一种氧化钼薄膜制备方法及以氧化钼薄膜作为空穴传输层的硅异质结太阳电池技术

本发明专利技术涉及一种氧化钼薄膜制备方法及以该方法制备的氧化钼薄膜作为空穴传输层的晶硅异质结太阳电池，属于半导体薄膜制备和光伏技术领域。本专利所述的氧化钼薄膜制备方法为真空热丝氧化升华沉积法，该工艺具有原材料选取简单，消耗量少，无需衬底加热，工艺参数可控性高，薄膜纯度高等优点；本专利所述方法制备的氧化钼薄膜材料具有：材料分布均匀，表面光滑，光透率较高的特点。以本发明专利技术提供的以真空热丝氧化升华沉积法制备的氧化钼薄膜作为空穴选择层的新型硅异质结太阳电池的光电转化效率＞20％。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化钼薄膜制备方法及以氧化钼薄膜作为空穴传输层的硅异质结太阳电池
本专利技术涉及一种氧化钼薄膜的制备方法及以该方法制备的氧化钼薄膜作为空穴传输层的硅异质结太阳电池，属于半导体薄膜材料制备及光伏应用

技术介绍
新型无掺杂非对称硅异质结太阳电池自问世以来，受到光伏界的极大关注。其利用过渡金属氧化物或金属卤化物作为载流子选择传输层，代替N型或者P型重掺杂硅薄膜层，能够有效避免磷烷和硼烷等易燃易爆、有毒有害气体的使用。其中，氧化钼因其具有较大的功函数，作为空穴选择传输层被广泛地应用于新型无掺杂非对称硅异质结太阳电池的研究中。目前，氧化钼空穴选择传输层的制备方法主要有：热蒸发、电子束激发、溶液法等；然而，这些制备方法都存在一定的技术局限性。如：热蒸发使用的原材料为高纯氧化钼粉末，在薄膜制备过程中，易造成原材料的飞溅，不仅浪费原材料，还容易在腔体中滞留大量的残余粉末，而且制备的薄膜往往不够致密和均匀；电子束蒸发技术也具有与热蒸发类似的局限性；采用溶液法合成氧化钼材料，其制备过程较难控制，材料性能易受到环境因素影响，特别是在有陷光结构的衬底上成膜的厚度和均匀性难以控制。以上问题使得这些制备方法都不利于氧化钼薄膜的大面积生产和新型异质结电池的大规模产业化。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于热丝氧化升华沉积的氧化钼薄膜的制备方法，目的是避免蒸发过程中原材料的浪费，实现材料制备过程中各参数的高效控制，得到质量更优的氧化钼薄膜，有利于实现大规模生产。本专利技术还提出了一种以热丝氧化升华沉积的氧化钼薄膜作为空穴传输层的硅异质结太阳电池的制备方法，具有高效、低成本潜力。本专利技术提出的真空热丝氧化升华沉积法(示意图见附图1)，其制备原理为：在高真空环境中，对高纯钼丝通入电流，使其温度升高，并与随后通入的氧气发生氧化反应，在热丝表面生成氧化钼并发生升华，在衬底上得到高质量的氧化钼薄膜。采用真空热丝氧化升华沉积法制备氧化钼薄膜包括如下步骤：(1)对将要沉积氧化钼薄膜的衬底(包括硅片、玻璃、陶瓷等常用衬底)进行清洗。硅片衬底可采用半导体工艺常规的RCA标准清洗，硅片可以是抛光硅片或带有陷光结构的硅片。(2)将步骤(1)得到的清洗干净的衬底置于真空热丝氧化升华沉积设备腔体中(可采用反应热蒸发设备)，用挡板遮挡样品，将高纯钼丝(直径0.5～2mm，纯度99.99％)的两端固定在电极上。(3)对腔体抽真空，在真空度达到＜4×10-4Pa后，向腔体内缓慢通入高纯氧气，氧气流量在1-50sccm之间，气压(P1)在0.1-10Pa之间，缓慢增加热丝电流值，使钼丝温度达到500-1300℃，使得此时的气压(P2)比(P1)低约0.01-5Pa。(4)待热丝温度、气压等各参数稳定后，打开样品挡板，薄膜沉积开始，通过控制时间来控制薄膜厚度，待沉积结束后，使挡板遮挡样品，关闭氧气，将热丝电流调至零，氧化钼薄膜沉积完毕。本专利技术制备的氧化钼薄膜可用作晶硅异质结太阳电池的空穴传输层，硅异质结电池的具体结构，从上到下依次为：阴极、减反层、发射极、正面钝化层、N型单晶硅衬底、背表面钝化层、空穴选择层(氧化钼薄膜)和阳极，结构示意图见附图2。以氧化钼薄膜作为空穴传输层的硅异质结太阳电池的制备包括以下步骤：(1)采用湿法腐蚀法，在N型<100>CZ硅片表面获得随机金字塔表面织构，并通过各向同性腐蚀，减缓金字塔尖端。RCA清洗之后，将硅片在2％的氢氟酸中浸泡1min，以去除表面氧化层。(2)将步骤(1)中备好的硅片置于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔体中，在该硅片的受光面和背光面分别制备约7nm和10nm的本征非晶硅钝化层。(3)选取步骤(2)制备样品的一个面作为受光面，同样采用PECVD技术，在其上制备约12nm的N型重掺杂非晶硅电子传输层。(4)在步骤(3)制备的N型重掺杂非晶硅电子传输层上，采用磁控溅射技术制备约80nm的氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜，并在其上采用热蒸发技术制备银栅线电极。(5)利用浓度为2％的氢氟酸溶液，对(4)制备的样品背光面的本征非晶硅薄膜表面进行去氧化层处理，并立即置于真空热丝氧化升华沉积设备腔体中，用挡板遮挡样品，将高纯钼丝(直径0.5～2mm，纯度99.99％)的两端固定在电极上。(6)对腔体抽真空，在真空度达到＜4×10-4Pa后，向腔体内缓慢通入高纯氧气，使得氧气流量在1-50sccm，氧气气压为0.1-10Pa，缓慢增加热丝电流值，使钼丝温度达到500-1300℃，使得此时腔体的氧气气压下降0.01-5Pa。(7)待热丝温度、气压等各参数稳定后，打开样品挡板，薄膜沉积开始，计时0.5-50min，关闭挡板，遮挡样品，关闭氧气，将热丝电流调至零，氧化钼薄膜沉积完毕。(8)在步骤(5)-(7)制备的氧化钼薄膜表面采用热蒸发技术制备银电极。本专利技术提出的氧化钼薄膜和硅异质结太阳电池的制备方法具有以下优点：(1)本专利技术方法所使用的氧化钼薄膜的制备设备是普通的热蒸发设备，对设备要求较低；(2)本专利技术方法所使用的制备氧化钼薄膜的原材料为高纯钼丝，简单易得，使用寿命较长，能够大幅降低薄膜制备成本；(3)本专利技术方法制备氧化钼薄膜的沉积参数较少，主要参数是氧气气压与热丝温度，可实现有效控制；(4)利用本专利技术方法所制备的氧化钼薄膜材料具备表面光滑，光透率高，能够在织构衬底上均匀沉积，并能够有效提高硅片衬底少子寿命的特点。(5)本专利技术方法制备的以氧化钼薄膜作为空穴选择传输层的硅异质结太阳电池，制备工艺比较简单，可以实现转换效率>20％，具有高效、低成本潜力。附图说明图1是本专利技术所述的真空热丝氧化升华沉积法装置结构示意图；图2是以氧化钼薄膜作为空穴选择传输层的硅异质结太阳电池结构示意图；图3是实施例一中氧气气压为0.2Pa时制备的氧化钼薄膜的透过率曲线；图4是实施例二中在抛光硅片上制备的氧化钼薄膜的SEM俯视图；图5是实施例二中在抛光硅片上制备的氧化钼薄膜的SEM剖面图；图6和图7是实施例三中在织构硅片上制备的氧化钼薄膜的SEM剖面图；图8是实施例四中以氧化钼作为空穴选择传输层的硅异质结太阳电池(氧化钼厚度为14nm)的光I-V曲线；图1中，1是反应气体入口，2是真空腔体，3是样品台，4是衬底，5是氧气分子，6是高纯钼丝，7是氧化钼分子，8是反应气体出口。图2中，1是Ag栅线，2是ITO，3是N型非晶硅薄膜，4是本征非晶硅薄膜，5是N型晶硅硅片，6是本征非晶硅薄膜，7是氧化钼薄膜，8是银背电极。具体实施方法本专利技术提出了一种真空热丝氧化升华沉积法制备的氧化钼薄膜材料及其制备方法，具体步骤如下：(1)对所用的衬底(可以是硅片、玻璃、陶瓷片等常见的衬底)进行常规清洗，如果衬底为硅片，采用半导体常规的RCA标准清洗。(2)将步骤(1)得到的清洗干净的衬底置于真空热丝氧化升华沉积设备腔体中(可采用反应热蒸发设备)，用挡板遮挡样品，将高纯钼丝(直径0.5～2mm，纯度99.99％)的两端固定在电极上。(3)对腔体抽真空，在真空度达到＜4×10-4Pa后，向腔体内缓慢通入高纯氧气，使得氧气流量在1-50sccm之间，气压(P1)在0.1-10Pa之间，缓慢增加热丝电流值，使钼丝温度达到500-1300℃，使得此时腔体的气压(P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术提供一种氧化钼薄膜及其制备方法，其特征在于，所述氧化钼薄膜的制备方法包括如下步骤：将清洗好的衬底置于真空热丝氧化升华沉积腔体中，用挡板遮挡样品，将高纯钼丝(直径0.5～2mm，纯度99.99％)的两端固定在电极上；对腔体抽真空，使得真空度为＜4×10

【技术特征摘要】
1.本发明提供一种氧化钼薄膜及其制备方法，其特征在于，所述氧化钼薄膜的制备方法包括如下步骤：将清洗好的衬底置于真空热丝氧化升华沉积腔体中，用挡板遮挡样品，将高纯钼丝(直径0.5～2mm，纯度99.99％)的两端固定在电极上；对腔体抽真空，使得真空度为＜4×10-4Pa；向真空腔体中通入所需流量1-50sccm的氧气，并使腔体气压在0.1-10Pa之间；打开钼丝电源，通过调节钼丝电流，控制热丝温度(温度范围在500-1300℃之间)，使氧气与钼丝发生反应，生成氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丰超，周玉荣，刘丰珍，刘明，沈荣宗，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11