CN103334155A

CN103334155A - 一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103334155A
Application number: CN2013102895064A
Authority: CN
Inventors: 陈朝; 范宝殿; 蔡丽晗; 陈蓉
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: CN103334155B

Abstract

一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料及其制备方法，涉及晶体硅材料。所述含有钛杂质中间带的晶体硅材料包括硅层和中间带层，所述中间带层位于硅层上表面，中间带层的深度为0.2～1.0μm，注入浓度为6×10¹⁹-1×10²²cm^-3，中间带层的波长范围为1～3μm，红外光的吸收系数超过1×10⁴～1×10⁵cm^-1，中间带层的少子寿命为硅层材料少子寿命的5～20倍。在硅片表面制备一层钛薄膜；把带有钛薄膜的硅片用激光辐照；把激光辐照后的硅片进行退火处理；将退火后的硅片进行腐蚀，制得含有钛杂质中间带的晶体硅材料。使钛的注入浓度超过Mott转变浓度，可形成杂质中间带。可用来制备高灵敏红外探测器。

Description

一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及晶体硅材料，尤其是涉及一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料及其制备方法。

背景技术

21世纪，能源短缺和环境污染成为阻碍未来人类可持续发展亟待解决的问题。太阳能光伏发电技术正逐渐进入人类能源结构，并将成为未来基础能源的重要组成部分。由于硅材料具有原料丰富、性能良好、使用过程无污染等优点，在可预见的未来硅材料和晶体硅太阳电池仍然是光伏发电的主流。

目前所广泛使用的硅基太阳能电池光电转换效率理论最大值仅为29%，其原因在于晶体硅太阳能电池不能将全部的太阳光能量转换为电能。硅室温下禁带宽度为1.12eV，其光谱响应的范围在400～1100nm。即大于1100nm的红外光不能有效地被晶体硅太阳电池吸收产生光电流。

提高硅太阳能电池对太阳光的利用率，已成为当前广泛关注的焦点。通过能带工程引入新的能带，提高硅材料对可见光范围的吸收和拓展红外吸收范围是减少此类能量损失的有效途径之一。为此可以在硅材料中通过引入过量的深能级杂质，形成杂质中间带材料来实现红外吸收的大幅提高。由此可以在不改变开路电压的同时提高短路电流，从而大幅提高硅基中间带太阳电池的光电转换效率。

然而杂质中间带太阳能电池目前的技术瓶颈是深能级杂质在硅中的固溶度远小于形成杂质中间带的Mott转变浓度(5.9×10¹⁹cm^-3)([1]Luque A etal.,Physica B382(2006)320–327)，因此都需要采用非平衡态技术才能实现。目前采用的非平衡态技术主要是离子注入和脉冲激光退火。虽然这两种非平衡态技术能够提高深能级杂质元素在硅材料中的掺杂浓度，但是目前报道的注入深度还不能满足制作太阳能电池的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料及其制备方法。

所述含有钛杂质中间带的晶体硅材料包括硅层和中间带层，所述中间带层位于硅层上表面，中间带层的深度为0.2～1.0μm，注入浓度为6×10¹⁹-1×10²²cm^-3，中间带层的波长范围为1～3μm，红外光的吸收系数超过1×10⁴～1×10⁵cm^-1，中间带层的少子寿命为硅层材料少子寿命的5～20倍。

所述含有钛杂质中间带的晶体硅材料的制备方法，包括以下步骤：

1）在硅片表面制备一层钛薄膜；

2）把带有钛薄膜的硅片用激光辐照；

3）把激光辐照后的硅片进行退火处理；

4）将退火后的硅片进行腐蚀，制得含有钛杂质中间带的晶体硅材料。

在步骤1）中，所述钛薄膜的厚度可为30～300nm；所述在硅片表面制备一层钛薄膜的方法可采用磁控溅射或蒸发镀膜。

在步骤2）中，所述激光辐照的条件可为：采用YAG：Nd一维线型连续激光，激光器的电流为20～30A，扫描速率为3～10mm/s。

在步骤3）中，所述退火处理的温度可为600～1000℃，退火处理的时间可为1～15min。

在步骤4）中，所述腐蚀可采用氢氟酸溶液，所述氢氟酸溶液的体积浓度可为1%～20%。

利用本发明所制得的含有钛杂质中间带的晶体硅材料可以用来制备中间带太阳电池或红外探测器。该中间带电池能明显提高电池对红外部分太阳光的利用率，减少电池的发热，提高电池的热稳定性，进而可提高晶体硅太阳能电池对低能量光子利用率和光电转换效率。该红外探测器能明显提高探测器在红外波段的灵敏度。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

本发明利用连续激光扫描制备有钛薄膜的硅片，使钛的注入浓度超过Mott转变浓度，可形成杂质中间带。所制得的含有钛杂质中间带的晶体硅材料不仅能提高通常硅材料的光吸收，更能通过在材料中增加中间带实现双光子过程，拓展光吸收波长范围，使波长大于1100nm的红外光也能被吸收产生电子空穴对。该材料的各项参数都满足制作太阳能电池的要求，并且能够在不改变电池开路电压的同时增大短路电流。本发明可以与当前的太阳能电池制备工艺相兼容，有利于实现产业化。利用该材料的红外吸收特性，可以用来制备高灵敏红外探测器。

附图说明

图1是本发明所制得的含有钛杂质中间带的晶体硅材料的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，所述含有钛杂质中间带的晶体硅材料包括硅层1和中间带层2，所述中间带层2位于硅层1上表面，中间带层2的深度为0.2～1.0μm，注入浓度为6×10¹⁹-1×10²²cm^-3，中间带层2的波长范围为1～3μm，红外光的吸收系数超过1×10⁴～1×10⁵cm^-1，中间带层2的少子寿命为硅层1材料少子寿命的5～20倍。

实施例1

步骤1、在硅片表面制备一层钛薄膜；所述钛薄膜的厚度为30nm；所述在硅片表面制备一层钛薄膜的方法采用磁控溅射。

步骤2、把带有钛薄膜的硅片用激光辐照；所述激光辐照的条件为：采用YAG：Nd一维线型连续激光，激光器的电流为20A，扫描速率为3mm/s。

步骤3、把激光辐照后的硅片进行退火处理；所述退火处理的温度为800℃，退火处理的时间可为10min。

步骤4、将退火后的硅片进行腐蚀，制得钛杂质中间带晶体硅。所述腐蚀可采用氢氟酸溶液，所述氢氟酸溶液的体积浓度为10%。

实施例2

与实施例1类似，其区别在于所述钛薄膜的厚度为100nm；所述在硅片表面制备一层钛薄膜的方法采用蒸发镀膜。激光辐照的条件为：采用YAG：Nd一维线型连续激光，激光器的电流为25A，扫描速率为8mm/s。退火处理的温度为600℃，退火处理的时间为15min。氢氟酸溶液的体积浓度为1%。

实施例3

与实施例1类似，其区别在于所述钛薄膜的厚度为300nm；所述在硅片表面制备一层钛薄膜的方法采用蒸发镀膜。激光辐照的条件为：采用YAG：Nd一维线型连续激光，激光器的电流为30A，扫描速率为10mm/s。退火处理的温度为1000℃，退火处理的时间为3min。氢氟酸溶液的体积浓度为20%。

Claims

1.一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料，其特征在于包括硅层和中间带层，所述中间带层位于硅层上表面，中间带层的深度为0.2～1.0μm，注入浓度为6×10¹⁹-1×10²²cm^-3，中间带层的波长范围为1～3μm，红外光的吸收系数超过1×10⁴～1×10⁵cm^-1，中间带层的少子寿命为硅层材料少子寿命的5～20倍。

2.如权利要求1所述一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）在硅片表面制备一层钛薄膜；

2）把带有钛薄膜的硅片用激光辐照；

3）把激光辐照后的硅片进行退火处理；

3.如权利要求2所述一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述钛薄膜的厚度为30～300nm。

4.如权利要求2所述一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述在硅片表面制备一层钛薄膜的方法采用磁控溅射或蒸发镀膜。

5.如权利要求2所述一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述激光辐照的条件为：采用YAG：Nd一维线型连续激光，激光器的电流为20～30A，扫描速率为3～10mm/s。

6.如权利要求2所述一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料的制备方法，其特征在于在步骤3）中，所述退火处理的温度为600～1000℃，退火处理的时间为1～15min。

7.如权利要求2所述一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料的制备方法，其特征在于在步骤4）中，所述腐蚀采用氢氟酸溶液。

8.如权利要求7所述一种含有钛杂质中间带的晶体硅材料的制备方法，其特征在于所述氢氟酸溶液的体积浓度为1%～20%。