CN104716209A - 基于硅基纳米线的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基纳米线的太阳能电池，包括依次叠层连接的背电极、硅衬底、扩散结构层、纳米线阵列、钝化层以及正面电极；其中，所述硅衬底具有一金字塔型绒面，所述扩散结构层位于所述金字塔型绒面上，所述扩散结构层与所述硅衬底形成PN结；所述纳米线阵列通过在所述金字塔型绒面上刻蚀形成，每一纳米线包括掺杂类型相同的底部纳米线和顶部纳米线，其中，顶部纳米线比底部纳米线具有更高的掺杂浓度。本发明还公开了如上所述太阳能电池的制备方法。该太阳能电池中的纳米线阵列具有分级结构，可获得较低反射率的电池，同时可有效降低纳米线长度，有利于钝化层覆盖，降低光生载流子表面复合概率。
Description
技术领域
本发明涉及新结构太阳能电池制造领域，特别是涉及一种基于硅基纳米线的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着全球能源的短缺和气候变暖，太阳能发电等可再生能源正取代传统的火力发电成为当今能源领域研究的热点和发展的趋势。然而，太阳能发电成本高、转化效率低已成为制约其发展的主要瓶颈。如果能将21世纪的标志技术：纳米结构制造融合其中，形成第三代太阳能电池，将有助于解决长期困扰这两个领域的效率低，成本高的瓶颈问题，实现太阳能技术的飞跃。
在硅基纳米柱阵列的制备方面：英国石油公司(BP)联合美国加州理工大学，通过Au或Al等金属颗粒催化气相生长方法制备硅纳米柱阵列。该方法工艺条件虽稳定、可重复，但无法去除Au或Al等催化金属，造成金属离子的引入，使太阳能电池的特性恶化。而且此方法生长的硅纳米柱并非垂直分布，不利于后续器件的制备。此外，美国波特兰大学和佛罗里达州立大学采用化学旋涂混有硅纳米晶的生物减反膜，并通过硅颗粒掩蔽干法刻蚀晶体硅形成规则的纳米柱。此法虽然可以大规模生产，且能得到规则分布的纳米柱阵列。然而，此技术并未能够应用到太阳能电池领域。而且硅纳米晶会被刻蚀造成掩蔽效果差，从而起不到掩蔽效果，造成晶体硅纳米柱的腐蚀，影响最终电池特性。
中国专利申请CN102115028A公开了一种制备硅基纳米柱阵列的方法，主要用于电池效率的提高以及研制基于硅基纳米柱的异质结太阳能电池。该方法中，利用湿法腐蚀的方法制备了垂直分布的、可一次在硅片表面大面积制备纳米线阵列。该方法制备步骤简单，且与传统的硅太阳能电池工艺兼容。但是，在该方法中，单纯采用硅纳米线减反，一方面表面结构复杂钝化效果差，另一方面不能与电极形成良好欧姆接触。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于硅基纳米线的太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池中的纳米线阵列具有分级结构，可获得较低反射率的电池，同时可有效降低纳米线长度，有利于钝化层覆盖，降低光生载流子表面复合概率。
为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于硅基纳米线的太阳能电池，包括依次叠层连接的背电极、硅衬底、扩散结构层、纳米线阵列、钝化层以及正面电极；其中，所述硅衬底具有一金字塔型绒面，所述扩散结构层位于所述金字塔型绒面上，所述扩散结构层与所述硅衬底形成PN结；所述纳米线阵列通过在所述金字塔型绒面上刻蚀形成，每一纳米线包括掺杂类型相同的底部纳米线和顶部纳米线，其中，顶部纳米线比底部纳米线具有更高的掺杂浓度。
其中，所述顶部纳米线的长度为0.2～1μm，所述底部纳米线的长度为100～500nm。
其中，所述硅衬底为太阳能级硅衬底，p型或n型掺杂，晶面指数为(100)；当所述硅衬底为p型掺杂，则所述扩散结构层为磷扩散结构层；当所述硅衬底为n型掺杂，则所述扩散结构层为硼扩散结构层。
进一步地，该太阳能电池还包括Al背场，位于所述背电极与硅衬底之间。
如上的基于硅基纳米线的太阳能电池的制备方法，包括步骤：
S101、提供一硅衬底，并用碱溶液腐蚀获得金字塔型绒面；
S102、在金字塔型绒面上进行第一次扩散，获得第一扩散结构层；
S103、在第一扩散结构层上进行湿法刻蚀，获得纳米线阵列；其中，由第一扩散结构层刻蚀形成顶部纳米线，由金字塔型绒面刻蚀形成底部纳米线；
S104、在金字塔型绒面上进行第二次扩散，获得第二扩散结构层，第二扩散结构层与硅衬底形成PN结，并使顶部纳米线比底部纳米线具有更高的掺杂浓度。
具体地，步骤S101中，所述碱溶液采用浓度为2～6％的KOH或NaOH溶液，腐蚀时间为20～40min，温度85～95℃。
具体地，所述第一扩散结构层和所述第二扩散结构层的方块电阻均为40～90Ω，深度为0.2～1μm。
具体地，步骤S103中，刻蚀溶液采用浓度为4.0～6.0M的氢氟酸和浓度为0.01～0.03M的银或镍的盐溶液的混合溶液，溶液温度为20℃～50℃，刻蚀时间为30s～3min。
进一步地，在步骤S103之后，还包括清洗纳米线阵列的步骤，依次采用去离子水、硝酸溶液、盐酸溶液以及去离子水清洗具有纳米线阵列的硅衬底。
进一步地，该方法还包括步骤：在纳米线阵列上制备钝化层和正面电极；在与纳米线阵列相对一面的硅衬底上依次制备Al背场和背电极。
本发明的有益效果体现在：
首先，该方法利用湿法化学腐蚀形成硅基纳米线阵列，能够极大降低因干法刻蚀所造成的损伤，而且由于纳米线阵列的独特减反效果，增加了光能的吸收，有利于提高太阳能电池的转化效率。
其次，该方法通过两次扩散工艺，最终制备得到的纳米线具有分级结构，一方面提高了纳米先与电极的接触特性，改善了纳米先阵列与电极接触的问题；另一方面，由于纳米线生长在金字塔减反结构之上，获得较低反射率电池的同时可有效降低纳米线长度，有利于钝化层覆盖，降低光生载流子表面复合概率。
最后，该方法制备的基于纳米线阵列的太阳能电池，其制备工艺能很好的与现有工艺结合，能在不增加工艺的复杂度，同时保持较低成本的前提下，制备高转换效率的太阳能电池。
附图说明
图1是本发明实施例提供的太阳能电池的结构示意图。
图2是如图1所示的太阳能电池的局部放大示意图。
图3是本发明实施例提供的太阳能电池的制备方法的工艺流程图。
图4a-图4f是本发明太阳能电池的制备方法的各步骤示例性图示。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
参阅图1和图2，本实施例提供的一种基于硅基纳米线的太阳能电池，包括依次叠层连接的背电极60、Al背场70、硅衬底10、扩散结构层20、纳米线阵列30、钝化层40以及正面电极50。其中，所述硅衬底10具有一金字塔型绒面10a，所述扩散结构层20位于所述金字塔型绒面10a上，所述扩散结构层20与所述硅衬底10形成PN结。所述纳米线阵列30通过在所述金字塔型绒面10a上刻蚀形成，每一纳米线30a包括掺杂类型相同的底部纳米线302和顶部纳米线301，其中，顶部纳米线301比底部纳米线302具有更高的掺杂浓度。
所述纳米线阵列30是通过在所述金字塔型绒面10a上刻蚀形成。每一纳米线30a中，顶部纳米线301经过两次扩散掺杂，底部纳米线302经过一次扩散掺杂，因此底部纳米线302和顶部纳米线301具有相同的掺杂类型，并且顶部纳米线301比底部纳米线302具有更高的掺杂浓度。进一步地，所述顶部纳米线的长度为0.2～1μm，所述底部纳米线的长度为100～500nm。
如上的太阳能电池中，其中的纳米线具有分级结构(包括掺杂浓度不同的底部纳米线和顶部纳米线)，一方面提高了纳米先与电极的接触特性，改善了纳米先阵列与电极接触的问题；另一方面，由于纳米线生长在金字塔减反结构之上，获得较低反射率电池的同时可有效降低纳米线长度，有利于钝化层覆盖，降低光生载流子表面复合概率。
进一步地，所述硅衬底10为太阳能级硅衬底(纯度大于99.9999％的硅衬底)，p型或n型掺杂，晶面指数为(100)。当所述硅衬底10为p型掺杂，则所述扩散结构层20为磷扩散结构层；当所述硅衬底10为n型掺杂，则所述扩散结构层20为硼扩散结构层。
下面参阅图3和图4a-图4f详细说明如上所述太阳能电池的制备工艺过程。
如图3所示，本实施例提供的基于硅基纳米线的太阳能电池的制备方法，包括步骤：
(a)、提供一硅衬底10，并用碱溶液腐蚀获得金字塔型绒面10a，如图4a所示。其中，本实施例中，硅衬底10为p型掺杂。进一步地，所述碱溶液采用浓度为2～6％(比较典型的数值是3％)的KOH或NaOH溶液，腐蚀时间为20～40min，温度85～95℃。获得的金字塔型结构的垂直高度为2～5μm。
(b)、在金字塔型绒面10a上进行第一次扩散，获得第一扩散结构层20a，如图4b所示。具体地，利用POCl3作为磷扩散源，在N2、O2气氛下，通磷源等传统太阳能电池工艺进行扩散，获得深度为0.2～1.0μm的第一扩散结构层20a，形成pn结。进一步地，第一扩散结构层20a的方块电阻为40～90Ω。
(c)、在第一扩散结构层20a上进行湿法刻蚀，获得初步纳米线阵列，如图4c所示。其中，湿法刻蚀的深度完全穿透第一扩散结构层20a，并且部分刻蚀至第一扩散结构层20a以下的金字塔型绒面10a(刻蚀深度为100～500nm)，基于此，由第一扩散结构层20a刻蚀形成初步的顶部纳米线301a(n型纳米线，其长度与第一扩散结构层20a的深度相当，为0.2～1.0μm)，由金字塔型绒面10a刻蚀形成初步的底部纳米线302a(p型纳米线，其长度与金字塔型绒面10a的刻蚀深度的相当，为100～500nm)。具体地，刻蚀溶液采用浓度为4.0～6.0M的氢氟酸和浓度为0.01～0.03M的银或镍的盐溶液的混合溶液，溶液温度为20℃～50℃，刻蚀时间为30s-3min，并进行搅拌以保持浓度一致。
(d)、对具有纳米线阵列的硅衬底进行表面清洗，去除残余物。具体地，将样品依次浸入去离子水，浸入硝酸溶液中，去离子水、氢氟酸溶液、去离子水中，时间依次为2～3min、1小时、2～3min、30s、2～3min。通过上述清洗，制得表面洁净、无残余物的纳米线阵列。其中硝酸溶液是浓硝酸溶液、氢氟酸溶液为稀释过的氢氟酸，其典型浓度值为10％。
(e)、在金字塔型绒面10a上进行第二次扩散，获得第二扩散结构层20，如图4d所示。其中，第二扩散结构层20与硅衬底10形成PN结。在此，初步的顶部纳米线301a再次进行扩散，获得最终的顶部纳米线301(n+型纳米线)，初步的底部纳米线302a进行了一次扩散，获得最终的底部纳米线302(n型纳米线)。由此得到了具有分级结构的纳米线30a(包括掺杂浓度不同的底部纳米线302和顶部纳米线301)。该步骤中的扩散工艺与步骤(b)中的扩散工艺相同。
(f)、在纳米线阵列30上制备钝化层40和正面电极50；在与纳米线阵列30相对一面的硅衬底10上依次制备Al背场70和背电极60，如图4e、4f所示。该步骤中，利用传统生产线工艺，依次通过等离子切边工艺，PECVD沉积SiN工艺制备得到钝化层40，通过丝网印刷工艺制备正面电极50、背电极30、铝背场70并烧结完成太阳能电池的制备。其中，所制备的SiN薄膜的厚度的典型值为80～100nm，制备的正面电极的副栅的典型宽度为110～150μm，主栅的典型宽度为1.5～2mm。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明提供的基于硅基纳米线的太阳能电池及其制备方法，至少具有下列优点：首先，此法利用湿法化学腐蚀形成硅基纳米线阵列，能够极大降低因干法刻蚀所造成的损伤，而且由于纳米线阵列的独特减反效果，增加了光能的吸收，有利于提高太阳能电池的转化效率。其次，此方法通过两次扩散工艺，最终制备得到的纳米线具有分级结构(包括掺杂浓度不同的底部纳米线和顶部纳米线)，一方面提高了纳米线与电极的接触特性，改善了纳米线阵列与电极接触的问题；另一方面，由于纳米线生长在金字塔减反结构之上，获得较低反射率的同时可有效降低纳米线长度，有利于钝化层覆盖，降低光生载流子表面复合概率。最后，该方法制备的基于纳米线阵列的太阳能电池，其制备工艺能很好的与现有工艺结合，能在不增加工艺的复杂度，同时保持较低成本的前提下，制备高转换效率的太阳能电池。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于硅基纳米线的太阳能电池，包括依次叠层连接的背电极、硅衬底、扩散结构层、纳米线阵列、钝化层以及正面电极；其特征在于，所述硅衬底具有一金字塔型绒面，所述扩散结构层位于所述金字塔型绒面上，所述扩散结构层与所述硅衬底形成PN结；所述纳米线阵列通过在所述金字塔型绒面上刻蚀形成，每一纳米线包括掺杂类型相同的底部纳米线和顶部纳米线，其中，顶部纳米线比底部纳米线具有更高的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的基于硅基纳米线的太阳能电池，其特征在于，所述顶部纳米线的长度为0.2～1μm，所述底部纳米线的长度为100～500nm。
3.根据权利要求1所述的基于硅基纳米线的太阳能电池，其特征在于，所述硅衬底为太阳能级硅衬底，p型或n型掺杂，晶面指数为(100)；当所述硅衬底为p型掺杂，则所述扩散结构层为磷扩散结构层；当所述硅衬底为n型掺杂，则所述扩散结构层为硼扩散结构层。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于硅基纳米线的太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池还包括Al背场，位于所述背电极与硅衬底之间。
5.权利要求1-4所述的基于硅基纳米线的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S101、提供一硅衬底，并用碱溶液腐蚀获得金字塔型绒面；
S102、在金字塔型绒面上进行第一次扩散，获得第一扩散结构层；
S103、在第一扩散结构层上进行湿法刻蚀，获得纳米线阵列；其中，由第一扩散结构层刻蚀形成顶部纳米线，由金字塔型绒面刻蚀形成底部纳米线；
S104、在金字塔型绒面上进行第二次扩散，获得第二扩散结构层，第二扩散结构层与硅衬底形成PN结，并使顶部纳米线比底部纳米线具有更高的掺杂浓度。
6.根据权利要求5所述的基于硅基纳米线的太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S101中，所述碱溶液采用浓度为2～6％的KOH或NaOH溶液，腐蚀时间为20～40min，温度85～95℃。
7.根据权利要求5所述的基于硅基纳米线的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一扩散结构层和所述第二扩散结构层的方块电阻均为40～90Ω，深度为0.2～1μm。
8.根据权利要求5所述的基于硅基纳米线的太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤S103中，刻蚀溶液采用浓度为4.0～6.0M的氢氟酸和浓度为0.01～0.03M的银或镍的盐溶液的混合溶液，溶液温度为20℃～50℃，刻蚀时间为30s～3min。
9.根据权利要求5所述的基于硅基纳米线的太阳能电池的制备方法，其特征在于，在步骤S103之后，还包括清洗纳米线阵列的步骤，依次采用去离子水、硝酸溶液、盐酸溶液以及去离子水清洗具有纳米线阵列的硅衬底。
10.根据权利要求5-9任一所述的基于硅基纳米线的太阳能电池的制备方法，其特征在于，该方法还包括步骤：在纳米线阵列上制备钝化层和正面电极；在与纳米线阵列相对一面的硅衬底上依次制备Al背场和背电极。
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