CN103730541B - 太阳能电池纳米发射极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能电池纳米发射极及其制备方法，太阳能电池纳米发射极的制备方法包括下列步骤：1）在洁净的黑硅的表面进行离子注入，其中，离子的注入能量是5KeV～40KeV，离子的注入剂量是5×1014～1×1016离子/cm2；2）将经过离子注入的黑硅在氧气中进行退火处理。本发明的太阳能电池纳米发射极的制备方法简化了太阳能电池的制备工艺流程，并且无需去磷硅玻璃和去边等工艺，提高了生产效率和成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池制备领域，具体涉及太阳能电池纳米发射极及其制备方法。
背景技术
随着人们对清洁能源需求的增加，太阳能电池引起了人们广泛的关注。由于相对低廉的生产成本和较高的转换效率，采用硅材料制备的太阳能电池一直占据着主导位置。为了提高太阳能的利用率，需要降低对太阳能的反射率，黑硅作为一种有效的减反射结构，能够使得对可见光反射率降低到5%以下，有效提高对太阳光的吸收能力。
尽管黑硅具有很低的反射率，黑硅太阳能电池的效率相对于传统制绒结构的太阳能电池并没有明显的提高，甚至略低于传统制绒结构太阳能电池。这是由于黑硅太阳能电池的表面结构一般为具有孔洞的纳米结构，很难被传统的氮化硅所钝化，导致表面复合严重加剧。此外，美国再生能源实验室的一篇报道（Nature Nanotechnology，2012年，第7卷，第743期）中指出，纳米结构不仅会引起表面复合的增加，同时由于磷扩散后将会集中分布在纳米结构中，导致纳米结构中的掺杂浓度大幅度增加，最终导致俄歇复合的增加。表面复合和俄歇复合的增加抵消了其低反射率的优势，导致黑硅太阳能电池转换效率偏低。如何同时降低黑硅太阳能电池的表面复合和俄歇复合已成为提高黑硅太阳能电池转换效率的关键。
另外，纳米结构由于表面积增加以及纳米结构的尺寸效应使得纳米结构的掺杂是一个比较复杂的体系，对黑硅进行离子注入掺杂行为不同于传统太阳能电池的金字塔结构。因此，在黑硅纳米结构上进行离子注入以及该方法对太阳能电池效率的影响都还有待研究。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种太阳能电池纳米发射极的制备方法，包括下列步骤：
1）在洁净的黑硅的表面进行离子注入，其中，离子的注入能量是5KeV～40KeV，离子的注入剂量是5×1014～1×1016离子/cm2；
2）将经过离子注入的黑硅在氧气中进行退火处理。
优选的，在所述步骤2）中，退火温度为800℃～1100℃，退火时间是20分钟～90分钟。
优选的，在所述步骤1）中，离子的注入角度是0°～30°。
优选的，在所述步骤2）中，所述氧气的流量为60～90sccm。
优选的，在所述步骤1）之前还包括：对黑硅依次进行碱处理、RCA清洗和HF溶液清洗得到洁净的黑硅。
优选的，所述碱处理采用的碱溶液为2wt%～5wt%的氢氧化钠、氢氧化钾或TMAH，所述碱溶液的温度为20℃～50℃，所述碱处理的时间为15秒～120秒。
优选的，所述HF溶液清洗是将经过RCA清洗后的黑硅在3wt%～15wt%的HF溶液中浸泡60秒～240秒。
优选的，所述黑硅的电阻率为1～10Ωcm。
优选的，所述黑硅的衬底类型为P型衬底且所述离子为磷离子，或所述黑硅的衬底类型为N型衬底且所述离子为硼离子。
本发明的太阳能电池纳米发射极的制备方法简化了太阳能电池的制备工艺流程，并且无需去磷硅玻璃和去边等工艺，提高了生产效率和成本。
本发明还提供了由上述太阳能电池纳米发射极的制备方法形成的太阳能电池纳米发射极。所形成的纳米发射极掺杂浓度低，并且纳米发射极表面形成了氧化硅钝化层，从而减小了俄歇复合和表面复合，提高了太阳能电池的转换效率。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是在相同方阻下由本发明第一个实施例的太阳能电池纳米发射极与热扩散制备的太阳能电池纳米发射极的离子浓度分布图。
图2是本发明第一个实施例的太阳能电池纳米发射极的剖面的SEM图像。
图3是本发明第一个实施例的太阳能电池纳米发射极的反射谱谱图。
图4是本发明第二个实施例的太阳能电池纳米发射极的离子浓度分布图。
图5是本发明第二实施例的太阳能电池纳米发射极的剖面的SEM图像。
图6是本发明第三个实施例的太阳能电池纳米发射极的离子浓度分布图。
图7是本发明第三个实施例的太阳能电池纳米发射极的反射谱谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
选取P型衬底的黑硅，将该黑硅进行碱处理，即浸入温度为30℃、5wt%的氢氧化钾溶液中30秒，取出经过碱处理后的黑硅，采用去离子水和RCA清洗进行清洗，其中RCA清洗是现有技术中的RCA标准清洗法。之后将黑硅浸泡在5wt%的HF溶液中180秒，去除黑硅表面的自然氧化层（氧化硅层）。接着将黑硅放置在离子注入机进行磷离子注入，其中磷离子的注入能量是10KeV，注入剂量是3×1015离子/cm2，倾斜角度为7°（倾斜角度是指离子注入方向和黑硅表面的法线之间的夹角）。将经过磷离子注入的黑硅在氧气氛围下进行退火，其中退火的温度为950℃、退火时间为60分钟、氧气的流量为80sccm(标况毫升每分)。最后在磷离子注入的区域即形成了太阳能电池纳米发射极。对该第一实施例中得到的太阳能电池纳米发射极进行测量，该太阳能电池纳米发射极的方阻为55Ω/sq。
为了和传统的热扩散制备的太阳能电池纳米发射极进行对比，我们采用热扩散制备了方阻为55Ω/sq的太阳能电池纳米发射极，并分别测量了由本发明的实施例1和热扩散制备的太阳能电池纳米发射极中的磷离子浓度分布图。如图1所示，由本发明的实施例1形成的太阳能电池纳米发射极中的磷离子浓度的峰值为1.2×1020/cm3，热扩散形成的太阳能电池纳米发射极中的磷离子浓度的峰值为8.6×1020/cm3。并且在相同的深度下，本发明的实施例1形成的太阳能电池纳米发射极中的磷离子浓度都小于热扩散形成的太阳能电池纳米发射极中的磷离子浓度。因此，采用本发明的实施例1制备的纳米发射极减小了掺杂浓度，从而减小了俄歇复合。
图2是本发明第一个实施例的太阳能电池纳米发射极的剖面的SEM图像。如图2所示的上方，偏亮的部分为氧化硅钝化层，氧化硅钝化层的厚度大约为30纳米。在本发明的制备方法中，在氧气氛围中进行退火，不但能消除硅片中的损伤，还能在纳米发射极上形成氧化硅的钝化层，有效地减小了表面复合，简化了太阳能电池制备工序。
图3是本发明第一个实施例的太阳能电池纳米发射极的反射谱谱图。如图3所示，制备的太阳能电池对波长为300纳米～1000纳米内的光线的平均反射率为2.9%。本发明的实施例1最终得到的太阳能电池的效率为17.2%，比热扩散掺杂形成的纳米发射极太阳能电池的效率提高了3.4%。
实施例2～9
按照与实施例1相同的步骤制备太阳能电池纳米发射极，其中具体工艺参数如表1所示，其中表1中并未示出在碱处理之后采用去离子水和RCA清洗等工艺过程。
表1
图4是本发明第二个实施例的太阳能电池纳米发射极的离子浓度分布图。从图4中可以看出本发明第二个实施例制备的纳米发射极中的磷离子浓度的峰值大约为3×1020/cm3。
图5是本发明第二实施例的太阳能电池纳米发射极的剖面的SEM图像。从图5可以看出所生成的氧化硅钝化层的厚度大约为17纳米。对所制备的太阳能电池进行测试得到纳米发射极的方阻为125Ω/sq，太阳能电池的效率为15.1%。
图6是本发明第三个实施例的太阳能电池纳米发射极的离子浓度分布图。从图6可以看出本发明第三个实施例制备的纳米发射极中的磷离子浓度的峰值大约为6×1019/cm3。
图7是本发明第三个实施例的太阳能电池纳米发射极的反射谱谱图。从图7可以计算出制备的太阳能电池对波长为300纳米～1000纳米内的光线的平均反射率为2.5%。对所制备的太阳能电池进行测试，得到纳米发射极的方阻为87Ω/sq，氧化硅钝化层的厚度为30纳米，太阳能电池的效率为17.5%。
将本发明的实施例4所制备的太阳能电池进行测试，得到了与实施例1基本一致的实验结果，即纳米发射极的方阻为178Ω/sq，氧化硅钝化层的厚度为20纳米，太阳能电池的效率为14.9%。
将本发明的实施例5所制备的太阳能电池进行测试，得到了与实施例1基本一致的实验结果，即纳米发射极的方阻为81Ω/sq，氧化硅钝化层的厚度为23纳米，太阳能电池的效率为17.6%。
将本发明的实施例6所制备的太阳能电池进行测试，得到了与实施例1基本一致的实验结果，即纳米发射极的方阻为33Ω/sq，氧化硅钝化层的厚度为20纳米，太阳能电池的效率为15.8%。
将本发明的实施例7所制备的太阳能电池进行测试，得到了与实施例1基本一致的实验结果，即纳米发射极的方阻为68Ω/sq，氧化硅钝化层的厚度为25纳米，太阳能电池的效率为17.6%。
将本发明的实施例8所制备的太阳能电池进行测试，得到了与实施例1基本一致的实验结果，即纳米发射极的方阻为55Ω/sq，氧化硅钝化层的厚度为27纳米，太阳能电池的效率为17.4%。
将本发明的实施例9所制备的太阳能电池进行测试，得到了与实施例1基本一致的实验结果，即纳米发射极的方阻为105Ω/sq，氧化硅钝化层的厚度为33纳米，太阳能电池的效率为17.7%。
在本发明的实施例中，黑硅衬底的电阻率为1～10Ωcm。在离子注入掺杂的过程中，黑硅衬底无需加热，在室温下即可进行。
在本发明的其他实施例中，离子注入的倾斜角度可以是0°至30°之间的任意值。本发明的实施例并不限于上述9个实施例中的工艺参数，在其他的实施例中还可以是上述9个实施例中的工艺参数的任意组合。
本发明在黑硅表面进行离子注入后在氧气氛围中退火，在获得相同方阻下，离子注入掺杂比热扩散掺杂的掺杂剂量小，降低了发射极的掺杂浓度，有效降低了俄歇复合，同时提高了蓝光响应；在氧气中退火，激活注入离子活性、修复了硅晶格损伤，同时在纳米发射极表面形成了氧化硅钝化层，降低了表面复合，简化了太阳能电池的制备工序，并且无需去除磷硅玻璃和去边等工艺，提高了生产效率、降低了制备成本。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (10)
1.一种太阳能电池纳米发射极的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
1）在洁净的黑硅的表面进行离子注入，其中，离子的注入能量是5KeV～40KeV，离子的注入剂量是5×1014～1×1016离子/cm2；
2）将经过离子注入的黑硅在氧气中进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池纳米发射极的制备方法，其特征在于，在所述步骤2）中，退火温度为800℃～1100℃，退火时间是20分钟～90分钟。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池纳米发射极的制备方法，其特征在于，在所述步骤1）中，离子的注入角度是0°～30°。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池纳米发射极的制备方法，其特征在于，在所述步骤2）中，所述氧气的流量为60～90sccm。
5.根据权利要求1至4任一项所述的太阳能电池纳米发射极的制备方法，其特征在于，在所述步骤1）之前还包括：对黑硅依次进行碱处理、RCA清洗和HF溶液清洗得到洁净的黑硅。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池纳米发射极的制备方法，其特征在于，所述碱处理采用的碱溶液为2wt%～5wt%的氢氧化钠、氢氧化钾或TMAH，所述碱溶液的温度为20℃～50℃，所述碱处理的时间为15秒～120秒。
7.根据权利要求5所述的太阳能电池纳米发射极的制备方法，其特征在于，所述HF溶液清洗是将经过RCA清洗后的黑硅在3wt%～15wt%的HF溶液中浸泡60秒～240秒。
8.根据权利要求1至4任一项所述的太阳能电池纳米发射极的制备方法，其特征在于，所述黑硅的电阻率为1～10Ωcm。
9.根据权利要求1至4任一项所述的太阳能电池纳米发射极的制备方法，其特征在于，所述黑硅的衬底类型为P型衬底且所述离子为磷离子，或所述黑硅的衬底类型为N型衬底且所述离子为硼离子。
10.一种由权利要求1至9任一项所述的太阳能电池纳米发射极的制备方法所形成的太阳能电池纳米发射极。
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