專利名稱：硅量子點太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池及其制備技術(shù)，尤其涉及兩種新型硅量子點太陽能電池結(jié) 構(gòu)及其制備方法，屬于太陽能電池及納米材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能電池是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的一種具有光電轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體器件，其工 作原理是利用半導(dǎo)體材料吸收光能后發(fā)生光生伏特效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。當 η型和ρ型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，形成ρη結(jié)時，由于多數(shù)載流子的擴散，形成了空間電荷區(qū)， 并形成一個不斷增強的從η型指向ρ型的內(nèi)建電場，導(dǎo)致多數(shù)載流子的反向漂移而達到平 衡。如果光照在ρη結(jié)上，而且光能大于ρη結(jié)的禁帶寬度，則在ρη結(jié)附近將產(chǎn)生電子空穴 對。由于內(nèi)建電場的存在，產(chǎn)生的非平衡電子載流子將向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電 勢，破壞了原來的平衡。如果將ρη結(jié)和外電路相連，則電路中出現(xiàn)電流，稱為光生伏打現(xiàn)象 或光生伏特效應(yīng)，是太陽能電池的基本原理。硅是制造太陽能電池中使用最普遍的材料，在地殼中的含量僅次于氧而位居第 二。在太陽能電池中，硅系太陽能電池無疑是發(fā)展最成熟的，但由于硅提純過程耗能極高， 使得晶體硅電池的原材料成本居高不下；而且目前制造的單結(jié)和多結(jié)ρη太陽能電池工藝 步驟復(fù)雜，消耗硅材料多，轉(zhuǎn)換效率不足以把生產(chǎn)和應(yīng)用這種技術(shù)所包含的成本降下來，使 得在與傳統(tǒng)能源的競爭時阻礙了這類技術(shù)大規(guī)模的應(yīng)用與推廣。為此，人們一直不斷在工 藝、新材料、電池薄膜化等方面進行探索，而這當中新近發(fā)展的硅量子點電池是將納米技術(shù) 應(yīng)用于太陽能電池，能極大地提高光電轉(zhuǎn)換效率，有望為綠色能源的發(fā)展帶來革命性的變 化。當半導(dǎo)體材料從體相逐漸減小至一定尺寸以后，材料的特征尺寸在三個維度上都 與電子的德布羅意波長或電子平均自由程相比擬或更小時，電子在材料中的運動受到了三 維限制，也就是說電子的能量在三個維度上都是量子化的，稱這種電子在三個維度上都受 限制的材料為量子點。由于量子點是由數(shù)目較少的原子或分子組成的原子群或分子群，其 表面原子是既長程無序又短程無序的非晶層，而在量子點內(nèi)部存在著結(jié)晶完好、周期性排 布的原子。正是由于量子點的這種特殊結(jié)構(gòu)類型，并由此產(chǎn)生許多與宏觀塊狀物質(zhì)不同的 理化性質(zhì)。在晶體硅太陽能電池中引入硅量子點，可利用半導(dǎo)體零維結(jié)構(gòu)的量子尺寸效應(yīng)。 在高密度的量子點群中，尺寸小的量子點可以吸收高能量范圍的太陽光，尺寸大的量子點 可以吸收低能量范圍的太陽光，因此改變量子點的尺寸就可以改變光的吸收波長，就能提 高和太陽光譜的整體匹配程度。在晶體硅太陽能電池中引入硅量子點，可增大能量過渡時間。在大塊半導(dǎo)體結(jié)晶中，激勵到高能級的電子及空穴，會在極短時間內(nèi)失去載體散射及聲子放出的能量?？僧敯?導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為低維量子點時，由于能級的離散，電子的能量變化比大塊半導(dǎo)體中慢。因而，在 放出聲子引起能量損失之前，有取出高能量電子的可能。在晶體硅太陽能電池中引入硅量子點，有助于多能帶的形成。在超晶格結(jié)構(gòu)中，量子點間的結(jié)合，在導(dǎo)帶(和價電子帶)中形成小能帶。因此，利用多數(shù)小能帶間的光學(xué)轉(zhuǎn)移 和光子吸收等復(fù)雜的過程，能提高和太陽光譜的匹配度。本發(fā)明二氧化硅基質(zhì)中的硅量子點的引入，由于其量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表 面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，大大加強了晶體硅太陽能電池中的光生電流，從而提高了太 陽能電池的短路電流，具有潛在的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要克服第一代晶體硅太陽能電池用材料多、成本高，第二代薄 膜電池轉(zhuǎn)換效率低、易產(chǎn)生光致衰減效應(yīng)的缺點，仍然使用薄膜工藝和豐富的無毒材料，提 供一種成本低、制備方法簡單、穩(wěn)定性好、對太陽光譜的吸收利用率和光電轉(zhuǎn)換效率高的第 三代量子點太陽能電池及其制備方法。所述技術(shù)方案如下硅量子點太陽能電池(I型)，其特征在于，自下而上依次含有嵌有銀鋁背電極的 鋁背電場Back Surface Field、帶金字塔絨面的ρ型晶體硅襯底、η型晶體硅發(fā)射極、含有 η型硅量子點的二氧化硅層，銀正電極，其中帶金字塔絨面的P型晶體硅襯底，該金字塔的平均高度在6um Sum之間；η型晶體硅發(fā)射極，厚度在4nm 20nm之間，摻磷濃度在IO15CnT3 IO17CnT3之間；含有η型硅量子點的二氧化硅層，厚度在50nm 200nm之間，量子點的直徑在 Inm 8nm之間，量子點的摻磷濃度在0. Olat % 0. 25at%之間，at %為原子百分數(shù)。硅量子點太陽能電池(II型)，其特征在于，自下而上依次含有嵌有銀鋁背電極 的鋁背電場Back Surface Field、帶金字塔絨面的η型晶體硅襯底、ρ型晶體硅層、含有P 型硅量子點的二氧化硅層，銀正電極，其中帶金字塔絨面的η型晶體硅襯底，該金字塔的平均高度在6um Sum之間；ρ型晶體硅發(fā)射極，厚度在4nm 20nm之間，摻硼濃度在IO15CnT3 IO17CnT3之間；含有ρ型硅量子點的二氧化硅層，厚度在50nm 200nm之間，量子點的直徑在 Inm 8nm之間，量子點的摻硼濃度在0. Olat % 0. 25at%之間，at %為原子百分數(shù)。以上兩種硅量子點太陽能電池的特征在于引入二氧化硅基質(zhì)中的硅量子點作為 光電轉(zhuǎn)換材料，提高了晶體硅電池的光生電流。為實現(xiàn)上述的硅量子點太陽能電池而提出的制備方法，依次含有以下步驟在晶體硅襯底上用制絨工藝形成表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射 率，增大太陽光的吸收系數(shù)，其中I型電池為ρ型襯底，II型電池為η型襯底。然后擴散，I 型電池擴散三氯氧磷，II型電池擴散三溴化硼，擴散濃度均為IO15CnT3 IO17CnT3 ； 用物理氣相淀積PVD或化學(xué)氣相淀積CVD或印刷等方法在襯底上制備一層含有硅量子點的二氧化硅層；絲網(wǎng)印刷或磁控濺射或真空熱蒸發(fā)制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。本發(fā)明以二氧化硅基質(zhì)中的硅量子點作為光電轉(zhuǎn)換材料，電池的制備方法簡單，相當于傳統(tǒng)的硅基太陽能電池，理論上硅的使用量減少，因此降低了其制造成本。


圖1為實施例1中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實施例2中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實施例3中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為實施例4中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為實施例5中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為實施例6中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為實施例7中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為實施例8中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為實施例9中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為實施例10中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖11為實施例11中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖12為實施例12中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖13為實施例13中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖14為實施例14中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖15為實施例15中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖16為實施例16中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖17為實施例17中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖18為實施例18中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖19為實施例19中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖20為實施例20中的硅量子點太陽能電池層斷結(jié)構(gòu)示意圖。圖21為本發(fā)明的硅量子點太陽能電池生產(chǎn)結(jié)構(gòu)流程圖。圖22為本發(fā)明的硅量子點太陽能電池二氧化硅中硅量子點的高分辨率透射電子 顯微鏡(HRTEM)照片。
具體實施例方式本發(fā)明提出的第一種硅量子點太陽能電池(I型)，自下而上依次含有嵌有銀鋁 背電極的鋁背電場、帶金字塔絨面的P型晶體硅襯底、η型晶體硅發(fā)射極、含有η型硅量子 點的二氧化硅層，銀正電極。本發(fā)明提出的第二種硅量子點太陽能電池(II型)，自下而上依次含有嵌有銀鋁 背電極的鋁背電場、帶金字塔絨面的η型晶體硅襯底、ρ型晶體硅層、含有ρ型硅量子點的 二氧化硅層，銀正電極。下面結(jié)合實施例更詳細的說明本發(fā)明。實施例1 準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO15CnT3的η型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 01at%磷的一氧化硅靶在襯底上制備一 層一氧化硅薄膜，其厚度為50nm ；氮氣保護下的高溫退火，900°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形成 直徑為1 3nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖1所示。實施例2 準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO15CnT3的η型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 01at%磷的一氧化硅靶在襯底上制備一 層一氧化硅薄膜，其厚度為IOOnm ；氮氣保護下的高溫退火，900°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形成 直徑為2 3nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖2所示。實施例3 準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO15CnT3的η型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. lat%磷的一氧化硅靶在襯底上制備一層 一氧化硅薄膜，其厚度為IOOnm ；氮氣保護下的高溫退火，1100°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為3 4nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖3所示。
實施例4 準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO16CnT3的η型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. lat%磷的一氧化硅靶在襯底上制備一層 一氧化硅薄膜，其厚度為200nm ；
氮氣保護下的高溫退火，900°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形成 直徑為2 3nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖4所示。實施例5 準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO16CnT3的η型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. lat%磷的一氧化硅靶在襯底上制備一層 一氧化硅薄膜，其厚度為200nm ；氮氣保護下的高溫退火，1100°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為4 5nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖5所示。實施例6 準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO16CnT3的η型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 2at%磷的一氧化硅靶在襯底上制備一層一氧化硅薄膜，其厚度為IOOnm ；氮氣保護下的高溫退火，1000°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為4 5nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖6所示。實施例7:準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；
在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO16CnT3的η型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 25at%磷的一氧化硅靶在襯底上制備一 層一氧化硅薄膜，其厚度為200nm ；氮氣保護下的高溫退火，1100°C 60分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為5 6nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用PVD，即磁控濺射的方法制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖7所示。實施例8:準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO16CnT3的η型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 25at%磷的一氧化硅靶在襯底上制備一 層一氧化硅薄膜，其厚度為50nm ；氮氣保護下的高溫退火，1100°C 60分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為5 6nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用真空熱蒸發(fā)的方法制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖8所示。實施例9:準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；
在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO17CnT3的η型層；用CVD，即化學(xué)氣相沉積的方法，用硅烷SiH4、笑氣N20、磷烷PH3制備一層 200nmSi0，磷含量為 0. 22at% ；氮氣保護下的高溫退火，1100°C 60分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為7 Snm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖9所示。實施例10 準備厚度為200um的ρ型(100)晶向的晶體硅，其摻硼濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該ρ型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該ρ型晶體硅襯底上擴散三氯氧磷，形成磷濃度為IO17CnT3的η型層；用絲網(wǎng)印刷的方法在襯底上印刷一層200nm厚的含有直徑為2 8nm的η型納米 硅顆粒的硅膠；400°C燒結(jié)30分鐘，硅膠中的有機物成為揮發(fā)，形成硅量子點層；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得I型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖10所示。實施例11 準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO15CnT3的ρ型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 01at%硼的一氧化硅靶在襯底上制備一 層一氧化硅薄膜，其厚度為50nm ；氮氣保護下的高溫退火，900°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形成 直徑為2 3nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；
用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖11所示。實施例12 準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO15CnT3的ρ型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 01at%硼的一氧化硅靶在 襯底上制備一 層一氧化硅薄膜，其厚度為IOOnm ；氮氣保護下的高溫退火，900°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形成 直徑為2 3nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖12所示。實施例13 準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO15CnT3的ρ型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. lat%硼的一氧化硅靶在襯底上制備一層 一氧化硅薄膜，其厚度為IOOnm ；氮氣保護下的高溫退火，1100°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為3 4nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖13所示。實施例14:準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；
在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO16CnT3的ρ型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. lat%硼的一氧化硅靶在襯底上制備一層 一氧化硅薄膜，其厚度為200nm ；氮氣保護下的高溫退火，900°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形成 直徑為2 3nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖14所示。實施例15 準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO16CnT3的ρ型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. lat%硼的一氧化硅靶在襯底上制備一層 一氧化硅薄膜，其厚度為200nm ；氮氣保護下的高溫退火，1100°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為4 5nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖15所示。實施例16 準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO16CnT3的ρ型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 2at%硼的一氧化硅靶在襯底上制備一層 一氧化硅薄膜，其厚度為IOOnm ；氮氣保護下的高溫退火，1000°C 30分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為4 5nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖16所示。實施例17
準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO16CnT3的ρ型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 25at%硼的一氧化硅靶在襯底上制備一 層一氧化硅薄膜，其厚度為200nm ；氮氣保護下的高溫退火，1100°C 60分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為5 6nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用PVD，即磁控濺射的方法制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖17所示。實施例18 準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO16CnT3的ρ型層；用PVD，即磁控濺射的方法，用重摻雜0. 25at%硼的一氧化硅靶在襯底上制備一 層一氧化硅薄膜，其厚度為50nm ；氮氣保護下的高溫退火，1100°C 60分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為5 6nm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用真空熱蒸發(fā)的方法制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖18所示。實施例19 準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2.0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO17CnT3的ρ型層；用CVD，即化學(xué)氣相沉積的方法，用硅烷SiH4、笑氣N20、硼烷PH3制備一層 200nmSi0，硼含量為 0. 22at% ；
氮氣保護下的高溫退火，1100°C 60分鐘，一氧化硅層中的硅氧原子重新組合，形 成直徑為7 Snm的硅量子點，致密分布在二氧化硅的基質(zhì)中；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖19所示。實施例20:準備厚度為200um的η型(100)晶向的晶體硅，其摻磷濃度為1015cm_3，電阻率為 5歐姆厘米，用標準半導(dǎo)體工藝清洗后作為襯底；
在該η型晶體硅襯底上用質(zhì)量分數(shù)為1. 6%的硅酸鈉Na2SiO3、質(zhì)量分數(shù)為2. 0% 的氫氧化鈉NaOH和體積分數(shù)為6%的異丙醇IPA溶液制絨，即78°C 83°C水浴25min，形 成高度為6um Sum的表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率，增大太陽光的吸 收系數(shù)；在該η型晶體硅襯底上擴散三溴化硼，形成硼濃度為IO17CnT3的ρ型層；用絲網(wǎng)印刷的方法在襯底上印刷一層200nm厚的含有直徑為2 8nm的ρ型納米 硅顆粒的硅膠；400°C燒結(jié)30分鐘，硅膠中的有機物成為揮發(fā)，形成硅量子點層；用標準絲網(wǎng)印刷工藝制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極；用標準燒結(jié)工藝燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。至此，制得II型硅量子點太陽能電池。層斷結(jié)構(gòu)如圖20所示。
權(quán)利要求
硅量子點太陽能電池，其特征在于，自下而上依次含有嵌有銀鋁背電極的鋁背電場Back Surface Field、帶金字塔絨面的p型晶體硅襯底、n型晶體硅發(fā)射極、含有n型硅量子點的二氧化硅層，銀正電極，其中帶金字塔絨面的p型晶體硅襯底，該金字塔的平均高度在6um～8um之間；n型晶體硅發(fā)射極，厚度在4nm～20nm之間，摻磷濃度在1015cm-3～1017cm-3之間；含有n型硅量子點的二氧化硅層，厚度在50nm～200nm之間，量子點的直徑在1nm～8nm之間，量子點的摻磷濃度在0.01at％～0.25at％之間，at％為原子百分數(shù)。
2.硅量子點太陽能電池，其特征在于，自下而上依次含有嵌有銀鋁背電極的鋁背電 場Back Surface Field、帶金字塔絨面的n型晶體硅襯底、p型晶體硅層、含有p型硅量子 點的二氧化硅層，銀正電極，其中帶金字塔絨面的n型晶體硅襯底，該金字塔的平均高度在6um Sum之間； P型晶體硅發(fā)射極，厚度在4nm 20nm之間，摻硼濃度在1015cm—3 1017cnT3之間； 含有p型硅量子點的二氧化硅層，厚度在50nm 200nm之間，量子點的直徑在lnm 8nm之間，量子點的摻硼濃度在0. 01at% 0. 25at%之間，at %為原子百分數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任何一項權(quán)利要求所述的硅量子點太陽能電池而提出的制備方 法，其特征在于，依次含有以下步驟在晶體硅襯底上用制絨工藝形成表面金字塔結(jié)構(gòu)，以降低太陽能電池的表面反射率， 增大太陽光的吸收系數(shù)，其中I型電池為P型襯底，II型電池為n型襯底，然后擴散，I型電 池擴散三氯氧磷，II型電池擴散三溴化硼，擴散濃度均為1015cnT3 1017cm_3 ；用物理氣相淀積PVD或化學(xué)氣相淀積CVD或印刷的方法在襯底上制備一層含有硅量子 點的二氧化硅層；絲網(wǎng)印刷或磁控濺射或真空熱蒸發(fā)制備銀正電極、鋁背電場、銀鋁背電極； 燒結(jié)，形成金屬和半導(dǎo)體之間良好的歐姆接觸。
全文摘要
硅量子點太陽能電池屬于太陽能電池領(lǐng)域的一種新型硅量子點太陽能電池，其特征在于在傳統(tǒng)晶體硅電池的pn結(jié)之上加入硅量子點層。所述太陽能電池的包括如下結(jié)構(gòu)在制絨的p型(或n型)晶體硅襯底上擴散三氯氧磷(或三溴化硼)，然后制備一層含有n型(或p型)硅量子點的二氧化硅層，最后在正反兩面分別加上銀正電極，嵌有銀鋁背電極的鋁背電場。此電池結(jié)構(gòu)簡單，光吸收能力強，光生電流大，且制備步驟與現(xiàn)有的晶體硅太陽能電池的制備工藝兼容，為提高現(xiàn)有晶體硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高了一種很好的解決途徑。
文檔編號H01L31/0248GK101834215SQ20101014045
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者王敬, 韓李豪 申請人:清華大學(xué)