用纳米/微球光刻制造纳米/微线太阳能电池制造技术

本发明专利技术提供用于制造基于纳米线/微线的太阳能电池的技术。在一个方面中，提供用于制造太阳能电池的方法。该方法包括以下步骤。提供掺杂衬底。在该衬底上沉积单层球体。该球体包括纳米球、微球或其组合。修整该球体以在单层中的单独球体之间引入空间。修整后的球体被用作掩模以对该衬底中的接线进行图案化。该接线包括纳米线、微线或其组合。在图案化的接线上形成掺杂发射极层。在该发射极层之上沉积顶部接触电极。在该衬底的与该接线相反的一侧上沉积底部接触电极。

【技术实现步骤摘要】
用纳米/微球光刻制造纳米/微线太阳能电池分案申请说明本申请是于2010年6月1日提交的PCT国际申请PCT/US2010/036920的名称为“用纳米/微球光刻制造纳米/微线太阳能电池”的中国国家阶段申请(国家申请号：201080018567.1)的分案申请。
本专利技术涉及太阳能电池，并且更特别地，涉及用于制造基于纳米线/微线(microwire)的太阳能电池的技术。
技术介绍
对太阳能电池的广泛使用的主要障碍是生产太阳能电池的高成本，通常几乎一半的生产成本用于获取起始太阳能等级硅(Si)晶片(其必须符合某个最小厚度)。虽然Si被广泛地用作太阳能材料，但Si因为其间接带隙而具有长吸收长度。例如，需要100微米(μm)厚的Si晶片来吸收90％的高于1.12电子伏特(eV)带隙的太阳能。参见例如B.M.Kayes等人的“ComparisonoftheDevicePhysicsPrinciplesofPlanarandRadialp-nJunctionNanorodSolarCells，”J.Appl.Phys.，vol.97，114302(2005)(以下称为“Kayes”)。备选地，可以使用较低成本的材料，诸如冶金等级多晶Si或者多结晶Si。例如，在2007年，冶金等级Si每千克(kg)花费约2美元，而高品质太阳能等级Si衬底每kg花费约20美元。参见例如USGS，Silicon：USGSMineralCommoditySummaries，January2008。然而，这些较低成本的材料通常由于存在许多杂质和晶界而具有非常短的少数载流子寿命(并且因此具有短的扩散长度)。这种不利特性严重限制了电池效率。规避这种问题的一种方式是寻求这些较低成本材料中的效率提高。对效率提高的有希望的途径是在水平方向而不是垂直方向引导载流子汇集。这种方案可以在圆柱形p-n结配置中实现，该圆柱形p-n结配置由于汇集在径向方向中发生，所以允许针对短扩散长度材料的更高效的载流子汇集。参见例如描述纳米柱太阳能电池的Kayes。然而，遗憾地是，用于生产纳米等级太阳能器件的传统技术受限于低产量并因此对于大规模商业实现可能过于昂贵。因此，需要降低生产成本并且增加产量的改进的太阳能电池制造技术。
技术实现思路
本专利技术提供了用于制造基于纳米线/微线的太阳能电池的技术。在本专利技术的一个方面中，提供了用于制造太阳能电池的方法。该方法包括以下步骤。提供掺杂衬底。在该衬底上沉积单层球体。该球体包括纳米球、微球或其组合。修整该球体以在单层的单独球体之间引入空间。修整后的球体被用作掩模以对该衬底中的接线进行图案化。该接线包括纳米线、微线或其组合。在图案化的接线上形成掺杂发射极层。在该发射极层之上沉积顶部接触电极。在该衬底的与该接线相反的一侧上沉积底部接触电极。通过参考以下详细描述和附图，将会获得对本专利技术的更完全理解以及本专利技术的进一步的特征和优点。附图说明图1图示了根据本专利技术的一个实施方式的示例性圆柱形p-n结配置的示意图；图2-图9是图示了根据本专利技术的一个实施方式的，用于制造基于纳米线和/或微线的太阳能电池的示例性方法的示图；图10是图示了根据本专利技术的一个实施方式的通过扩散形成发射极层的示图；图11是图示了根据本专利技术的一个实施方式的通过沉积形成发射极层的示图；图12是根据本专利技术的一个实施方式的与纳米球直径和等离子体蚀刻时间有关的图表；图13A是根据本专利技术的一个实施方式的使用纳米球掩模进行图案化的示例性纳米线阵列的由上向下扫描电子显微(SEM)图像；图13B是根据本专利技术的一个实施方式的使用纳米球掩模进行图案化的示例性纳米线阵列的横截面SEM图像；图13C是根据本专利技术的一个实施方式的图13B的图像的一部分的放大横截面SEM图像；图14是根据本专利技术的一个实施方式的具有通过扩散磷旋涂掺杂剂源在纳米线阵列上形成的发射极层的太阳能电池的横截面SEM图像；图15是根据本专利技术的一个实施方式的具有通过在纳米线阵列上溅射氧化锌(ZnO)层而形成的n型射极层的太阳能电池的横截面SEM图像；图16A是图示了根据本专利技术的一个实施方式的图14的太阳能电池的电特性的图表；图16B是图示了根据本专利技术的一个实施方式的图14的太阳能电池的电特性的表格；图16C是图示了根据本专利技术的一个实施方式的图14的太阳能电池的反射率光谱的图表；图17A是图示了根据本专利技术的一个实施方式的图15的太阳能电池的电特性的图表；以及图17B是图示了根据本专利技术的一个实施方式的图15的太阳能电池的电特性的表格。具体实施方式在此公开的内容是用于制造基于纳米线和/或微线的太阳能电池的技术。本太阳能电池设计采用圆柱形p-n结配置。圆柱形p-n结配置由于汇集在径向方向中发生，而允许针对短的少数载流子扩散长度太阳能材料的更高效的载流子汇集。因此，在本教导中可以实现由于短的少数载流子扩散长度而可能不适合于在传统的平面太阳能电池设计中使用的低成本材料，因而实现节省生产成本。此外，为了实现商业上可行的基于纳米线和/或微线的太阳能电池，重要的是利用低成本方法制造纳米线和/或微线结构。因此，本技术提供了采用“由上向下”纳米球/微球光刻的制造工艺，从而避免了诸如电子束(e-beam)或者紫外线(UV)光刻之类的受限于低产量并且因而过于昂贵的标准工艺。纳米球/微球光刻制造技术提供了简单、低成本并且高产量的技术以限定大规模纳米线和/或微线结构。参见例如C.L.Cheung等人的“FabricationofNanopillarsbyNanosphereLithography，”Nanotech.17，1339(2006)(以下称为“Cheung”)以及Z.Huang等人的“FabricationofSiliconNanowireArrayswithControlledDiameter，Length，andDensity，”AdvancedMaterials19，744(2007)(以下称为“Huang”)，它们各自的内容在此通过引用并入。纳米球和/或微球光刻制造技术依赖于纳米球和/或微球的大规模自组装布置(参见下文)。相比于对照(control)样本(以常规方式制造的平面器件，即没有纳米线或者微线)，使用本技术制造的基于纳米线和微线的太阳能电池的电特性示出了在较高短路电流和效率方面的有希望的益处(参见下文)。同样地，相比于常规的用于大规模纳米线制造的“由下向上”技术(即，汽液固(VLS)生长工艺)，本纳米球/微球光刻制造技术无需对于太阳能电池性能可能非常有害的金属催化剂。具体而言，VLS生长中涉及的金属催化剂，诸如金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)，充当实质上增加复合电流的对太阳能电池中的少数载流子的杂质陷阱。这个电流继而减少太阳能电池中的有用光生电流量。此外，纳米球/微球光刻制造技术在控制所生产的纳米线和/或微线的尺寸(直径和高度)中提供更大的灵活性。图1是图示了在圆柱形p-n结配置中按照水平方向指引载流子汇集的示意图。如图1中所示，通过参考示例性基于纳米线的太阳能电池100，在圆柱形p-n结中，电荷载流子(即电子e-空穴h对)汇集发生在径向方向中。换言之，在圆柱形内核(在本示例中为n型掺杂纳米线102)和围绕该内核的层(在本示例中为p型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造太阳能电池的方法，包括如下步骤：提供掺杂衬底；在所述衬底上沉积单层球体，所述球体包括纳米球、微球或其组合；修整所述球体以在所述单层中的单独球体之间引入空间；使用修整后的球体作为掩模以对所述衬底中的接线进行图案化，所述接线包括纳米线、微线或其组合；在图案化的接线上形成掺杂发射极层，其中所述发射极层由与所述衬底和所述接线不同的、更高带隙的材料形成，从而在其间形成异质结，并且其中所述发射极层被形成为覆盖所述接线的所有暴露表面和所述衬底的顶部表面的共形层，所述发射极层是透光的并且用作窗发射极层；在所述发射极层上直接沉积顶部接触电极；以及在所述衬底的与所述接线相反的一侧上沉积底部接触电极。

【技术特征摘要】
2009.06.08 US 12/480,1631.一种用于制造太阳能电池的方法，包括如下步骤：提供掺杂衬底；在所述衬底上沉积单层球体，所述球体包括纳米球、微球或其组合；修整所述球体以在所述单层中的单独球体之间引入空间；使用修整后的球体作为掩模以对所述衬底中的接线进行图案化，所述接线包括纳米线、微线或其组合；在图案化的接线上形成掺杂发射极层，其中所述发射极层由与所述衬底和所述接线不同的、更高带隙的材料形成，从而在其间形成异质结，并且其中所述发射极层被形成为覆盖所述接线的所有暴露表面和所述衬底的顶部表面的共形层，所述发射极层是透光的并且用作窗发射极层；在所述发射极层上直接沉积顶部接触电极，其中所述顶部接触电极包括在所述发射极层之上沉积并且包围每个所述接线的共形层；以及在所述衬底的与所述接线相反的一侧上沉积底部接触电极。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是硅衬底。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述球体包括聚苯乙烯乳胶纳米球、微球或其组合。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述球体在悬浮液中，所述方法还包括步骤：使用旋涂技术将所述球体沉积在所述衬底上。5.根据权利要求1所述的方法，其中使用氧等离子体蚀刻修整所述球体。6.根据权利要求1所述的方法，其中使用深反应离子蚀刻工艺在所述衬底中对所述接线进行图案化。7.根据权利要求6所述的方法，还包括如下步骤：清洁所述接线以去除由于所述深反应离子蚀刻工艺产生的表面损坏。8.根据权利要求1所述的方法，其中利用n型掺杂剂或p型掺杂剂对所述衬底进行掺杂。9.根据权利要求8所述的方法，其中如果利用p型掺杂剂对所述衬底进行掺杂，则利用n型掺杂剂对所述发射极层进行掺杂，或者如果利用n型掺杂剂对所述衬底进行掺杂，则利用p型掺杂剂对所述发射极层进行掺杂。10.根据权利要求9所述的方法，其中利用n型掺杂剂或p型掺杂剂将所述发射极层掺杂为从1×1019cm3至1×1021cm3的浓度。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述发射极层包括ZnO。12.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：使用酸基官能化在其上沉积单层球体的所述衬底的表面并且使用碱官能化所述球体的表面以增加所述球体和所述衬底的附着力。13.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·格拉哈姆，S·古哈，O·古纳万，G·S·图勒维斯基，王克嘉，张郢，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US