1所述的多晶硅纳米线太阳能电池，其特征是，所述的n型硅纳米线阵列中纳米线的直径为30nm-250nm。
4.一种根据上述任一权利要求所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，通过将p型多晶硅片与氢氟酸和硝酸银的混合液蚀刻反应后，通过对纳米线热扩散进行n型掺杂，制成由n型掺杂的纳米线结构多晶硅层和p型掺杂的多晶硅基底层组成p-n结；然后在纳米线结构多晶硅层的正面依次沉积氮化硅钝化抗反射层和透明ITO导电薄膜层，采用丝网印刷方式得到复合层栅电极；最后在p型基底背面采用溅射、蒸发或涂敷方式制备得到金属背电极并进行退火合金化处理，得到所述多晶硅纳米线太阳能电池。
5.根据权利要求4所述的池的制备方法，其特征是，所述的p型多晶硅片是指：根据标准半导体清洗步骤，即RCA方法对p型多晶硅片进行清洗，并在常温下用氮气吹干。
6.根据权利要求4所述的池的制备方法，其特征是，所述的氢氟酸和硝酸银的混合液中：氢氟酸的质量百分比为20％，硝酸银的浓度为0.045mol/L，其余为去离子水。
7.根据权利要求4所述的池的制备方法，其特征是，所述的蚀刻反应是指：在常温常压下将p型多晶硅片放入氢氟酸和硝酸银的混合液中密封反应15-60min，用去离子水冲洗掉残留刻蚀液后并浸入HNO3质量比为20％的稀硝酸溶液中去除还原的银沉积物。
8.根据权利要求4所述的池的制备方法，其特征是，所述的退火合金化处理是指：在500-800℃的环境下退火合金化1-30min，形成欧姆接触和铝背面场。
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