一種硅納米線薄膜電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅納米線薄膜電池及其制備方法。電池包括襯底(1)和形成在襯底(1)上的硅納米線層(2)，硅納米線層(2)由多個(gè)長(zhǎng)度方向垂直于襯底(1)表面的硅納米線構(gòu)成，在每個(gè)硅納米線的外側(cè)依次形成有背電極薄膜層(2a)、摻雜型硅薄膜層(2b)、活性層硅薄膜(3)、摻雜型硅薄膜(4)和透明導(dǎo)電膜(5)。本發(fā)明能獲得具有很好陷光效果及真正實(shí)現(xiàn)載流子徑向收集，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率的硅納米線薄膜電池，同時(shí)電池的制備過(guò)程簡(jiǎn)便易行，具有低成本可規(guī)?；a(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種硅納米線薄膜電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)光生載流子徑向收集的硅納米線薄膜電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】 [0002]隨著社會(huì)高速發(fā)展，能源消耗急劇增加，生態(tài)環(huán)境惡化嚴(yán)重，尋求綠色可再生能源成為人們亟需解決的問(wèn)題。太陽(yáng)能作為可再生能源的一種，由于其光源充足，成為人類應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境惡化的首選。對(duì)于太陽(yáng)能的利用，主要是通過(guò)半導(dǎo)體pn結(jié)這種太陽(yáng)能電池裝置，將其轉(zhuǎn)換為電能加以利用。這樣制備成本低、轉(zhuǎn)換效率高的太陽(yáng)能電池成為全世界范圍內(nèi)研究人員研究的焦點(diǎn)。
[0003]目前太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展主要是硅基太陽(yáng)能電池，主要是硅材料充足，且硅材料制備和器件制備技術(shù)成熟。對(duì)于硅基電池的發(fā)展，可以分為三代，其中第一代電池為晶體娃電池；第二代電池為非晶娃薄膜電池；第三代電池為高轉(zhuǎn)換率且低成本理念電池。第一代晶體硅電池最大的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率很高，但電池成本很高；所以在此基礎(chǔ)上發(fā)展了第二代太陽(yáng)能電池，即非晶硅薄膜電池，薄膜電池減低了電池成本，但是其轉(zhuǎn)換效率比較低，同時(shí)由于非晶娃內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在光照的條件下會(huì)出現(xiàn)光致衰退效應(yīng)(Staebler-Wronski效應(yīng))，非晶硅電池不夠穩(wěn)定，所以不能滿足人們的對(duì)穩(wěn)定太陽(yáng)能電池期望要求，這樣高轉(zhuǎn)化率低成本電池成為電池未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。第三代高轉(zhuǎn)化率低成本電池實(shí)現(xiàn)方式之一是應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)，其中納米線陣列結(jié)構(gòu)徑向電池，成為第三代電池研究的熱點(diǎn)。這主要因?yàn)槠淞己玫南莨庾饔煤洼d流子徑向收集作用，根據(jù)納米線陣列制備方式的不同，將納米線電池分為兩類，一類為通過(guò)腐蝕晶體硅得到硅納米線，自上而下形成硅納米線結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池?’另一類是通過(guò)(氣-液-固)VLS生長(zhǎng)機(jī)制獲得的硅納米線，自下而上形成硅納米線結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池。不管是第一類腐蝕得到的納米線電池，還是第二類納米線電池，都是希望利用納米線結(jié)構(gòu)良好的陷光作用和載流子徑向收集作用，但其都沒(méi)實(shí)現(xiàn)光生載流子真正意義上的徑向收集，這主要是η型納米線(P型)作為光生電子(空穴)收集一方，光生電子(空穴)從線體輸運(yùn)到電極處并不是徑向場(chǎng)收集收集，而是軸向擴(kuò)散收集的。
[0004]圖1是傳統(tǒng)的硅納米線薄膜電池整體圖。圖2是傳統(tǒng)的硅納米線太陽(yáng)能薄膜電池中的局部單根納米線徑向載流子收集示意圖。如圖1和圖2所示，該硅納米線薄膜電池包括襯底1、硅納米線層2、活性層硅薄膜3、摻雜型硅薄膜4和透明導(dǎo)電膜5。
[0005]其中，襯底I可以是不銹鋼、聚酯膜、玻璃等柔性襯底，硅納米線層2可以是η型線或P型納米線?；钚詫庸璞∧? —般為I型硅薄膜層，可以是非晶硅、微晶硅、晶體硅；摻雜型硅薄膜4為P型硅薄膜或η型硅薄膜；透明導(dǎo)電膜5包括ΙΤ0、TCO等。
[0006]圖2給出的傳統(tǒng)納米線光生載流子收集步驟是以η型納米線為例。在圖2中，A為光注入方向，B為光生電子，C為光生空穴，D為光生電子從I型硅薄膜層3收集到η型硅納米線層2的方向，E為光生空穴從I型硅薄膜層3收集到P型硅薄膜4并到達(dá)透明導(dǎo)電膜5的方向；F為光生電子擴(kuò)散收集到電極襯底I方向。[0007]從圖2中可以看出，對(duì)于傳統(tǒng)的納米線薄膜電池，光生電子在收集到電極襯底I處，主要靠的是擴(kuò)散，光生電子要沿納米線2的軸向長(zhǎng)度方向輸運(yùn)。從光生電子的收集方向可以看出傳統(tǒng)的納米線電池的不利效果為:沒(méi)有縮短光生電子產(chǎn)生處到襯底I電極的距離，因?yàn)檫@種軸向輸運(yùn)的距離納米線長(zhǎng)度數(shù)量級(jí)一般為微米量級(jí)，因此并沒(méi)減少光生電子在軸向輸運(yùn)過(guò)程中的復(fù)合，降低了電池的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0009]本發(fā)明的目的是提出一種硅納米線薄膜電池及其制備方法，以解決傳統(tǒng)的硅納米線薄膜電池需要沿硅納米線輸運(yùn)光生電子而發(fā)生復(fù)合，電池效率不高的問(wèn)題。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種硅納米線薄膜電池，包括襯底和形成在襯底上的硅納米線層，所述硅納米線層由多個(gè)長(zhǎng)度方向垂直于襯底表面的硅納米線構(gòu)成，在所述每個(gè)硅納米線的外側(cè)依次形成有活性層硅薄膜、摻雜型硅薄膜和透明導(dǎo)電膜，在所述硅納米線層的每個(gè)硅納米線與所述活性層硅薄膜之間，從內(nèi)至外依次還包括背電極薄膜層和摻雜型硅薄膜層。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述背電極薄膜層為金屬層、ITO層或AZO層。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述背電極薄膜層是厚度為75納米?150納米的摻錫氧化銦層。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述背電極薄膜層是厚度為150納米?200納米的摻鋁氧化鋅。
[0015]本發(fā)明還提出一種制備硅納米線薄膜電池的方法，包括依次進(jìn)行的如下步驟:S1、在襯底上生長(zhǎng)硅納米線，形成硅納米線層；S2、在所述硅納米線層的每個(gè)硅納米線的外側(cè)濺射生成背電極薄膜層；S3、在所述背電極薄膜層的外側(cè)生成摻雜硅薄膜層；S4、在所述摻雜型硅薄膜層的外側(cè)生成活性層硅薄膜、摻雜型硅薄膜和透明導(dǎo)電膜。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述背電極薄膜層為金屬層、ITO層或AZO層。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述背電極薄膜層是厚度為75納米?150納米的摻錫氧化銦層。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述背電極薄膜層是厚度為150納米?200納米的摻鋁氧化鋅。
[0019](三)有益效果
[0020]本發(fā)明能獲得具有很好陷光效果及真正實(shí)現(xiàn)載流子徑向收集，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換效率的硅納米線薄膜電池，同時(shí)電池的制備過(guò)程簡(jiǎn)便易行，具有低成本可規(guī)?；a(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是傳統(tǒng)的硅納米線薄膜電池的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是傳統(tǒng)的硅納米線薄膜電池的局部單根納米線徑向載流子收集示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明的硅納米線薄膜電池的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明的硅納米線薄膜電池的局部單根納米線徑向載流子收集示意圖；[0025]圖5是本發(fā)明的硅納米線薄膜電池的制備方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為實(shí)現(xiàn)載流子真正意義上徑向收集改善太陽(yáng)能電池性能，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新的電池結(jié)構(gòu)及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)載流子徑向收集。
[0027]圖3是本發(fā)明的硅納米線薄膜電池整體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4顯示了本發(fā)明的硅納米線薄膜電池的局部的單根納米線徑向載流子收集示意圖。如圖4所示，本發(fā)明的硅納米線薄膜電池相對(duì)于傳統(tǒng)納米線薄膜電池，襯底1、硅納米線層2、活性層硅薄膜3、摻雜型硅薄膜4和透明導(dǎo)電膜5的結(jié)構(gòu)和選材是相同的，不同的是本發(fā)明還包括背電極薄膜層2a和摻雜型硅薄膜層2b。其中背電極薄膜層2a可以是金屬層、ΙΤΟ、ΑΖ0、等各種導(dǎo)電性好的電極層，摻雜型娃薄膜層2b為各種摻雜型娃薄膜層。
[0028]具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的硅納米線薄膜電池包括襯底I和形成在襯底I上的硅納米線層2，硅納米線層由多個(gè)長(zhǎng)度方向垂直于襯底I表面的硅納米線構(gòu)成。在每個(gè)硅納米線的外側(cè)依次形成有活性層硅薄膜3、摻雜型硅薄膜4和透明導(dǎo)電膜5。并且，在硅納米線層2的每個(gè)硅納米線與活性層硅薄膜3之間，從內(nèi)至外依次還包括背電極薄膜層2a和摻雜型硅薄月旲層2b。
[0029]在圖4所示的本發(fā)明的硅納米線薄膜電池的光生載流子收集原理圖中，A為光注入方向；B為光生電子；D’為光生電子輸運(yùn)到背電極的方向；E’為光生電子軸向擴(kuò)散到背電極的方向。
[0030]其中，襯底1、硅納米線層2、活性層硅薄膜3、摻雜型硅薄膜4的結(jié)構(gòu)和材料可以參照傳統(tǒng)的硅納米線薄膜電池進(jìn)行選擇。所不同的是，在硅納米線層2和活性層硅薄膜3之間加入了背電極薄膜層2a和摻雜型硅薄膜層2b，其中背電極薄膜層2a可以是金屬層、ΙΤ0、AZO等各種導(dǎo)電性好的電極層；摻雜型硅薄膜層2b主要是各種摻雜型硅薄膜層。
[0031]從圖4這種新結(jié)構(gòu)的納米線電池的載流子的收集示意圖可以看出，這種新結(jié)構(gòu)電池的關(guān)鍵原理為:光生電子不經(jīng)過(guò)軸向擴(kuò)散過(guò)程，直接徑向收集到導(dǎo)電良好背電極薄膜層2a，這樣大大縮短了光生電子輸運(yùn)到電極的距離，一般納米線軸向長(zhǎng)度的量級(jí)為微米量級(jí)，而添加背電極薄膜層2a的厚度為納米線半徑-百納米量級(jí)，這樣直觀上將光生電子的距離提高了 10倍以上，大大縮短了光生電子的輸運(yùn)距離，減少了光生電子擴(kuò)散輸運(yùn)到電極處這個(gè)過(guò)程中的復(fù)合，提高了電池效率。即這種新結(jié)構(gòu)不光實(shí)現(xiàn)了一般傳統(tǒng)納米線電池的光生空穴的徑向收集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了光生電子的徑向收集，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)所在。
[0032]以上說(shuō)明了本發(fā)明的硅納米線薄膜電池的結(jié)構(gòu)，下面來(lái)說(shuō)明制造該硅納米線薄膜電池的方法。圖5顯示了本發(fā)明的方法的工藝流程圖。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的方法包括如下步驟:
[0033]S1、在襯底上生長(zhǎng)硅納米線，形成硅納米線層。
[0034]該步驟與傳統(tǒng)的步驟相同，其中磁控濺射100°C?150°C形成催化層，一般為5?10納米；用等離子體法生長(zhǎng)納米線，生長(zhǎng)溫度為300°C?450°C，形成納米線厚度為I?5微米。
[0035]S2、在所述硅納米線層的每個(gè)硅納米線的外側(cè)濺射生成背電極薄膜層。
[0036]其中磁控濺射溫度為300°C?350°C，得到背電極薄膜層厚度為75?150納米。[0037]S3、在所述背電極薄膜層的外側(cè)生成η型或ρ型摻雜硅薄膜層。
[0038]其中等離子體處理溫度為200°C?250°C，得到η型硅薄膜層?；虻入x子體處理溫度為70°C?150°C，得到ρ型硅薄膜層。
[0039]S4、在摻雜型硅薄膜層的外側(cè)生長(zhǎng)活性層硅薄膜，再生長(zhǎng)摻雜型硅薄膜，和透明導(dǎo)電膜。
[0040]其中等離子體處理溫度170°C?200°C，得到I型硅薄膜層；然后等離子體處理溫度為70°C?150°C，得到ρ型硅薄膜層，或等離子體處理溫度為200°C?250°C，得到η型硅薄膜層；最后磁控濺射溫度為70°C?100°C，得到背電極薄膜層厚度為300?500納米。
[0041]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0042]實(shí)施例1
[0043]實(shí)施例1提供一種納米線娃薄膜電池,其能夠真正實(shí)現(xiàn)載流子徑向收集。該實(shí)施例中的襯底采用不銹鋼箔，背電極薄膜采用氧化鋅導(dǎo)電層，電池結(jié)構(gòu)采用nip結(jié)構(gòu)，上電極薄膜層采用摻錫氧化銦透明導(dǎo)電層。
[0044]該實(shí)施例的的制備方法包括以下步驟，
[0045]步驟S1:在不銹鋼箔，聚酯膜等不透明襯底上，濺射透明導(dǎo)電膜薄膜，所述濺射用靶材中的錫銦質(zhì)量比為:Sn:Ιη=(0?I):9，摻錫氧化銦薄膜的濺射厚度為5?10納米；
[0046]采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積方法，在腔室中通入氫氣，對(duì)摻錫氧化銦薄膜進(jìn)行H等離子體處理，得到金屬納米顆粒，所述腔室中的功率密度為0.1ff / cm2?1.0W /cm2,反應(yīng)時(shí)間10分鐘，反應(yīng)氣壓力為200Pa，腔室溫度為300°C?450°C，得到的金屬納米顆粒的直徑為10?300納米；
[0047]再向腔室中通入第一反應(yīng)氣體，使不銹鋼襯底與金屬納米顆粒之間形成硅納米線，所述腔室中的第一反應(yīng)氣體，該第一反應(yīng)氣體為氫氣、硅烷氣體和磷烷氣體，其體積比為:氫氣:娃燒氣體:磷燒氣體=60: (I?10):0.06,得到的η型娃納米線,η型娃納米線的長(zhǎng)度為I?5微米；
[0048]步驟S2:將步驟SI得到的η型納米線置于磁控濺射腔室中，濺射摻錫氧化銦背電極，所述摻錫氧化銦的濺射厚度為75?150納米；
[0049]步驟S3:繼續(xù)采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積方法，向腔室中通入第一反應(yīng)氣體氫氣、硅烷氣體和磷烷氣體，在步驟S2得到的包裹有摻錫氧化銦背電極的納米線上生長(zhǎng)η型非晶硅薄膜，其體積比為:氫氣:硅烷氣體:磷烷氣體=60: (I?10):0.1，腔室中的功率密度為0.05W / cm2?0.1ff / cm2，反應(yīng)時(shí)間4分鐘?5分鐘，反應(yīng)氣壓力為200Pa?220Pa，反應(yīng)溫度為200°C?250°C ；
[0050]S4:將腔室溫度降至170°C?200°C，向腔室中通入氫氣和硅烷氣體，沉積本征層非晶硅，其體積比為:氫氣:硅烷氣體==30:(1?10)，腔室中的功率密度為0.5ff / cm2,反應(yīng)時(shí)間20分鐘?25分鐘，反應(yīng)氣壓力為147Pa?154Pa ；
[0051]向腔室中通入第二反應(yīng)氣體，在本征層上沉積摻雜層，該摻雜層為ρ型摻雜，形成樣品，所述腔室中的第二反應(yīng)氣體為氫氣、娃燒氣體和硼燒氣體，其體積比為:氫氣:娃燒氣體:硼烷氣體=(120?100):(1?3):(0.02?0.03)，腔室中的功率密度為0.5W /cm2?1.0W / cm2,反應(yīng)時(shí)間3分鐘?4分鐘，反應(yīng)氣壓力為266Pa?280Pa，得到ρ型層后，形成樣品；
[0052]將沉積摻雜層后的樣品從腔室中取出，采用磁控濺射的方法在摻雜層上生長(zhǎng)摻錫氧化銦透明薄膜電極，所述的透明薄膜電極的厚度為300納米?500納米，完成制備。
[0053]實(shí)施例2
[0054]該實(shí)施例2與實(shí)施例1在結(jié)構(gòu)和制備方法上基本相同，不同之處在于，步驟SI是采用第二反應(yīng)氣體，該步驟Si腔室中的第二反應(yīng)氣體為氫氣、硅烷氣體和硼烷氣體的體積比為:氫氣:硅烷氣體:純硼烷氣體=(100?120): (I?3): (0.02?0.1)，得到的ρ型硅納米線，或只通入氫氣和硅烷氣體，其體積比為:氫氣:硅烷氣體=60: (I?10)，得到I型納米線
[0055]步驟S2在磁控濺射腔室中，給納米線濺射摻鋁氧化鋅(AZO)背電極，濺射的摻鋁氧化鋅背電極厚度為150納米?200納米。
[0056]實(shí)施例3
[0057]與實(shí)施例1和實(shí)施例2在結(jié)構(gòu)和制備方法上基本相同，不同之處在于，步驟SI采用玻璃做襯底；
[0058]步驟S3是采用向腔室中通入第二反應(yīng)氣體，所述腔室中的第二反應(yīng)氣體為氫氣、硅烷氣體和硼烷氣體，其體積比為:氫氣:硅烷氣體:硼烷氣體=(120?100):(1?3):(0.02?0.03)，腔室中的功率密度為0.5ff / cm2?1.0W / cm2,反應(yīng)時(shí)間3分鐘?4分鐘，反應(yīng)氣壓力為266Pa?280Pa，形成ρ型層；
[0059]步驟S4向腔室中通入第一反應(yīng)氣體氫氣、硅烷氣體和磷烷氣體，在步驟4得到的包裹有摻錫氧化銦背電極的納米線上生長(zhǎng)η型非晶硅薄膜，其體積比為:氫氣:硅烷氣體:磷烷氣體=60:(1?10):0.1，腔室中的功率密度為0.05W / cm2?0.1W / cm2，反應(yīng)時(shí)間4分鐘?5分鐘，反應(yīng)氣壓力為200Pa?220Pa，反應(yīng)溫度為200°C?250°C。由此形成樣品。
[0060]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種硅納米線薄膜電池，包括襯底(I)和形成在襯底(I)上的硅納米線層(2)，所述硅納米線層(2)由多個(gè)長(zhǎng)度方向垂直于襯底(I)表面的硅納米線構(gòu)成，在所述每個(gè)硅納米線的外側(cè)依次形成有活性層硅薄膜(3)、摻雜型硅薄膜(4)和透明導(dǎo)電膜(5)，其特征在于: 在所述硅納米線層(2)的每個(gè)硅納米線與所述活性層硅薄膜(3)之間，從內(nèi)至外依次還包括背電極薄膜層(2a)和摻雜型硅薄膜層(2b)。
2.如權(quán)利要求1所述的硅納米線薄膜電池，其特征在于，所述背電極薄膜層(2a)為金屬層、ITO層或AZO層。
3.如權(quán)利要求1所述的硅納米線薄膜電池，其特征在于，所述背電極薄膜層(2a)是厚度為75納米?150內(nèi)米的摻錫氧化銦層。
4.如權(quán)利要求1所述的硅納米線薄膜電池，其特征在于，所述背電極薄膜層(2a)是厚度為150內(nèi)米?200內(nèi)米的摻鋁氧化鋅。
5.一種制備硅納米線薄膜電池的方法，包括依次進(jìn)行的如下步驟: 51、在襯底(I)上生長(zhǎng)硅納米線，形成硅納米線層(2); 52、在所述硅納米線層的每個(gè)硅納米線的外側(cè)濺射生成背電極薄膜層(2a): 53、在所述背電極薄膜層(2a)的外側(cè)生成摻雜硅薄膜層(2b)； 54、在所述摻雜型硅薄膜層(2b)的外側(cè)生成活性層硅薄膜(3)、摻雜型硅薄膜(4)和透明導(dǎo)電膜(5)。
6.如權(quán)利要求5所述的制備硅納米線薄膜電池的方法，其特征在于，所述背電極薄膜層(2a)為金屬層、ITO層或AZO層。
7.如權(quán)利要求5所述的制備硅納米線薄膜電池的方法，其特征在于，所述背電極薄膜層(2a)是厚度為75納米?150內(nèi)米的摻錫氧化銦層。
8.如權(quán)利要求5所述的制備硅納米線薄膜電池的方法，其特征在于，所述背電極薄膜層(2a)是厚度為150內(nèi)米?200內(nèi)米的摻鋁氧化鋅。
【文檔編號(hào)】H01L31/0224GK103579404SQ201310585523
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】張曉東, 曾湘波, 謝小兵, 楊萍, 李 浩, 王啟明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所