CN104064625A - 一种基于硅纳米锥晶体的全太阳光谱响应的太阳电池制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光伏新型材料技术领域，具体为一种基于硅纳米锥晶体的全太阳光谱响应的太阳电池制备方法。具体步骤包括：（1）制备PN结，对P型或N型硅片进行掺杂形成PN结；（2）表面硅纳米锥制备，对硅片进行大束流离子束轰击，在表面自组织生长硅纳米锥，同时进行真空退火，消除表面缺陷；（3）上表面钝化，蒸镀一层二氧化硅或三氧化二铝或氮化硅等钝化层；（4）下表面钝化加场效应，蒸镀一层三氧化二铝或氧化镁；（5）制作上下电极。本发明方法对设备要求较低，成本低廉，安全无毒，是一种新型的制备全太阳光谱响应太阳电池的方法。
Description
技术领域
本发明属于光伏新型材料技术领域，具体涉及一种基于硅纳米锥晶体的全太阳光谱响应的太阳电池制备方法。
背景技术
提高太阳电池效率的方法之一是让更多入射光子进入电池，常用的方法是在电池表面采用金字塔表面和减反射膜，这种两种方法的效果不是十分理想，不仅在短波和长波范围内反射较大，而且对低入射角的太阳光以及散射光的反射很大；此外，常规方法的工艺复杂、成本较高。
硅表面纳米或者微米结构通常由表面针状或锥状阵列构成，由于其独特的光学性质在提高光电探测器灵敏度、提高太阳能电池效率等多方面找到应用，受到了极大的关注。这种纳米或微米结构的针状或锥状阵列应用太阳电池表面，不仅在很宽的波长范围内（从短波到长波）的反射极小，而且对不同角度入射的太阳光的反射也比常规方法小得多。有很多途径可以制备这种表面，比如电化学刻蚀、等离子体增强化学刻蚀以及活性脉冲激光刻蚀等，但由于这些方法对设备的要求较高，很难适用大规模生产（例如太阳能电池的表面制绒化处理）。
本发明采用离子束溅射引导硅表面纳米锥阵列结构，此方法对设备要求较低，成本低廉，安全无毒且外延结晶度好，是一种新型的制备表面制绒硅的有效途径。同时基于此种硅纳米锥晶体对全太阳光谱波段的强吸收特性以及红外光电性质，制备成一种全太阳光谱响应的太阳电池。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的基于硅纳米锥晶体的太阳电池的制备方法，其对设备要求较低，制造成本低廉，安全无毒，能够获得极低反射的全太阳光谱响应的太阳电池。
本发明通过离子束轰击得到表面制绒硅，其是一种对可见和近红外波段的光有低反射和强吸收的硅表面结构，通常由表面针状或锥状阵列构成。由于其独特的光学性质，在提高光电探测器灵敏度、提高太阳能电池效率等多方面找到应用。
本发明提供的一种基于硅纳米锥晶体的全太阳光谱响应的太阳电池制备方法，具体步骤如下：
（1）制备PN结：对P型或N型硅片进行掺杂形成PN结，结深为100纳米到600纳米；
（2）表面硅纳米锥制备：对硅片进行大束流离子束轰击，在表面自组织生长硅纳米锥，同时进行真空退火，消除表面缺陷，硅纳米锥的高度为100纳米到400纳米；
（3）上表面钝化：在上表面蒸镀一层二氧化硅、三氧化二铝或氮化硅钝化层实现场效应钝化，钝化层的厚度为10纳米到100纳米；
（4）下表面钝化：在下表面蒸镀一层三氧化二铝或氧化镁实现场效应钝化，钝化层的厚度为10纳米到200纳米；
（5）制作上下电极，从而得到太阳电池。
上述步骤（1）中，通过掩模板对P型或N型硅片进行金属离子掺杂，掺杂元素包括铁、铬或钼中任一种。
上述步骤（1）中，通过磷浆的旋涂施胶、热扩散烧结方法对P型或N型硅片进行磷掺杂。
上述步骤（2）中，采用离子束为惰性气体离子束；所述惰性气体离子束为氩离子或氮离子中任一种。其采用考夫曼离子源，它为一种标准化离子源，由灯丝、阳极环、永磁铁、屏栅和加速栅构成。
上述步骤（2）中，通过辐射或热传导加热控制平面硅片的温度，进而改变纳米锥形貌特征。真空退火时采用一个真空腔内的钨丝热电子轰击装置，对样品进行加热。
上述步骤（5）中，通过丝网印刷背面铝电极浆料或蒸镀铝电极制作下电极，通过上表面上丝网印刷银电极，或者蒸镀TiAg或TiPaAg，或者采用透明导电膜TCO制作上电极。
本发明的有益效果在于，本发明通过离子束轰击得到表面制绒硅，由于其对全太阳光谱波段的强吸收特性，且制备方法成本低廉，可用于大规模生产，因此可作为一种基于硅纳米锥晶体的新型表面减反射制绒硅衬底。同时经过表面钝化以及背部铝背场效应，最后加上一些常规的电池电极制作工艺，可得到一种对全太阳光谱响应的基于硅纳米锥晶体的太阳电池。
附图说明
图1为本发明得到的太阳能电池结构示意图。
图2为实施例得到的电池结构示意图，其中硅纳米锥是镶嵌在二氧化硅层中。
图3为硅纳米锥阵列SEM结构图表征。
图4为平面硅和表面制绒硅的光学性质（吸收谱）。
图5为电池测量结果，包括IV曲线、效率等，由太阳光模拟光源AM1.5仪器测试完成，其中Voc为开路电压，Jsc为短路电流密度，FF为填充因子，Eff为电池效率。
图中标号：11为Al，21为Al2O3或者MgO，31为p-Si，41为n-Si，51为SiO2，52为纳米锥，61为TCO，62为Ag或PaAg或TiPaAg。
具体实施方式
以下结合附图和实施例用以说明本发明，但不用于限制本发明。
如图1所示是本发明得到的太阳能电池结构示意。其中，图1A所示结构包括：下电极Al（11），钝化层Al2O3或者MgO（21），p型Si（31），n型Si（41），上表面钝化层SiO2（51），纳米锥（52），上电极为透明导电膜TCO（61）。图1B所示结构的上电极为Ag或PaAg或TiPaAg（62），其它与结构A相同。
实施例1
1、原料
硅片：1cm×1cm×0.15mm P型单晶硅硅片（100），电阻率1-3欧姆；磷浆、氨水（：浓度25wt%）、双氧水（浓度30wt%）、高纯氮气、氢氟酸（浓度20wt%）、去离子水、高纯氩气、二氧化硅颗粒、氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、铝丝、银颗粒。
2、设备
台式匀胶机、管式电阻炉、考夫曼离子源、高真空腔、钨丝热电子加热、高真空镀膜机。
3、工艺参数设定
硅片在混合溶液中蒸煮时间：20分钟；
磷浆旋涂时间：20秒；
磷浆旋涂转速：2000转/分钟；
磷掺杂煅烧：高纯氮气860℃，20分钟；
考夫曼离子源轰击参数：屏极电压1500V，加速极电压200V，阳极电压60V，束流密度1000μA cm-2，轰击时间25分钟。
钨丝热电子真空加热：离子束轰击加热时间25分钟，真空退火1小时，温度800℃。
表面钝化加场效应：二氧化硅膜厚度10nm，氧化铝/氧化镁膜厚度10nm，高纯氮气425℃退火1小时。
4、工艺过程
工艺具体过程为：
（1）将原料P型硅片放在氨水和双氧水体积比为1：1的混合溶液中蒸煮20分钟，之后通过匀胶机将磷浆均匀旋涂在硅片表面上进行磷掺杂，旋涂时间为20秒，转速为2000转/分钟；接下来将硅片放入管式电阻炉中，通入高纯氮气860℃煅烧20分钟进行磷掺杂；待冷却到室温后用氢氟酸和去离子水洗去硅片表面残留的磷浆；
（2）将PN结硅片放入装配有考夫曼离子源的高真空腔内，经受能量为1.5 keV、束流密度为1000 μA cm-2的离子束垂直轰击25分钟；同时一个钨丝热电子加热装置对样品进行加热，加热温度为800℃；之后在腔中进行800℃真空退火一个小时；
（3）在样品上表面蒸镀10nm厚度的二氧化硅，下表面蒸镀10nm厚度的氧化铝或氧化镁；之后在高纯氮气中425℃退火一个小时；
（4）在样品下表面蒸镀铝电极，之后在高纯氮气中480℃退火10分钟；上表面进行丝网印刷银电极，得到的太阳能电池结构示意图如图2所示。
5、结果和分析
在通过磷扩散制作PN结的基础上，根据本实施例方法，制得的纳米锥表面制绒硅的硅纳米锥阵列SEM如图3所示；其吸收谱如图4所示，其在350nm至1100nm波段吸收率超过96%，在1100nm至2000nm波段吸收率超过92%，真正实现了对全太阳光谱的吸收；同时加上表面钝化和场效应以及电极制作工艺，得到了一种基于硅纳米锥晶体的全太阳光谱响应的太阳电池，其由太阳光模拟光源AM1.5仪器测试，得到结果如图5所示，结果表明：开路电压Voc达到0.54V，在没有件反射膜的情况下，短路电流Jsc达到25.99 mA/cm2，填充因子为71.16%，转换效率达到10.01%。
Claims (7)
1.一种基于硅纳米锥晶体的全太阳光谱响应的太阳电池制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）制备PN结：对P型或N型硅片进行掺杂形成PN结，结深为100纳米到600纳米；
（2）表面硅纳米锥制备：对硅片进行大束流离子束轰击，在表面自组织生长硅纳米锥，同时进行真空退火，消除表面缺陷，硅纳米锥的高度为100纳米到400纳米；
（3）上表面钝化：在上表面蒸镀一层二氧化硅、三氧化二铝或氮化硅钝化层实现场效应钝化，钝化层的厚度为10纳米到100纳米；
（4）下表面钝化：在下表面蒸镀一层三氧化二铝或氧化镁实现场效应钝化，钝化层的厚度为10纳米到200纳米；
（5）制作上下电极，从而得到太阳电池。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，通过掩模板对P型或N型硅片进行金属离子掺杂，掺杂元素包括铁、铬或钼中任一种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，通过磷浆的旋涂施胶、热扩散烧结方法对P型硅片进行磷掺杂;或者对N型硅片进行硼掺杂。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中采用离子束为惰性气体离子束。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述惰性气体离子束为氩离子或氮离子中任一种。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中通过辐射或热传导加热控制平面硅片的温度，进而改变纳米锥形貌特征。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，通过丝网印刷背面铝电极浆料或蒸镀铝电极制作下电极，通过上表面上丝网印刷银电极，或者蒸镀TiAg或TiPaAg，或者采用透明导电膜TCO制作上电极。
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