專利名稱：納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)徑向納米線太陽(yáng)電池及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)電池，特指利用單晶硅、納米硅和氧化鋁形成異質(zhì)結(jié)徑向結(jié)構(gòu)納米線太陽(yáng)電池，其電池結(jié)構(gòu)是η型單晶硅/P型納米硅/氧化鋁或η型單晶硅/i型納米硅 /P型納米硅/氧化鋁的電池結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由于硅原料豐富、工藝成熟、性能穩(wěn)定以及對(duì)環(huán)境污染較小，硅太陽(yáng)電池在商用太陽(yáng)電池市場(chǎng)上占據(jù)統(tǒng)治地位；目前，通過(guò)各種減反射膜和硅表面織構(gòu)化技術(shù)改進(jìn)電池的光學(xué)性能仍是提高太陽(yáng)電池性能的一條重要途徑；除此之外，近十幾年來(lái)微電子領(lǐng)域中涌現(xiàn)出的各種新型納米結(jié)構(gòu)，有望實(shí)現(xiàn)繼以硅片技術(shù)的第一代太陽(yáng)電池和第二代以半導(dǎo)體薄膜技術(shù)的太陽(yáng)電池后，高轉(zhuǎn)換效率、低生產(chǎn)成本、原材料豐富、無(wú)毒無(wú)污染的第三代太陽(yáng)電池。近期硅納米線陣列的制備及其在太陽(yáng)電池領(lǐng)域的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注，文獻(xiàn)E. C. Granett, P. D. Yang, Silicon nanowires radial ρ-η junction solar cells, Journal of the American Chemical Society, 2008， 130 ( 29) : 9224- 9225 ；L. Tsakalakos, J. Balch, J. Fronheiser, B. A. Korevaar, 0. Sulima, and J. Rand, Applied Physics Letters, 2007, 91:233117報(bào)道了晶體硅納米線和非晶硅薄膜相結(jié)合制備的徑向p-n結(jié)太陽(yáng)電池，但電池效率較低；文獻(xiàn)Lieber C Μ, Tian B Ζ, Zheng X L, et al. Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectr onic power sources. Nature, 2007, 449: 8852889.報(bào)道了哈佛大學(xué) Charles M. Lieber 組在導(dǎo)電玻璃或金屬襯底上采用氣相-液相-固相(VLS)方法制備中心ρ型非晶硅納米棒，接著在高溫低壓狀態(tài)下用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法(PECVD)生長(zhǎng)i型外殼，最后摻雜形成最外層的η型結(jié)構(gòu)?？傮w來(lái)說(shuō)利用低品質(zhì)硅材料上制作徑向硅納米線太陽(yáng)電池，有利于提高光吸收， 提高電池效率，降低電池的材料成本，但目前，Si基納米線太陽(yáng)電池的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，而且效率較低，在5 %左右；研究較多的是在硅基底上通過(guò)各種方法形成納米線，然后通過(guò)擴(kuò)散形成ρη電池結(jié)構(gòu)；或在硅納米線外再利用氣相化學(xué)沉積方法制備非晶硅薄膜， 制成Pin電池結(jié)構(gòu)，徑向p-n結(jié)雖然有利于載流子的收集，并且被理論預(yù)計(jì)有較高的轉(zhuǎn)換效率，但較高的表面復(fù)合速率和較差的電極接觸造成了納米線電池的低效率。經(jīng)國(guó)內(nèi)專利檢索，硅納米線/非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池(CN101262024A)專利和一種新型結(jié)構(gòu)硅納米線太陽(yáng)能電池(CN101369610A)專利利用濕法腐蝕工藝制備硅納米線，并利用PECVD技術(shù)在P型單晶硅納米線上生長(zhǎng)非晶硅，分別形成ρη和pin結(jié)構(gòu)，隨后利用磁控濺射方法制備ITO透明導(dǎo)電膜。納米硅薄膜是一種呈現(xiàn)量子化效應(yīng)的半導(dǎo)體材料，具有比非晶硅薄膜更優(yōu)越的性能，納米晶硅是納米尺寸的晶粒和非晶硅的混合體，相對(duì)于非晶硅，其載流子遷移率高，吸收系數(shù)高，通過(guò)調(diào)節(jié)晶化率，納米晶粒的尺寸和薄膜中氫的含量，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)納米硅薄膜的平均禁帶寬度，從而提高納米硅薄膜對(duì)光譜的吸收范圍。本發(fā)明不同于文獻(xiàn)和專利報(bào)道的在ρ型單晶硅襯底上制備p-n或pin納米線電池結(jié)構(gòu)，而是利η型單晶硅制備η型硅納米線，然后在η型硅納米線上利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法制備ρ型納米硅層，形成ηρ或nip納米硅/單晶硅徑向異質(zhì)納米線太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，利用原子層沉積(ALD)技術(shù)在ρ型納米硅層上制備氧化鋁(Al2O3)鈍化層， 一方面降低納米線電池的表面復(fù)合，另一方面在P型納米硅層上/ Al2O3界面處形成一層固定的負(fù)電荷層，從而大大提高了載流子的收集效率，利用濺射方法制備透明導(dǎo)電薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種硅基納米線太陽(yáng)電池的制備方法，利用濕法腐蝕工藝在 η型單晶硅襯底上制備單晶硅(c-Si)納米線，采用PECVD方法在單晶納米線上制備氫化的 i型和P型納米硅(nc-Si:H)薄膜，形成由內(nèi)至外的c-Si (n)/nc-Si:H (ρ)或c_Si (η) /nc-Si:H (i)/nc-Si:H (ρ)徑向結(jié)構(gòu)(如圖1 )，隨后利用ALD技術(shù)制備Al2O3層，利用ALD 技術(shù)制備制備摻鋁氧化鋅(AZO)層；最后在η型單晶硅背面真空蒸鍍鋁電極，并進(jìn)行快速退火；完成硅基納米線太陽(yáng)電池的制備。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為
ηρ徑向結(jié)構(gòu)硅納米線太陽(yáng)電池(如圖1)
1、在η型單晶硅上利用濕法腐蝕方法形成納米線；所述η型單晶硅片的電阻率在 0.5 30 0 11，厚度在150 220 μ m。2、利用PECVD方法和硼的摻雜制備ρ型納米硅層；
調(diào)整硅烷和氫氣的流量比、硼烷的流量、射頻功率和沉積溫度來(lái)控制薄膜的結(jié)構(gòu)和性能；所述的P型納米硅層厚度3飛nm,光學(xué)帶隙1. 7 1. 9 eV。3、利用ALD技術(shù)制備氧化鋁鈍化層
采用Al (CH3)3 (TMA)源制備Al2O3鈍化層，厚度廣5 nm。4、利用ALD技術(shù)制備AZO層
采用Zn(CH2CH3)2 (DEZ)源和三甲基鋁(TMA)源制備AZO層，厚度l(T20nm，電阻率 1 X 10_3 1 X 10_2 Ω cm。5、在單晶硅背面制備鋁電極
在未生長(zhǎng)納米線的η型單晶硅背面真空蒸鍍鋁。6、快速退火處理
退火溫度40(T500°C，氮?dú)夥毡Ｗo(hù)，退火時(shí)間5 15min。nip徑向結(jié)構(gòu)硅納米線太陽(yáng)電池
1、在η型單晶硅上利用濕法腐蝕方法形成納米線；
所述的η型單晶硅片的電阻率在0.5 30 0(^，厚度在150 220 μ m。2、利用PECVD方法分別制備本征納米硅吸收層改變硅烷和氫氣的流量比、
射頻功率和沉積溫度來(lái)控制本征納米硅層的晶化率、晶粒大小和薄膜中氫的含量，所述本征納米硅吸收層的厚度1(T20 nm。3、利用PECVD方法和硼的摻雜制備ρ型納米硅層調(diào)整硅烷和氫氣的流
量比、硼烷的流量、射頻功率和沉積溫度來(lái)控制納米硅層的結(jié)構(gòu)和性能，所述P型納米硅層厚度;Γ6 nm，光學(xué)帶隙1.7 1.9 eV。 4、利用ALD技術(shù)制備氧化鋁鈍化層；
采用Al (CH3)3 (TMA)源制備Al2O3鈍化層，厚度廣5歷。5、利用ALD技術(shù)制備透明上電極；
采用Zn(CH2CH3)2 (DEZ)源和三甲基鋁(TMA)源制備AZO層，厚度10 20 nm。電阻率 1Χ10_3 1Χ10_2Ωοιι。6、在單晶硅背面制備鋁電極
在未生長(zhǎng)納米線的η型單晶硅背面真空蒸鍍鋁。7、快速退火處理
退火溫度40(T500°C，氮?dú)夥毡Ｗo(hù)，退火時(shí)間5 15 min0本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用納米硅寬的帶隙可調(diào)范圍和相對(duì)較高的吸收系數(shù)，提高對(duì)太陽(yáng)光的吸收，利用ALD技術(shù)優(yōu)異的包覆效果，實(shí)現(xiàn)Al2O3優(yōu)異的鈍化效果和AZO良好的電極接觸效果，而且由于采用了納米線由內(nèi)至外的ηρ/Α1203/ΑΖ0結(jié)構(gòu)(如圖1)或nip/Al203/AZ0 結(jié)構(gòu)(如圖2)，在ρ/Α1203界面處形成了一層固定的負(fù)電荷層，從而可以制備高效硅基納米線太陽(yáng)電池，而且可以利用低品質(zhì)的單晶硅材料，從而可以降低電池成本。


圖1 np徑向結(jié)構(gòu)硅納米線太陽(yáng)電池示意圖； 圖2 nip徑向結(jié)構(gòu)硅納米線太陽(yáng)電池示意圖。實(shí)例一
一 ·單晶硅/納米硅/異質(zhì)徑向np結(jié)構(gòu)納米線太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 ； 二、太陽(yáng)電池的制備 1、單晶硅納米線制備
選用(100)摻雜的η型硅片，電阻率為2 Qcm，厚度200 μ m ；將η型的(100)硅片依次浸入丙酮和乙醇中超聲清洗10 min以除去表面的有機(jī)物雜質(zhì)，用去離子水洗凈；再浸入硫酸和雙氧水的混合溶液中10 min后，用去離子水洗凈；隨后將清洗過(guò)的硅片浸入 HF (4.8 M)和AgNO3 (10 mM)混合水溶液中，慢慢攪拌，沉積銀顆粒，將覆蓋有銀顆粒的硅片浸入HF (4.8 M^PH2O2 (0.45 M)混合水溶液中腐蝕10 min.后，樣品用去離子水清洗。2、利用PECVD在單晶硅納米線上生長(zhǎng)ρ型納米硅層
在上述樣品上利用PECVD生長(zhǎng)ρ型納米硅層，生長(zhǎng)條件氫稀釋比為95 %的硅烷， 硼烷的的稀釋比[PH3]/ [PH3+ H2]是0.5 %，生長(zhǎng)溫度250 °C，硅烷流量10 sccm，硼烷流量 2 sccm，氫流量50 sccm，射頻功率100 W，生長(zhǎng)的薄膜厚度5 nm，帶隙1.78 eV。3、利用ALD技術(shù)在ρ型納米硅層上生長(zhǎng)一層2 nm厚的Al2O3層
沉積條件在反應(yīng)腔室先通入Al (CH3) 3(TMA)2 s，氮?dú)馇逑?s，再通水700 ms，氮?dú)馇逑? ms ；重復(fù)上述過(guò)程30次，反應(yīng)溫度200 °C。4、利用ALD技術(shù)在Al2O3層上生長(zhǎng)10 nm厚的AZO層
沉積條件反應(yīng)溫度200 °C，在反應(yīng)腔室通入Zn (CH2CH3)2 (DEZ) 1 s，氮?dú)馇逑?.5 s, 通水500 ms，氮?dú)馇逑碔s ；重復(fù)上述過(guò)程20次后，再通入Al (CH3) 3 (TMA)L 5 s，氮?dú)馇逑?2s，通水500 ms，氮?dú)馇逑碔s。完成一個(gè)循環(huán)；重復(fù)上述循環(huán)5次。
5、硅片背面(沒(méi)有生長(zhǎng)納米線的一面)真空蒸鍍鋁
本底真空4X10—4 Pa，99. 999%的鋁絲作為蒸發(fā)源，蒸膜厚500 nm的鋁膜。6、快速退火處理
退火溫度40(T500°C，氮?dú)夥毡Ｗo(hù)，退火時(shí)間l(T30min ；完成單晶硅/納米硅徑向np 納米線太陽(yáng)電池的制備。實(shí)施效果最后進(jìn)行電池的性能測(cè)試，在AMI. 5，100mff/cm2標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的照射下，硅納米線太陽(yáng)電池樣品的開(kāi)路電壓0.71 V，短路電流16. 9 mA，填充因子0.69，效率為8. 28 %。實(shí)例二
一.納米硅/單晶硅異質(zhì)徑向pin結(jié)構(gòu)納米線太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2；
二、太陽(yáng)電池的制備 1、單晶硅納米線制備
選用(100)摻雜的η型硅片，電阻率為2 Ω cm，厚度200 μ m，制備同實(shí)例一中步驟1。2、利用PECVD在硅納米線上生長(zhǎng)20 nm厚的本征納米硅層
生長(zhǎng)條件氫稀釋比為95%的硅烷，生長(zhǎng)溫度250 0C ；硅烷流量10 sccm, 氫流量40sccm，射頻功率80 W。3、利用PECV生長(zhǎng)5nm的ρ型納米硅層
生長(zhǎng)條件氫稀釋比為95 %的硅烷，硼烷的的稀釋比[PH3]/ [PH3+ H2]是0. 5 %。生長(zhǎng)溫度250 °C，硅烷流量10 sccm，硼烷流量2 sccm，氫流量50 sccm，射頻功率120 W，帶隙1.80 eV。4、利用ALD技術(shù)在ρ型納米硅層上生長(zhǎng)一層2 nm厚的Al2O3層同實(shí)例一中步驟3。5、利用ALD技術(shù)在Al2O3層上生長(zhǎng)一層15 nm厚的AZO層同實(shí)例一中步驟4。6、硅片背面(沒(méi)有生長(zhǎng)納米線的一面)真空蒸鍍鋁同實(shí)例一中步驟5。7、快速退火處理
同實(shí)例一中步驟6，完成單晶硅/納米硅徑向nip納米線太陽(yáng)電池的制備。實(shí)施效果最后進(jìn)行電池的性能測(cè)試，在AMI. 5，100mff/cm2標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的照射下，硅納米線太陽(yáng)電池樣品的開(kāi)路電壓0.68 V，短路電流18. 5 mA，填充因子0.70，效率為8. 81 %。
權(quán)利要求
1.納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)徑向納米線太陽(yáng)電池，其特征在于所述異質(zhì)結(jié)徑向納米線電池結(jié)構(gòu)從里至外依次為n型單晶硅納米線、P型納米硅層、氧化鋁鈍化層、氧化鋅導(dǎo)電層或η型單晶硅納米線、i型納米硅層、ρ型納米硅層、氧化鋁鈍化層、氧化鋅導(dǎo)電層；ρ型納米硅層厚度3 6 nm，光學(xué)帶隙1. 7 1. 9 eV, i型納米硅厚度10 20 nm。
2.如權(quán)利要求1所述的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)徑向納米線太陽(yáng)電池，其特征在于所述η型單晶硅片的電阻率為0.5 30 0 11，厚度為150 220 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)徑向納米線太陽(yáng)電池，其特征在于所述的氧化鋁鈍化層的厚度為廣5 nm。
4.如權(quán)利要求1所述的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)徑向納米線太陽(yáng)電池，其特征在于所述的氧化鋅導(dǎo)電層的厚度為10 20 nm，電阻率1X10—3 lX10_2Qcm。
5.如權(quán)利要求1所述的的納米硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)徑向納米線太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于利用濕法腐蝕工藝制備η型單晶硅納米線后，利用PECVD在硅納米線上生長(zhǎng)ρ型納米硅層或i型和P型納米硅層，再利用原子層沉積技術(shù)在P型納米硅層沉積一層廣5 nm 厚的氧化鋁層；利用原子層沉積技術(shù)在氧化鋁上再沉積一層1(T20 nm厚的摻鋁氧化鋅層， 其電阻率為1 X 10^1 X ΙΟ"2 Ω cm ；在未生長(zhǎng)納米線的η型單晶硅片背面真空蒸鍍鋁，最后快速退火處理退火溫度40(T500°C，氮?dú)夥毡Ｗo(hù)，退火時(shí)間l(T30min。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽(yáng)電池，特指利用單晶硅、納米硅和氧化鋁形成異質(zhì)結(jié)徑向結(jié)構(gòu)納米線太陽(yáng)電池，其電池結(jié)構(gòu)是n型單晶硅/p型納米硅/氧化鋁或n型單晶硅/i型納米硅/p型納米硅/氧化鋁的電池結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用濕法腐蝕工藝在n型單晶硅襯底上制備單晶硅(c-Si)納米線，采用PECVD方法在單晶納米線上制備氫化的i型和p型納米硅(nc-Si:H)薄膜，形成由內(nèi)至外的c-Si(n)/nc-Si:H(p)或c-Si(n)/nc-Si:H(i)/nc-Si:H(p)徑向結(jié)構(gòu)，隨后利用ALD技術(shù)制備Al2O3層，利用ALD技術(shù)制備制備摻鋁氧化鋅層；最后在n型單晶硅背面真空蒸鍍鋁電極，并進(jìn)行快速退火；完成硅基納米線太陽(yáng)電池的制備。本發(fā)明可以制備高效硅基納米線太陽(yáng)電池，而且可以利用低品質(zhì)的單晶硅材料，從而可以降低電池成本。
文檔編號(hào)C23C16/44GK102157577SQ20111003296
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者丁建寧, 袁寧一 申請(qǐng)人:常州大學(xué)