CN104485367A - 改善hit太阳能电池性能的微纳结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种改善HTT太阳能电池性能的微纳结构，包括：一衬底；一倒金字塔结构，该倒金字塔结构是在衬底正面腐蚀形成的；一纳米线结构，该纳米线结构是在倒金字塔结构上腐蚀形成的；一绝缘层，该绝缘层制作在倒金字塔结构上，并覆盖纳米线结构；一本征非晶硅层，其制作在衬底的背面；一掺杂非晶硅层，其制作在本征非晶硅层上；多个电极层，其制作在掺杂非晶硅层上。本发明可以减少光的反射，从而改善光吸收，提高转化效率，适用于制备高效的HIT太阳能电池。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料制备领域，特别涉及一种改善HIT太阳能电池性能的微纳结构及制备方法。
背景技术
自从1954年贝尔实验室诞生的第一块太阳能电池以来，太阳能电池技术得到了飞速发展，经历了第一代硅基太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池、第三代新概念研发太阳能电池以及第四代复合薄膜材料太阳能电池。当前能源形势紧张，各国越来越重视开发可再生能源以及清洁能源。太阳能电池可以将丰富的自然光转化为电能，而且不造成环境污染。研究高效的太阳能电池对于缓解紧张的能源形势具有十分重大的意义。其中HIT太阳能电池的研究在近些年来取得很大的进展，研究人员在2013年成功制备了效率高达24.7％的HIT太阳能电池，随后又在今年成功制备了效率达到25.6％的HIT太阳能电池。这一纪录已经打破了晶体硅电池的世界纪录。
HIT电池由于其独特的能带结构，可以提供较高的电池开路电压，获得较好的性能。目前研究者已经掌握了成熟的技术制备HIT电池。一般HIT太阳能电池采用对称结构，以n型单晶硅衬底为例，中间为单晶硅衬底，硅衬底两侧为本征非晶硅层，用于钝化单晶硅表面。正面的本征非晶硅之上为p型非晶硅，背面的本征非晶硅之下为n+型非晶硅。最后，电池两侧蒸镀上透明导电层和正负电极。采用这样的结构研究者已经获得转换效率最高为24.7％的电池。
与传统对称结构不同，新纪录25.6％效率的HIT太阳能电池采用的是非对称结构，电极都制作在背面，从而避免了正面受光面的电极遮光损失；正面不必使用TCO降低横向电阻，使用氮化硅减反膜降低了TCO膜的光学吸收损失。但是这种非对称结构正面还是存在着光学损失，通过合理的设计，我们可以进一步降低正面的光反射率，提高电池转化效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善HIT太阳能电池性能的微纳结构及制作方法，其是采用了在受光面制作倒金字塔结构并且制作出纳米线结构，可以减少光的反射，从而改善光吸收，提高转化效率，适用于制备高效的HIT太阳能电池。
本发明采用的技术方案是：一种改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，包括：
一衬底；
一倒金字塔结构，该倒金字塔结构是在衬底正面腐蚀形成的；
一纳米线结构，该纳米线结构是在倒金字塔结构上腐蚀形成的；
一绝缘层，该绝缘层制作在倒金字塔结构上，并覆盖纳米线结构；
一本征非晶硅层，其制作在衬底的背面；
一掺杂非晶硅层，其制作在本征非晶硅层上；
多个电极层，其制作在掺杂非晶硅层上。
2、根据权利要求1所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，其中衬底的材料为n型晶体硅或p型晶体硅，厚度为150-300μm。
3、根据权利要求1所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，其中绝缘层的材料为高介电常数的Al2O3、SixNy或SiO2。
4、根据权利要求1所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，其中掺杂非晶硅层为p型、n型交错排列的掺杂非晶硅。
5、根据权利要求1所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，其中多个电极层为正电极和负电极交错排列，所述的正电极对应p型掺杂非晶硅层，负电极对应n型掺杂非晶硅层。
本发明还提供一种改善HIT太阳能电池性能的微纳结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在一衬底的正面沉积一SiO2层；
步骤2：在SiO2层上进行光刻、开窗口，形成正方形窗口区；
步骤3：对窗口区进行化学腐蚀，在衬底上形成倒金字塔结构；
步骤4：采用化学腐蚀方法在倒金字塔结构的表面腐蚀出纳米线结构；
步骤5：去除光刻胶、去除残余SiO2层；
步骤6：在倒金字塔结构11上沉积一层高介电常数的绝缘层；
步骤7：在衬底背面沉积一层本征非晶硅层；
步骤8：在本征非晶硅层上沉积一层掺杂非晶硅层；
步骤9：在掺杂非晶硅层上蒸镀上电极层；
步骤10：退火，完成制备。
本发明具有的有益效果是：
(1)正面的倒金字塔结构结合纳米线结构，特别是纳米线结构，能更大程度的降低反射率，可见光区域300nm到1100nm范围平均反射率降低到＜5％，让更多的光子参与到光生载流子的产生过程中，从而提高太阳能电池的性能；
(2)采用Al2O3钝化p型晶体硅，Al2O3具有较高的固定负电荷密度和较低的界面缺陷态密度，用来钝化p型晶体硅要比传统的SixNy效果好。
(3)采用热氧化的SiO2钝化n型晶体硅，可以获得较高的界面质量。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步说详细说明，其中：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的制作流程图。
具体实施方式
请参阅1所示，本发明提供一种改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，包括：
一衬底10，该衬底10的材料为n型晶体硅或p型晶体硅，厚度为150-300μm；
一倒金字塔结构11，该倒金字塔结构11是在衬底10正面腐蚀形成的；
一纳米线结构12，该纳米线结构12是在倒金字塔结构11上腐蚀形成的；
一绝缘层13，该绝缘层制作在倒金字塔结构11上，并覆盖纳米线结构12，该绝缘层13的材料为高介电常数的Al2O3、SixNy或SiO2；
一本征非晶硅层14，其制作在衬底10的背面；
一掺杂非晶硅层15，其制作在本征非晶硅层14上，该掺杂非晶硅层15为p型、n型掺杂非晶硅交错排列的；
多个电极层16，其制作在掺杂非晶硅层15上，该多个电极层16为正电极和负电极交错排列，所述的正电极对应p型掺杂非晶硅层，负电极对应n型掺杂非晶硅层。
请参阅图2，并结合参阅图1所示，本发明提供一种改善HIT太阳能电池性能的微纳结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在一衬底10的表面沉积一SiO2层，该衬底10的材料为n型晶体硅或p型晶体硅，厚度为150-300μm，其中沉积SiO2采用的方法是等离子体增强化学气相沉积法，沉积的厚度为100-1000nm；
步骤2：在SiO2层上进行光刻、开窗口，形成正方形窗口区，其中窗口区的大小可为5x5μm、10x10μm、20x20μm，开窗口使用的溶液为BOE，溶液组成为NH4∶HF＝6∶1，开窗口的时间为40s-8min；
步骤3：对窗口区进行化学腐蚀，在衬底10上形成倒金字塔结构11，其中所述的化学腐蚀是采用四甲基氢氧化铵和异丙醇的混合溶液，四甲基氢氧化铵浓度为15wt.％，异丙醇的浓度为10vol.％，其余为去离子水；
步骤4：采用化学腐蚀方法在倒金字塔结构11的表面腐蚀出纳米线结构12，该纳米线结构12可以很大程度的降低反射率。其中所述的化学腐蚀可采用一步腐蚀法或两步腐蚀法。一步腐蚀法是指用AgNO3、HF酸和去离子水配成溶液，在50-70℃的温度下腐蚀硅片一段时间，时间为1min-6min；其中两步法中第一步是指用AgNO3、HF酸和去离子水配成溶液，在室温下腐蚀硅片一段时间，时间为1min-3min；第二步是指用H2O2、HF酸和去离子水配成溶液，腐蚀硅片一段时间，时间为20-50s。其中一步腐蚀法使用的溶液中HF酸浓度为5M，AgNO3浓度为0.01M；两步腐蚀法中第一步使用的溶液中HF酸浓度为0.3M，AgNO3浓度为0.001M，第二步使用的溶液中H2O2浓度为1M，HF的浓度为6M。
步骤5：去除光刻胶、去掉残余SiO2，依次采用沸腾的丙酮、80℃的无水乙醇浸泡硅片以除去光刻胶，采用BOE浸泡硅片以去除残余SiO2；
步骤6：在倒金字塔结构11上沉积一层高介电常数的绝缘层13，该绝缘层13的材料为高介电常数的Al2O3、SixNy或SiO2，可以起到钝化表面的作用；其中所述的衬底10为p型晶体硅时，绝缘层13材料为Al2O3或SiO2；所述的衬底为n型晶体硅时，绝缘层的材料为SiO2或SixNy；其中Al2O3层采用原子层沉积法制备，沉积温度为20-200℃，厚度为30-60nm；SiO2层采用热氧化生长制备，温度为900-1000℃，厚度为30-60nm，氛围为干氧；SixNy层采用等离子体增强化学气相沉积法制备，温度为200-300℃，厚度为30-60nm；
步骤7：在衬底10背面沉积一层本征非晶硅层14；其中所述的本征非晶硅层14采用等离子体增强化学气相沉积法制备，沉积厚度为10-30nm；
步骤8：在本征非晶硅层14的背面沉积一层掺杂非晶硅层15，该掺杂非晶硅层15为p型、n型掺杂非晶硅交错排列的；其中所述的掺杂非晶硅采用等离子体增强化学气相沉积法制备，沉积厚度为10-30nm。
步骤9：在掺杂非晶硅层15上蒸镀上电极层16，该多个电极层16为正电极和负电极交错排列，所述的正电极对应p型掺杂非晶硅层，负电极对应n型掺杂非晶硅层；其中采用电子束蒸发(EB)的方法沉积三层金属，构成电极层。先沉积一层金属Ti层，厚度为20-200nm，再沉积一层金属Pd层，厚度为20-200nm，最后再沉积一层金属Ag层，厚度为2000-3000nm。
步骤10：退火，完成制备，其中所述的退火温度为300-500℃，退火时间为20-180min，退火氛围为氮气或氩气或氦气，通气方式为连续性或间歇性。
实施例1
请参阅图2，并结合参阅图1所示，本实施例采用的衬底为双面抛光的p型(100)单晶硅，电阻率为1-10Ω·cm，用RCA标准清洗法清洗干净。将单晶硅送入等离子体化学气相沉积法沉积设备中，通入N2O、SiH4、He、N2，保持压力600mTorr，升温至300℃，功率设定为50W，双面生长500nm厚的SiO2。接着在背面涂胶，正面进行光刻。用BOE腐蚀4min，形成10x10μm的窗口区，BOE的溶液组成为NH4∶HF＝6∶1。之后去离子水冲洗硅片，用四甲基氢氧化铵与异丙醇的混合溶液在80℃的温度下腐蚀硅片25min，制作出倒金字塔结构，两者的浓度分别为15wt.％、10vol.％，其余为去离子水。然后去离子水冲洗硅片，用1L的AgNO3与HF的混合溶液腐蚀硅片90s，浓度分别为0.001M、0.3M。紧接着用H2O2、HF与去离子水配成的1L溶液腐蚀硅片20s，H2O2、HF浓度分别为1M、6M，这样之后硅片表面呈现黑色，制作出了纳米线结构。再将硅片放在丙酮中浸泡10min，再用80℃的乙醇浸泡10min，以去除光刻胶，用BOE浸泡硅片2min，去除残余SiO2，用去离子水冲洗干净。接着用HNO3∶H2O＝1∶3的溶液清洗硅片2小时，用HCl∶H2O2∶H2O＝1∶1∶6的溶液清洗硅片10min，温度为80℃；用BOE溶液浸泡5min，用去离子水冲洗，氮气吹干。然后以三甲基铝和水为反应源采用原子层沉积方法在200℃的温度下在正面沉积一层Al2O3，厚度为50nm。用等离子体化学气相沉积法在背面沉积一层本征非晶硅层，通入的气体为SiH4和高纯H2，沉积工艺参数为：硅烷浓度为8％，硅片衬底温度为250℃，反应压强：133Pa，气体总流量为50sccm，沉积厚度为10nm。接着用等离子体化学气相沉积法在背面沉积p、n型相间的非晶硅层，沉积p型非晶硅时通入的气体为纯H2、B2H6、SiH4，B2H6与SiH4浓度之比为1％，硅片衬底温度为250℃，反应压强：133Pa，气体总流量为50sccm，沉积厚度为10nm；沉积n型非晶硅时通入的气体为纯H2、PH3、SiH4，PH3与SiH4浓度之比为1％，硅片衬底温度为250℃，反应压强：133Pa，气体总流量为50sccm，沉积厚度为10nm。然后用电子束蒸发方法蒸镀背面电极，真空度为1.0E-6，先后蒸镀Ti、Pd、Ag金属层，厚度分别为50nm、50nm、2500nm。最后，对硅片进行退火，退火温度为450℃，时间为30min，气氛为氮气，通气方式为连续通入。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，包括：
一衬底；
一倒金字塔结构，该倒金字塔结构是在衬底正面腐蚀形成的；
一纳米线结构，该纳米线结构是在倒金字塔结构上腐蚀形成的；
一绝缘层，该绝缘层制作在倒金字塔结构上，并覆盖纳米线结构；
一本征非晶硅层，其制作在衬底的背面；
一掺杂非晶硅层，其制作在本征非晶硅层上；
多个电极层，其制作在掺杂非晶硅层上。
2.根据权利要求1所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，其中衬底的材料为n型晶体硅或p型晶体硅，厚度为150-300μm。
3.根据权利要求1所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，其中绝缘层的材料为高介电常数的Al2O3、SixNy或SiO2。
4.根据权利要求1所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，其中掺杂非晶硅层为p型、n型交错排列的掺杂非晶硅。
5.根据权利要求1所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构，其中多个电极层为正电极和负电极交错排列，所述的正电极对应p型掺杂非晶硅层，负电极对应n型掺杂非晶硅层。
6.一种改善HIT太阳能电池性能的微纳结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在一衬底的正面沉积一SiO2层；
步骤2：在SiO2层上进行光刻、开窗口，形成正方形窗口区；
步骤3：对窗口区进行化学腐蚀，在衬底上形成倒金字塔结构；
步骤4：采用化学腐蚀方法在倒金字塔结构的表面腐蚀出纳米线结构；
步骤5：去除光刻胶、去除残余SiO2层；
步骤6：在倒金字塔结构11上沉积一层高介电常数的绝缘层；
步骤7：在衬底背面沉积一层本征非晶硅层；
步骤8：在本征非晶硅层上沉积一层掺杂非晶硅层；
步骤9：在掺杂非晶硅层上蒸镀上电极层；
步骤10：退火，完成制备。
7.根据权利要求6所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构的制备方法，其中衬底的材料为n型晶体硅或p型晶体硅，厚度为150-300μm。
8.根据权利要求6所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构的制备方法，其中绝缘层的材料为高介电常数的Al2O3、SixNy或SiO2。
9.根据权利要求6所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构的制备方法，其中掺杂非晶硅层为p型、n型交错排列的掺杂非晶硅。
10.根据权利要求6所述的改善HIT太阳能电池性能的微纳结构的制备方法，其中多个电极层为正电极和负电极交错排列，所述的正电极对应p型掺杂非晶硅层，负电极对应n型掺杂非晶硅层。
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