CN102983215A - 具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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谢小兵
曾湘波
杨萍
李洁
李敬彦
张晓东
王启明
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Abstract

一种具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括：在不锈钢衬底上，溅射掺锡氧化铟薄膜；在腔室中通入氢气，对掺锡氧化铟薄膜进行H等离子体处理；再向腔室中通入第一反应气体或第二反应气体，使不锈钢衬底与铟金属纳米颗粒之间形成n型或p型硅纳米线；降低腔室中温度，向腔室中通入氢气和硅烷气体，在硅纳米线上沉积本征层；向腔室中通入第二反应气体或第一反应气体，在本征层上沉积掺杂层，该掺杂层为p型掺杂或n型掺杂，形成样品；将沉积掺杂层后的样品从腔室中取出，采用磁控溅射的方法在掺杂层上生长掺锡氧化铟透明薄膜电极，完成制备。该方法具有陷光能力强和高的光电转化效率。

Description

具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别是涉及一种具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法。
背景技术
随着传统能源的日渐枯竭以及生态环境的逐渐恶化，绿色可再生能源将是解决能源与环境危机的关键。太阳能作为地球上储备最丰富的清洁能源之一，成为人类利用的首选，因此如何获得低成本、高效率的太阳能电池得到世界研发人员的关注。
太阳能电池是通过半导体p-n结的光生伏特效应直接把光能转化成电能的装置。目前产业化的太阳能电池晶体硅和各种薄膜电池为主。晶体硅太阳能电池主要有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池以及晶体硅/非晶硅薄膜异质结太阳电池；薄膜电池主要包括：硅薄膜太阳电池、碲化铬薄膜(CdTe)太阳电池和铜铟镓锡(CIGS)薄膜太阳电池。在上述各类太阳能电池中，作为第一类型太阳能电池的晶体硅太阳电池，具有效率高、使用寿命长等优点，但由于提炼原材料晶体硅属于高耗能，且成本较高，所以晶体硅太阳电池难以满足低成本、低耗能的要求。于是，作为第二类太阳能电池的薄膜太阳电池得到了快速的发展，其中非晶硅薄膜太阳电池具有生产效率高、成本低等优点，但是非晶硅由于其内部结构不稳定，在光照的条件下会出现光致衰退效应(Staebler-Wronski效应)，所以非晶硅太阳电池存在工作不稳定的缺点；另外，碲化铬薄膜太阳能电池由于其生产效率高，成本低且在光照条件下无衰退也得到较快的发展，但因铬是种有毒的物质，有污染环境的危害，使得碲化铬薄膜太阳电池的发展受到限制；铜铟镓锡薄膜太阳电池也具有高效率、无毒等优点，但铜属于贵金属，铟镓属于稀有金属，所以铜铟镓锡薄膜太阳电池的原料受到限制。
为了追求高转化效率、低成本的太阳能电池，一些新概念太阳能电池即第三代太阳能电池出现了。如染料敏化太阳能电池、硅纳米线结构太阳能电池。其中硅纳米线结构由于其减反射以及强吸收的光学性质和高载流子迁移率的电学性质，使得硅纳米线结构已成为光伏材料的有力候选者。根据硅纳米线结构获得的不同方式，可以把硅纳米线结构太阳能电池分为两类：一类是通过腐蚀晶体硅得到硅纳米线，从形成硅纳米线结构太阳能电池；另一类是通过(气-液-固)VLS生长机制获得的硅纳米线，从而形成硅纳米线结构太阳能电池。通过腐蚀晶体硅获得的硅纳米线结构太阳能电池，虽然具有高的转化效率，但由于离不开高成本的晶体硅材料，成本也难以得到大幅降低。
最近，我们利用具有低耗能、低成本、大面积沉积等优势的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在柔性不锈钢衬底上，通过VLS机制，制备出具有很好限光效果的硅纳米线结构。在此基础上，我们设计了一种基于我们制备的硅纳米线的硅纳米线结构太阳能电池。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，该方法具有陷光能力强，高的光电转化效率。
本发明提供一种具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在不锈钢衬底上，溅射掺锡氧化铟薄膜；
步骤2：采用等离子体辅助化学气相沉积方法，在腔室中通入氢气，对掺锡氧化铟薄膜进行H等离子体处理，得到铟金属纳米颗粒；
步骤3：再向腔室中通入第一反应气体或第二反应气体，使不锈钢衬底与铟金属纳米颗粒之间形成硅纳米线，该硅纳米线为n型或者p型；
步骤4：降低腔室中温度，向腔室中通入氢气和硅烷气体，在硅纳米线上沉积本征层；
步骤5：向腔室中通入第二反应气体或第一反应气体，在本征层上沉积掺杂层，该掺杂层为p型掺杂或n型掺杂，形成样品；
步骤6：将沉积掺杂层后的样品从腔室中取出，采用磁控溅射的方法在掺杂层上生长掺锡氧化铟透明薄膜电极，完成制备。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明制备方法的流程图。
图2是采用本方法得到的太阳能电池的结构示意图。
图3是用本发明方法例制备的太阳能电池与同等条件下制备的无硅纳米线结构的硅薄膜电池的反射谱的比较示意图。
图4是用本发明方法制备的太阳能电池的光、暗IV曲线图。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1所示，本发明提供一种具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤，
步骤1：在不锈钢衬底上，溅射掺锡氧化铟薄膜，所述溅射用靶材中的锡钢质量比为：Sn∶In＝(0-1)∶9，掺锡氧化钢薄膜的溅射厚度为5-10纳米；
步骤2：采用等离子体辅助化学气相沉积方法，在腔室中通入氢气，对掺锡氧化铟薄膜进行H等离子体处理，得到铟金属纳米颗粒，所述腔室中的功率密度为0.1W/cm2-1.0W/cm2，反应时间5分钟-10分钟，反应气压力为100Pa-200Pa，腔室温度为300℃-450℃，得到的铟金属纳米颗粒的直径为10-300纳米；
步骤3：再向腔室中通入第一反应气体，使不锈钢衬底与铟金属纳米颗粒之间形成硅纳米线，所述腔室中的第一反应气体，该第一反应气体为氢气、硅烷气体和磷烷气体，其体积比为：氢气∶硅烷气体∶磷烷气体＝60∶(5-10)∶(0.05-0.1)，得到的n型硅纳米线，n型硅纳米线的长度为1-5微米；
步骤4：降低腔室中温度至100℃-140℃，向腔室中通入氢气和硅烷气体，在步骤3得到的n型硅纳米线上沉积本征层，其中氢气和硅烷气体的体积比为：H2∶SiH4＝(4-10)∶1，腔室中的功率密度为0.1W/cm2-0.5W/cm2，反应时间50分钟-90分钟，反应气压力为100Pa-200Pa；
步骤5：向腔室中通入第二反应气体，在本征层上沉积掺杂层，该掺杂层为p型掺杂，形成样品，所述腔室中的第二反应气体为氢气、硅烷气体和硼烷气体，其体积比为：氢气∶硅烷气体∶硼烷气体＝100∶(1-3)∶(0.02-0.1)，腔室中的功率密度为0.5W/cm2-1.0W/cm2，反应时间3分钟-5分钟，反应气压力为300Pa-650Pa，得到p型层后，形成样品；
步骤6：将沉积掺杂层后的样品从腔室中取出，采用磁控溅射的方法在掺杂层上生长掺锡氧化铟透明薄膜电极，所述的透明薄膜电极的厚度为300纳米-500纳米，完成制备。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤3是采用第二反应气体，该步骤3腔室中的第二反应气体为氢气、硅烷气体和硼烷气体的体积比为：氢气∶硅烷气体∶纯硼烷气体＝100∶(1-3)∶(0.02-0.1)，得到的p型硅纳米线
步骤5是采用第一反应气体，该步骤5腔室中的第一反应气体为氢气、硅烷气体和磷烷气体，其体积比为：氢气∶硅烷气体∶磷烷气体＝60∶(5-10)∶(0.05-0.1)，为n型掺杂，得到的n型层。
请参阅图2，其是采用本方法得到的太阳能电池的结构示意图，其中，1是不锈钢衬底，2是n(p)型硅纳米线，3是本征层硅薄膜，4是p(n)型层硅薄膜，5是铟金属纳米颗粒，6是透明导电膜。
图3给出的光学反射谱曲线说明具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池拥有更好的减反射效果。
图4给出的光暗I-V曲线说明具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池拥有可观的应用前景。
按照上述实施例1的生长工艺，具体的生长结果如下：
图3所示为制备的具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池和同等条件下制备的无硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池反射谱的比较，可以看出在300nm-700nm波段，硅纳米线结构太阳能电池的反射率降到10％以下，并且在整个太阳能波段(300nm-1100nm)，相当于硅薄膜电池，都有较低的反射率。另外，我们利用自己搭建的太阳模拟器对所得具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池进行了光暗I-V测试，如图4所示，得到电池的性能参数：开路电压是0.62伏，填充因子为0.43，能量转化效率3.57％。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在不锈钢衬底上，溅射掺锡氧化铟薄膜；
步骤2：采用等离子体辅助化学气相沉积方法，在腔室中通入氢气，对掺锡氧化铟薄膜进行H等离子体处理，得到铟金属纳米颗粒；
步骤3：再向腔室中通入第一反应气体或第二反应气体，使不锈钢衬底与铟金属纳米颗粒之间形成硅纳米线，该硅纳米线为n型或者p型；
步骤4：降低腔室中温度，向腔室中通入氢气和硅烷气体，在硅纳米线上沉积本征层；
步骤5：向腔室中通入第二反应气体或第一反应气体，在本征层上沉积掺杂层，该掺杂层为p型掺杂或n型掺杂，形成样品；
步骤6：将沉积掺杂层后的样品从腔室中取出，采用磁控溅射的方法在掺杂层上生长掺锡氧化铟透明薄膜电极，完成制备。
2.根据权利要求1所述的具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，其中步骤1溅射用靶材中的锡铟质量比为：Sn∶In＝(0-1)∶9，掺锡氧化铟薄膜的溅射厚度为5-10纳米。
3.根据权利要求1所述的具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，其中步骤2腔室中的功率密度为0.1W/cm2-1.0W/cm2，反应时间5分钟-10分钟，反应气压力为100Pa-200Pa，腔室温度为300℃-450℃，得到的铟金属纳米颗粒的直径为10-300纳米。
4.根据权利要求1所述的具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，其中其中步骤3腔室中的第一反应气体，该第一反应气体为氢气、硅烷气体和磷烷气体的混合气体，其体积比为：氢气∶硅烷气体∶磷烷气体＝60∶(5-10)∶(0.05-0.1)，得到的n型硅纳米线，该步骤3腔室中的第二反应气体为氢气、硅烷气体和硼烷气体的混合气体，其体积比为：氢气∶硅烷气体∶硼烷气体＝100∶(1-3)∶(0.02-0.1)，得到的p型硅纳米线。
5.根据权利要求1所述的具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，其中步骤4中的降低腔室中的温度至100℃-140℃，腔室中反应气体为氢气和硅烷气体的体积比为：H2∶SiH4＝(4-10)∶1。
6.根据权利要求1所述的具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，其中步骤5腔室中的第二反应气体为氢气、硅烷气体和硼烷气体的混合气体，其体积比为：氢气∶硅烷气体∶硼烷气体＝100∶(1-3)∶(0.02-0.1)，为p型掺杂，得到p型层；该步骤5腔室中的第一反应气体为氢气、硅烷气体和磷烷气体的混合气体，其体积比为：氢气∶硅烷气体∶磷烷气体＝60∶(5-10)∶(0.05-0.1)，为n型掺杂，得到的n型层。
7.根据权利要求1所述的具有硅纳米线结构的硅薄膜太阳能电池的制备方法，其中步骤6所述的透明薄膜电极的厚度为300纳米-500纳米。
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