專利名稱：一種新型結(jié)構(gòu)硅納米線太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型硅納米線太陽能電池裝置，屬于納米材料與新能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
面對全球能源短缺危機(jī)和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，世界各國積極研究和開發(fā)利用可再生能 源，從而實現(xiàn)能源工業(yè)和社會的可持續(xù)發(fā)展。假如把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變 率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6><1012千瓦小時，相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。因而太陽能被 認(rèn)為是能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化的最佳解決途徑。
太陽能電池是通過半導(dǎo)體p-n結(jié)的光伏效應(yīng)(photovoltaiceffect)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把 光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。目前商業(yè)化太陽能電池以單晶硅和非晶硅為主。當(dāng)前，人們除大量 應(yīng)用單晶硅太陽電池外[參見專利專利號JP5243597-A;專利號KR2002072736-A]，還研制 成功了多晶硅電池[參見專利專利號US5949123-A]、非晶硅電池[參見專利專利號 JP2002124689-A;專利號US6307146-B1]、薄膜太陽電池等各種新型的電池[參見專利專利 號JP2002198549-A],并且還再不斷地研制各種新材料、新結(jié)構(gòu)的太陽電池[參見專利專利 號DE19743692-A;DE19743692-A1]。在幾種薄膜電池中，非晶硅薄膜太陽電池近年來發(fā)展迅 速，其主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，成本低。但是非晶硅由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和大量氫原 子的存在，具有光疲勞效應(yīng)(Staebler-Wronski效應(yīng))，故非晶硅太陽能電池經(jīng)過長期工作穩(wěn) 定性存在問題，其光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時間的延續(xù)而衰減。多晶硅薄膜電池的研究工作 自1987年以來發(fā)展迅速[參見專利專利號JP2002222975-A]，成為世界關(guān)注的新熱點(diǎn)。多晶 硅薄膜電池由于所使用的硅量遠(yuǎn)較單晶硅少，又無效率衰減問題，并且有可能在廉價襯底材 料上制備，其成本預(yù)期要遠(yuǎn)低于體單晶硅電池，實驗室效率也迅速提高。
在第三代低成本高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池研發(fā)競賽中，納米技術(shù)作為建造更好的太陽能 電池的一種新方法出現(xiàn)了， 一維納米材料應(yīng)用于太陽能電池上能夠極大地提高光電轉(zhuǎn)換效率， 有望為綠色能源的發(fā)展帶來革命性的變化。2005年美國加州大學(xué)的楊培東教授課題組首次采 用一維ZnO納米線作為太陽能電池的陽極材料，該電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)1.5% [M. Law, L.E. Greene, J.C. Johnson, et al. Nanowire dye-sensitized solar cells. Nature Materials 2005, 4, 455-459.]。 2007年，美國圣母大學(xué)的Kamat等人將二氧化鈦的納米顆粒吸附于單壁式納米碳 管上，利用納米碳管來引導(dǎo)光生電荷載子的流動，使電荷更容易到達(dá)電極成為電流，結(jié)果發(fā) 現(xiàn)太陽能電池紫外光轉(zhuǎn)換為電流的效率為僅使用二氧化鈦的兩倍[A. Kongkanand, R.M. Domfnguez， P.V. Kamat, Single ^Vall Carbon Nanotube Scaffolds for Photoelectrochemical Solar
Cells. Capture and Transport of Photogenerated Electrons Nano Letter 2007， 7, 676-680.]。與其它半導(dǎo)體材料相比較，硅材料含量豐富而且廉價，同時與目前的半導(dǎo)體微加工工藝兼容，因此 基于硅納米結(jié)構(gòu)的太陽能電池正受到越來越多的重視。
最近我們在制備大面積硅納米線及其陣列的基礎(chǔ)上[參見中國專利CN1382626;中國 專利申請?zhí)?005100117533; Kuiqing Peng, Mingliang Zhang, Aijiang Lu, NingBew Wong， Ruiqin Zhang, Shuit-Tong Lee. Ordered Si nanowire arrays via Nanosphere Lithography and Metal-induced etching. Applied Physics Letters 2007, 90， 163123]，發(fā)展了一種制備大面積有序納 米硅線的方法，這種技術(shù)不需要高溫和復(fù)雜設(shè)備,可以在室溫附近制備出大面積直徑均一排列 有序的納米硅線及其陣列。大面積有序硅納米線的光吸收實驗表明其具有良好的減反射和光 吸收性能，這主要是因為硅片表面由于納米結(jié)構(gòu)化形成的巨大的比表面積造成的。在此基礎(chǔ) 之上，我們設(shè)計了一種基于我們制備的硅納米線的硅納米線/非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池裝置。 相對傳統(tǒng)的硅太陽能電池，硅納米線/非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池是新一代太陽能電池的代表。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是設(shè)計和提供一種具有新型結(jié)構(gòu)且光吸收能力強(qiáng)，光電轉(zhuǎn)換效率高的硅納米線 太陽能轉(zhuǎn)換裝置。
本發(fā)明提出的硅納米線陣列太陽能轉(zhuǎn)換裝置，它含有Ti/Pd/Ag柵形電極、透明氧化銦錫 (ITO)導(dǎo)電層薄膜、n型非晶硅薄膜層、i型非晶硅薄膜層、p型納米硅線層、p型硅基底層、 鋁金屬膜背電極層，其特征在于所述太陽能轉(zhuǎn)換裝置含有依次相疊的下述各層，
(1) Ti/Pd/Ag柵形電極，位于透明ITO導(dǎo)電薄膜層之上，其作用是作為正面引出電極；
(2) 透明ITO導(dǎo)電薄膜層位于n型非晶硅層之上，作為正面引出電極；
(3) n型非晶硅層位于i型非晶硅層之上，其作用是與i型非晶硅層和p型納米硅線層 形成n-i-p異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)；
(4) i型非晶硅位于p型納米硅線層之上，其作用是與n型非晶硅層和p型納米硅線層 形成n-i-p異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)；
(5) p型納米硅線層位于P型硅基底層之上，其作用是與n型非晶硅層和i型非晶硅層 形成n-i-p異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)；
(6) P型硅基底層，位于鋁金屬膜背電極之上，其作用是作為太陽能電池的基區(qū)；
(7) 鋁金屬膜背電極，其作用是作為背面引出電極。
本發(fā)明首先用我們發(fā)明的納米硅線及其陣列的制備方法，首先在P型硅基片表面制備出 大面積尺寸可控的納米硅線陣列。隨后采用等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積技術(shù)在p型硅納米線 及其陣列表面相繼沉積i型與n型非晶硅薄膜，形成三維n-i-p異質(zhì)結(jié)。為了最大效率收集
n-i-p異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生的光生載流子并引出電流，利用磁控濺射技術(shù)在n型非晶硅薄膜表面沉積 氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜；然后再用掩膜法在ITO導(dǎo)電薄膜上面制備Ti/Pd/Ag柵形歐 姆接觸電極。用真空蒸鍍法在P型硅基底面沉積金屬鋁，燒結(jié)后作為背面歐姆接觸電極。在 兩面的金屬接觸電極上引出外引線，便得到了一個單片的硅納米線太陽能電池。
圖1為本發(fā)明的硅納米線太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。
1柵形Ti/Pd/Ag電極層
2透明氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電薄膜層
3n型氫化非晶硅層
4i型非晶硅層
5 p型納米硅線陣列層
6 p型硅基底層 7鋁金屬膜背電極層
具體實施例方式
本發(fā)明首先用我們提出的納米硅線陣列的制備方法，首先在P型硅基片表面制備出大面 積尺寸可控的納米硅線陣列后，用真空蒸鍍法在P型硅基底面沉積金屬鋁薄膜，燒結(jié)后作為 背面歐姆接觸電極。隨后采用等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積技術(shù)在p型硅納米線及其陣列表面 相繼沉積i型與n型非晶硅薄膜層，形成三維徑向n-i-p異質(zhì)結(jié)。利用磁控濺射沉積技術(shù)在n 型非晶硅表面沉積一層氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜；再用掩膜法在ITO導(dǎo)電薄膜表面沉 積Ti/Pd/Ag作為正面歐姆接觸電極，從而形成一個新型的硅納米線陣列太陽能轉(zhuǎn)換裝置。在 兩面的金屬接觸電極上引出外引線，便得到了一個單片的硅納米線/非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電 池。
權(quán)利要求
1.一種新型結(jié)構(gòu)硅納米線太陽能電池，它含有Ti/Pd/Ag柵形電極、透明氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電層、n型非晶硅薄膜層、i型非晶硅薄膜層、p型納米硅線層、p型硅基底層、鋁金屬膜背電極層，其特征在于所述太陽能轉(zhuǎn)換裝置含有依次相疊的下述各層，(1)Ti/Pd/Ag柵形電極，位于透明ITO導(dǎo)電薄膜層之上，作為正面引出電極；(2)透明ITO導(dǎo)電薄膜層位于n型非晶硅薄膜層之上，作為正面引出電極；；(3)n型非晶硅薄膜層位于i型非晶硅薄膜層之上，其作用是與i型非晶硅薄膜層和p型納米硅線層形成n-i-p異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)；(4)i型非晶硅薄膜層位于p型納米硅線層之上，其作用是與n型非晶硅薄膜層和p型納米硅線層形成n-i-p異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)；(5)p型納米硅線層位于P型硅基底層之上，其作用是與n型非晶硅薄膜層和i型非晶硅薄膜層形成n-i-p異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)；(6)P型硅基底層，位于鋁金屬膜背電極之上，其作用是作為太陽能電池的基區(qū)；(7)鋁金屬膜背電極，其作用是作為背面引出電極。其主要特征在于透明ITO導(dǎo)電薄膜(2)和P型硅基底層(6)之間含有p型納米硅線/i型非晶硅薄膜層/n型非晶硅薄膜層形成的三維n-i-p異質(zhì)結(jié)層。
全文摘要
本發(fā)明“一種新型結(jié)構(gòu)硅納米線太陽能電池”公開了一種屬于納米材料與新能源技術(shù)領(lǐng)域的硅納米線陣列太陽能電池裝置。其特征在于所述透明氧化銦錫導(dǎo)電薄膜層和P型硅基底層之間含有p型納米硅線/i型非晶硅薄膜/n型非晶硅薄膜三維異質(zhì)結(jié)層。所述太陽能轉(zhuǎn)換裝置含有依次相疊的各層為Ti/Pd/Ag柵形電極，作為正面引出電極；透明ITO導(dǎo)電薄膜層，起透光作用并作為正面引出電極；n型非晶硅薄膜層位于i型非晶硅薄膜層之上，i型非晶硅薄膜層位于p型納米硅線層之上，p型納米硅線位于P型硅基底層之上；n型非晶硅薄膜層、i型非晶硅薄膜層、p型納米硅線層三層結(jié)構(gòu)形成n-i-p異質(zhì)結(jié)；P型硅基底層，作為太陽能電池的基區(qū)；鋁金屬膜背電極，作為背面引出電極。本發(fā)明提供的這種具有新型結(jié)構(gòu)的太陽能轉(zhuǎn)換裝置，光吸收能力強(qiáng)，光電轉(zhuǎn)換效率高。
文檔編號H01L31/075GK101369610SQ200810211359
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者彭奎慶, 新 王 申請人:北京師范大學(xué)