CN102280500A - 基于异质结结构的硅量子点太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于异质结结构的硅量子点太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池自下而上包括银铝复合背电极、P型单晶硅基片、氮化硅薄膜层、N型非晶硅层、透明导电膜层和银电极。氮化硅薄膜层中含有直径为1～6nm的硅量子点；透明导电膜层为200～300nm的掺铝氧化锌透明导电薄膜。在制绒的P型晶体硅基片上制备一层含有硅量子点的氮化硅层，再沉积一层N型非晶硅层，接着再沉积一层掺铝氧化锌透明导电膜，最后在正反两面分别加上银电极和含有银铝复合电极的铝背表面场。此电池结构简单，光谱响应范围宽，开路电压高，光生电流大，制备步骤与现有的工艺相兼容。本发明为提高现有的硅基太阳电池转换效率提供了一种很好的解决方法。

Description

基于异质结结构的硅量子点太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及硅基太阳能电池技术领域，具体涉及一种新型硅量子点异质结太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池和纳米材料应用技术领域。
技术背景
化石能源是目前世界能源供应的主体，据世界能源权威机构分析，在本世纪末煤、石油、天然气以及铀等常规能源将消耗殆尽。化石能源除原料供应短缺外，其开采和使用还造成全球生态环境污染。所以，探寻一种清洁、无污染且供给丰富的新能源对未来人类文明和世界经济持续发展至关重要，这已成为世界各国共同关注和必须应对的问题之一。太阳能清洁无污染、取之不尽用之不竭，既可免费使用，又无需运输，符合未来新能源发展要求。根据欧洲光伏工业协会EPIA的预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且还会成为世界能源供应的主体。
采用单晶硅和多晶硅材料制作的晶体硅太阳能电池是当今商业化生产和市场供应的主流产品，除此之外还发展了非晶硅和多元化合物薄膜太阳能电池。尽管晶体硅太阳电池技术成熟、稳定性好，但生产成本限制了其在未来的规模化应用；非晶硅薄膜电池虽然生产成本低，但不够稳定且转换效率低，随着时间的延长，其转换效率衰减，直接影响了它的实际应用；多元化合物薄膜太阳能电池主要包括砷化镓、硫化镉、碲化镉和铜铟硒等薄膜太阳能电池，这类电池尽管存在价格低廉、性能良好和工艺简单等特点，但是它们材料来源要么有限，要么材料本身存在剧毒，这些电池的发展也必然受到限制。
目前太阳能电池光电转换效率较低的一个重要原因是不能充分利用太阳光。电池太阳光损失机制主要包括两方面：能量低于带隙的光子不能被吸收和能量大于带隙的光子存在热损失。目前解决此问题的主要方法是制作含有不同带隙结构的叠层太阳能电池，但这需要使用不同的原材料且存在子电池电流和晶格常数匹配问题，因此叠层太阳能电池仍然存在材料来源供应短缺和环境污染问题。理论和实验研究均发现，当半导体材料特征尺寸在三个维度上小于其电子德布罗意波长或与其相比拟时，材料便具有量子限制效应特性，这种材料被称作量子点。量子点不仅可以扩大太阳能电池的光谱吸收范围，还能大大提高太阳电池的量子产额。在量子点材料中备受关注的是硅量子点，这是因为它不仅是目前太阳能电池中普遍使用的原材料，而且它还是地壳中含量仅次于氧元素的第二大元素，所以材料来源十分丰富，并且无毒。理论研究表明，量子点太阳电池能大大提高电池转换效率，高达66％。因此，本发明将硅量子点所具有的量子限制效应特性应用于太阳能电池可扩大硅基太阳电池光谱吸收范围、提高其量子产额和光电转换效率，利于未来硅基太阳能电池的规模化和常规化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于异质结结构的硅量子点太阳能电池，该太阳能电池具有太阳光谱吸收范围宽、量子产额大和光电转换效率高的特点；本发明还提供了制备该太阳能电池的方法。
本发明提供的一种基于异质结结构的硅量子点太阳能电池，它自下而上包括银铝复合背电极、P型单晶硅基片和银电极；其特征在于，在自下而上之间自下而上依次设置有氮化硅薄膜层、N型非晶硅层和透明导电膜层，氮化硅薄膜层中含有硅量子点，氮化硅薄层厚度为20～50nm，硅量子点直径在1～6nm之间；N型非晶硅层的厚度为15～25nm；透明导电膜层为掺铝氧化锌透明导电薄膜，厚度为200～300nm。
上述的硅量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(1)清洗P型单晶硅基片；
(2)在P型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构；
(3)对P型单晶硅基片实施NH3等离子体处理5～10分钟，其中通入NH3的流量为40～70sccm，等离子体的射频功率为40～80W，基片温度为200～240℃，腔体压强为60～100Pa；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一面上制备厚度为20～50nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜，其中硅量子点的直径在1～6nm之间，通入NH3的流量为40～60sccm，通入SiH4气体流量为60～80sccm之间，SiH4气体被H2稀释体积比为10％，基片温度为200～240℃，等离子体的射频功率为30～50W，腔体压强为：90～140Pa；
(5)采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积N型非晶硅薄膜，其中通入的被H2稀释体积比为10％的SiH4流量为20～40sccm，PH3流量为25～40sccm，射频功率为80～150W，基片温度为：180～240℃，N型非晶硅薄膜4厚度为15～25nm；
(6)采用磁控溅射法在N型非晶硅薄膜上制备厚度为200～300nm的掺铝氧化锌透明导电薄膜，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为1％～5％，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99％，通入Ar的流量为20sccm，基片温度为200～300℃，功率为100～200W；
(7)用磁控溅射设备在掺铝氧化锌透明导电膜上制备银电极；
(8)采用丝网印刷技术在单晶硅基片背面制作含有银铝复合电极的铝背表面场，得到电池；
(9)将电池置于充满氮气的石英退火炉中烧结，在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。
本发明提供的太阳能电池结合硅元素的丰富无毒性、硅量子点的量子效应特性、异质结太阳电池的高转化效率和非晶硅太阳电池低温制备工艺等优异特性于一体，是一种太阳光谱吸收范围宽、量子产额大、光电转换效率高和制备工艺简单的新型太阳能电池。
附图说明
图1为基于异质结结构的硅量子点太阳电池截面的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的硅量子点异质结太阳电池自下而上包括银铝复合背电极1、P型单晶硅基片2、氮化硅薄膜层3、N型非晶硅层4、透明导电膜层5和银电极6。其中，银铝复合背电极1层除具有电极功能以外，还具有铝背表面场的作用；P型单晶硅基片2带有金字塔绒面结构，基片厚度为280～320um，金字塔的平均高度在10～20um之间，用以降低太阳电池表面反射率；氮化硅薄膜层3中含有硅量子点，氮化硅薄层厚度为20～50nm，硅量子点直径在1～6nm之间；N型非晶硅层4的厚度为15～25nm；透明导电膜层5为掺铝氧化锌透明导电薄膜，厚度为200～300nm。
上述基于异质结结构的硅量子点太阳电池的制备方法为：
(1)清洗P型单晶硅基片；
(2)在P型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35～0.38ml和1.56～1.86ml。P型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75～85℃恒温水浴内保持45～55分钟，形成金字塔的平均高度在10～20um之间，得到P型单晶硅基片2；
(3)对P型单晶硅基片2实施NH3等离子体处理5～10分钟，其中通入NH3的流量为40～70sccm，等离子体的射频功率为40～80W，基片温度为200～240℃，腔体压强为60～100Pa；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一面上制备厚度为20～50nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜3，其中硅量子点的直径在1～6nm之间，通入NH3的流量为40～60sccm，通入SiH4气体流量为60～80sccm之间，SiH4气体被H2稀释体积比为10％，基片温度为200～240℃，等离子体的射频功率为30～50W，腔体压强为：90～140Pa；
(5)采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积N型非晶硅薄膜4，其中通入的被H2稀释体积比为10％的SiH4流量为20～40sccm，PH3流量为25～40sccm，射频功率为80～150W，基片温度为：180～240℃，N型非晶硅薄膜4厚度为15～25nm；
(6)采用磁控溅射法在N型非晶硅薄膜4上制备厚度为200～300nm的掺铝氧化锌透明导电薄膜5，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为1％～5％，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99％，通入Ar的流量为20sccm，基片温度为200～300℃，功率为100～200W；
(7)用磁控溅射设备在掺铝氧化锌透明导电膜5上制备银电极6；
(8)采用丝网印刷技术在单晶硅基片2背面制作含有银铝复合电极1的铝背表面场；
(9)电池置于充满氮气的石英退火炉中烧结，在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。
为进一步阐述本发明的硅量子点异质结太阳电池结构和制备方法，下面通过借助实施实例将更加详细说明本发明。
实施例1：
(1)清洗P型单晶硅基片；
(2)在P型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35ml和1.86ml。P型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75℃恒温水浴内保持45分钟，形成金字塔的平均高度在10～15um之间，得到P型单晶硅基片2；
(3)对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片2实施NH3等离子体处理8分钟，其中通入NH3的流量为45sccm，射频功率为40W，基片温度200℃，压强为60Pa；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一面上制备厚度为25nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜3，其中硅量子点的直径在1～3nm之间，通入NH3的流量为40sccm，被H2稀释体积比是10％的SiH4流量为60sccm，基片温度为200℃，射频功率为30W，腔体压强为：93Pa；
(5)采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积N型非晶硅薄膜4，其中通入的被H2稀释体积比为10％的SiH4流量为20sccm，PH3流量为25sccm，射频功率为80W，基片温度为：180℃，N型非晶硅薄膜4厚度为15nm；
(6)采用磁控溅射法在N型非晶硅薄膜4上制备厚度为200nm的掺铝氧化锌透明导电薄膜5，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为5％，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99％，通入Ar的流量为20sccm，基片温度为200℃，功率为120W；
(7)用磁控溅射设备在掺铝氧化锌透明导电薄膜上制备银电极6；
(8)采用丝网印刷技术在单晶硅基片2背面制作含有银铝复合电极1的铝背表面场；
(9)电池置于充满氮气的石英退火炉中烧结，在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。
实施例2：
(1)清洗P型单晶硅基片；
(2)在P型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.37ml和1.75ml。P型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在80℃恒温水浴内保持50分钟，形成金字塔的平均高度在10～17um之间，得到P型单晶硅基片2；
(3)对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片2实施NH3等离子体处理9分钟，其中通入NH3的流量为55sccm，射频功率为60W，基片温度220℃，压强为60Pa；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一面上制备厚度为35nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜3，其中硅量子点的直径在1～3nm之间，通入NH3的流量为50sccm，被H2稀释体积比是10％的SiH4流量为60sccm，基片温度为220℃，射频功率为40W，腔体压强为：100Pa；
(5)采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜3上沉积N型非晶硅薄膜4，其中通入的被H2稀释体积比为10％的SiH4流量为20sccm，PH3流量为25sccm，射频功率为100W，基片温度为：200℃，N型非晶硅薄膜4厚度为16nm；
(6)采用磁控溅射法在N型非晶硅薄膜4上制备厚度为230nm的掺铝氧化锌透明导电薄膜5，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为2％，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99％，通入Ar的流量为20sccm，基片温度为250℃，功率为150W；
(7)用磁控溅射设备在掺铝氧化锌透明导电薄膜5上制备银电极6；
(8)采用丝网印刷技术在单晶硅基片2背面制作含有银铝复合电极的铝背表面场；
(9)电池置于充满氮气的石英退火炉中烧结，在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。
实施例3：
(1)清洗P型单晶硅基片；
(2)在P型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.38ml和1.67ml。P型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在85℃恒温水浴内保持55分钟，形成金字塔的平均高度在10～20um之间，得到P型单晶硅基片2；
(3)对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片2实施NH3等离子体处理10分钟，其中通入NH3的流量为65sccm，射频功率为40W，基片温度220℃，压强为70Pa；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一面上制备厚度为40nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜3，其中硅量子点的直径在2～4nm之间，通入NH3的流量为40sccm，被H2稀释体积比是10％SiH4流量为70sccm，基片温度为230℃，射频功率为40W，腔体压强为：133Pa；
(5)采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积N型非晶硅薄膜4，其中通入的被H2稀释体积比为10％的SiH4流量为30sccm，PH3流量为30sccm，射频功率为100W，基片温度为：220℃，N型非晶硅薄膜4厚度为18nm；
(6)采用磁控溅射法在N型非晶硅薄膜4上制备厚度为250nm的掺铝氧化锌透明导电薄膜5，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为4％，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99％，通入Ar的流量为20sccm，基片温度为250℃，功率为170W；
(7)用磁控溅射设备在掺铝氧化锌透明导电薄膜5上制备银电极6；
(8)采用丝网印刷技术在单晶基片2底背面制作含有银铝复合电极1的铝背表面场；
(9)电池置于充满氮气的石英退火炉中烧结，在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。
实施例4：
(1)清洗P型单晶硅基片；
(2)在P型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.37ml和1.56ml。P型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在80℃恒温水浴内保持50分钟，形成金字塔的平均高度在12～18um之间，得到P型单晶硅基片2；
(3)对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片2实施NH3等离子体处理10分钟，其中通入NH3的流量为70sccm，射频功率为70W，基片温度230℃，压强为85Pa；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一面上制备厚度为45nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜3，其中硅量子点的直径在1～5nm之间，通入NH3的流量为50sccm，被H2稀释体积比是10％的SiH4流量为80sccm，基片温度为230℃，射频功率为50W，腔体压强为：133Pa；
(5)采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积N型非晶硅薄膜4，其中通入的被H2稀释体积比为10％的SiH4流量为35sccm，PH3流量为35sccm，射频功率为130W，基片温度为：230℃，N型非晶硅薄膜4厚度为21nm；
(6)采用磁控溅射法在N型非晶硅薄膜4上制备厚度为280nm的掺铝氧化锌透明导电薄膜5，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为3％，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99％，通入Ar的流量为20sccm，基片温度为290℃，功率为190W；
(7)用磁控溅射设备在掺铝氧化锌透明导电薄膜5上制备银电极6；
(8)采用丝网印刷技术在单晶硅基片2背面制作含有银铝复合电极1的铝背表面场；
(9)电池置于充满氮气的石英退火炉中烧结，在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。
实施例5：
(1)清洗P型单晶硅基片；
(2)在P型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.36ml和1.56ml。P型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在80℃恒温水浴内保持55分钟，形成金字塔的平均高度在10～20um之间，得到P型单晶硅基片2；
(3)对制作金字塔绒面完毕的单晶硅基片2实施NH3等离子体处理9分钟，其中通入NH3的流量为65sccm，射频功率为80W，基片温度240℃，压强为100Pa；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一面上制备厚度为50nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜3，其中硅量子点的直径在1～6nm之间，通入NH3的流量为60sccm，被H2稀释体积比是10％的SiH4流量为80sccm，基片温度为240℃，射频功率为50W，腔体压强为：133Pa；
(5)采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积N型非晶硅薄膜4，其中通入的被H2稀释体积比为10％的SiH4流量为40sccm，PH3流量为40sccm，射频功率为145W，基片温度为：240℃，N型非晶硅薄膜4厚度为25nm；
(6)采用磁控溅射法在N型非晶硅薄膜4上制备厚度为295nm的掺铝氧化锌透明导电薄膜，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为1％，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99％，通入Ar的流量为20sccm，基片温度为300℃，功率为200W；
(7)用磁控溅射设备在掺铝氧化锌透明导电薄膜5上制备银电极6；
(8)采用丝网印刷技术在单晶硅基片2背面制作含有银铝复合电极1的铝背表面场；
(9)电池置于充满氮气的石英退火炉中烧结，在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。
以上所述为本发明较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施实例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于异质结结构的硅量子点太阳能电池，它自下而上包括银铝复合背电极、P型单晶硅基片和银电极；其特征在于，在自下而上之间自下而上依次设置有氮化硅薄膜层、N型非晶硅层和透明导电膜层，氮化硅薄膜层中含有硅量子点，氮化硅薄层厚度为20～50nm，硅量子点直径在1～6nm之间；N型非晶硅层的厚度为15～25nm；透明导电膜层为掺铝氧化锌透明导电薄膜，厚度为200～300nm。
2.根据权利要求1所述的硅量子点太阳能电池，其特征在于，P型单晶硅基片所述带有金字塔绒面结构，基片厚度为280～320um，金字塔的平均高度在10～20um之间。
3.一种权利要求1所述的硅量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(1)清洗P型单晶硅基片；
(2)在P型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构；
(3)对P型单晶硅基片实施NH3等离子体处理5～10分钟，其中通入NH3的流量为40～70sccm，等离子体的射频功率为40～80W，基片温度为200～240℃，腔体压强为60～100Pa；
(4)采用等离子体增强化学气相沉积技术在基片上有绒面的一面上制备厚度为20～50nm的含有硅量子点的非化学计量比氮化硅薄膜，其中硅量子点的直径在1～6nm之间，通入NH3的流量为40～60sccm，通入SiH4气体流量为60～80sccm之间，SiH4气体被H2稀释体积比为10％，基片温度为200～240℃，等离子体的射频功率为30～50W，腔体压强为：90～140Pa；
(5)采用等离子体增强化学气相沉积技术在氮化硅薄膜上沉积N型非晶硅薄膜，其中通入的被H2稀释体积比为10％的SiH4流量为20～40sccm，PH3流量为25～40sccm，射频功率为80～150W，基片温度为：180～240℃，N型非晶硅薄膜4厚度为15～25nm；
(6)采用磁控溅射法在N型非晶硅薄膜上制备厚度为200～300nm的掺铝氧化锌透明导电薄膜，溅射靶材为Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶，其中Al的质量百分比为1％～5％，Al2O3和ZnO的纯度均为99.99％，通入Ar的流量为20sccm，基片温度为200～300℃，功率为100～200W；
(7)用磁控溅射设备在掺铝氧化锌透明导电膜上制备银电极；
(8)采用丝网印刷技术在单晶硅基片背面制作含有银铝复合电极的铝背表面场，得到电池；
(9)将电池置于充满氮气的石英退火炉中烧结，在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)具体包括下述过程：
在P型单晶硅基片上制备金字塔绒面结构，制绒所用化学溶剂为氢氧化钾、去离子水和异丙醇的配制溶液。其中，每克氢氧化钾所需去离子水和异丙醇的体积分别为：0.35～0.38ml和1.56～1.86ml。P型单晶硅基片置于配置完毕的化学溶剂中在75～85℃恒温水浴内保持45～55分钟，形成金字塔的平均高度在10～20um之间，得到具有绒面结构的P型单晶硅基片。
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Assignee: Jiuzhou Square Garden New Energy Co., Ltd.

Assignor: Huazhong University of Science and Technology

Contract record no.: 2013420000108

Denomination of invention: Silicon quantum dot solar energy cell based on a heterojunction structure and preparation method thereof

Granted publication date: 20130417

License type: Exclusive License

Record date: 20130801

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Granted publication date: 20130417

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