專利名稱：多晶硅納米線太陽(yáng)能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域的電池及制備，具體是一種多晶硅納米線太陽(yáng)能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著世界能源的日趨緊張，人們對(duì)可再生能源的重視提到了前所未有的高度。面對(duì)全球的能源短缺以及生存環(huán)境惡劣的壓力，世界各國(guó)積極研究和開發(fā)可再生能源，其中， 太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)成為研究的熱點(diǎn)。從目前國(guó)際太陽(yáng)電池的發(fā)展過程可以看出其發(fā)展趨勢(shì)為單晶硅、多晶硅、帶狀硅、薄膜材料。近來納米線結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的陷光結(jié)構(gòu)及光電性能而成為研究的重點(diǎn)。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，2005年，清華大學(xué)朱靜小組在單晶硅基底上制備了大面積的納米線陣列。由于其特有的陷光作用，利用納米線陣列結(jié)構(gòu)作為太陽(yáng)能電池的吸收層。該結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到9. 31% [Aligned single-crystalline Si nanowire arrays for photovoltaic applications. Small,2005(11) :1062-1067]。2007年，哈佛大學(xué)Lieber研究組設(shè)計(jì)出單根Si多層結(jié)構(gòu)的同軸電纜太陽(yáng)能電池， 其光電轉(zhuǎn)換效率較高，一般能達(dá)3%以上，最高時(shí)能達(dá)到5%。[Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources. Nature Letter,2007(449) 889-890],由于硅材料含量豐富，而且可與目前的半導(dǎo)體微加工工藝兼容，因此，基于硅納米線結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池越來越受到重視?，F(xiàn)有的技術(shù)是在單晶硅基底上制備納米線陣列，其制備方法的成本比較高。而且由于單晶硅的價(jià)格較多晶硅貴好幾倍，甚至幾十倍，從目前國(guó)際太陽(yáng)能電池的發(fā)展趨勢(shì)來看，重心已由單晶硅向多晶硅方向發(fā)展，多晶硅太陽(yáng)能電池是未來具有廣闊前景太陽(yáng)能電池。開發(fā)新的技術(shù)，進(jìn)一步提高多晶硅太陽(yáng)能電池效率，成為太陽(yáng)能電池的熱點(diǎn)研究方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種多晶硅納米線太陽(yáng)能電池及其制備方法，采用伽伐尼置換方法，在常溫常壓下，制備大面積多晶硅納米線。本發(fā)明采用的伽伐尼置換方法，與通過CVD、M0CVD、PECVD、HWCVD、光刻，納米壓印等制備納米線的方法相比， 伽伐尼置換方法制備的納米線不需要復(fù)雜設(shè)備和高溫高壓等條件，在常溫常壓下就可實(shí)現(xiàn)。由于制備獲得的多晶硅納米線陣列具有較強(qiáng)的陷光作用，本發(fā)明采用多晶硅納米線陣列作為太陽(yáng)能電池的吸收層，并通過沉積氮化硅鈍化抗反射層和ITO薄膜。本發(fā)明的多晶硅納米線太陽(yáng)能電池，提高了太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種多晶硅納米線太陽(yáng)能電池，包括由上而下依次設(shè)置的復(fù)合層?xùn)烹姌O、透明ITO導(dǎo)電薄膜層、氮化硅鈍化抗反射層、η型硅納米線陣列、P型硅基底和金屬背電極，其中透明ITO導(dǎo)電薄膜層、氮化硅鈍化抗反射層和η型硅納米線陣列均為方波結(jié)構(gòu)。所述的復(fù)合層?xùn)烹姌O由含有Ti、Pd、Ag三種金屬材料的銀漿料高溫?zé)Y(jié)而成。所述的η型硅納米線陣列中納米線的直徑為30nm-250nm。本發(fā)明涉及上述太陽(yáng)能電池的制備方法，通過將ρ型多晶硅片與氫氟酸和硝酸銀的混合液蝕刻反應(yīng)后，通過對(duì)納米線熱擴(kuò)散進(jìn)行η型摻雜，制成由η型摻雜的納米線結(jié)構(gòu)多晶硅層和P型摻雜的多晶硅基底層組成ρ-η結(jié)；然后在納米線結(jié)構(gòu)多晶硅層的正面依次沉積氮化硅鈍化抗反射層和透明ITO導(dǎo)電薄膜層，采用絲網(wǎng)印刷方式得到復(fù)合層?xùn)烹姌O； 最后在P型基底背面采用濺射、蒸發(fā)或涂敷方式制備得到金屬背電極并進(jìn)行退火合金化處理，得到所述多晶硅納米線太陽(yáng)能電池。所述的ρ型多晶硅片是指根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體清洗步驟，即RCA方法對(duì)ρ型多晶硅片進(jìn)行清洗，并在常溫下用氮?dú)獯蹈伞Ｋ龅臍浞岷拖跛徙y的混合液中氫氟酸的質(zhì)量百分比為20%，硝酸銀的濃度為0. 045mol/L，其余為去離子水。所述的蝕刻反應(yīng)是指在常溫常壓下將ρ型多晶硅片放入氫氟酸和硝酸銀的混合液中密封反應(yīng)15-60min，用去離子水沖洗掉殘留刻蝕液后并浸入而03質(zhì)量比為20%的稀硝酸溶液中去除還原的銀沉積物。所述的退火合金化處理是指在500-800°C的環(huán)境下退火合金化l-30min，形成歐
姆接觸和鋁背面場(chǎng)。本發(fā)明在常溫常壓下采用伽伐尼置換方法制備多晶硅納米線陣列；制備獲得的多晶硅納米線陣列具有很強(qiáng)的抗反射特性，增強(qiáng)了電池對(duì)入射太陽(yáng)光的吸收；采用具有多晶硅納米線陣列的多晶硅基片制備如圖1所示的多晶硅納米線太陽(yáng)能電池；通過在多晶硅納米線陣列表面生長(zhǎng)一層氮化硅鈍化層，大大降低了非平衡載流子的表面復(fù)合；在鈍化層上濺射ITO導(dǎo)電薄膜，增加了電流的收集。本發(fā)明提高了多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖1多晶硅納米線太陽(yáng)能電池示意圖；圖中1為復(fù)合層?xùn)烹姌O、2為透明ITO導(dǎo)電薄膜層、3為氮化硅鈍化抗反射層、4為 η型硅納米線陣列、5為ρ型硅基底、6為金屬背電極。圖2為實(shí)施例1得到的多晶硅納米線陣列SEM圖。圖3為實(shí)施例2得到的多晶硅納米線陣列SEM圖。
圖4為實(shí)施例3得到的多晶硅納米線陣列SEM圖。圖5為實(shí)施例1得到的多晶硅納米線陣太陽(yáng)能電池。圖6為實(shí)施例2得到的多晶硅納米線陣太陽(yáng)能電池。圖7為實(shí)施例3得到的多晶硅納米線陣太陽(yáng)能電池。圖8為實(shí)施例1，實(shí)施列2和實(shí)施列3得到的多晶硅納米線陣列的反射光譜圖；圖中(a)實(shí)施例1得到的多晶硅納米線的反射曲線、(b)實(shí)施例2得到的多晶硅納米線的反射曲線，(c)實(shí)施例3得到的多晶硅納米線的反射曲線。圖9為實(shí)施例3得到的多晶硅納米線陣太陽(yáng)能電池的I-V特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例11、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體清洗步驟(RCA方法)對(duì)ρ型多晶硅片進(jìn)行清洗，并在常溫下用氮?dú)獯蹈蓚溆?。在常溫常壓下，將?zhǔn)備好的P型多晶硅片放入裝有HF(20% )和 AgNO3(0. 045mol/L)刻蝕溶液的特氟龍(Teflon)燒杯中，密封反應(yīng)15min。用塑料鑷子取出樣品，用大量去離子水沖洗掉殘留刻蝕液。之后把樣品浸入稀HNO3(20%)溶液，去除還原的銀沉積物。最后，用大量去離子水清洗干靜，用氮?dú)獯蹈蓚溆谩?、通過熱擴(kuò)散，以POCl3為源，在溫度為930°C下對(duì)多晶硅納米線陣列進(jìn)行η型摻雜20min，形成p-n結(jié)，其中多晶硅納米線結(jié)構(gòu)層4為η型摻雜，多晶硅層5為ρ型硅基底。 納米線的直徑為30nm-250nm，深度約為2. 3 μ m。3、通過PECVD方法，在溫度為410°C ,NH3與SiH4流量比例為11，射頻功率為3700w 條件下，在納米線結(jié)構(gòu)多晶硅層4上沉積氮化硅鈍化抗反射層3。4、通過直流磁控濺射方法，以氧氬體積比為1 40，濺射速率為5nm/min，濺射氣壓為0. 5Pa，鍍膜溫度為120°C的條件下，在氮化硅鈍化抗反射層3上沉積ITO層2。5、通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ITO層2上印刷銀漿料，形成間距約3mm，寬度約0. 1 0. 12mm的銀柵線，寬度為3 4mm的兩條電極導(dǎo)線。6、在背面的ρ型基底上，采用鋁漿料印刷整個(gè)背面(除背銀電極外)，然后再用銀漿料印刷兩條背電極，寬度為3 4mm，形成背面金屬導(dǎo)電層6，其中p型基底與金屬背電極相接觸，納米線及其下面一薄層硅則為作為太陽(yáng)能電池的正面的η型基底。7,500-8000C /l"30min下退火合金化，形成歐姆接觸和鋁背表面場(chǎng)。本實(shí)例制備得到的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖5所示。本實(shí)例制備得到的多晶硅納米線陣列的SEM圖如圖2所示。本實(shí)例制備得到的多晶硅納米線陣列的反射光譜圖如圖8中曲線(a)所示。實(shí)施例21、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體清洗步驟(RCA方法)對(duì)ρ型多晶硅片進(jìn)行清洗，并在常溫下用氮?dú)獯蹈蓚溆?。在常溫常壓下，將?zhǔn)備好的P型多晶硅片放入裝有HF(20% )和 AgNO3(0. 045mol/L)刻蝕溶液的特氟龍(Teflon)燒杯中，密封反應(yīng)30min。用塑料鑷子取出樣品，用大量去離子水沖洗掉殘留刻蝕液。之后把樣品浸入稀HNO3(20%)溶液，去除還原的銀沉積物。最后，用大量去離子水清洗干靜，用氮?dú)獯蹈蓚溆谩?、通過熱擴(kuò)散，以POCl3為源，在溫度為930°C下對(duì)多晶硅納米線陣列進(jìn)行η型摻雜20min，形成p-n結(jié)，其中多晶硅納米線結(jié)構(gòu)層4為η型摻雜，多晶硅層5為ρ型硅基底。 納米線的直徑為30nm-250nm，深度約為4. 6 μ m。3、通過PECVD方法，在溫度為410°C，NH3與SiH4流量比例為11，射頻功率為3700w 條件下，在納米線結(jié)構(gòu)多晶硅層4上沉積氮化硅鈍化抗反射層3。4、通過直流磁控濺射方法，以氧氬體積比為1 40，濺射速率為5nm/min，濺射氣壓為0. 5Pa，鍍膜溫度為120°C的條件下，在氮化硅鈍化抗反射層3上沉積ITO層2。
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5、通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ITO層2上印刷銀漿料，形成間距約3mm，寬度約0. 1 0. 12mm的銀柵線，寬度為3 4mm的兩條電極導(dǎo)線。6、在背面的ρ型基底上，采用鋁漿料印刷整個(gè)背面(除背銀電極外)，然后再用銀漿料印刷兩條背電極，寬度為3 4mm，形成背面金屬導(dǎo)電層6。7,500-8000C /l"30min下退火合金化，形成歐姆接觸和鋁背表面場(chǎng)。本實(shí)例制備得到的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖6所示。本實(shí)例制備得到的多晶硅納米線陣列的SEM圖如圖3所示。本實(shí)例制備得到的多晶硅納米線陣列的反射光譜圖如圖8中曲線(b)所示。實(shí)施例31、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體清洗步驟(RCA方法)對(duì)ρ型多晶硅片進(jìn)行清洗，并在常溫下用氮?dú)獯蹈蓚溆?。在常溫常壓下，將?zhǔn)備好的P型多晶硅片放入裝有HF(20% )和 AgNO3(0. 045mol/L)刻蝕溶液的特氟龍(Teflon)燒杯中，密封反應(yīng)60min。用塑料鑷子取出樣品，用大量去離子水沖洗掉殘留刻蝕液。之后把樣品浸入稀HNO3(20%)溶液，去除還原的銀沉積物。最后，用大量去離子水清洗干靜，用氮?dú)獯蹈蓚溆谩?、通過熱擴(kuò)散，以POCl3為源，在溫度為930°C下對(duì)多晶硅納米線陣列進(jìn)行η型摻雜20min，形成p-n結(jié)，其中多晶硅納米線結(jié)構(gòu)層4為η型摻雜，多晶硅層5為ρ型硅基底。 納米線的直徑為30nm-250nm，深度約為8. 3 μ m。3、通過PECVD方法，在溫度為410°C ,NH3與SiH4流量比例為11，射頻功率為3700w 條件下，在納米線結(jié)構(gòu)多晶硅層4上沉積氮化硅鈍化抗反射層3。4、通過直流磁控濺射方法，以氧氬體積比為1 40，濺射速率為5nm/min，濺射氣壓為0. 5Pa，鍍膜溫度為120°C的條件下，在氮化硅鈍化抗反射層3上沉積ITO層2。5、通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在ITO層2上印刷銀漿料，形成間距約3mm，寬度約0. 1 0. 12mm的銀柵線，寬度為3 4mm的兩條電極導(dǎo)線。6、在背面的ρ型基底上，采用鋁漿料印刷整個(gè)背面(除背銀電極外)，然后再用銀漿料印刷兩條背電極，寬度為3 4mm，形成背面金屬導(dǎo)電層6。7,500-8000C /l"30min下退火合金化，形成歐姆接觸和鋁背表面場(chǎng)。本實(shí)例制備得到的太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)如圖7所示。本實(shí)例制備得到的多晶硅納米線陣列的SEM圖如圖4所示。本實(shí)例制備得到的多晶硅納米線陣列的反射光譜圖如圖8中曲線(c)所示。本實(shí)例制備得到的多晶硅納米線陣太陽(yáng)能電池的I-V特性曲線圖如圖9所示。本發(fā)明在常溫常壓下采用伽伐尼置換方法制備多晶硅納米線陣列，制備獲得的多晶硅納米線陣列增強(qiáng)了電池對(duì)入射太陽(yáng)光的吸收，采用具有多晶硅納米線陣列的多晶硅基片制備如圖1所示的多晶硅納米線太陽(yáng)能電池，通過對(duì)多晶硅納米線陣列沉積氮化硅鈍化層和ITO導(dǎo)電薄膜，非平衡載流子的表面復(fù)合減小，銀柵線間納米線陣列的電流能夠有效地收集，從而使短路電流增大，進(jìn)一步提高了多晶硅納米線陣列的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明制備的多晶硅納米線太陽(yáng)能電池的短路電流達(dá)到了 3. 499A，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了 8. 986%，比現(xiàn)有報(bào)道的4. 73%提高了約48%。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅納米線太陽(yáng)能電池，其特征在于，包括由上而下依次設(shè)置的復(fù)合層?xùn)烹姌O、透明ITO導(dǎo)電薄膜層、氮化硅鈍化抗反射層、η型硅納米線陣列、P型硅基底和金屬背電極，其中透明ITO導(dǎo)電薄膜層、氮化硅鈍化抗反射層和η型硅納米線陣列均為方波結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅納米線太陽(yáng)能電池，其特征是，所述的復(fù)合層?xùn)烹姌O由含有Ti、Pd、Ag三種金屬材料的銀漿料高溫?zé)Y(jié)而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅納米線太陽(yáng)能電池，其特征是，所述的η型硅納米線陣列中納米線的直徑為30nm-250nm。
4.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于，通過將ρ型多晶硅片與氫氟酸和硝酸銀的混合液蝕刻反應(yīng)后，通過對(duì)納米線熱擴(kuò)散進(jìn)行η型摻雜，制成由η型摻雜的納米線結(jié)構(gòu)多晶硅層和ρ型摻雜的多晶硅基底層組成ρ-η結(jié)；然后在納米線結(jié)構(gòu)多晶硅層的正面依次沉積氮化硅鈍化抗反射層和透明ITO導(dǎo)電薄膜層，采用絲網(wǎng)印刷方式得到復(fù)合層?xùn)烹姌O；最后在P型基底背面采用濺射、蒸發(fā)或涂敷方式制備得到金屬背電極并進(jìn)行退火合金化處理，得到所述多晶硅納米線太陽(yáng)能電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的池的制備方法，其特征是，所述的ρ型多晶硅片是指根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體清洗步驟，即RCA方法對(duì)ρ型多晶硅片進(jìn)行清洗，并在常溫下用氮?dú)獯蹈伞?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的池的制備方法，其特征是，所述的氫氟酸和硝酸銀的混合液中氫氟酸的質(zhì)量百分比為20%，硝酸銀的濃度為0. 045mol/L，其余為去離子水。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的池的制備方法，其特征是，所述的蝕刻反應(yīng)是指在常溫常壓下將P型多晶硅片放入氫氟酸和硝酸銀的混合液中密封反應(yīng)15-60min，用去離子水沖洗掉殘留刻蝕液后并浸入HNO3質(zhì)量比為20%的稀硝酸溶液中去除還原的銀沉積物。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的池的制備方法，其特征是，所述的退火合金化處理是指在 500-80(TC的環(huán)境下退火合金化l-30min，形成歐姆接觸和鋁背面場(chǎng)。
全文摘要
一種太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域的多晶硅納米線太陽(yáng)能電池及其制備方法，該多晶硅納米線太陽(yáng)能電池包括由上而下依次設(shè)置的復(fù)合層?xùn)烹姌O、透明ITO導(dǎo)電薄膜層、氮化硅鈍化抗反射層、n型硅納米線陣列、p型硅基底和金屬背電極，透明ITO導(dǎo)電薄膜層、氮化硅鈍化抗反射層和n型硅納米線陣列均為方波結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過伽伐尼置換方法，采用多晶硅納米線陣列作為太陽(yáng)能電池的吸收層，并通過沉積氮化硅鈍化抗反射層和ITO薄膜，在常溫常壓下，制備大面積多晶硅納米線，制備得到的多晶硅納米線太陽(yáng)能電池，提高了太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/04GK102227002SQ201110143760
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者萬(wàn)霞, 李翔, 王慶康, 王陽(yáng)培華, 胡克想 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)