過步驟d處理后的硅單晶片迅速轉(zhuǎn)移到磁控濺射的樣品臺(tái)上固定，然后用機(jī)械栗抽真空到10—4 Pa，再利用射頻磁控濺射工藝在硅單晶片的正面上制備厚度為80 nm的ITO薄膜，形成透明半導(dǎo)體層;在制備ITO薄膜時(shí)，T⑶靶材采用直徑為77 mm的SnO2和In2O3復(fù)合的合金陶瓷革E，革E材的成分為質(zhì)量百分比為1 wt.%的Sn02和90 wt%的Ιη2θ3組成，派射條件為:濺射功率為100W，工作氣體為高純Ar，工作壓強(qiáng)1.0Pa，襯底溫度250°C，靶基距7cm，濺射時(shí)間3分鐘；
f.在步驟e磁控濺射工藝過程中，同時(shí)在靶材上施加電位為695V的負(fù)偏壓，使ITO靶材中的O離子在偏壓加速下注入硅單晶片表面，在ITO薄膜和硅單晶片的界面處，將O離子注入硅單晶片的Si基體表層，使O離子與硅單晶片的淺層硅原子發(fā)生固相反應(yīng)形成超薄S1x層，從而在ITO薄膜和硅單晶片之間形成厚度為1.4 nm的超薄S1x薄膜，形成超薄絕緣層；
g.在步驟e濺射結(jié)束后，將完成超薄S1x薄膜和ITO薄膜的樣品取出并放入真空熱蒸發(fā)設(shè)備中，再利用掩膜方法，在ITO薄膜上蒸發(fā)沉積制備圖案化的Ag/Al柵電極作為前電極，在硅單晶片的背面上蒸發(fā)沉積制備Al電極作為背電極，從而最終制成具有IT0/Si0x/n-Si層狀結(jié)構(gòu)的硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池片。
[0017]h.用WXQH160型金剛石外圓下切害U/劃片機(jī)，切去最終制備的硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池片的邊緣部分，進(jìn)行精整，防止光電池邊緣短路和增大并聯(lián)電阻，得到成品太陽電池片。
[0018]本實(shí)施例利用射頻磁控濺射法，制備出具有較高光伏轉(zhuǎn)換效率的IT0/Si0x/n-Si結(jié)構(gòu)SIS太陽電池。磁控濺射沉積的ITO薄膜結(jié)晶度高，并且具有高的紫外一可見光透過率及優(yōu)異的電學(xué)性能。ITO薄膜在整個(gè)器件中具有三個(gè)重要功能:①優(yōu)異的增透減反作用，②優(yōu)良的載流子收集層，③與n-Si基體共同作用形成內(nèi)建電場。通過磁控濺射中離子淺注入混合技術(shù)形成的超薄S1x層不僅作為鈍化層降低界面態(tài)，而且可增強(qiáng)光生空穴隧穿。當(dāng)前制備得到的新型硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到11.5%，本實(shí)施例從器件設(shè)計(jì)原理、模型數(shù)值計(jì)算和工藝優(yōu)化的可能性，此器件的光電轉(zhuǎn)換效率還有較大的提升余地。綜上，本實(shí)施例制備的硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，有一定的發(fā)展前途，并有推廣應(yīng)用之遠(yuǎn)景。
[0019 ]圖2是本實(shí)施例制備的SIS結(jié)構(gòu)太陽電池在光照下的電流-電壓、輸出功率特性曲線圖，從圖中可知，器件的轉(zhuǎn)化效率為11.5%，開路電壓、短路電流和填充因子分別為0.48V，34.22mA/cm2和69.99%。圖3是本實(shí)施例制備的SIS結(jié)構(gòu)太陽電池ITO/Si界面高分辨TEM圖，從圖中可知，在ITO薄膜和硅單晶片之間形成厚度為1.4nm的超薄S1x薄膜。圖4是本實(shí)施例制備的SIS結(jié)構(gòu)太陽電池內(nèi)部元素化合態(tài)的XPS深度剖析圖，在在ITO薄膜和硅單晶片的界面處，O離子注入硅單晶片的Si基體表層，使O離子與硅單晶片的淺層硅原子發(fā)生固相反應(yīng)形成超薄S1x層，通過XPS深度剖析，可知超薄S1x層是由Si20、S1、Si2O3和S12—系列硅氧化物復(fù)合而成的復(fù)合硅氧化物材料層。圖5是本實(shí)施例制備的SIS結(jié)構(gòu)太陽電池中ITO薄膜的載流子濃度對器件開路電壓的影響關(guān)系圖，從圖中可知，SIS結(jié)構(gòu)太陽電池中ITO薄膜的載流子濃度和器件開路電壓之間存在線性關(guān)系，表示隨著SIS結(jié)構(gòu)太陽電池中ITO薄膜的載流子濃度的增加，器件開路電壓緩慢降低。圖6是本實(shí)施例制備的SIS結(jié)構(gòu)太陽電池中電子和空穴隧穿因子對開路電壓的影響關(guān)系圖，從圖中可知，空穴隧穿因子越大，則開路電壓越大，而電子隧穿因子反之。圖7是本實(shí)施例制備的SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的外量子效率圖，從圖中可知，器件的光譜相應(yīng)范圍在300?1100 nm，當(dāng)波長在600 nm時(shí)，量子效率最高為98%。圖8是本實(shí)施例制備的SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的溫度響應(yīng)關(guān)系圖，從圖中可知，器件的輸出功率具有良好的負(fù)溫度系數(shù)，系數(shù)為-0.34%/°C(優(yōu)于晶硅電池，而略差于HIT電池)，開路電壓的負(fù)溫度系數(shù)為-0.3%/°C。圖9是本實(shí)施例制備的SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的時(shí)間穩(wěn)定性驗(yàn)證對比圖，從圖中可知，器件在長達(dá)一年的工作過程中，轉(zhuǎn)換效率沒有明顯衰退，基本維持在9.0%，說明該器件具有長時(shí)間的穩(wěn)定性。本實(shí)施例采用晶硅表面處理非法、射頻磁控濺射沉積ITO工藝、離子淺注入混合工藝和熱蒸發(fā)金屬電極工藝制備硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池，本實(shí)施例選用η-型電導(dǎo)、晶向?yàn)?100)、電阻率為1.0?2.0 Ω.cm、厚度為130?180 μπι的硅單晶片為襯底。經(jīng)化學(xué)清洗及制絨后，利用射頻磁控濺射工藝制備ITO薄膜。在磁控濺射沉積ITO薄膜材料的工藝過程中，ITO靶材中的O離子在偏壓加速下，注入硅表面，產(chǎn)生固相反應(yīng)，在硅表層納米尺度范圍形成超薄S1x薄膜。本實(shí)施例利用熱蒸發(fā)和掩膜技術(shù)，在ITO薄膜材料上制備Ag/Al柵電極，在硅襯底背面沉積Al電極。最后用金剛石外圓下切割/劃片機(jī)切去電池片邊緣部分，防止光電池邊緣短路。本實(shí)施例制備了半導(dǎo)體-絕緣體-半導(dǎo)體接觸SIS結(jié)構(gòu)，顯示了較好的穩(wěn)定性能和較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0020]實(shí)驗(yàn)測試分析:
對本實(shí)施例制備硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池在AM1.5(100 mff/cm2), 25°C條件下進(jìn)行測試，獲得最高的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11.5%，最高開路電壓為0.55 V，最大短路電流為34.22 mA/cm2，最好的填充因子為74.13%。在測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過計(jì)算得到本實(shí)施例制備的硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的輸出功率和開路電壓的負(fù)溫度系數(shù)分別為-0.34%/°C和-0.30%/°C，并且顯示了較好的穩(wěn)定性能。
[0021]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的制備方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種娃基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的制備方法，其特征在于，步驟如下: a.采用η-型導(dǎo)電、晶向?yàn)?100)、電阻率為1.0?2.0Ω.cm且厚度為130?180 μπι的硅單晶片為襯底； b.將在所述步驟a中選取的硅單晶片經(jīng)化學(xué)清洗及表面制絨后，利用射頻磁控濺射工藝在硅單晶片的正面上制備厚度為80?150 nm的ITO薄膜，形成透明半導(dǎo)體層； c.在所述步驟b磁控濺射工藝過程中，同時(shí)在靶材上施加電位為600?800V的負(fù)偏壓，使ITO靶材中的O離子在偏壓加速下注入硅單晶片表面，在ITO薄膜和硅單晶片的界面處，將O離子注入硅單晶片的Si基體表層，使O離子與硅單晶片的淺層硅原子發(fā)生固相反應(yīng)形成超薄S1x層，從而在ITO薄膜和硅單晶片之間形成超薄S1x薄膜，形成超薄絕緣層； d.在所述步驟b濺射結(jié)束后，再利用熱蒸發(fā)或掩膜方法，在ITO薄膜上制備圖案化的Ag/Al柵電極作為前電極，在硅單晶片的背面上沉積制備Al電極作為背電極，從而最終制成具有IT0/Si0x/n-Si層狀結(jié)構(gòu)的硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池片。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的制備方法，其特征在于:在所述步驟c中，超薄S1x薄膜的厚度通過控制施加在靶材上的負(fù)偏壓的大小和時(shí)間負(fù)偏壓的持續(xù)作用時(shí)間進(jìn)行控制。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的制備方法，其特征在于:在所述步驟c中，制備所述超薄S1x薄膜的厚度為0.5?2.0 nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的制備方法，其特征在于:在所述步驟b中，采用質(zhì)量濃度為0.2-1.5 %的他0!1溶液作為腐蝕溶液，對經(jīng)過化學(xué)清洗后的硅單晶片表面進(jìn)行制絨，在硅單晶片表面形成絨面結(jié)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的制備方法，其特征在于:在所述步驟b中，在NaOH溶液中再加入質(zhì)量比為0.2%的Na2S13配制成腐蝕溶液，并在對硅單晶片表面進(jìn)行第一次制絨時(shí)使用。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的制備方法，其特征在于:在所述步驟d中，將最終制備的硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池片的邊緣部分進(jìn)行切割精整。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅基異質(zhì)結(jié)SIS結(jié)構(gòu)太陽電池的制備方法，用n-型電導(dǎo)、晶向?yàn)椋?00）、電阻率為1.0~2.0Ω·cm、厚度為130~180μm的硅單晶片為襯底，經(jīng)化學(xué)清洗及制絨后，利用磁控濺射工藝制備ITO薄膜，在磁控濺射過程中，ITO靶材中的O離子在偏壓加速下，注入硅表面，產(chǎn)生固相反應(yīng)，在硅表層納米尺度范圍形成超薄SiOx薄膜，再利用熱蒸發(fā)和掩膜技術(shù)，在ITO薄膜材料上制備Ag/Al柵電極，在硅襯底背面沉積Al電極，得到太陽電池片。本發(fā)明結(jié)合磁控濺射沉積ITO工藝、離子淺注入混合方法和熱蒸發(fā)金屬電極工藝制備方法，制備了SIS結(jié)構(gòu)太陽電池片，具有較好的穩(wěn)定性能和較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
【IPC分類】H01L31/06, H01L31/18
【公開號】CN105449041
【申請?zhí)枴緾N201511005854
【發(fā)明人】馬忠權(quán), 杜匯偉, 楊潔
【申請人】上海大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年12月29日