專利名稱：基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法
基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能電池制造工藝，具體為基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法。背景技術(shù)：
隨著世界人口的急劇增加和各國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求越來越多；能源問題已成為一個國家長久快速發(fā)展的戰(zhàn)略性問題。目前大規(guī)模使用的傳統(tǒng)能源如石油和煤炭由于儲量有限，按目前的消耗量在幾十年后至一百多年后將會枯竭，同時目前頻繁的使用化石能源造成嚴(yán)重的大氣污染和溫室效應(yīng)，因此對清潔可再生能源的需求也越來越迫切；太陽能電池作為清潔能源的一種由此得到了快速發(fā)展。自1954年貝爾實驗室報道第一個商品化的硅(Si)太陽能電池以來，各種太陽能電池相繼問世。通過數(shù)十年來的不斷發(fā)展，太陽能電池從第一代的單晶硅太陽能電池、第二代的薄膜太陽能電池到現(xiàn)在第三代的高效太陽能電池，其制作成本逐步降低，轉(zhuǎn)換效率不斷提高。目前晶硅電池(單晶和多晶)電池各種太陽能電池中，其市場比重占到了 90%以上，但轉(zhuǎn)換效率普遍不高。如何制備出轉(zhuǎn)換效率高的電池是各國從事光伏行業(yè)面臨的一個關(guān)鍵問題，這也是降低太陽能成本的關(guān)鍵手段。由于Si是一種間接帶隙材料，其對光吸收的能力相對于直接帶隙半導(dǎo)體來說要弱的多。常規(guī)晶體硅電池由于單一能帶的屬性，處于350-600nm波段的光，此短波段光子的能量高，被常規(guī)晶體硅電池吸收后，大部分變成熱而消耗掉。如何提高短波響應(yīng)，是業(yè)界共同關(guān)心的話題。為解決上述技術(shù)問題，確有必要提供一種先進的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池的制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的所述缺陷。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其有效地提升350-600nm短波段的量子效率，使得光電流增加，最終達到高效轉(zhuǎn)換的目的。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其包括如下工藝步驟(I)，在P型晶體硅襯底上制備制絨面；(2)，利用平板等離子增強化學(xué)氣相淀積，在有絨面的P型晶體硅襯底表面進行非晶硅薄膜的沉積；(3)，對沉積有非晶硅薄膜的P型晶體硅襯底，利用快速熱退火過程形成硅量子占.(4)，對形成硅量子點的P型晶體硅襯底，利用平板等離子增強化學(xué)氣相淀積，再進行富硅的氮化硅薄膜沉積，形成一層硅量子點薄膜的制備；(5)，重復(fù)步驟(2)至步驟(4)多次，完成多層硅量子點薄膜的制備；
￠)，利用管式閉管擴散爐，對具有多層硅量子點薄膜的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結(jié)，并在500-150(TC溫度下進行恒定表面濃度擴散源的推進；(7)，利用管式或者平板式等離子增強化學(xué)氣相淀積方法在P型晶體硅襯底正面淀積Si3N4減反膜；(8)，對正面淀積有Si3N4減反膜的P型晶體硅襯底，在其背面和正面分別進行正、負(fù)電的絲網(wǎng)印刷；(9)，對絲網(wǎng)印刷后的P型晶體硅襯底，進 行絲印電極的退火，完成基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池的制備。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(1)中的P型晶體娃襯底選自P型125mmX125mm單晶娃片、p型156mmX 156mm單晶娃片和P型156 X 156mm多晶娃片中的一種。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(2)中形成的非晶硅薄膜的厚度為l_15nm之間。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(3)的快速熱退火過程，利用鏈?zhǔn)酵嘶馉t，在氮氣氣氛保護下，以快速熱退火的方式進行退火；或利用帶用快速熱退火設(shè)備的平板PECVD進行原位退火；快速熱退火過程的最高退火溫度為700-900°C之間，退火時間為20-400S。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(4)中的富硅的氮化硅薄膜的分子式為SixN,其中，X> 0. 75，富硅的氮化硅薄膜的厚度在lnm-30nm 之間。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(5)中的重復(fù)步驟(2)至步驟(4)的次數(shù)為100次以內(nèi)，且形成的多層硅量子點薄膜的總厚度在IOOOnm以內(nèi)。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟(6)中，利用管式閉管擴散爐，液態(tài)三氯氧磷為擴散源，對具有多層硅量子點薄膜的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結(jié)，擴散完畢后，關(guān)閉三氯氧磷擴散源，并原位進行高溫恒定表面濃度的磷的推進和再分布；高溫推進的溫度為500-1500°C之間，推進再分布時間為ls-lOh，該過程通氮氣進行保護。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(7)中的Si3N4減反膜的厚度在70nm-120nm之間。本發(fā)明的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法進一步為步驟
(8)中，利用絲網(wǎng)印刷機，對背面進行絲網(wǎng)印刷鋁銀漿料，在正面印刷銀漿料，分別形成電池的正極和負(fù)極。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用Si量子點的量子限制效應(yīng)，通過量子點尺寸改變導(dǎo)致的激子玻爾半徑與尺寸相比擬時，Si量子點的能帶發(fā)生展寬，可以吸收高能光子(350-600nm)，高能光子的弛豫變熱過程被抑制，進而光生載流子被PN結(jié)有效分離；可以有效地提升350-600nm波段的量子效率，使得光電流增加，最終達到高效轉(zhuǎn)換的目的；具有增加的工藝步驟少、能與大生產(chǎn)線上的工藝兼容，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等特點，最終達到降低成本的目的；表面具有多層硅量子點結(jié)構(gòu)后，硅量點能帶的改變可以吸收高能光子，而硅量子點層和層之間形成超晶格結(jié)構(gòu)，除可充分吸收短波光外，還有助于光生載流子的分離和輸運。
圖I為本發(fā)明的基于多層Si量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池的制備方法的流程圖。圖2為本發(fā)明的P型晶體硅襯底示意圖。圖3為本發(fā)明在襯底正反面制備出絨面后示意圖。圖4為本發(fā)明利用平板等離子增強化學(xué)氣相淀積(平板式PECVD)非晶硅薄膜示 意圖。圖5為本發(fā)明通過快速熱退火過程形成Si量子點示意圖。圖6為本發(fā)明利用平板式PECVD淀積富Si的SixN薄膜。圖7為本發(fā)明重復(fù)淀積形成Si量子點和富Si的SixN薄膜，形成多層Si量子點薄膜結(jié)構(gòu)。圖8為本發(fā)明進行磷擴散形成PN結(jié)，并在高溫下推進，使得磷摻雜再分布，而后利用平板式或者管式PECVD生長Si3N4減反膜示意圖。圖9為本發(fā)明利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在正面和背面分別印刷負(fù)電極和正電極示意圖。
具體實施方式以下結(jié)合附圖I至圖9對本發(fā)明的實施例作進一步詳細(xì)的描述。如圖I所示，其為本發(fā)明提供的制備基于多層Si量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池的制備方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟101 :在P型晶體硅襯底上制備制絨面；步驟102 :利用平板式PECVD淀積非晶硅薄膜；步驟103 :氮氣氣氛保護下的快速熱退火，形成硅量子點；步驟104 :利用平板式等離子體增強化學(xué)氣相淀積富硅的氮化硅薄膜；步驟105 :重復(fù)102-104步驟多遍,形成多層娃量子薄膜；步驟106 :擴散形成PN結(jié)，并在高溫下進行擴散源的推進再分布；步驟107 :在P型晶體硅襯底正面淀積Si3N4減反膜；步驟108 :淀積氮化硅減反膜，背面、正面絲網(wǎng)印刷正、負(fù)極電極；步驟109 :絲印電極合金退火，完成短波響應(yīng)高效晶硅太陽能電池的制備。圖2至圖9是用來說明本發(fā)明一個具體實施例的示意圖。請參閱圖2，為實現(xiàn)圖I中的步驟101而選材，選取的晶硅基板201為商用125單晶或者156多晶都可以，襯底類型為P型襯底，單晶電阻率為0. 5-3 Q cm，多晶電阻率為
0.5-6 Q *cmo也就是說步驟102的P型晶體娃襯底選自p型125mmX 125mm單晶娃片、p型156mm X 156mm單晶娃片和p型156 X 156mm多晶娃片中的一種。請參閱圖3，其實現(xiàn)圖I中的步驟101，為利用大規(guī)模生產(chǎn)線上制備絨面的方法，將厚度為180微米至250微米之間的晶硅襯底(也就是說晶硅基板201)放置于按一定比例配制的NaOH、Na2SiO3和無水乙醇混合而成的制絨液中，由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會對晶硅進行各向異性腐蝕形成絨面301，絨面301的形狀呈現(xiàn)倒金字塔形；其中多晶硅制備絨面的方式略有不同。因為在制備過程中襯底正、反面因為均置于腐蝕液中，因此正反兩面制備出的絨面301特性基本一致。請參閱圖4，其實現(xiàn)圖I中的步驟102，為利用平板式PECVD，以硅烷和氫氣為淀積氣體，在有續(xù)面301的P型晶體娃襯底(也就是說晶娃基板201的續(xù)面301)表面進行超薄非晶硅薄膜的沉積，功率選擇在80KW，氣體流量比在I : 4至I : 10之間，襯底溫度選擇在400度，而后一層厚度在2nm的非晶硅薄 膜302。步驟(2)中形成的超薄非晶硅薄膜302的厚度為l_15nm之間。請參閱圖5，其實現(xiàn)圖I中的步驟103，為淀積超薄非晶硅薄膜302完畢后，利用原位式輻射快速熱退火爐或者鏈?zhǔn)娇焖贌嵬嘶鸬姆绞皆?00-900°C之間，退火時間為20-400s，快速熱退火形成硅納米晶401。硅納米晶401的大小、密度可由Si薄膜的厚度、退火溫度和退火時間來綜合控制；最佳退火時間和條件需要根據(jù)理論計算給出量子點的尺寸，以及此尺寸下所對應(yīng)的能帶變化而設(shè)置沉積和處理條件。請參閱圖6，其實現(xiàn)圖I中的步驟104，為利用平板式PECVD淀積富Si的SixN薄膜501。富Si的SixN薄膜501，是非等化學(xué)配比，這一點在沉積制備中至關(guān)重要。射頻源可以選擇40kHz-13. 56MHz，使用硅烷、氨氣、氬氣，射頻功率依據(jù)平板式可達到1800W，真空設(shè)定壓強為0. 5Pa襯底溫度可選擇480度，沉積壓強調(diào)節(jié)到180Pa-220Pa之間。整個處理過程可以實現(xiàn)多片批量處理。在氣體流量調(diào)節(jié)中，硅烷與氨氣的氣體流量比，通過計算使得Si的原子數(shù)與N的原子數(shù)之比一定要大于0. 75，即，X > 0. 75，超薄富硅的氮化硅薄膜501的厚度在lnm-30nm之間,優(yōu)選地,使得超薄富娃的氮化娃薄膜501的厚度在10_15nm左右。請參閱圖7，其實現(xiàn)圖I中的步驟105，為重復(fù)步驟102、103、104多次形成多層硅量子點薄膜602，這里有一最佳厚度比值，如硅量子點直徑在3nm的情況下，多層硅量子點薄膜602的總厚度可不超過45nm，重復(fù)10個周期。因此，重復(fù)次數(shù)宜為100次以內(nèi)，且形成的多層硅量子點薄膜602的總厚度控制在IOOOnm以內(nèi)。請參閱圖8，其實現(xiàn)圖I中的步驟106，利用管式閉管擴散爐，液態(tài)三氯氧磷為擴散源，對具有多層硅量子點薄膜602的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結(jié)，擴散完畢后，關(guān)閉三氯氧磷擴散源，并原位進行高溫恒定表面濃度的磷的推進和再分布；高溫推進的溫度為500-1500°C之間，推進再分布時間為ls-lOh，該過程通氮氣進行保護。具體地，為三氯氧磷701的擴散，擴散爐溫度可在300°C至1300°C變化。選取擴散溫度在850-950°C之間，擴散源為液態(tài)P0C13。可以實現(xiàn)單面PN結(jié)擴散，也可實現(xiàn)雙面PN結(jié)擴散。在此例中，以單面PN結(jié)擴散為例，擴散出的PN結(jié)其結(jié)深在200-500nm之間，已經(jīng)把多層硅量子點擴透；擴散過程中，找一個陪(參考樣品)，以便擴散完后使得所形成的方塊電阻約在20-120 Q/ □變化。由于擴散過程中，會在電池表面形成磷硅玻璃，它會影響電池的效率，因此用HF酸、HNO3酸和水的混合腐蝕液來消除磷硅玻璃，清除完磷硅玻璃后用去離子水清洗干凈并烘干。請再次參閱圖8，其亦實現(xiàn)圖I中的步驟107，為Si3N4減反射膜601的沉積。將基片再放入到管式或者平板式PECVD中，生長Si3N4膜601，膜厚控制在70-120nm之間。對于晶硅電池的單層減反膜情況來說，其對光的減反效果可達到最佳。請參閱圖9，其實現(xiàn)圖I中的步驟108與步驟109，為正負(fù)電極制備過程。利用絲網(wǎng)印刷將鋁漿料印刷于電池背面，形成鋁背場電極，印刷完畢后在200°C熱處理并加以固化，形成背面的正電極801。接著用絲網(wǎng)印刷機在正面涂覆負(fù)電極銀漿料，形成柵線和匯流條，印刷完畢后在200°C熱處理并加以固化，形成正面的負(fù)電極802。最后按照大規(guī)模生產(chǎn)線的退火合金方式，對正面的負(fù)電極802、背面的正電極801進行從300°C至900°C的階梯式熱退火處理，最終完成基于多層Si量子點的良好短波響應(yīng)高效晶硅太陽能電池的制備。本發(fā)明利用Si量子點的量子限制效應(yīng)，通過量子點尺寸改變導(dǎo)致的激子玻爾半徑與尺寸相比擬時，Si量子點的能帶發(fā)生展寬，可以吸收高能光子(350-600nm)，高能光子的弛豫變熱過程被抑制，進而光生載流子被PN結(jié)有效分離；可以有效地提升350-600nm波段的量子效率，使得光電流增加，最終達到高效轉(zhuǎn)換的目的；具有增加的工藝步驟少、能與大生產(chǎn)線上的工藝兼容，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等特點，最終達到降低成本的目的；表面具有多層硅量子點結(jié)構(gòu)后，硅量點能帶的改變可以吸收高能光子，而硅量子點層和層之間形成超晶格結(jié)構(gòu)，除可充分吸收短波光外，還有助于光生載流子的分離和輸運。以上所述制備工藝，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。權(quán)利要求
1.基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于其包括如下工藝步驟 (1),在P型晶體硅襯底上制備制絨面； (2)，利用平板等離子增強化學(xué)氣相淀積，在有絨面的P型晶體硅襯底表面進行非晶硅薄膜的沉積； (3)，對沉積有非晶硅薄膜的P型晶體硅襯底，利用快速熱退火過程形成硅量子點； (4)，對形成硅量子點的P型晶體硅襯底，利用平板等離子增強化學(xué)氣相淀積，再進行富娃的氮化娃薄膜沉積，形成一層娃量子點薄膜的制備； (5)，重復(fù)步驟(2)至步驟(4)多次，完成多層硅量子點薄膜的制備； (6)，利用管式閉管擴散爐，對具有多層硅量子點薄膜的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結(jié)，并在500-150(TC溫度下進行恒定表面濃度擴散源的推進； (7)，利用管式或者平板式等離子增強化學(xué)氣相淀積方法在P型晶體硅襯底正面淀積Si3N4減反膜； (8)，對正面淀積有Si3N4減反膜的P型晶體硅襯底，在其背面和正面分別進行正、負(fù)電的絲網(wǎng)印刷； (9)，對絲網(wǎng)印刷后的P型晶體硅襯底，進行絲印電極的退火，完成基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池的制備。
2.如權(quán)利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(I)中的P型晶體娃襯底選自P型125mmX 125mm單晶娃片、p型156mmX 156mm單晶娃片和P型156X 156mm多晶娃片中的一種。
3.如權(quán)利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(2)中形成的非晶硅薄膜的厚度為l_15nm之間。
4.如權(quán)利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(3)的快速熱退火過程，利用鏈?zhǔn)酵嘶馉t，在氮氣氣氛保護下，以快速熱退火的方式進行退火；或利用帶用快速熱退火設(shè)備的平板PECVD進行原位退火；快速熱退火過程的最高退火溫度為700-900°C之間，退火時間為20-400s。
5.如權(quán)利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(4)中的富娃的氮化娃薄膜的分子式為SixN,其中，X > 0.75,富娃的氮化娃薄膜的厚度在lnm-30nm之間。
6.如權(quán)利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(5)中的重復(fù)步驟(2)至步驟(4)的次數(shù)為100次以內(nèi)，且形成的多層硅量子點薄膜的總厚度在IOOOnm以內(nèi)。
7.如權(quán)利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(6)中，利用管式閉管擴散爐，液態(tài)三氯氧磷為擴散源，對具有多層硅量子點薄膜的P型晶體硅襯底進行磷擴散，形成PN結(jié)，擴散完畢后，關(guān)閉三氯氧磷擴散源，并原位進行高溫恒定表面濃度的磷的推進和再分布；高溫推進的溫度為500-1500°C之間，推進再分布時間為ls-lOh，該過程通氮氣進行保護。
8.如權(quán)利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(7)中的Si3N4減反膜的厚度在70nm-120nm之間。
9.如權(quán)利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(8)中，利用絲網(wǎng)印刷機，對背面進行絲網(wǎng)印刷鋁銀漿料，在正面印刷銀漿料，分別形成電池的正極和負(fù)極。
10.如權(quán)利要求I所述的基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其特征在于步驟(9)中退火合金，正面的負(fù)電極、背面的正電極同時退火合金，完成基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池的制備。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池制備方法，其包括如下工藝步驟在P型晶體硅襯底上制備制絨面；進行非晶硅薄膜的沉積；利用快速熱退火過程形成硅量子點；形成一層硅量子點薄膜的制備；重復(fù)上述步驟二至步驟三多次，完成多層硅量子點薄膜的制備；形成PN結(jié)并進行恒定表面濃度擴散源的推進；在P型晶體硅襯底正面淀積Si3N4減反膜；在其背面和正面分別進行正、負(fù)電的絲網(wǎng)印刷；進行絲印電極的退火，完成基于多層硅量子點的短波響應(yīng)晶硅太陽能電池的制備。本發(fā)明的優(yōu)點在于有效地提升350-600nm短波段的量子效率，使得光電流增加，最終達到高效轉(zhuǎn)換的目的。
文檔編號H01L31/18GK102751386SQ201210238099
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者王成林 申請人:遼寧朝陽光伏科技有限公司