專利名稱：一種基于透明導電層的黑硅太陽能電池及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于透明導電層的黑硅太陽能電池及制備方法。
背景技術(shù)：
太陽能是一種綠色無污染的環(huán)保能源，其能量來源取之不盡。作為一種可持續(xù)能源，太陽能將成為未來安全能源領(lǐng)域的主力軍。太陽能電池作為光能與電能轉(zhuǎn)換的主要器件，因此具有良好的市場前景與應(yīng)用價值。黑硅太陽能電池是一種新型的太陽能電池。研究表明其受光面有一層基于微納結(jié)構(gòu)制備而形成的密集型硅柱，這些硅柱有極強的陷光能力，對于波長范圍為200nm-2500nm 的太陽光超過90%以上可以被吸收，其寬光譜的強吸收能力已經(jīng)大大超過一般金字塔型制絨面，因此基于黑硅作為吸收層的太陽能電池有著極大的發(fā)展?jié)摿?。雖然“黑硅”具有寬光譜范圍的超強吸收能力，但是目前基于“黑硅”表面的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率卻難以提高，最高轉(zhuǎn)換率僅為16.8%，甚至達不到化學法制作太陽能電池 24. 7%的轉(zhuǎn)換效率。造成其低轉(zhuǎn)換效率的原因主要是目前制備黑硅的過程中(主要有激光制備法與電化學腐蝕法)破壞了硅表面晶格的有序排列，造成“黑硅，，表面電子遷移率低， 能量轉(zhuǎn)移損耗大。目前的黑硅太陽能電池的受光面結(jié)構(gòu)一般是每隔一定距離，在“黑硅”上直接沉積橫向金屬柵線；然后在黑硅表面沉積二氧化硅作為鈍化層。這樣仿照化學光電池的處理方法有兩個弊端(1)金屬柵線的存在覆蓋了一定的黑硅吸收層面積，造成有效受光面積的減小。(2)黑硅表面由于晶格排列受到破壞，造成的低電子遷移率使得只有緊靠金屬柵線兩邊的黑硅產(chǎn)生的光生電子能被有效引出，而兩條柵線中間部分的黑硅所產(chǎn)生的光生電子在遷移至柵線的過程中就消耗殆盡，造成能量的損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種基于透明導電層的黑硅太陽能電池及制備方法，其目的在于可以有效克服現(xiàn)有的黑硅太陽能電池存在的受光面電子遷移損耗率高，使得“黑硅”太陽能電池轉(zhuǎn)換效率低等缺點。本發(fā)明不僅能有效減少黑硅吸收層表面能量轉(zhuǎn)移損耗，提升黑硅表面電子遷移率，而且可以大幅提升黑硅電池的能量轉(zhuǎn)換效率。一種基于透明導電層的黑硅太陽能電池，其特點是結(jié)構(gòu)層自下而上依次為銀抗氧化層、鋁導電層、P型硅層、黑硅吸收層和ITO(氧化銦錫透明導電膜)透明導電層，其中鋁導電層為太陽能電池的正極，ITO透明導電層為太陽能電池的負極。一種基于透明導電層的黑硅太陽能電池的制備方法，包括如下步驟A)清洗P型硅層將P型硅層置于丙酮與無水酒精體積比為2 1的溶液里，在超聲波清洗機中清洗3min ；再將P型硅層用去離子水沖洗后置于濃度為98%硫酸、雙氧水、 去離子水體積比為2 1 1的溶液中，在超聲波清洗機中清洗3min;取出后再用去離子水清洗；B)蒸鍍鋁導電層將經(jīng)過清洗的P型硅層樣品置于裝有鋁靶材的直流濺射鍍膜機的真空室內(nèi)，進行抽真空處理，抽至真空度小于7*10E-4Pa之后向真空腔內(nèi)通入氬氣，流量在lO-lOOsccm之間，再開啟直流濺射電源，在P型硅層的下方，以10至IOOw的功率進行鍍膜，鍍膜時間為0. 5至5小時，在鋁導電層下方形成金屬電極，作為黑硅太陽能電池的正極；C)蒸鍍銀抗氧化層將經(jīng)過蒸鍍鋁導電層的樣品置于裝有銀靶材的離子束濺射鍍膜機的真空室內(nèi)，進行抽真空處理，抽至真空度小于4*10E-3Pa ；之后向真空室內(nèi)通入氬氣，流量在1-lOOsccm之間，再開啟離子束濺射電源，在鋁導電層的下方，以20至IOOma的束流進行鍍膜，鍍膜時間為0. 1至1小時；D)加工黑硅吸收層將經(jīng)過蒸鍍銀抗氧化層處理的樣品置于密封腔內(nèi)，抽真空至 4*10E-4Pa以下；向密封腔內(nèi)通入六氟化硫氣體，使密封腔內(nèi)氣壓在2*10E4至8*10E4Pa之間；用飛秒激光器光斑照射置于六氟化硫氣體中的P型硅層上表面，使P型硅層上表面被激光刻蝕出黑硅形貌，六氟化硫氣體在飛秒激光的照射下分解出硫單質(zhì)，部分硫單質(zhì)與黑硅表面的硅在高功率激光產(chǎn)生的熱量下互溶形成N型層，部分硫單質(zhì)沉積在黑硅表面，該部分硫單質(zhì)將在下一步快速退火中進一步與黑硅表面的硅互溶，形成N型層；E)退火將經(jīng)過加工黑硅吸收層處理的樣品置于管式氣氛爐內(nèi)，向爐管內(nèi)通入氬氣，流量在1至lOOOOsccm之間，之后將爐管加熱至200至1500攝氏度，時間為10分鐘至 50分鐘之間，沉積在黑硅吸收層表面的硫單質(zhì)與黑硅表面的硅互溶，進一步形成N型層；F)加工ITO透明導電層將經(jīng)過退火處理的樣品置于裝有ITO靶材的離子束濺射鍍膜機的真空室內(nèi)，進行抽真空處理，抽至真空度小于4*10E-3Pa;之后向真空室內(nèi)通入氬氣，流量在1-lOOsccm之間，之后向真空室內(nèi)通入氧氣，流量在Ι-lOOsccm之間，之后開啟離子束濺射電源，在黑硅吸收層的上方，以20至IOOma的束流進行鍍膜，鍍膜時間為2至4小時，形成ITO透明導電層。本發(fā)明不僅能有效減少黑硅吸收層表面能量轉(zhuǎn)移損耗，提升黑硅表面電子遷移率，而且可以大幅提升黑硅太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。


圖1為本發(fā)明基于透明導電層的黑硅太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。1、ITO透明導電層，2、黑硅吸收層，3、P型硅層，4、鋁導電層，5、銀抗氧化層。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明加以詳細說明。如圖1所示一種基于透明導電層的黑硅太陽能電池，結(jié)構(gòu)層自下而上依次為銀抗氧化層5、鋁導電層4、P型硅層3、黑硅吸收層2和ITO透明導電層1，其中鋁導電層為太陽能電池的正極，ITO透明導電層為太陽能電池的負極。具體制備方法如下A)清洗P型硅層將P型硅層置于丙酮與無水酒精體積比為2 1的溶液里，在超聲波清洗機中清洗3min，用于去除P型硅層表面油污；再將P型硅層用去離子水沖洗，用于去除丙酮與酒精殘留；之后，將P型硅層置于濃度為98%硫酸、雙氧水、去離子水體積比為 2:1: 1的溶液中，在超聲波清洗機中清洗3min，用于去除P型硅表面的氧化層；之后，用去離子水清洗，用于去除硫酸、雙氧水、丙酮殘留；
B)蒸鍍鋁導電層將經(jīng)過清洗的硅片置于裝有鋁靶材的直流濺射鍍膜機的真空室內(nèi)，進行抽真空處理，抽至真空度小于7*10E-4Pa;之后向真空腔內(nèi)通入氬氣，流量在 lO-lOOsccm之間，用于作為背景氣體；之后開啟直流濺射電源，在P型硅層3的下方，以10 至IOOw的功率進行鍍膜，鍍膜時間為0. 5至5小時；用于在鋁導電層4下方形成金屬電極， 作為黑硅太陽能電池的正極；C)蒸鍍銀抗氧化層將經(jīng)過蒸鍍鋁導電層的樣品置于裝有銀靶材的離子束濺射鍍膜機的真空室內(nèi)，進行抽真空處理，抽至真空度小于4*10E-3Pa ；之后向真空室內(nèi)通入氬氣，流量在1-lOOsccm之間，用于作為背景氣體；之后開啟離子束濺射電源，在鋁導電層4的下方，以20至IOOma的束流進行鍍膜，鍍膜時間為0. 1至1小時；用于隔絕鋁導電層與外界的空氣、濕氣接觸，防止鋁導電層氧化；D)加工黑硅吸收層將經(jīng)過蒸鍍銀抗氧化層處理的樣品置于密封腔內(nèi)，抽真空至 4*10E-4Pa以下；向密封腔內(nèi)通入六氟化硫氣體，使密封腔內(nèi)氣壓在2*10E4至8*10E4Pa 之間；用飛秒激光器以一定光斑大小照射置于六氟化硫氣體中的P型硅層3上表面，使 P型硅層3上表面被激光刻蝕出黑硅吸收層。作用1 形成的黑硅形貌用于吸收波長在 200nm-2500nm的光波，擁有超過90 %以上的吸收能力，產(chǎn)生光生載流子；作用2 六氟化硫氣體在飛秒激光的照射下分解出硫單質(zhì)，部分硫單質(zhì)與黑硅表面的硅在高功率激光產(chǎn)生的熱量下互溶形成N型層，部分硫單質(zhì)沉積在黑硅表面，該部分硫單質(zhì)將在下一步快速退火中進一步與黑硅表面的硅互溶，形成N型層；E)退火將經(jīng)過加工黑硅吸收層處理的樣品置于管式氣氛爐內(nèi)，向爐管內(nèi)通入氬氣，流量在1至lOOOOsccm之間，作用1 用于防止銀抗氧化層5高溫氧化，作用2 防止加工黑硅吸收層后黑硅吸收層表面的單質(zhì)硫與氧氣反應(yīng)生成二氧化硫，造成硫流失；之后將爐管加熱至200至1500攝氏度，時間為10分鐘至50分鐘之間。作用1 使沉積在黑硅吸收層 2表面的硫單質(zhì)與黑硅表面的硅互溶，進一步形成N型層；作用2 使P型硅層3與鋁導電層 4之間通過退火形成歐姆接觸，使P型硅層3與鋁導電層4之間的電阻大大降低，減少黑硅電池的內(nèi)阻；作用3 使鋁導電層4與銀抗氧化層5之間形成互溶合金層，減少載流子在使鋁導電層4與銀抗氧化層5之間的消耗，進一步減少黑硅電池的內(nèi)阻；作用4 在保證黑硅吸收層特有形貌不變的前提使黑硅吸收層表面被破壞的硅原子晶格排列得到一定恢復，有效提升黑硅表面電子遷移率；F)加工ITO透明導電層將經(jīng)過退火處理的樣品置于裝有ITO靶材的離子束濺射鍍膜機的真空室內(nèi)，進行抽真空處理，抽至真空度小于4*10E-3Pa;之后向真空室內(nèi)通入氬氣，流量在1-lOOsccm之間，用于作為背景氣體；之后向真空室內(nèi)通入氧氣，流量在 Ι-lOOsccm之間，用于作為與ITO靶材的反應(yīng)氣體；之后開啟離子束濺射電源，在黑硅吸收層2的上方，以20至IOOma的束流進行鍍膜，鍍膜時間為2至4小時，形成ITO透明導電層。 作用1 利用ITO材料導電特性好的優(yōu)勢，使黑硅吸收層表面直接與ITO膜緊密接觸，有效減少黑硅表面能量轉(zhuǎn)移損耗；作用2 利用ITO膜堅硬且致密的特點，保護黑硅吸收層表面的微納結(jié)構(gòu)免受外力破壞；作用3 利用ITO膜光線透過率高的特點，使光線能透過ITO透明導電層1照射到黑硅吸收層2表面，產(chǎn)生光生載流子。
權(quán)利要求
1.一種基于透明導電層的黑硅太陽能電池，其特征在于結(jié)構(gòu)層自下而上依次為銀抗氧化層、鋁導電層、P型硅層、黑硅吸收層和ITO透明導電層，其中鋁導電層為太陽能電池的正極，ITO透明導電層為太陽能電池的負極。
2.一種基于透明導電層的黑硅太陽能電池的制備方法，其特征在于包括如下步驟A)清洗P型硅層將P型硅層置于丙酮與無水酒精體積比為2 1的溶液里，在超聲波清洗機中清洗3min ；再將P型硅層用去離子水沖洗后置于濃度為98 %硫酸、雙氧水、去離子水體積比為2 1 1的溶液中，在超聲波清洗機中清洗3min;取出后再用去離子水清洗；B)蒸鍍鋁導電層將經(jīng)過清洗的P型硅層樣品置于裝有鋁靶材的直流濺射鍍膜機的真空室內(nèi)，進行抽真空處理，抽至真空度小于7*10E-4Pa之后向真空腔內(nèi)通入氬氣，流量在 lO-lOOsccm之間，再開啟直流濺射電源，在P型硅層的下方，以10至IOOw的功率進行鍍膜， 鍍膜時間為0. 5至5小時，在鋁導電層下方形成金屬電極，作為黑硅太陽能電池的正極；C)蒸鍍銀抗氧化層將經(jīng)過蒸鍍鋁導電層的樣品置于裝有銀靶材的離子束濺射鍍膜機的真空室內(nèi)，進行抽真空處理，抽至真空度小于4*10E-3Pa;之后向真空室內(nèi)通入氬氣， 流量在1-lOOsccm之間，再開啟離子束濺射電源，在鋁導電層的下方，以20至IOOma的束流進行鍍膜，鍍膜時間為0. 1至1小時；D)加工黑硅吸收層將經(jīng)過蒸鍍銀抗氧化層處理的樣品置于密封腔內(nèi)，抽真空至 4*10E-4Pa以下；向密封腔內(nèi)通入六氟化硫氣體，使密封腔內(nèi)氣壓在2*10E4至8*10E4Pa之間；用飛秒激光器光斑照射置于六氟化硫氣體中的P型硅層上表面，使P型硅層上表面被激光刻蝕出黑硅形貌，六氟化硫氣體在飛秒激光的照射下分解出硫單質(zhì)，部分硫單質(zhì)與黑硅表面的硅在高功率激光產(chǎn)生的熱量下互溶形成N型層，部分硫單質(zhì)沉積在黑硅表面，該部分硫單質(zhì)將在下一步快速退火中進一步與黑硅表面的硅互溶，形成N型層；E)退火將經(jīng)過加工黑硅吸收層處理的樣品置于管式氣氛爐內(nèi)，向爐管內(nèi)通入氬氣， 流量在1至lOOOOsccm之間，之后將爐管加熱至200至1500攝氏度，時間為10分鐘至50 分鐘之間，沉積在黑硅吸收層表面的硫單質(zhì)與黑硅表面的硅互溶，進一步形成N型層；F)加工ITO透明導電層將經(jīng)過退火處理的樣品置于裝有ITO靶材的離子束濺射鍍膜機的真空室內(nèi)，進行抽真空處理，抽至真空度小于4*10E-3Pa ；之后向真空室內(nèi)通入氬氣，流量在 Ι-lOOsccm之間，之后向真空室內(nèi)通入氧氣，流量在Ι-lOOsccm之間，之后開啟離子束濺射電源，在黑硅吸收層的上方，以20至IOOma的束流進行鍍膜，鍍膜時間為2至4小時，形成 ITO透明導電層。
全文摘要
一種基于透明導電層的黑硅太陽能電池，結(jié)構(gòu)層自下而上依次為銀抗氧化層、鋁導電層、P型硅層、黑硅吸收層和ITO透明導電層，其中鋁導電層為太陽能電池的正極，ITO透明導電層為太陽能電池的負極?；谕该鲗щ妼拥暮诠杼柲茈姵氐闹苽浞椒ㄏ葘型硅層清洗；采用直流濺射法在P型硅層的一面制備鋁導電層；采用離子束濺射的方法，在鋁導電層下方制備銀抗氧化層；將制成的樣品置于密封腔內(nèi)，在P型硅層未鍍膜的一面用飛秒激光器加工出黑硅吸收層；再將樣品置于管式氣氛爐中進行退火；最后在黑硅吸收層上方采用離子束濺射方法制備ITO透明導電層。本發(fā)明可有效減少黑硅吸收層表面能量轉(zhuǎn)移損耗，大幅提升黑硅太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/0224GK102361039SQ20111033869
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者張冬生, 彭滟, 朱亦鳴, 溫雅, 陳宏彥 申請人:上海理工大學