一种硅基硫化锌异质结太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅基硫化锌异质结太阳电池，所述硅基硫化锌异质结太阳电池的结构为银前电极/氢掺杂AZO透明导电膜/硫化锌薄膜/硅基体/铝背场/铝电极，所述硫化锌薄膜为n型硫化锌发射极，所述硅基体为p型单晶硅，所述n型硫化锌发射极与所述p型单晶硅形成异质结太阳电池。该异质结太阳电池中硫化锌与硅晶格匹配好，具有较高的开路电压与短路电流，转换效率高；本发明专利技术还公开了上述硅基硫化锌异质结太阳电池的制备方法，该制备方法成本和能耗低，避免了高温过程。

Silicon based zinc sulfide heterojunction solar cell and preparation method thereof

The invention discloses a silicon based ZnS heterojunction solar cell, the silicon structure of ZnS heterojunction solar cell as the front electrode silver / hydrogen doped AZO transparent conductive film / ZnS thin film / silicon substrate / aluminum back field / aluminum electrode, the ZnS thin films for N type zinc sulfide emission so, the silicon substrate is p type single crystal silicon, the N type zinc sulfide emitter and the formation of P type silicon heterojunction solar cell. The heterojunction solar cell in zinc sulfide and silicon lattice matched well with open circuit voltage and short circuit current high, high conversion efficiency; the invention also discloses a silicon based ZnS heterojunction solar cell preparation method, the preparation method of low cost and energy consumption, to avoid the high temperature process.

【技术实现步骤摘要】
一种硅基硫化锌异质结太阳电池及其制备方法
本专利技术属于异质结太阳电池
，具体涉及一种硅基硫化锌异质结太阳电池及其制备方法。
技术介绍
太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，同时也是不产生任何环境污染的清洁能源。充分有效地利用太阳能，对于解决能源短缺及环境污染有着重要的意义。不管是常规晶体硅太阳电池还是高效晶体硅太阳电池，都需经过高温扩散工艺制备pn结，由此将给晶体硅带来晶格损伤和各种缺陷，引入复合中心从而降低太阳电池效率。采用非晶硅与晶体硅结合形成的pn异质结太阳电池则无需高温工艺，可在低于300℃的条件下制备。1983年KojiOkuda等人采用非晶硅和多晶硅叠层结构在200-300℃条件下制备了效率超过12％的异质结太阳电池。1992年三洋机电的MakotoTanaka等人在非晶硅与晶体硅层之间插入了一层本征非晶硅层，在低于200℃的条件下制备了效率超过18％的异质结太阳电池，此电池就是如今的HIT(HeterojunctionwithIntrinsicThin-Layer)太阳电池。HIT太阳电池经过多年的研究，取得了25.6％的世界最高效率。近年来国内对于HIT太阳电池的研究越来越多，制备出来的电池效率相比三洋机电的电池效率还有一定差距。HIT电池难点在于无法制备出性能优良的本征非晶硅层。而且由于非晶硅的寄生吸收，导致HIT太阳电池的短路电流比其他高效太阳电池的更小。因此需要另辟蹊径寻找一种寄生吸收小的新材料与晶体硅结合形成异质结制备高效太阳电池。ZnS是重要Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体，具有两种晶体结构，α-ZnS的晶体结构为纤锌矿结构，室温下光学带隙为3.9eV；β-ZnS为闪锌矿结构，室温下光学带隙为3.6eV，于1020℃转化为α型。ZnS具有较高的激子束缚能(40meV)，在短波长半导体激光器、发光二极管、紫外光电探测器等短波长光电器件领域有巨大的潜在应用价值。目前ZnS在太阳电池领域的应用主要是利用其无毒无污染的特性替代CdS用在CIGS薄膜太阳电池中用作缓冲层，目前采用ZnS作为缓冲层的CIGS太阳电池的世界最高效率为18％；另外ZnS也作为光电阳极应用在染料敏化太阳电池中。闪锌矿结构的ZnS晶格常数为0.541nm，与晶体硅的晶格常数(0.543nm)，晶格失配小，与晶体硅可以形成很好的异质结。硫化锌属于宽带隙低功函数材料，对可见光的吸收小，能减小寄生吸收；硫化锌成本低廉，制备简单，无毒无污染。现有技术中硫化锌还几乎没有应用在异质结太阳电池当中，实验室研究中偶有涉及类似结构的电池方面，但硫化锌厚度大，性能较差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种硅基硫化锌异质结太阳电池，该太阳电池中各层厚度尤其是硫化锌厚度较薄，电池的性能有了明显的提升。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供上述硅基硫化锌异质结太阳电池的制备方法，该制备方法成本和能耗低，避免了高温过程。本专利技术所要解决的第一个技术问题是通过以下技术方案来实现的：一种硅基硫化锌异质结太阳电池，所述硅基硫化锌异质结太阳电池的结构为银前电极/氢掺杂AZO透明导电膜/硫化锌薄膜/硅基体/铝背场/铝电极，所述硫化锌薄膜为n型硫化锌发射极，所述硅基体为p型单晶硅，所述n型硫化锌发射极与所述p型单晶硅形成异质结太阳电池。所述银前电极的厚度优选为300～1000nm，所述氢掺杂AZO透明导电膜的厚度优选为80～280nm，所述硫化锌薄膜的厚度优选为10～150nm，所述铝背场/铝电极的厚度优选为1～5μm。其中采用氢掺杂AZO(掺铝氧化锌)透明导电膜具有更低的电阻率以及更高的透过率，用做电池的透明导电膜可以减小电池的串阻，增大电池的短路电流，从而提高电池效率。同样，采用Ag作为前电极的导电性比采用Al作为前电极好很多。其中各层的厚度，对于电池的性能影响很大，主要是各层的厚度尤其是硫化锌薄膜的厚度影响电池的串联电阻和填充因子，从而影响电池的效率。本专利技术将硫化锌薄膜与硅衬底(优选p型单晶硅基体，尤其是(100)晶向的p型单晶硅衬底)相结合，在p型(100)晶向的单晶硅衬底上沉积硫化锌薄膜，形成ZnS(n)/c-Si(p)异质结太阳电池，硫化锌作为发射极的同时还作为窗口层，可以减少寄生吸收，增加电池量子效率，从而提高短路电流。硫化锌与硅晶格匹配好，界面态缺陷少可以减小界面复合增大开压。而且能够低温形成p-n结，节约能源，硫化锌本身价格低廉，制备简单，而且无毒无污染，是一种潜在的高效太阳电池。本专利技术上述硅基硫化锌异质结太阳电池的制备方法包括：在经过RCA清洗后的双面制绒硅片的一面沉积金属铝，然后在氮气气氛退火形成欧姆接触；接着用清洗槽对另一面制绒面进行单面HF清洗除去表面氧化层，用氮气吹干后在该面沉积硫化锌薄膜；用磁控溅射在硫化锌表面沉积一层氢掺杂AZO透明导电膜；最后在氢掺杂AZO表面蒸镀Ag电极，得到硫化锌-硅异质结太阳电池。具体制备步骤如下：本专利技术所要解决的第二个技术问题是通过以下技术方案来实现的：上述硅基硫化锌异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：(1)选取p型单晶硅，采用双面碱制绒，在p型单晶硅的双面获得金字塔绒面结构，然后清洗硅片，并干燥；(2)在p型单晶硅的其中一面蒸镀金属铝获得铝电极，接着退火处理获得铝背场，然后去除p型单晶硅另一面上形成的氧化层；(3)在p型单晶硅去除氧化层的一面蒸镀硫化锌薄膜，形成n型硫化锌发射极；(4)在硫化锌薄膜表面沉积氢掺杂AZO透明导电层；(5)在氢掺杂AZO透明导电层表面蒸镀银作为银前电极，制得硅基硫化锌异质结太阳电池ZnS(n)-Si(p)。在上述硅基硫化锌异质结太阳电池的制备方法中：作为本专利技术的一种优选的实施方式，步骤(1)中双面碱制绒的具体过程为：(A)选取p型单晶硅片，置于质量百分含量为15～25％(更佳是20％)的KOH抛光液中5～20min(更佳是10min)，并保持溶液温度为75～90℃(更佳是85℃)；(B)将p型单晶硅片从KOH抛光液中取出后置于体积百分含量为30～50％(更佳是50％)的HCl溶液中浸泡5～10min(更佳是10min)后，取出用去离子水清洗；(C)将清洗后的p型单晶硅片置于质量百分含量为2～3％(更佳是2.5％)的KOH和体积百分含量为2～4％(更佳是3.28％)的IPA(异丙醇)混合溶液中20～30min(更佳为25min)，并保持混合溶液的温度为75～90℃(更佳是82℃)；(D)将p型单晶硅片从所述混合溶液中取出后置于体积百分含量为50％的HCl溶液中浸泡10min，然后去除用去离子水清洗，获得双面制绒的p型单晶硅片。作为本专利技术的另一种优选的实施方式，步骤(1)中清洗硅片采用RCA清洗工艺，具体过程为：①将p型单晶硅片浸入体积配比为1:200的HF和HNO3的混合溶液中2min，然后用去离子水清洗；②接着将p型单晶硅片浸入体积配比为3:1的浓H2SO4和H2O2的混合溶液中30min，然后用去离子水清洗；③再将p型单晶硅片浸入体积百分含量为10％的NH3·H2O和体积百分含量为10％的H2O2混合溶液中6min，并保持溶液温度为80℃，然后用去离子水清洗；④接着将p型单晶硅片浸入体积百分含量为10％的HCl和体积百分含量为10％的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基硫化锌异质结太阳电池，其特征是：所述硅基硫化锌异质结太阳电池的结构为银前电极/氢掺杂AZO透明导电膜/硫化锌薄膜/硅基体/铝背场/铝电极，所述硫化锌薄膜为n型硫化锌发射极，所述硅基体为p型单晶硅，所述n型硫化锌发射极与所述p型单晶硅形成异质结太阳电池。

【技术特征摘要】
1.一种硅基硫化锌异质结太阳电池，其特征是：所述硅基硫化锌异质结太阳电池的结构为银前电极/氢掺杂AZO透明导电膜/硫化锌薄膜/硅基体/铝背场/铝电极，所述硫化锌薄膜为n型硫化锌发射极，所述硅基体为p型单晶硅，所述n型硫化锌发射极与所述p型单晶硅形成异质结太阳电池。2.根据权利要求1所述的硅基硫化锌异质结太阳电池，其特征是：所述银前电极的厚度为300～1000nm，所述氢掺杂AZO透明导电膜的厚度为80～280nm，所述硫化锌薄膜的厚度为10～150nm，所述铝背场/铝电极的厚度为1～5μm。3.权利要求1或2所述的硅基硫化锌异质结太阳电池的制备方法，其特征是包括以下步骤：(1)选取p型单晶硅，采用双面碱制绒，在p型单晶硅的双面获得金字塔绒面结构，然后清洗硅片，并干燥；(2)在p型单晶硅的其中一面蒸镀金属铝获得铝电极，接着退火处理获得铝背场，然后去除p型单晶硅另一面上形成的氧化层；(3)在p型单晶硅去除氧化层的一面蒸镀硫化锌薄膜，形成n型硫化锌发射极；(4)在硫化锌薄膜表面沉积氢掺杂AZO透明导电层；(5)在氢掺杂AZO透明导电层表面蒸镀银作为银前电极，制得硅基硫化锌异质结太阳电池ZnS(n)-Si(p)。4.根据权利要求3所述的硅基硫化锌异质结太阳电池的制备方法，其特征是：步骤(2)中在p型单晶硅的其中一面采用热蒸发法蒸镀金属铝获得铝电极。5.根据权利要求3所述的硅基硫化锌异质结太阳电池的制备方法，其特征是：步骤(2)中在p型单晶硅的其中一面蒸镀金属铝获得铝电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈辉，邱开富，邱德鹏，谢琦，蔡伦，吴伟梁，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44