CN104538476B - 基于硅纳米线绒面的异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅纳米线绒面的异质结太阳能电池及其制备方法。其自上而下包括栅线电极(1)、ITO氧化铟锡透明导电薄膜(2)、P型非晶硅层(3)、正面本征非晶硅层(4)、N型硅衬底(6)、背面本征非晶硅层(7)、N型非晶硅层(8)、AZO氧化锌透明导电膜(9)和背电极(10)。其中在正面本征非晶硅层(4)与N型硅衬底(6)之间设有硅纳米线绒面层(5)，以降低硅衬底的光反射率。该硅纳米线绒面是通过溶液转移至N型硅衬底(6)上并经微刻蚀形成相互交叉堆叠的硅纳米线层，具有强烈的陷光特性。本发明提高了异质结太阳能电池对光子的吸收和利用，改善了太阳能电池的转换效率，可用于光伏发电。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，特别是涉及基于硅纳米线绒面的异质结太阳能电池，可用于光伏发电。
背景技术
异质结太阳能电池不同于传统的太阳能电池，其PN结不是通过在硅衬底上掺入Ⅲ、Ⅴ族元素而形成的，而是在硅衬底上直接形成一层厚度为几十到几百纳米不同材料的N型或者P型薄膜而形成。由于PN结两侧的材料有着质的差别，因此，采用上述结构形成的太阳能电池称为异质结太阳能电池。异质结太阳能电池具有高转化效率，工艺简单及光稳定性好等优点，在光伏领域具有很大的前景。
现有的异质结太阳能电池表面的陷光结构通常采用金字塔型结构，剖面如图3所示。其结构自上而下分别为：栅线电极1、ITO氧化铟锡透明导电薄膜2、P型非晶硅层3、正面本征非晶硅层4、N型硅衬底5、背面本征非晶硅层6、N型非晶硅层7、AZO氧化锌透明导电膜8、背电极9。衬底表面通过湿法刻蚀，形成拥有金字塔型重复单元的表面，再在其上等离子体化学气相淀积PECVD本征非晶硅层和P型非晶硅层，形成具有金字塔陷光结构的能量转换机构。当光入射电池表面光线会在其表面连续反射，增加光在电池表面陷光结构中的有效运动长度和反射次数，从而增大能量转换机构对光的吸收效率。但是这种结构由于绒面尺寸不均匀且分布较广，使得衬底表面缺陷密度大大增加，在正表面难以获得高质量的绒面陷光，不易降低衬底对光的反射系数。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，给出了一种基于硅纳米线绒面的异质结太阳能电池，以提高异质结太阳能电池对光子的吸收和利用，降低硅衬底表面的光反射率。
为实现上述目的，本发明提出的基于硅纳米线绒面的异质结太阳能电池，自上而下包括栅线电极1、ITO氧化铟锡透明导电薄膜2、P型非晶硅层3、正面本征非晶硅层4、N型硅衬底6、背面本征非晶硅层7、N型非晶硅层8、AZO氧化锌透明导电膜9和背电极10，其特征在于：所述本征非晶硅层4与N型硅衬底6之间增设有硅纳米线绒面层5。
作为优选，所述的硅纳米线绒面层5是通过溶液转移至硅衬底6上而形成的相互交叉堆叠的硅纳米线层，每根硅纳米线的直径为40-80nm，长度为20-40μm。
作为优选，所述的正面本征非晶硅层4采用厚度为10-15nm的平整平面结构，所述平整平面为表面无三维微纳米结构的外延平面。
作为优选，所述的P型非晶硅层3采用厚度为15-20nm的平整平面结构。
作为优选，所述的N型硅衬底6厚度为300-500μm。
作为优选，所述的栅线电极1采用金属银材料。
作为优选，所述的背面本征非晶硅层7采用厚度为10-15nm的平整表面结构。
作为优选，所述的N型非晶硅层8采用为厚度15-20nm平整表面结构。
作为优选，所述的AZO氧化锌透明导电膜9采用Al掺杂，Al2O3的质量分数为1％。
作为优选，所述的背电极10采用金属铝材料。
为实现上述目的，本发明的制备方法包括如下步骤：
1)采用RCA标准工艺清洗N型硅衬底；
2)抛光N型硅衬底上下表面；
将清洗后的N型硅衬底置于浓度为15％—30％的KOH溶液中，加热至65-70℃，浸泡1分钟，对其进行抛光处理，去除N型硅衬底的表面机械损伤；
3)在N型硅衬底上表面制作硅纳米线绒面层；
3a)取另一块硅衬底a，并在其上淀积5-10nm的金属Ni；
3b)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，升温至470-520℃，再通入流量比为1:20氢气和硅烷的混合气体，反应30分钟，在该硅衬底a上生长出一层硅纳米线；
3c)将生长出硅纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡20-30分钟，使硅纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成硅纳米线悬浮液；
3d)用滴管将硅纳米线悬浮液转移到已经抛光后的N型硅衬底上表面，形成硅纳米线层；
3e)将已经转移有硅纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡5-10分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对硅纳米线层进行清洗；
3f)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻蚀清洗过的硅纳米线层，形成硅纳米线绒面层；
4)在已形成纳米线绒面层的N型硅衬底正面和背面采用等离子体增强化学气相沉积PECVD分别淀积正面本征非晶硅层和背面本征非晶硅层；
5)在正面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积P型非晶硅层；
6)在P型非晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导电极；
7)在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺沉积金属银并刻蚀形成栅线电极；
8)在背面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积工艺淀积N型非晶硅层；
9)在N型非晶硅层8上采用磁控溅射沉积含Al2O3质量分数1％的AZO氧化锌透明导电膜玻璃薄膜；
10)在AZO氧化锌薄膜表面采用电子束蒸发工艺沉积金属铝形成太阳能电池的背电极，完成硅纳米线绒面的异质结太阳能电池的制备。
本发明通过增加具有高表面积和高陷光特性的硅纳米线绒面层，能够有效降低硅衬底对光反射，可以将衬底的光射率降至5％以下，提高异质结太阳能电池对光子的吸收和利用，改善太阳能电池的转换效率。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图。
图2是本发明的制作工艺流程图。
图3是现有拥有金字塔型陷光结构的异质结太应能电池结构示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明自上而下包括栅线电极1、ITO氧化铟锡透明导电薄膜2、P型非晶硅层3、正面本征非晶硅层4、硅纳米线绒面层5、N型硅衬底6、背面本征非晶硅层7、N型非晶硅层8、AZO氧化锌透明导电膜9和背电极10。其中所述栅线电极1采用金属银材料；所述P型非晶硅层3采用厚度为15-20nm的平整平面结构；所述硅纳米线绒面层5是通过溶液转移至硅衬底6上而形成的相互交叉堆叠的硅纳米线层，每根硅纳米线的直径为40-80nm，长度为20-40μm，此绒面层有高表面积以及比可见光波长更小的直径，因此具有强烈的陷光特性，能够有效的降低硅衬底表面的光反射率；所述N型硅衬底6的厚度为300-500μm，背面本征非晶硅层7的厚度为10-15nm，N型非晶硅层8的厚度为15-20nm；所述AZO氧化锌透明导电膜9采用Al掺杂，Al2O3的质量分数为1％；所述背电极10采用金属铝材料。
以下给出制作基于硅纳米线绒面的异质结太阳能电池的三个实施例：
实施例1，制作每根硅纳米线的直径为40nm，长度为20μm的硅纳米线绒面的异质结太阳能电池。
参照图2，本实例的制作步骤如下：
步骤1：清洗N型硅衬底，以去除表面污染物。
(1.1)使用丙酮和异丙醇对N型硅衬底6交替进行超声波清洗，以去除衬底表面有机物污染；
(1.2)配置1：1：3的氨水、双氧水、去离子水的混合溶液，并加热至120℃，将N型硅衬底6置于此混合溶液中浸泡12分钟，取出后用大量去离子水冲洗，以去除N型硅衬底6表面无机污染物；
(1.3)将N型硅衬底6用HF酸缓冲液浸泡2分钟，去除表面的氧化层。
步骤2：抛光N型硅衬底上下表面。
将清洗后的N型硅衬底6置于浓度为15％的KOH溶液中，加热至65℃，浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去N型硅衬底6的表面机械损伤。
步骤3：在N型硅衬底上表面制作硅纳米线绒面层。
(3.1)取另一块硅衬底a，并在其上淀积5nm的金属Ni；
(3.2)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，升温至470℃，再通入流量比为1:20氢气和硅烷的混合气体，反应10分钟，在该硅衬底a上生长出一层硅纳米线；
(3.3)将生长出硅纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡20分钟，使硅纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成硅纳米线悬浮液；
(3.4)用滴管将硅纳米线悬浮液转移到已经抛光后的N型硅衬底上表面，形成硅纳米线层；
(3.5)将已经转移有硅纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡5分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对硅纳米线层进行清洗；
(3.6)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻蚀清洗过的硅纳米线层，形成硅纳米线绒面层，其刻蚀气体为SF6，刻蚀时间为2分钟。
步骤4：在已形成纳米线绒面层的N型硅衬底正面和背面采用等离子体增强化学气相沉积PECVD分别淀积厚度为10nm的正面本征非晶硅层和背面本征非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1：200，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤5：在正面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度15nm的P型非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与B2H6浓度比为100:1，SiH4与CH4浓度比为5：1，反应室压强100Pa，基板温度250℃。
步骤6：在P型非晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导电极。
步骤7：在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺沉积金属银并刻蚀形成栅线电极。
步骤8：在背面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD工艺，淀积厚度为15nm的N型非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1：200，PH3与SiH4浓度比为1:100，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤9：在N型非晶硅层8上采用磁控溅射方法沉积含Al2O3质量分数1％的AZO氧化锌透明导电膜玻璃薄膜。
步骤10：在AZO氧化锌薄膜表面采用电子束蒸发工艺沉积金属铝，形成太阳能电池的背电极，完成硅纳米线绒面的异质结太阳能电池的制备。
实施例2，制作每根硅纳米线的直径为60nm，长度为30μm的硅纳米线绒面的异质结太阳能电池。
参照图2，本实例的制作步骤如下：
步骤一：清洗N型硅衬底，以去除表面污染物。
本步骤与实施例1的步骤1相同。
步骤二：抛光N型硅衬底上下表面。
将清洗后的N型硅衬底6置于浓度为20％的KOH溶液中，加热至65℃，浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去N型硅衬底6的表面机械损伤。
步骤三：在N型硅衬底上表面制作硅纳米线绒面层。
(3a)取另一块硅衬底a，并在其上淀积8nm的金属Ni；
(3b)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，升温至500℃，再通入流量比为1:20氢气和硅烷的混合气体，反应20分钟，在该硅衬底a上生长出一层硅纳米线；
(3c)将生长出硅纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡30分钟，使硅纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成硅纳米线悬浮液；
(3d)用滴管将硅纳米线悬浮液转移到已经抛光后的N型硅衬底上表面，形成硅纳米线层；
(3e)将已经转移有硅纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡10分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对硅纳米线层进行清洗；
(3f)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻蚀清洗过的硅纳米线层，形成硅纳米线绒面层，其刻蚀气体为SF6，刻蚀时间为4分钟。
步骤四：在已形成纳米线绒面层的N型硅衬底正面和背面采用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法分别淀积厚度为13nm的正面本征非晶硅层和背面本征非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1:200，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤五：在正面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法淀积厚度为18nm的P型非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与B2H6浓度比为100:1，SiH4与CH4浓度比为5：1，反应室压强100Pa，基板温度250℃。
步骤六：与实施例1的步骤6相同。
步骤七：与实施例1的步骤7相同。
步骤八：在背面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法淀积厚度为18nm的N型非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1：200，PH3与SiH4浓度比为1:100，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤九：与实施例1的步骤9相同。
步骤十：与实施例1的步骤10相同，完成硅纳米线绒面的异质结太阳能电池的制备。
实施例3，制作每根硅纳米线的直径为80nm，长度为40μm的硅纳米线绒面的异质结太阳能电池。
参照图2，本实例的制作步骤如下：
步骤A：清洗N型硅衬底，以去除表面污染物。
本步骤与实施例1的步骤1相同。
步骤B：抛光N型硅衬底上下表面。
将清洗后的N型硅衬底6置于浓度为30％的KOH溶液中，加热至75℃，浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去N型硅衬底6的表面机械损伤。
步骤C：在N型硅衬底上表面制作硅纳米线绒面层。
(C1)取另一块硅衬底a，并在其上淀积10nm的金属Ni；
(C2)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，升温至520℃，再通入流量比为1:20氢气和硅烷的混合气体，反应30分钟，在该硅衬底a上生长出一层硅纳米线；
(C3)将生长出硅纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡40分钟，使硅纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成硅纳米线悬浮液；
(C4)用滴管将硅纳米线悬浮液转移到已经抛光后的N型硅衬底上表面，形成硅纳米线层；
(C5)将已经转移有硅纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡15分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对硅纳米线层进行清洗；
(C6)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻蚀清洗过的硅纳米线层，形成硅纳米线绒面层，其刻蚀气体为CF4，刻蚀时间为5分钟。
步骤D：在已形成纳米线绒面层的N型硅衬底正面和背面采用等离子体增强化学气相沉积PECVD分别淀积厚度15nm的正面本征非晶硅层和背面本征非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1：200，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤E：在正面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法淀积厚度为20nm的P型非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与B2H6浓度比为100:1，SiH4与CH4浓度比为5：1，反应室压强100Pa，基板温度250℃。
步骤F：与实施例1的步骤6相同。
步骤G：与实施例1的步骤7相同。
步骤H：在背面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD方法淀积厚度为20nm的N型非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1：200，PH3与SiH4浓度比为1:100，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤I：与实施例1的步骤9相同。
步骤J：与实施例1的步骤10相同，完成硅纳米线绒面的异质结太阳能电池的制备。
Claims (2)
1.一种基于硅纳米线绒面的异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
1)采用RCA标准工艺清洗N型硅衬底；
2)抛光N型硅衬底上下表面；
将清洗后的N型硅衬底置于浓度为15％—30％的KOH溶液中，加热至65-70℃，浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去除N型硅衬底的表面机械损伤；
3)在N型硅衬底上表面制作硅纳米线绒面层；
3a)取另一块硅衬底a，并在其上淀积5-10nm的金属Ni；
3b)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，升温至470-520℃，再通入流量比为1:20氢气和硅烷的混合气体，反应30分钟，在该硅衬底a上生长出一层硅纳米线；
3c)将生长出硅纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡20-30分钟，使硅纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成硅纳米线悬浮液；
3d)用滴管将硅纳米线悬浮液转移到已经抛光后的N型硅衬底上表面，形成硅纳米线层；
3e)将已经转移有硅纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡5-10分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对硅纳米线层进行清洗；
3f)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻蚀清洗过的硅纳米线层，形成硅纳米线绒面层；
4)在已形成纳米线绒面层的N型硅衬底正面和背面采用等离子体增强化学气相沉积PECVD分别淀积厚度为10-15nm的正面本征非晶硅层和背面本征非晶硅层；
5)在正面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积厚度为15-20nm的P型非晶硅层；
6)在P型非晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导电极；
7)在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺沉积金属银并刻蚀形成 栅线电极；
8)在背面本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积工艺淀积厚度为15-20nm的N型非晶硅层；
9)在N型非晶硅层(8)上采用磁控溅射沉积含Al2O3质量分数1％的AZO氧化锌透明导电膜玻璃薄膜；
10)在AZO氧化锌薄膜表面采用电子束蒸发工艺沉积金属铝形成太阳能电池的背电极，完成硅纳米线绒面的异质结太阳能电池的制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3f)中所述的耦合离子刻蚀，其刻蚀气体为SF6或CF4，刻蚀时间为2-5分钟。
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