基于硅纳米线阵列的太阳能电池及其制备方法.pdf

本发明公开了一种基于硅纳米线阵列的太阳能电池及其制备方法。主要解决现有太阳能电池绒面结构光反射率高，载流子收集效率低的问题。其包括N背电极(6)和型硅衬底(5)，其中N型硅衬底(5)的上表面采用干法刻蚀形成纳米线阵列结构，在该纳米线阵列结构上表面依次采用等离子体化学气相淀积形成本征非晶硅层(4)和P型非晶硅层(3)，采用磁控溅射工艺形成ITO氧化铟锡透明导电膜(2)，在纳米线阵列结构的顶端采用电子束蒸发形成正电极(1)。本发明由于采用硅纳米线阵列结构，具有良好的陷光效果，且提高了载流子的收集效率，有利于提高换能机构对光子的吸收和利用，改善了太阳能电池的转换效率，可用于光伏发电。

权利要求书1.  一种基于硅纳米线阵列的太阳能电池，包括背电极(6)和N型硅衬底(5)，其 特征在于：N型硅衬底(5)的上表面采用纳米线阵列结构，该纳米线阵列结构上表面 依次层叠有本征非晶硅层(4)、P型非晶硅层(3)和ITO氧化铟锡透明导电膜(2)， 纳米线阵列结构的顶端设有正电极(1)。 2.  根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：P型非晶 硅层(3)和本征非晶硅层(4)的厚度均为10-15nm。 3.  根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：硅纳米线 阵列结构中每根硅纳米线的直径为40-80nm，长度为5-10μm。 4.  根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：N型硅衬 底(5)厚度为200-400μm。 5.  根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：正面电极 (1)采用厚度为20nm/20nm/40nm的钛-镍-铝多层金属材料。 6.  根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的太阳能电池，其特征在于：背电极(6) 采用厚度为60nm的金属铝材料。 7.  一种基于硅纳米线阵列的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤： 1)对N型硅衬底进行清洗； 2)将清洗后的N型硅衬底置于浓度为15％—30％的KOH溶液中，加热至65-70℃， 浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去除N型硅衬底的表面机械损伤； 3)在N型硅衬底上刻蚀形成硅纳米线阵列； 3a)在N型硅衬底上电子束蒸发厚度为50nm-10μm的金属铝； 3b)将蒸发有金属铝的样片置于0.3mol/L草酸或质量分数为15％的硫酸溶液中进 行电化学腐蚀，形成小孔； 3c)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为5％的磷酸或质量分数为6％的磷酸 与质量分数为1.8％的铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层硅接触的氧化铝并改变 小孔的尺寸，形成规则的网状多孔阳极氧化铝薄层； 3d)在步骤3c)形成的多孔阳极氧化铝薄层表面再电子束蒸发一层厚度为5-10nm 的金属镍层，并用碱溶液去除电阳极氧化铝薄层，在N型衬底上得到金属镍纳米颗粒点 阵； 3e)利用步骤3d)得到的金属镍纳米颗粒点阵作为模板，干法刻蚀N型硅衬底， 得到硅纳米线阵列，再用酸性溶液去除金属镍纳米颗粒； 4)在表面有硅纳米线阵列结构的N型衬底上采用等离子体增强化学气相沉积 PECVD淀积厚度10-15nm的本征非晶硅层； 5)在本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积厚度为15-20nm 的P型非晶硅层； 6)在P型非晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导 电极； 7)在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺依次沉积厚度为 20nm/20nm/40nm的金属钛、镍、铝，并刻蚀形成正电极； 8)在N型硅衬底背面采用电子束蒸发工艺沉积厚度为60nm铝作为背电极； 9)将正面和背面蒸发有金属电极的样片进行热退火处理，使电子束蒸发的金属与 和它们接触的材料合金化，形成电极，完成基于硅纳米线阵列太阳能电池的制备。 8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤1)中所述的对N型硅衬底清洗其 步骤如下： 1a)使用丙酮和异丙醇对N型硅衬底交替进行超声波清洗，以去除衬底表面有机物 污染； 1b)配置1：1：3的氨水、双氧水、去离子水的混合溶液，并加热至120℃，将N 型硅衬底置于此混合溶液中浸泡12分钟，取出后用去离子水冲洗，以去除N型硅衬底 表面无机污染物； 1c)将N型硅衬底用HF酸缓冲液浸泡2分钟，去除表面的氧化层。 9.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤4)中所述的等离子体增强化学气 相淀积，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1：200，反应室压强100Pa，基板 温度300℃。 10.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于步骤5)中所述的等离子体增强化学气 相沉积，其沉积功率为100W，SiH4与B2H6浓度比为100:1，SiH4与CH4浓度比为5： 1，反应室压强100Pa，基板温度250℃。

说明书基于硅纳米线阵列的太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，特别是涉及一种基于硅纳米线阵列的太阳能电 池，可用于光伏发电。
背景技术
由于太阳能丰富且清洁，对广泛的能源相关应用而言，光伏器件极具吸引力。然而， 目前硅基和其他太阳能电池的光电转化效率低，使太阳能电池的成本较高，阻碍了其发 展和应用。太阳能电池的光电转化率定义为太阳能电池的电输出与太阳能电池表面区域 入射的太阳能之比。在实际太阳能电池的制作中，有很多因素限制着器件的性能，因而 在太阳能电池的设计和材料的选择等方面必须考虑这些因素的影响。
为了提高太阳能电池的光电转化率，需要采用陷光技术。当光经过这些结构时，光 束会发生散射，散射光以较大的入射角进入薄膜电池的吸收层，由于吸收层材料的折射 系数通常比周围材质的折射率高，大角散射的光束在吸收层中易于发生全反射。全反射 光束在吸收层中来回振荡，直至被吸收层吸收生成光生载流子。这样通过陷光技术，可 以有效提高薄膜太阳能电池的光吸收，从而提高电池转化效率。
现有的太阳能电池表面的陷光结构通常采用三维倒梯形结构，剖面如图2所示。其 结构自上而下分别为：金属电极1、ITO氧化铟锡透明导电薄膜2、P型非晶硅层3、本 征非晶硅层4、N型硅衬底5、背电极6。衬底表面通过湿法刻蚀，形成拥有三维倒梯 形重复单元的表面，再在其上等离子体化学气相淀积PECVD本征非晶硅层和P型非晶 硅层，形成具有三维倒梯形陷光结构的能量转换机构。当光入射电池表面光线会在其表 面连续反射，增加光在电池表面陷光结构中的有效运动长度和反射次数，从而增大能量 转换机构对光的吸收效率。但是这种结构由于绒面尺寸不均匀且分布较广，使得衬底表 面缺陷密度大大增加，在正表面难以获得高质量的绒面陷光，不易降低衬底对光的反射 系数。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于硅纳米线阵列的太阳能电 池，以减少光的反射，提高对光子的吸收和利用，改善太阳能电池的转化效率。
为实现上述目的，本发明提出的基于硅纳米线阵列的太阳能电池，包括背电极6和 N型硅衬底5，其特征在于：N型硅衬底5的上表面采用纳米线阵列结构，该纳米线 阵列结构上表面依次层叠有本征非晶硅层4、P型非晶硅层3和ITO氧化铟锡透明导电 膜2，纳米线阵列结构的顶端设有正电极1。
作为优选，所述的P型非晶硅层3厚度为10-15nm。
作为优选，所述的本征非晶硅层4厚度为10-15nm
作为优选，所述的N型硅衬底5厚度为200-400μm。
作为优选，所述的纳米线阵列中每根硅纳米线的直径为40-80nm，长度为5-10μm。
作为优选，所述的正电极1采用厚度为20nm/20nm/40nm的钛-镍-铝多层金属材料。
为实现上述目的，本发明的制备方法包括如下步骤：
1)对N型硅衬底进行清洗；
2)将清洗后的N型硅衬底置于浓度为15％—30％的KOH溶液中，加热至65-70℃， 浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去除N型硅衬底的表面机械损伤；
3)在N型硅衬底上刻蚀形成硅纳米线阵列；
3a)在N型硅衬底上电子束蒸发厚度为50nm-10μm的金属铝；
3b)将蒸发有金属铝的样片置于0.3mol/L草酸或质量分数为15％的硫酸溶液中进 行电化学腐蚀，形成小孔；
3c)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为5％的磷酸或质量分数为6％的磷酸 与质量分数为1.8％的铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层硅接触的氧化铝并改变 小孔的尺寸，已形成规则的网状多孔阳极氧化铝薄层；
3d)在步骤3c)形成的多孔阳极氧化铝薄层表面在电子束蒸发一层厚度为5-10nm 的金属镍层，并用碱溶液去除阳极氧化铝薄层，在N型硅衬底上得到金属镍纳米颗粒 点阵；
3e)利用步骤3d)得到的金属镍纳米颗粒点阵作为模板，干法刻蚀硅衬底，得到 硅纳米线阵列，再用酸性溶液去除金属镍纳米颗粒；
4)在表面有硅纳米线阵列结构的N型衬底上采用等离子体增强化学气相沉积 PECVD淀积厚度为10-15nm的本征非晶硅层；
5)在本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积厚度为 15-20nm的P型非晶硅层；
6)在P型非晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导 电极；
7)在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺依次沉积厚度为 20nm/20nm/40nm的金属钛、镍、铝，并刻蚀形成正电极；
8)在N型硅衬底背面采用电子束蒸发工艺沉积厚度为60nm铝作为背电极；
9)将正面和背面蒸发有金属电极的样片进行热退火处理，使电子束蒸发的金属与 和它们接触的材料合金化，形成电极。完成基于硅纳米线阵列太阳能电池的制备。
本发明的优点在于：
1.制备该太阳能电池的整个过程中使用的都是常规的半导体设备，工艺简单；
2.采用纳米线阵列结构，具有良好的陷光效果，且提高了载流子的收集效率，改 善了太阳能电池的能量转化效率。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图。
图2是现有非晶硅太阳能电池结构示意图。
图3是本发明的制作工艺流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明发括正电极1、ITO氧化铟锡透明导电膜2、P型非晶硅层3、本 征非晶硅层4、N型硅衬底5和背电极6，其中背电极6位于N型硅衬底5背面，N型 硅衬底5的上表面采用纳米线阵列结构，本征非晶硅层4、P型非晶硅层3和ITO氧化 铟锡透明导电膜2依次层叠在该纳米线阵列结构表面，正电极1设置在纳米线阵列结构 的顶端。所述正面电极1采用厚度为20nm/20nm/40nm的钛-镍-铝多层金属电极；所述 P型非晶硅层3与本征非晶硅层4厚度均为10-15nm；所述硅纳米线阵列中，每根硅纳 米线的直径为40-80nm，长度为5-10μm；所述N型硅衬底5的厚度为200-400μm。
以下给出制作基于硅纳米线阵列的太阳能电池的三个实施例：
实施例1，制作每根硅纳米线的直径为40nm，长度为5μm的硅纳米线阵列的太阳 能电池。
参照图3，本实例的制作步骤如下：
步骤1：清洗，抛光N型硅衬底，以去除表面污染物和表面机械损伤。
(1.1)使用丙酮和异丙醇对N型硅衬底5交替进行超声波清洗，以去除衬底表面 有机物污染；
(1.2)配置1：1：3的氨水、双氧水、去离子水的混合溶液，并加热至120℃，将 N型硅衬底5置于此混合溶液中浸泡12分钟，取出后用大量去离子水冲洗，以去除N 型硅衬底5表面无机污染物；
(1.3)将N型硅衬底5用HF酸缓冲液浸泡2分钟，去除表面的氧化层。
(1.4)将清洗后的N型硅衬底5置于浓度为15％的KOH溶液中，加热至65℃， 浸泡10分钟，对其进行抛光处理，去N型硅衬底5的表面机械损伤。
步骤2：采用干法刻蚀工艺在N型硅衬底上制作硅纳米线阵列。
2.1)在N型硅衬底上电子束蒸发厚度为50nm的金属铝；
2.2)将蒸发有金属铝的样片置于0.3mol/L草酸溶液中进行电化学腐蚀，形成小孔；
2.3)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为5％的磷酸与质量分数为1.8％的 铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层硅接触的氧化铝并改变小孔的尺寸，形成规则 的网状多孔阳极氧化铝薄层；
2.4)在步骤2.3)形成的多孔阳极氧化铝薄层表面在电子束蒸发一层厚度为5nm的 金属镍层，用浓度为0.4mol/L的NaOH溶液去除阳极氧化铝薄层，在N型硅衬底上得 到金属镍纳米颗粒点阵；
2.5)利用步骤2.4)得到的金属镍纳米颗粒点阵作为模板，采用感应耦合等离子体 刻蚀N型硅衬底，得到硅纳米线阵列，每根硅纳米线直径为40nm，长度为5μm，再 用浓度比为1:1的硝石酸与氢氟酸的混合溶液去除金属镍纳米颗粒。
步骤3：在已形成纳米线阵列的N型硅衬底上进行两次淀积，分别形成本征非晶硅 层和P型非晶硅层。
3.1)采用等离子体增强化学气相沉积PECVD在已形成纳米线阵列结构的N型硅 衬底上淀积厚度为10nm的本征非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1： 200，反应室压强100Pa，基板温度300℃，如图3-c；
3.2)在本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度为10nm 的P型非晶硅层，其沉积功率100W，SiH4与B2H6浓度比为100:1，SiH4与CH4浓度 比为5：1，反应室压强100Pa，基板温度250℃，如图3-d。
步骤4:在P型非晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透 明电极，如图3-e。
步骤5：在ITO氧化铟锡透明导电薄膜上采用电子束蒸发工艺依次沉积厚度为 20nm/20nm/40nm的金属钛、镍、铝，并刻蚀形成正面电极，如图3-f。
步骤6：在N型硅衬底背面采用电子束蒸发工艺沉积厚度为60nm铝作为背电极， 如图3-g。
步骤7：将正面和背面蒸发有金属电极的样片进行退火处理，使电子束蒸发的金属 与和它们接触的材料合金化，形成电池的电极，如图3-h，完成整个太阳能电池的制备。
实施例2，制作每根硅纳米线的直径为60nm，长度为8μm的硅纳米线阵列的太阳 能电池。
参照图3，本实例的制作步骤如下：
步骤一：清洗，抛光N型硅衬底，以去除表面污染物和表面机械损伤。
本步骤与实施例1的步骤1相同。
步骤二：采用干法刻蚀工艺在N型硅衬底上制作硅纳米线阵列。
2a)在N型硅衬底上电子束蒸发厚度为1μm的金属铝；
2b)将蒸发有金属铝的样片置于0.3mol/L草酸溶液中进行电化学腐蚀，形成小孔；
2c)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为5％的磷酸与质量分数为1.8％的铬 酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层硅接触的氧化铝并改变小孔的尺寸，形成规则的 网状多孔阳极氧化铝薄层；
2d)在步骤2c)形成的多孔阳极氧化铝薄层表面在电子束蒸发一层厚度为8nm的 金属镍层，再用浓度为0.4mol/L的NaOH溶液去除阳极氧化铝薄层，在N型硅衬底上 得到金属镍纳米颗粒点阵；
2e)利用步骤2d)得到的金属镍纳米颗粒点阵作为模板，采用感应耦合等离子体 刻蚀N型硅衬底，得到硅纳米线阵列，每根硅纳米线直径为60nm，长度为8μm，再 用浓度比为1:1的硝石酸与氢氟酸的混合溶液去除金属镍纳米颗粒。
步骤三：在已形成纳米线阵列的N型硅衬底上进行两次淀积，分别形成本征非晶 硅层和P型非晶硅层。
3a)采用等离子体增强化学气相沉积PECVD在已形成纳米线阵列结构的N型硅衬 底上淀积厚度为13nm的本征非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1： 200，反应室压强100Pa，基板温度300℃，如图3-c。
3b)在本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度为13nm 的P型非晶硅层，SiH4与B2H6浓度比为100:1，SiH4与CH4浓度比为5：1，反应室压 强100Pa，基板温度250℃，如图3-d。
步骤四：与实施例1的步骤4相同。
步骤五：与实施例1的步骤5相同。
步骤六：与实施例1的步骤6相同。
步骤七：与实施例1的步骤7相同，完成整个太阳能电池的制备。
实施例3，制作每根硅纳米线的直径为80nm，长度为10μm的硅纳米线阵列的太 阳能电池。
参照图3，本实例的制作步骤如下：
步骤A：清洗，抛光N型硅衬底，以去除表面污染物和表面机械损伤。
本步骤与实施例1的步骤1相同。
步骤B：采用干法刻蚀工艺在N型硅衬底上制作硅纳米线阵列。
B.1)在N型硅衬底上电子束蒸发厚度为10μm的金属铝；
B.2)将蒸发有金属铝的样片置于质量分数为15％的硫酸溶液中进行电化学腐蚀， 形成小孔；
B.3)将经过电化学腐蚀后的样片放入质量分数为6％的磷酸与质量分数为1.8％的 铬酸混合液中浸泡，去除小孔底部与下层硅接触的氧化铝并改变小孔的尺寸，形成规则 的网状多孔阳极氧化铝薄层；
B.4)在步骤B.3)形成的多孔阳极氧化铝薄层表面在电子束蒸发一层厚度为10nm 的金属镍层，并用浓度为0.4mol/L的NaOH溶液去除阳极氧化铝薄层，在N型硅衬底 上得到金属镍纳米颗粒点阵；
B.5)利用步骤B.4)得到的金属镍纳米颗粒点阵作为模板，采用感应耦合等离子体 刻蚀N型硅衬底，得到硅纳米线阵列，每根硅纳米线直径为80nm，长度为10μm，再 用浓度比为1:1的硝石酸与氢氟酸的混合溶液去除金属镍纳米颗粒。
步骤C：在已形成纳米线阵列的N型硅衬底上进行两次淀积，分别形成本征非晶 硅层和P型非晶硅层。
C.1)采用等离子体增强化学气相沉积PECVD在已形成纳米线阵列结构的N型硅 衬底上淀积是厚度15nm的本征非晶硅层，其沉积功率为100W，SiH4与H2浓度比为1： 200，反应室压强100Pa，基板温度300℃，如图3-c。
C.2)在本征非晶硅层上采用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度15nm 的P型非晶硅层，SiH4与B2H6浓度比为100:1，SiH4与CH4浓度比为5：1，反应室压 强100Pa，基板温度250℃，如图3-d。
步骤D：与实施例1的步骤4相同。
步骤E：与实施例1的步骤5相同。
步骤F：与实施例1的步骤6相同。
步骤G：与实施例1的步骤7相同，完成整个太阳能电池的制备。