一種基於矽納米錐晶體的全太陽光譜響應的太陽電池製備方法

2023-12-01 01:15:06 1

一種基於矽納米錐晶體的全太陽光譜響應的太陽電池製備方法
【專利摘要】本發明屬於光伏新型材料【技術領域】，具體為一種基於矽納米錐晶體的全太陽光譜響應的太陽電池製備方法。具體步驟包括：（1）製備PN結，對P型或N型矽片進行摻雜形成PN結；（2）表面矽納米錐製備，對矽片進行大束流離子束轟擊，在表面自組織生長矽納米錐，同時進行真空退火，消除表面缺陷；（3）上表面鈍化，蒸鍍一層二氧化矽或三氧化二鋁或氮化矽等鈍化層；（4）下表面鈍化加場效應，蒸鍍一層三氧化二鋁或氧化鎂；（5）製作上下電極。本發明方法對設備要求較低，成本低廉，安全無毒，是一種新型的製備全太陽光譜響應太陽電池的方法。
【專利說明】-種基於矽納米錐晶體的全太陽光譜響應的太陽電池製備 方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於光伏新型材料【技術領域】，具體涉及一種基於矽納米錐晶體的全太陽光 譜響應的太陽電池製備方法。

【背景技術】
[0002] 提高太陽電池效率的方法之一是讓更多入射光子進入電池，常用的方法是在電池 表面採用金字塔表面和減反射膜，這種兩種方法的效果不是十分理想，不僅在短波和長波 範圍內反射較大，而且對低入射角的太陽光以及散射光的反射很大；此外，常規方法的工藝 複雜、成本較高。
[0003] 矽表面納米或者微米結構通常由表面針狀或錐狀陣列構成，由於其獨特的光學性 質在提高光電探測器靈敏度、提高太陽能電池效率等多方面找到應用，受到了極大的關注。 這種納米或微米結構的針狀或錐狀陣列應用太陽電池表面，不僅在很寬的波長範圍內（從 短波到長波)的反射極小，而且對不同角度入射的太陽光的反射也比常規方法小得多。有很 多途徑可以製備這種表面，比如電化學刻蝕、等離子體增強化學刻蝕以及活性脈衝雷射刻 蝕等，但由於這些方法對設備的要求較高，很難適用大規模生產(例如太陽能電池的表面制 絨化處理)。
[0004] 本發明採用離子束濺射引導矽表面納米錐陣列結構，此方法對設備要求較低，成 本低廉，安全無毒且外延結晶度好，是一種新型的製備表面制絨矽的有效途徑。同時基於此 種矽納米錐晶體對全太陽光譜波段的強吸收特性以及紅外光電性質，製備成一種全太陽光 譜響應的太陽電池。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在於提出一種新的基於矽納米錐晶體的太陽電池的製備方法，其對 設備要求較低，製造成本低廉，安全無毒，能夠獲得極低反射的全太陽光譜響應的太陽電 池。
[0006] 本發明通過離子束轟擊得到表面制絨矽，其是一種對可見和近紅外波段的光有低 反射和強吸收的矽表面結構，通常由表面針狀或錐狀陣列構成。由於其獨特的光學性質，在 提高光電探測器靈敏度、提高太陽能電池效率等多方面找到應用。
[0007] 本發明提供的一種基於矽納米錐晶體的全太陽光譜響應的太陽電池製備方法，具 體步驟如下： (1) 製備PN結：對P型或N型矽片進行摻雜形成PN結，結深為100納米到600納米； (2) 表面矽納米錐製備：對矽片進行大束流離子束轟擊，在表面自組織生長矽納米錐， 同時進行真空退火，消除表面缺陷，矽納米錐的高度為1〇〇納米到400納米； (3) 上表面鈍化：在上表面蒸鍍一層二氧化矽、三氧化二鋁或氮化矽鈍化層實現場效應 鈍化，鈍化層的厚度為10納米到100納米； (4) 下表面鈍化：在下表面蒸鍍一層三氧化二鋁或氧化鎂實現場效應鈍化，鈍化層的厚 度為10納米到200納米； (5) 製作上下電極，從而得到太陽電池。
[0008] 上述步驟（1)中，通過掩模板對P型或N型矽片進行金屬離子摻雜，摻雜元素包括 鐵、鉻或鑰中任一種。
[0009] 上述步驟（1)中，通過磷漿的旋塗施膠、熱擴散燒結方法對P型或N型矽片進行磷 摻雜。
[0010] 上述步驟（2)中，採用離子束為惰性氣體離子束；所述惰性氣體離子束為氬離子 或氮離子中任一種。其採用考夫曼離子源，它為一種標準化離子源，由燈絲、陽極環、永磁 鐵、屏柵和加速柵構成。
[0011] 上述步驟（2 )中，通過輻射或熱傳導加熱控制平面矽片的溫度，進而改變納米錐形 貌特徵。真空退火時採用一個真空腔內的鎢絲熱電子轟擊裝置，對樣品進行加熱。
[0012] 上述步驟（5 )中，通過絲網印刷背面鋁電極漿料或蒸鍍鋁電極製作下電極，通過上 表面上絲網印刷銀電極，或者蒸鍍TiAg或TiPaAg，或者採用透明導電膜TC0製作上電極。
[0013] 本發明的有益效果在於，本發明通過離子束轟擊得到表面制絨矽，由於其對全太 陽光譜波段的強吸收特性，且製備方法成本低廉，可用於大規模生產，因此可作為一種基於 矽納米錐晶體的新型表面減反射制絨矽襯底。同時經過表面鈍化以及背部鋁背場效應，最 後加上一些常規的電池電極製作工藝，可得到一種對全太陽光譜響應的基於矽納米錐晶體 的太陽電池。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明得到的太陽能電池結構示意圖。
[0015] 圖2為實施例得到的電池結構示意圖，其中矽納米錐是鑲嵌在二氧化矽層中。
[0016] 圖3為矽納米錐陣列SEM結構圖表徵。
[0017] 圖4為平面矽和表面制絨矽的光學性質(吸收譜)。
[0018] 圖5為電池測量結果，包括IV曲線、效率等，由太陽光模擬光源AM1. 5儀器測試完 成，其中Voc為開路電壓，Jsc為短路電流密度，FF為填充因子，Eff為電池效率。
[0019] 圖中標號：11 為 Al，21 為 A1203 或者 Mg0,31 為 p-Si，41 為 n-Si，51 為 Si02 , 52 為 納米錐，61 為 TC0,62 為 Ag 或 PaAg 或 TiPaAg。

【具體實施方式】
[0020] 以下結合附圖和實施例用以說明本發明，但不用於限制本發明。
[0021] 如圖1所示是本發明得到的太陽能電池結構示意。其中，圖1A所示結構包括：下 電極A1 (11)，鈍化層A1203或者MgO (21)，p型Si (31)，n型Si (41)，上表面鈍化層Si02 (51)，納米錐（52)，上電極為透明導電膜TCO (61)。圖1B所示結構的上電極為Ag或PaAg 或TiPaAg (62)，其它與結構A相同。
[0022] 實施例1 1、原料 矽片：lcmXlcmX0. 15mm P型單晶矽矽片（100)，電阻率1-3歐姆；磷漿、氨水（：濃度 25wt%)、雙氧水(濃度30wt%)、高純氮氣、氫氟酸(濃度20wt%)、去離子水、高純氦氣、二氧化 矽顆粒、氧化鋁顆粒、氧化鎂顆粒、鋁絲、銀顆粒。
[0023] 2、設備 臺式勻膠機、管式電阻爐、考夫曼離子源、高真空腔、鎢絲熱電子加熱、高真空鍍膜機。
[0024] 3、工藝參數設定 矽片在混合溶液中蒸煮時間：20分鐘； 磷漿旋塗時間：20秒； 磷漿旋塗轉速：2000轉/分鐘； 磷摻雜煅燒：高純氮氣860°C，20分鐘； 考夫曼離子源轟擊參數：屏極電壓1500V，加速極電壓200V，陽極電壓60V，束流密度 1000 μ A cm2,轟擊時間25分鐘。
[0025] 鎢絲熱電子真空加熱：離子束轟擊加熱時間25分鐘，真空退火1小時，溫度 800。。。
[0026] 表面鈍化加場效應：二氧化矽膜厚度10nm，氧化鋁/氧化鎂膜厚度10nm，高純氮氣 425°C退火1小時。
[0027] 4、工藝過程 工藝具體過程為： (1) 將原料P型矽片放在氨水和雙氧水體積比為1 :1的混合溶液中蒸煮20分鐘，之後 通過勻膠機將磷漿均勻旋塗在矽片表面上進行磷摻雜，旋塗時間為20秒，轉速為2000轉/ 分鐘；接下來將矽片放入管式電阻爐中，通入高純氮氣860°C煅燒20分鐘進行磷摻雜；待冷 卻到室溫後用氫氟酸和去離子水洗去矽片表面殘留的磷漿； (2) 將PN結矽片放入裝配有考夫曼離子源的高真空腔內，經受能量為1.5 keV、束流密 度為1000 μ A cnT2的離子束垂直轟擊25分鐘；同時一個鎢絲熱電子加熱裝置對樣品進行 加熱，加熱溫度為800°C ;之後在腔中進行800°C真空退火一個小時； (3) 在樣品上表面蒸鍍10nm厚度的二氧化矽，下表面蒸鍍10nm厚度的氧化鋁或氧化 鎂；之後在高純氮氣中425°C退火一個小時； (4) 在樣品下表面蒸鍍鋁電極，之後在高純氮氣中480°C退火10分鐘；上表面進行絲網 印刷銀電極，得到的太陽能電池結構示意圖如圖2所示。
[0028] 5、結果和分析 在通過磷擴散製作PN結的基礎上，根據本實施例方法，製得的納米錐表面制絨矽的矽 納米錐陣列SEM如圖3所示；其吸收譜如圖4所示，其在350nm至llOOnm波段吸收率超過 96%，在1 lOOnm至2000nm波段吸收率超過92%，真正實現了對全太陽光譜的吸收；同時加上 表面鈍化和場效應以及電極製作工藝，得到了一種基於矽納米錐晶體的全太陽光譜響應的 太陽電池，其由太陽光模擬光源AM1. 5儀器測試，得到結果如圖5所示，結果表明：開路電 壓Voc達到0. 54V，在沒有件反射膜的情況下，短路電流Jsc達到25. 99 mA/cm2,填充因子 為71. 16%，轉換效率達到10. 01%。
【權利要求】
1. 一種基於矽納米錐晶體的全太陽光譜響應的太陽電池製備方法，其特徵在於，具體 步驟如下： (1) 製備PN結：對P型或N型矽片進行摻雜形成PN結，結深為100納米到600納米； (2) 表面矽納米錐製備：對矽片進行大束流離子束轟擊，在表面自組織生長矽納米錐， 同時進行真空退火，消除表面缺陷，矽納米錐的高度為100納米到400納米； (3) 上表面鈍化：在上表面蒸鍍一層二氧化矽、三氧化二鋁或氮化矽鈍化層實現場效應 鈍化，鈍化層的厚度為10納米到100納米； (4) 下表面鈍化：在下表面蒸鍍一層三氧化二鋁或氧化鎂實現場效應鈍化，鈍化層的厚 度為10納米到200納米； (5) 製作上下電極，從而得到太陽電池。
2. 如權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，步驟（1)中，通過掩模板對P型或N型 娃片進行金屬離子摻雜，摻雜元素包括鐵、鉻或鑰中任一種。
3. 如權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，步驟（1)中，通過磷漿的旋塗施膠、熱擴 散燒結方法對P型矽片進行磷摻雜；或者對N型矽片進行硼摻雜。
4. 如權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，步驟（2)中採用離子束為惰性氣體離子 束。
5. 如權利要求4所述的製備方法，其特徵在於：所述惰性氣體離子束為氬離子或氮離 子中任一種。
6. 如權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，步驟（2)中通過輻射或熱傳導加熱控制 平面矽片的溫度，進而改變納米錐形貌特徵。
7. 如權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，步驟（5)中，通過絲網印刷背面鋁電極 楽料或蒸鍍錯電極製作下電極，通過上表面上絲網印刷銀電極，或者蒸鍍TiAg或TiPaAg, 或者採用透明導電膜TCO製作上電極。
【文檔編號】H01L31/18GK104064625SQ201410268886
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】邱迎, 王亮興, 周靖, 宋省池, 陸明 申請人:復旦大學