CN103681965A - 柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳电池，特指柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法。本发明的目的是充分发挥硅纳米线优异的光吸收特性，利用湿法腐蚀工艺在单晶硅衬底上制备单晶硅纳米线阵列，采用铜导电胶带将硅纳米线转移至铜箔上，再制备纳米线电池。本发明不同于直接利用在单晶硅衬底上的硅纳米线阵列制作电池，而是先将硅纳米线转移至柔性基底上，再制备硅纳米线电池；这样单晶硅衬底就可以重复多次使用，降低了硅材料的消耗，节约了材料成本。

Description

柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法

技术领域

本发明涉及太阳电池，特指将硅纳米线阵列转移至金属箔上，制备纳米线异质结太阳电池。

背景技术

硅纳米线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；哈佛大学科研人员得到了单根的p-i-n径向硅纳米线电池，其转换效率达到了3.4% 【Tian B Z et a1．Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronie power sources．nature，2007，449(7164)：885—890】；径向结构的引入，使得光吸收与光生载流子输运方向正交化，从而解决了光吸收与光生载流子分离的矛盾，但该法利用了单根纳米线操作的微加工技术，不可能工业化生产；现有的Si 基纳米线太阳电池，通常是利用掩膜版进行离子刻蚀或利用金属辅助化学腐蚀方法在单晶硅硅基底上制作硅纳米线阵列。如文献【Peng K Q et a1．Aligned single-crystalline Si nanowire arrays for photovoltaic applications．Small，2005，1(11)：1062-1067】报道通过化学腐蚀单晶硅片，得到硅纳米线阵列电池，其效率接近10%。

理论上硅纳米线具有极好的减反效果，可以大大降低单晶硅片的厚度，从而降低材料成本；为此，本发明不同于直接利用在单晶硅衬底上的硅纳米线阵列制作电池，而是先将硅纳米线转移至柔性基底上，再制备硅纳米线电池；这样单晶硅衬底就可以重复多次使用，降低了硅材料的消耗，节约了材料成本。

发明内容

本发明的目的是充分发挥硅纳米线优异的光吸收特性，提供一种柔性基底硅纳米线太阳电池的制备方法；即利用湿法腐蚀工艺在单晶硅衬底上制备单晶硅纳米线阵列，采用铜导电胶带将硅纳米线转移至铜箔上，再制备纳米线电池。

具体内容是：对于p型硅片，利用湿法腐蚀工艺在p型单晶硅衬底上制备单晶硅纳米线阵列，采用导电铜箔胶带将硅纳米线转移至铜箔上，随后利用等离子体化学气相沉积（PECVD）低温沉积非晶硅钝化层和n型硅薄膜，接着利用原子层沉积（ALD）技术制备低温制备掺铝氧化锌（AZO）层，最后制备Ag栅电极，完成纳米线太阳电池的制备。

或者：对于n型硅片，利用湿法腐蚀工艺在在n型单晶硅制备单晶硅纳米线阵列，采用导电铜箔胶带将硅纳米线转移至铜箔上，随后利用等离子体化学气相沉积（PECVD）低温沉积非晶硅钝化层和p型硅薄膜，接着利用原子层沉积（ALD）技术制备低温制备掺铝氧化锌（AZO）层，最后制备Ag栅电极，完成纳米线太阳电池的制备。

实现本发明的技术方案一：

太阳能电池结构为铜箔/p型单晶硅纳米线/非晶硅钝化层/n型硅薄膜/AZO/Ag 

1、在p型单晶硅上利用湿法腐蚀方法形成单晶硅纳米线；所述p型单晶硅片的电阻率在0.5~1.5 Ωcm，厚度在180 μm；所述纳米线直径100-200nm，长度为3-10um。

2、采用铜导电胶带将硅纳米线转移至铜箔上。

3、利用PECVD方法在单晶硅纳米线上制备3-5nm厚的非晶硅钝化层和10-20nm 厚的n型硅薄膜。

4、利用ALD技术在n型硅薄膜上制备AZO层：

采用Zn(CH₂CH₃)₂ (DEZ)源和三甲基铝（TMA）源制备AZO层，厚度5~15nm，电阻率1×10^-3~1×10^-2 Ωcm。

5、利用磁控溅射方法在AZO层上制备厚度在80-120nm的Ag栅电极。

实现本发明的技术方案二：

太阳能电池结构为铜箔/n型单晶硅硅纳米线/非晶硅钝化层/p型硅薄膜/AZO/Ag 

1、在n型单晶硅上利用湿法腐蚀方法形成单晶硅纳米线；所述n型单晶硅片的电阻率在0.5~1.5 Ωcm，厚度在180 μm；所述纳米线直径100-200nm，长度为3-10um。

2、采用铜导电胶带将硅纳米线转移至铜箔上；

3、利用PECVD方法在单晶硅纳米线上制备3-5nm厚的非晶硅钝化层，再沉积10-20nm厚的p型硅薄膜；

4、利用ALD技术在p型硅薄膜上制备AZO层：

采用Zn(CH₂CH₃)₂ (DEZ)源和三甲基铝（TMA）源制备AZO层，厚度5~15nm，电阻率1×10^-3~1×10^-2 Ωcm。

5、利用磁控溅射方法在AZO层上制备厚度在80-120nm厚的Ag栅电极。

附图说明

图1是本发明的制备技术路线图。

图2是本发明制备的纳米线的SEM图，从图中可开出纳米线长度在6微米，直径在100-200nm。

 

具体实施方式

实例一  铜箔/p型单晶硅硅纳米线/非晶硅钝化层/n型硅薄膜/AZO/Ag太阳能电池

1、长度为6μm的单晶硅纳米线制备：

选用（100）掺杂的p型硅片，电阻率为1.5 Ωcm，厚度180 μm。

将硅片依次浸入丙酮和乙醇中超声清洗10 min 以除去表面的有机物杂质，用去离子水洗净； 再浸入浓H₂SO₄:H₂O₂=3:1(体积比)的混合溶液中130℃煮沸10min，用去离子水冲洗干净，并用氮气吹干备用。

利用二次腐蚀的方法制备容易转移的硅纳米线阵列，首先把硅片浸入0.005M AgNO₃和5M HF的混合溶液中1min，即在硅片表面铺一层银，用去离子水冲洗；然后再浸入4.6M HF和 0.4M H₂O₂混合溶液中腐蚀1h，纳米线长度为6μm，用去离子水冲洗干净，并用N₂吹干；接下来在75℃去离子水中浸泡3h，用N₂吹干；立刻放入4.6M HF和 0.4M H₂O₂的混合溶液中继续腐蚀10min，用去离子水冲洗干净，并放入65wt％浓HNO₃溶液中30min去除表面的银，用去离子水冲洗干净后浸入2wt%HF溶液和异丙醇的混合液（HF溶液与异丙醇的体积比为50:1）中8min，最后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干。

2、利用导电铜箔胶带将硅纳米线阵列转移至铜箔上

    将导电铜箔胶带的粘性面紧贴硅纳米线阵列，然后把铜导电胶揭开，这样就将载有硅纳米线的硅衬底转移至铜箔上。

3、利用PECVD在单晶硅纳米线上生长4nm厚的非晶硅钝化层：

在上述单晶硅纳米线上上利用PECVD生长非晶硅钝化层，利用浓度为5 %的硅烷（硅烷与氢的体积比是5%）。硅烷流量10 sccm，氢流量30 sccm，生长温度180 ^oC，射频功率15W，沉积时间5min。

4、利用PECVD生长10nm厚的n型硅薄膜：

利用浓度为5 %的硅烷（硅烷与氢的体积比是5%）和浓度为0.5%的磷烷（磷烷与氢的体积比是0.5%）。硅烷流量10 sccm，磷烷流量1sccm，氢流量30 sccm，生长温度180 ^oC，射频功率30W，沉积时间10min。

5、利用ALD技术生长10 nm厚的AZO层

沉积条件：反应温度200 ^oC，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。

6、利用磁控溅射方法制备银栅电极

溅射条件：将栅线掩膜版覆盖在上述沉积了硅薄膜和AZO的纳米线样品上，放入真空腔室，溅射沉积银栅电极；本底真空3.0×10^-4pa，工作压强0.3pa，Ar流量20sccm，溅射功率10w，生长10min，银栅电极厚度90nm。

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，硅纳米线太阳电池样品的开路电压0.38 V，短路电流14.9 mA，填充因子0.69，效率为3.91%。

实例二  铜箔/n型单晶硅硅纳米线/非晶硅钝化层/p型硅薄膜/AZO层/Ag太阳能电池

1、长度为8μm单晶硅纳米线制备：

选用（100）掺杂的n型硅片，电阻率为1.5 Ωcm，厚度180 μm。

步骤同实例一中步骤1，但腐蚀时间为1.3h，具体如下： 

将硅片依次浸入丙酮和乙醇中超声清洗10 min 以除去表面的有机物杂质，用去离子水洗净； 再浸入浓H₂SO₄:H₂O₂=3:1(体积比)的混合溶液中130℃煮沸10min，用去离子水冲洗干净，并用氮气吹干备用。

利用二次腐蚀的方法制备容易转移的硅纳米线阵列，首先把硅片浸入0.005M AgNO₃和5M HF的混合溶液中1min，即在硅片表面铺一层银，用去离子水冲洗；然后再浸入4.6M HF和 0.4M H₂O₂混合溶液中腐蚀1.3 h，纳米线长度为8μm，用去离子水冲洗干净，并用N₂吹干；接下来在75℃去离子水中浸泡3h，用N₂吹干；立刻放入4.6M HF和 0.4M H₂O₂的混合溶液中继续腐蚀10min，用去离子水冲洗干净，并放入65wt％浓HNO₃溶液中30min去除表面的银，用去离子水冲洗干净后浸入2wt%HF溶液和异丙醇的混合液（HF溶液与异丙醇的体积比为50:1）中8min，最后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干。

2、转移硅纳米线阵列至铜箔上

   步骤同实例一中步骤2。

3、利用PECVD在单晶硅纳米线上生长非晶硅层：

   同实例一中的步骤3

4、利用PECVD生长15nm厚的p型硅薄膜

利用浓度为5 %的硅烷（硅烷与氢的体积比是5%）和浓度为0.5%的硼烷（硼烷与氢的体积比是0.5%）。硅烷流量10 sccm，硼烷流量2sccm，氢流量40 sccm，生长温度180 ^oC，射频功率40W，沉积时间15min。

5、利用ALD技术在p型纳米硅层上生长一层10 nm厚的AZO层

  同实例一中步骤5

6、利用磁控溅射方法制备Ag栅电极

同实例一中的步骤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，硅纳米线太阳电池样品的开路电压0.41 V，短路电流15.8 mA，填充因子0.70，效率为4.5 %。

Claims (10)

1.柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，所述的太阳能电池结构为铜箔/p型单晶硅纳米线/非晶硅钝化层/n型硅薄膜/AZO/Ag，其特征在于所述制备方法包括如下步骤：

（1）在p型单晶硅上利用湿法腐蚀方法形成单晶硅纳米线；

（2）采用铜导电胶带将硅纳米线转移至铜箔上；

（3）利用PECVD方法在单晶硅纳米线上制备非晶硅钝化层和n型硅薄膜；

（4）利用ALD技术在n型硅薄膜上制备AZO层；

（5）利用磁控溅射方法在AZO层上制备Ag栅电极。

2.如权利要求1所述的柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述p型单晶硅片的电阻率在0.5~1.5 Ωcm，厚度在180 μm；所述纳米线直径100-200nm，长度为3-10um。

3.如权利要求1所述的柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述的非晶硅钝化层的厚度为3-5nm，n型硅薄膜的厚度为10-20nm。

4.如权利要求1所述的柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述的利用ALD技术在n型硅薄膜上制备AZO层指：采用Zn(CH₂CH₃)₂ (DEZ)源和三甲基铝（TMA）源制备AZO层，厚度5~15nm，电阻率1×10^-3~1×10^-2 Ωcm。

5.如权利要求1所述的柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述的Ag栅电极的厚度为80-120nm。

6.柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，所述的太阳能电池结构为铜箔/n型单晶硅硅纳米线/非晶硅钝化层/p型硅薄膜/AZO/Ag ，其特征在于所述制备方法包括如下步骤：

（1）在n型单晶硅上利用湿法腐蚀方法形成单晶硅纳米线；

（2）采用铜导电胶带将硅纳米线转移至铜箔上；

（3）利用PECVD方法在单晶硅纳米线上制备非晶硅钝化层，再沉积p型硅薄膜；

（4）利用ALD技术在p型硅薄膜上制备AZO层；

（5）利用磁控溅射方法在AZO层上制备Ag栅电极。

7.如权利要求6所述的柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述n型单晶硅片的电阻率在0.5~1.5 Ωcm，厚度在180 μm；所述纳米线直径100-200nm，长度为3-10um。

8.如权利要求6所述的柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述的非晶硅钝化层的厚度为3-5nm，p型硅薄膜的厚度为10-20nm。

9.如权利要求6所述的柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述的利用ALD技术在p型硅薄膜上制备AZO层指：采用Zn(CH₂CH₃)₂ (DEZ)源和三甲基铝（TMA）源制备AZO层，厚度5~15nm，电阻率1×10^-3~1×10^-2 Ωcm。

10.如权利要求6所述的柔性基底硅纳米线异质结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述的Ag栅电极的厚度为80-120nm。

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