CN103247719B - 不锈钢衬底上柱状结构硅太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能电池制造技术，特指不锈钢衬底上柱状结构硅太阳能电池的制备方法。即先利用原子层沉积（ALD）技术在不锈钢衬底上包覆一层很薄的掺铝氧化锌（AZO）层，再在空气中利用飞秒激光加工方法在覆盖有AZO层的不锈钢衬底上形成微米柱状结构，然后再利用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法在其上形成N‑I‑P结构，最后利用溅射方法制备透明导电电极（ITO），完成纳米线太阳电池的制备。

Description

不锈钢衬底上柱状结构硅太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池制造技术，特指利用原子层沉积技术在不锈钢衬底上沉积很薄一层掺铝氧化锌层，在空气利用飞秒激光加工技术在不锈钢衬底上制备微米柱结构，再利用等离子增强化学气相沉积方法在氧化锌层上制备N-I-P结构的硅薄膜电池。
背景技术
随着能源危机与环境污染的日趋严重，开发可再生清洁能源成为国际范围内的重大战略问题之一；太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，因此，对大阳电池的研究受到世界各国的普遍重视；柔性薄膜电池由于其重量轻，可弯曲等特性，有着独特的应用空间；如柔性薄膜电池很容易安装在不规则的屋顶或车辆外面；还可做成像纸一样可卷曲或折叠的太阳能电池组件；目前柔性基底主要有不锈钢和聚酰亚胺衬底；在这两种衬底上可制备非晶硅单结、非晶硅/非晶硅双结叠层、非晶硅/微晶硅双结叠层电池以及半导体化合物电池等。
在表面光滑的不锈钢衬底上制备的薄膜电池，因为要保证光的吸收，吸收层的厚度不能太薄；如对非晶硅/微晶硅双结叠层电池，其吸收层的厚度在1微米以上，效率在10%左右；对于较厚的薄膜，多次折叠容易在薄膜中引入的裂纹，从而导致电池性能下降，最终可能导致电池的失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决柔性电池多次折叠容易失效问题的方法；即先利用原子层沉积（ALD）技术在不锈钢衬底上包覆一层很薄的掺铝氧化锌（AZO）层，再在空气中利用飞秒激光加工方法在覆盖有AZO层的不锈钢衬底上形成微米柱状结构，然后再利用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法在其上形成N-I-P结构，最后利用溅射方法制备透明导电电极（ITO）。
发明特点和益处：（1）在不锈钢衬底上先利用ALD 方法制备一层薄的致密AZO，再做激光加工处理，相对于溅射方法，ALD技术沉积制备的AZO薄膜更致密，能更好地防止不锈钢表面在激光加工过程中被氧化；（2）在激光加工过程中，激光热效应会提高AZO层中的铝原子的掺杂活性，使得AZO的导电性更好，有利于提高电池效率；（3）飞秒激光加工形成的微米柱状结构可以起到陷光作用，在保证电池效率的情况下，可以将PECVD沉积的硅薄膜厚度大大减小，这样就可降低柔性薄膜电池多次折叠后产生裂纹的几率；（4）AZO层的阻挡作用；不锈钢衬底上的AZO层阻挡了在PECVD沉积过程中中的元素扩散进入N型硅薄膜，造成电池性能的下降，有了AZO保护，不锈钢衬底中的杂质控制要求可相对降低，从而衬底成本可进一步降低。
实现本发明的技术方案为：
1、利用ALD技术制备掺铝的氧化锌（AZO）层
采用Zn(CH2CH3)2 (DEZ)源和三甲基铝（TMA）源在不锈钢衬底上制备掺铝氧化锌（AZO）薄膜，厚度5~15 nm。
2、利用飞秒激光加工技术形成微米柱状结构
激光器输出中心波长808 纳米，脉冲宽度45飞秒，重复1kHz；将镀有掺铝氧化锌（AZO）薄膜的不锈钢衬底放在由计算机控制的三维精密移动平台XY平面上；把激光聚焦到不锈钢表面上，光束聚焦后光斑直径100-200微米，计算机控制样品台沿着X方向从左到右移动；一行扫完后，沿Y方向上移50-100微米，再从右到左扫描，重复该过程，获得所需的面积，飞秒激光功率100-400mW，扫描速率0.5-2mm/min；微米柱直径分布在3-10微米，高度分布在9-30微米。
3、利用PECVD方法制备NIP结构
所用硅烷为氢稀释过的硅烷，其中SiH4/SiH4+H2 的体积比为5 %，磷烷为
氢稀释过的磷烷，[PH3]/ [PH3+ H2]的体积比是0.5 %，硼烷为氢稀释过的硼烷，[B2H6]/ [B2H6+ H2]的体积比是0.5 %。
3.1、利用PECVD生长一层3-6nm厚的n型硅层：
生长条件：氢稀释的硅烷流量10 sccm，氢稀释的磷烷流量2 sccm，氢气流量40sccm，射频功率40-70 W，生长温度150-200℃。
3.2、利用PECVD生长20-40 nm厚的本征硅层：
生长条件：氢稀释的硅烷流量10 sccm，氢气流量40sccm，射频功率40-70 W，生长温度150-200℃。
3.3、利用PECVD生长一层3-6 nm 厚的p型硅层，光学带隙1.7~1.9 eV。
生长条件：氢稀释的硅烷流量10 sccm，氢稀释的硼烷流量1 sccm，氢气流量50sccm，射频功率40-70 W，生长温度150-200℃。
4、利用射频磁控溅射方法制备铟锡氧化物（ITO）薄膜
采用掺10% SnO2的In2O3靶（纯度99.99%）制备 ITO薄膜，厚度50-100 nm。
附图说明
图1实例一中不锈钢衬底上柱状电池的SEM图，从图中可看出柱状结构。
具体实施方式
实例一：不锈钢衬底上柱状结构电池
1、利用ALD技术生长10 nm厚的AZO层
沉积条件：将不锈钢衬底放入反应腔室内，反应温度200℃，在反应腔室通入Zn(CH2CH3)2 (DEZ)1 s，氮气清洗1.5 s，通水500 ms，氮气清洗1s，重复上述过程20 次后，再通入Al(CH3)3（TMA）1.5 s，氮气清洗2s，通水500 ms，氮气清洗1s，完成一个循环；重复上述循环5次。
2、不锈钢衬底上微米柱状结构的制备：
利用飞秒激光扫描形成微米柱状结构；激光器输出中心波长808 纳米，脉冲宽度45飞秒，重复1kHz，将镀有掺铝氧化锌（AZO）薄膜的不锈钢衬底放在由计算机控制的三维精密移动平台XY平面上，把激光聚焦到不锈钢表面上，光束聚焦后光斑直径120微米，计算机控制样品台沿着X方向从左到右移动，一行扫完后，沿Y方向上移60微米，再从右到左扫描；重复该过程，获得2厘米´2厘米的面积，飞秒激光功率250mW，扫描速率1.2mm/min，微米柱直径分布在5-8微米，高度分布在15-20微米。
3、NIP结构制备
所用硅烷为氢稀释过的硅烷，其中SiH4/SiH4+H2 的体积比为5 %，磷烷为
氢稀释过的磷烷，[PH3]/ [PH3+ H2]的体积比是0.5 %，硼烷为氢稀释过的硼烷，[B2H6]/ [B2H6+ H2]的体积比是0.5 %。
3.1 利用PECVD生长一层5nm厚的n型硅层：
生长条件：氢稀释的硅烷流量10 sccm，氢稀释的磷烷流量2 sccm，氢气流量40sccm，射频功率50 W，生长温度180℃，生长时间5min。
3.2、利用PECVD生长30 nm厚的本征硅层：
生长条件：氢稀释的硅烷流量10 sccm，氢气流量40sccm，射频功率60 W，生长温度180℃，生长时间30 min。
3.3、利用PECVD生长一层5 nm 厚的p型硅层，光学带隙是1.85 eV：
生长条件：氢稀释的硅烷流量10 sccm，氢稀释的硼烷流量1 sccm，氢气流量50sccm，射频功率70 W，生长温度180℃，生长时间5min。
4、利用射频磁控溅射方法制备铟锡氧化物（ITO）薄膜
采用掺10% SnO2的In2O3靶（纯度99.99%）制备 ITO薄膜，衬底温度200℃，工作压强1Pa，工作气体为Ar，射频功率功率100W，沉积时间30 min，ITO厚度为60 nm，完成纳米线太阳电池的制备；图1 是完成电池的SEM照片。
实施效果：最后进行电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，太阳电池样品的开路电压0.72V，短路电流16.9 mA，填充因子0.68，效率为8.27%。
对比例一：光滑不锈钢衬底上的超薄电池
1、利用PECVD生长一层5nm厚的n型纳米硅层：
同实例一中步骤3。
2、利用PECVD生长30 nm厚的本征纳米硅层：
同实例一中步骤4。
3、利用PECVD生长一层5 nm 厚的p型纳米硅层：
同实例一中步骤5。
4、利用射频磁控溅射方法生长60 nm厚的ITO层
同实例一中步骤6。
实施效果：最后进行电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，太阳电池样品的开路电压0.63 V，短路电流5.3 mA，填充因子0.66，效率为2.2 %。

Claims (4)

1.不锈钢衬底上柱状结构硅太阳能电池的制备方法，包括制备N-I-P结构步骤和在P层上制备ITO薄膜的步骤，其特征在于：在制备N-I-P结构之前，先在不锈钢衬底上利用ALD技术制备掺铝的氧化锌层，再在镀有掺铝氧化锌薄膜的不锈钢衬底上利用飞秒激光加工技术形成微米柱状结构，再在形成微米柱状结构的不锈钢衬底上制备N-I-P结构；
所述的在镀有掺铝氧化锌薄膜的不锈钢衬底上利用飞秒激光加工技术形成微米柱状结构指：将镀有掺铝氧化锌薄膜的不锈钢衬底放在由计算机控制的三维精密移动平台XY平面上；把激光聚焦到不锈钢表面上，光束聚焦后光斑直径100-200微米，计算机控制样品台沿着X方向从左到右移动；一行扫完后，沿Y方向上移50-100微米，再从右到左扫描，重复该过程，获得所需的面积；激光器输出中心波长808纳米，脉冲宽度45飞秒，重复1kHz；飞秒激光功率100-400mW，扫描速率0.5-2mm/min；微米柱直径分布在3-10微米，高度分布在9-30微米。
2.如权利要求1所述的不锈钢衬底上柱状结构硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的利用ALD技术制备掺铝的氧化锌层指：采用Zn(CH2CH3)2(DEZ)源和三甲基铝(TMA)源在不锈钢衬底上制备掺铝氧化锌薄膜，具体为：将不锈钢衬底放入反应腔室内，反应温度200℃，在反应腔室通入Zn(CH2CH3)2(DEZ)1s，氮气清洗1.5s，通水500ms，氮气清洗1s，重复上述过程20次后，再通入Al(CH3)3(TMA)1.5s，氮气清洗2s，通水500ms，氮气清洗1s，完成一个循环；重复上述循环直至掺铝氧化锌薄膜的厚度为5～15nm。
3.如权利要求1所述的不锈钢衬底上柱状结构硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述在形成微米柱状结构的不锈钢衬底上制备N-I-P结构指：利用PECVD方法制备NIP结构，具体为：利用PECVD生长一层3-6nm厚的n型硅层；生长条件：氢稀释的硅烷流量10sccm，氢稀释的磷烷流量2sccm，氢气流量40sccm，射频功率40-70W，生长温度150-200℃；利用PECVD生长20-40nm厚的本征硅层；生长条件：氢稀释的硅烷流量10sccm，氢气流量40sccm，射频功率40-70W，生长温度150-200℃；利用PECVD生长一层3-6nm厚的p型硅层，光学带隙1.7～1.9eV；生长条件：氢稀释的硅烷流量10sccm，氢稀释的硼烷流量1sccm，氢气流量50sccm，射频功率40-70W，生长温度150-200℃；
所用硅烷为氢稀释过的硅烷，其中SiH4/SiH4+H2的体积比为5％，磷烷为氢稀释过的磷烷，[PH3]/[PH3+H2]的体积比是0.5％，硼烷为氢稀释过的硼烷，[B2H6]/[B2H6+H2]的体积比是0.5％。
4.如权利要求1所述的不锈钢衬底上柱状结构硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的在P层上制备ITO薄膜的步骤为：利用射频磁控溅射方法制备铟锡氧化物(ITO)薄膜，具体为：采用掺10％SnO2的In2O3靶制备ITO薄膜，厚度50-100nm，衬底温度200℃，工作压强1Pa，工作气体为Ar，射频功率功率100W，控制沉积时间得到需要的ITO厚度。
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