CN102569474A - 硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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谢超
吴春燕
王莉
彭强
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Abstract

本发明公开了一种硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池及其制备方法，其特征是在P型硅基底层的底面设置Al金属膜背电极层，作为背面引出电极；P型硅基底层位于Al金属膜背电极层之上，作为太阳能电池的基区；P型硅纳米线阵列层位于P型硅基底层的上表面，在P型硅纳米线阵列层的表面包裹有Ti金属层，以Ti金属层与P型硅纳米线阵列层形成肖特基结；在Ti金属层上设置Ti栅型电极，作为正面引出电极；硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。本发明工艺简单、适合大规模生产，可制备光吸收能力强、光电转换效率高的太阳能电池，为硅纳米结构在太阳能电池的应用中奠定了基础。

Description

硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种硅纳米结构肖特基结型太阳能电池。
背景技术
对全球能源短缺危机和生态环境的不断恶化，世界各国积极研究和开发利用可再生能源，从而实现能源工业和社会的可持续发展。太阳能被认为是能源危机和生态环境恶化的最佳解决途径。
太阳能电池是通过半导体p-n结的光伏效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。p-n结型太阳能电池目前应用较为普遍，在这种太阳能电池中，p-n结区吸收入射光子，形成空穴-电子对，并在内建电场的作用下分离，从而形成光电流。其效率较高，开路电压较大，但缺点是制作工艺复杂，成本较高。肖特基势垒型太阳能电池是利用金属与半导体界面的具有整流效应的肖特基势结而构筑的太阳能电池，无需高温处理，成本低，且短波响应好。
目前，传统太阳能电池大多采用基于体硅或者薄膜硅材料制备的p-n结或者肖特基结。体硅或者薄膜硅由于其较低的比表面积，因此呈现出对太阳光较弱的吸收，且激子分离的面积有限。表面减反射层的出现与使用虽然可以一定程度上减少光吸收的损失，但是这又带来了额外的成本增加，并且减反射层带来的效果并不十分明显。因此从很大程度上制约了太阳能电池效率的提升，也限制了太阳能电池的广泛应用。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种光吸收能力强、且光电转换效率高的硅纳米结构肖特基结型太阳能电池。
本发明硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池的特点是具有如下结构：
在P型硅基底层的底面设置Al金属膜背电极层，作为背面引出电极；P型硅基底层位于Al金属膜背电极层之上，作为太阳能电池的基区；P型硅纳米线阵列层位于所述P型硅基底层的上表面，在所述P型硅纳米线阵列层的表面包裹有Ti金属层，以所述Ti金属层与所述P型硅纳米线阵列层形成肖特基结；在所述Ti金属层上设置Ti栅型电极，作为正面引出电极；所述硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
本发明硅纳米线阵或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池的制备方法的特点是按如下过程进行：
首先采用金属辅助化学刻蚀的方法在P型硅基底层的上表面制备P型硅纳米线阵列；随后采用磁控溅射镀膜方法在所述P型硅纳米线阵列的表面沉积包裹形成Ti金属层，以所述Ti金属层与P型硅纳米线阵列形成肖特基结；之后采用电子束镀膜并使用掩模法在Ti金属层的表面制备与所述Ti金属层欧姆接触的Ti栅型电极；用电子束镀膜在所述P型硅基底层的底面沉积金属Al，形成Al金属膜背电极层，作为背面欧姆接触电极，从而形成P型硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池结构；所述硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
本发明硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池的特点也在于具有如下结构：
在N型硅基底层底面设置Ti金属膜背电极层，作为背面引出电极；N型硅基底层位于Ti金属膜背电极层之上，作为太阳能电池的基区；N型硅纳米线阵列层位于所述N型硅基底层的上表面；在所述N型硅纳米线阵列层的表面包裹有Au金属层或Pt金属层，以所述Au金属层或Pt金属层与所述N型硅纳米线阵列层形成肖特基结；在所述Au金属层或Pt金属薄层上设置Ag栅型电极，作为正面引出电极；所述硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
本发明硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池的制备方法的特点也在于按如下过程进行：
首先采用金属辅助化学刻蚀的方法在N型硅基底层的上表面制备N型硅纳米线阵列；随后采用磁控溅射镀膜方法在所述N型硅纳米线阵列的表面沉积包裹形成Au金属层或Pt金属层，以所述Au金属层或Pt金属层与N型硅纳米线阵列形成肖特基结，之后采用电子束镀膜并使用掩模法在Au金属层或Pt金属层的表面制备与所述Au金属层或Pt金属层欧姆接触的Ag栅型电极；用电子束镀膜在所述N型硅基底层的底面沉积金属Ti，形成Ti金属膜背电极层，作为背面欧姆接触电极，从而形成N型硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池结构；所述硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明设计了一种工艺简单且成本低廉的方法制备硅纳米结构肖特基结型太阳能电池，充分利用了纳米结构材料具有大的比表面积的优势，克服了传统太阳能电池光吸收能力弱的缺点，避免了使用减反射层带来的额外成本的增加。同时，硅纳米结构肖特基结又能提供了很大的结区面积供载流子分离，并能提供良好的导电路径来传输电荷，有利于太阳能电池效率的提升。
附图说明
图1为本发明硅纳米线阵列肖特基结型太阳能电池结构示意图；
图2为基于实施例1中所制备的P型硅纳米线阵列肖特基结型太阳能电池在黑暗下和AM 1.5G模拟光源下的电流密度与电压关系特性曲线；
图3为基于实施例2中所制备的N型硅纳米线阵列肖特基结型太阳能电池在黑暗下和AM 1.5G模拟光源下的电流密度与电压关系特性曲线。
图中标号：6金属膜背电极层；7硅基底层；8硅纳米线阵列层；9金属层；10栅型电极。
具体实施方式
实施例1：
参见图1，本实施例硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池具有如下结构：
在P型硅基底层7的底面设置Al金属膜背电极层6，作为背面引出电极；P型硅基底层7位于Al金属膜背电极层6之上，作为太阳能电池的基区；P型硅纳米线阵列层8位于P型硅基底层7的上表面，在P型硅纳米线阵列层8的表面包裹有Ti金属层9，以Ti金属层9与P型硅纳米线阵列层8形成肖特基结；在Ti金属层9上设置Ti栅型电极10，作为正面引出电极；硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
本实施例中硅纳米线阵或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池的制备方法是按如下过程进行：
首先采用金属辅助化学刻蚀的方法在P型硅基底层7的上表面制备P型硅纳米线阵列8；随后采用磁控溅射镀膜方法在P型硅纳米线阵列8的表面沉积包裹形成10nm厚的Ti金属层9，以Ti金属层9与P型硅纳米线阵列8形成肖特基结；之后采用电子束镀膜并使用掩模法在Ti金属层9的表面制备与Ti金属层9欧姆接触的100nm厚的Ti栅型电极10；用电子束镀膜在P型硅基底层7的底面沉积100nm厚的金属Al，形成Al金属膜背电极层6，作为背面欧姆接触电极，从而形成P型硅纳米线阵列肖特基结型太阳能电池结构；硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。基于本实例制备的P型硅纳米线阵列肖特基结型太阳能电池在黑暗下和AM 1.5G模拟光源下的电流密度与电压关系特性曲线如图2所示，从图中看出制备的P型硅纳米线阵列肖特基结型太阳能电池具有明显的光伏特性。
实施例2：
再如图1所示，本实施例中硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池具有如下结构：
在N型硅基底层7底面设置Ti金属膜背电极层6，作为背面引出电极；N型硅基底层7位于Ti金属膜背电极层6之上，作为太阳能电池的基区；N型硅纳米线阵列层8位于N型硅基底层7的上表面；在N型硅纳米线阵列层8的表面包裹有Au金属层或Pt金属层9，以Au金属层或Pt金属层9与N型硅纳米线阵列层8形成肖特基结；在Au金属层或Pt金属层9上设置Ag栅型电极10，作为正面引出电极；硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
本实施例中硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池的制备方法是按如下过程进行：
首先采用金属辅助化学刻蚀的方法在N型硅基底层7的上表面制备N型硅纳米线阵列8；随后采用磁控溅射镀膜方法在N型硅纳米线阵列8的表面沉积包裹形成10nm厚的Au金属层9，以Au金属层9与N型硅纳米线阵列8形成肖特基结，之后采用电子束镀膜并使用掩模法在Au金属层9的表面制备与Au金属层9欧姆接触的100nm厚的Ag栅型电极10；用电子束镀膜在N型硅基底层的底面沉积金属Ti，形成100nm厚的Ti金属膜背电极层6，作为背面欧姆接触电极，从而形成N型硅纳米线阵列肖特基结型太阳能电池结构；硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。基于本实例制备的N型硅纳米线阵列肖特基结型太阳能电池在黑暗下和AM 1.5G模拟光源下的电流密度与电压关系特性曲线如图3所示，从图中看出制备的N型硅纳米线阵列肖特基结型太阳能电池具有明显的光伏特性。

Claims (4)

1.一种硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池，其特征是具有如下结构：
在P型硅基底层(7)的底面设置Al金属膜背电极层(6)，作为背面引出电极；P型硅基底层(7)位于Al金属膜背电极层(6)之上，作为太阳能电池的基区；P型硅纳米线阵列层(8)位于所述P型硅基底层(7)的上表面，在所述P型硅纳米线阵列层(8)的表面包裹有Ti金属层(9)，以所述Ti金属层(9)与所述P型硅纳米线阵列层(8)形成肖特基结；在所述Ti金属层(9)上设置Ti栅型电极(10)，作为正面引出电极；所述硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
2.一种权利要求1所述的硅纳米线阵或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池的制备方法，其特征是按如下过程进行：
首先采用金属辅助化学刻蚀的方法在P型硅基底层(7)的上表面制备P型硅纳米线阵列(8)；随后采用磁控溅射镀膜方法在所述P型硅纳米线阵列(8)的表面沉积包裹形成Ti金属层(9)，以所述Ti金属层(9)与P型硅纳米线阵列(8)形成肖特基结；之后采用电子束镀膜并使用掩模法在Ti金属层(9)的表面制备与所述Ti金属层(9)欧姆接触的Ti栅型电极(10)；用电子束镀膜在所述P型硅基底层(7)的底面沉积金属Al，形成Al金属膜背电极层(6)，作为背面欧姆接触电极，从而形成P型硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池结构；所述硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
3.一种硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池，其特征是具有如下结构：
在N型硅基底层(7)底面设置Ti金属膜背电极层(6)，作为背面引出电极；N型硅基底层(7)位于Ti金属膜背电极层(6)之上，作为太阳能电池的基区；N型硅纳米线阵列层(8)位于所述N型硅基底层(7)的上表面；在所述N型硅纳米线阵列层(8)的表面包裹有Au金属层或Pt金属层(9)，以所述Au金属层或Pt金属层(9)与所述N型硅纳米线阵列层(8)形成肖特基结；在所述Au金属层或Pt金属层(9)上设置Ag栅型电极(10)，作为正面引出电极；所述硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
4.根据权利要求3所述的硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池的制备方法，其特征是按如下过程进行：
首先采用金属辅助化学刻蚀的方法在N型硅基底层(7)的上表面制备N型硅纳米线阵列(8)；随后采用磁控溅射镀膜方法在所述N型硅纳米线阵列(8)的表面沉积包裹形成Au金属层或Pt金属层(9)，以所述Au金属层或Pt金属层(9)与N型硅纳米线阵列(8)形成肖特基结，之后采用电子束镀膜并使用掩模法在Au金属层或Pt金属层(9)的表面制备与所述Au金属层或Pt金属层(9)欧姆接触的Ag栅型电极(10)；用电子束镀膜在所述N型硅基底层的底面沉积金属Ti，形成Ti金属膜背电极层(6)，作为背面欧姆接触电极，从而形成N型硅纳米线阵列或硅纳米孔阵列肖特基结型太阳能电池结构；所述硅纳米线阵列或为硅纳米孔阵列。
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