本发明专利技术一种纳米硅薄膜太阳能电池椭园偏振光谱实时监控制备方法，它有七大步骤。采用化学法对单晶硅片进行各向异性腐蚀，形成金字塔状的绒面硅片衬底；采用等离子体增强化学气相沉法制备晶态含量在50±5％之间，晶态峰在502-518cm-1之间的本征纳米硅膜，并通过在沉积过程中掺入PH3等制备N型纳米硅薄膜，掺入B2H5等制备P型纳米硅薄膜；在上述沉积纳米硅薄膜过程中，采用椭园偏振光谱实时监控薄膜生长过程的制备方法，这是本专利申请的核心技术；采用热蒸发方法或磁控溅射方法制备纳米硅薄膜太阳能电池的背电极和上电极及透明电极。经上述工艺便可制备出其具有重复性的高光电转换效率的纳米硅薄膜太阳能电池。
【技术实现步骤摘要】
: 本专利技术涉及一种薄膜太阳能电池的制备方法，尤其涉及，属光电应用和新能源
。但本专利技术可推广到其他薄膜生长监控领域。
技术介绍
: 不可再生能源如煤炭和石油等地球储存量有限，而社会高速发展又需要大量能源。所以能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能发电资源，寻求经济发展的新动力。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源。应用太阳能，既不会出现大气污染，也不会影响生态平衡，只要阳光所及之处，均能利用太阳能。 目前太阳能的利用主要有光热、光化学转换和太阳电池发电三种形式。光热利用成本低、方便、效率较高，但不利于能量传输，一般只能就地使用，且输出能量形式不具有通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。太阳电池是一种大面积的半导体器件，当太阳光投射到它的表面时，它就把光能直接转换成电能，并具有传输方便，存储性好，通用性强等方面的优点。 单晶硅和多晶硅太阳电池的制备技术已很成熟，其产品的光电转换效率达17% -22%,占太阳电池产品市场份额的95%。但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主导地位，使其成本始终居高不下，而且制作全过程中要消耗很多的能源。为此，基于薄膜技术的第二代太阳电池便发展起来了。薄膜光伏电池工艺，经过多年的研究发展，主要包括非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池和(μ c-Si)微晶硅薄膜太阳电池以及纳米硅薄膜太阳电池，碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池和铜铟(镓)硒(CI(Ga)Se)薄膜太阳电池以及染料敏化T12纳米薄膜太阳电池。 在众多薄膜电池中，很有前途的薄膜太阳电池之一为纳米硅薄膜太阳电池。这是因为纳米硅薄膜有独特的微观结构即纳米硅薄膜的组分是大量的微小晶粒占总体积百分比?50%，另外50%是由小晶粒中间无序状态的硅原子构成，各晶粒之间界面层度为2-4个原子层。与非晶娃(a_S1:H)、微晶娃(μ c-S1:H)和多晶娃(pc_Si)相比,纳米尺寸娃晶粒和大量界面的存在对薄膜结构物性有重要的作用即由于量子力学的隧道效应而表现出高电导率= 10_3?KT1Q-1 κπΤ1)、低电导激活能(ΛΕ = 0.12?0.15eV)的特征，并且其薄膜电池光谱响应曲线的峰值波长比单晶硅的峰值波长小即向短波方向移动，这表明纳米硅薄膜太阳电池在可见光及近红外范围内的光吸收系数比单晶硅高，这有利于太阳光的充分吸收，从而提高光电转换效率，经计算表明其光电转换效率的理论值为31.34%，这比单晶硅太阳电池的理论值27%高。 纳米硅薄膜的光能隙Eg°pt的范围为1.6?2.2eV，不同晶态比值X。和晶粒尺寸d值的硅薄膜具有不同宽度的光能隙Eg°pt值，并且通过控制沉淀过程中的工艺条件可以人为的改变nc-S1:H膜的结构，进而改变其光能隙即硅膜中所含晶粒尺寸越小其光能隙越大。这样通过工艺参数的调节改变nc-S1:H膜的光能隙值，就可以选配出合理的顶底电池带隙组合。另外，纳米硅薄膜制备无须高温扩散工艺，基本上克服了非晶硅薄膜电池的S-W效应即光致效率退化效应，并且其制备工艺即PECVD工艺与现代半导体工业相兼容可以降低成本。所以纳米硅薄膜将可能成为取代单晶硅、非晶硅的太阳能电池材料。 但是，上述所有薄膜太阳能电池的薄膜制备技术的成熟度很差，这表现在薄膜太阳能电池制备工艺的重复性差，其光电转换效率高底不一并且普遍较低。 本专利技术旨在用椭园偏振光谱实时监控技术并采用纳米硅薄膜材料制备薄膜太阳能电池，以提升工艺的重复性和提高纳米硅薄膜太阳能电池的光电转换效率。 到目前为止，没有发现有关纳米硅薄膜太阳能电池椭园偏振光谱实时监控制备方法的报道，表明本专利技术具有创新性和创造性。因此，依法申请本专利专利技术。
技术实现思路
1.专利技术目的: 本专利技术的目的是提供，它是一种采用椭园偏振光谱实时监控技术制备纳米硅薄膜太阳能电池的技术。通过这种椭园偏振光谱实时监控技术，克服了现有技术的不足，提高了纳米硅薄膜太阳能电池制备工艺的重复性，提高了纳米硅薄膜太阳能电池的光电转换效率。 本专利技术，该方法包括以下步骤: 步骤一:采用湿化学法或干化学法对单晶硅片进行各向异性腐蚀，获得金字塔状的绒面硅片衬底。具体方案是:硅片的清洗后放在聚四氟乙烯容器中用HF:去离子水=I:50的稀溶液腐蚀很短的时间，大约10秒钟，然后在30秒内用大量的去离子水冲洗HF酸，从而去除单晶硅片上的二氧化硅层。采用碱溶液化学腐蚀的方法即以NaOH作为反应物并以异丙醇作为添加剂调节腐蚀速度各向异性因子，其NaOH与异丙醇的混合溶液对单晶硅进行各向异性腐蚀，NaOH浓度3%，异丙醇的用量5% ’反应温度90°C，腐蚀时间为50min。在这一条件下，制备出类金字塔的织构表面即绒面硅片衬底。 步骤二:采用热蒸发方法或磁控溅射方法制备纳米硅薄膜太阳能电池的背电极。具体方案是:采用热蒸发方法制备电极时，系统本底真空抽止8.0X KT4Pa以下，样品温度为200°C?400°C，电阻蒸发或电子束蒸发高纯铝Al膜等金属导电膜皆可；采用磁控溅射方法制备电极时，系统本底真空抽止8.0 X 10_4Pa以下，样品温度为200°C?400°C，溅射电流0.4-0.8A，溅射电压350-450V，工作气体Ar2,工作气压0.5_3Pa，溅射高纯铝Al靶等金属靶，从而在样品表面上形成高纯铝Al膜等金属导电膜；再进行真空退火处理即系统本底真空抽止8.0XKT4Pa以下，退火温度为450°C?560°C，退火时间为5min?20min，这时沉积的铝膜明显致密，膜与衬底的结合变好，有利于降低薄膜的电阻。 步骤三:采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，通入硅烷SiH4制备本征纳米硅膜；具体方案是:先将系统本底真空度抽到8.0X 10_4Pa以下，再通入氢稀释了的浓度为5%的高纯硅烷SiH4，温度为200-380°C，工作气压为1.0-3.0Torr，射频功率为40-60W，采用此工艺条件可制备出本征纳米硅薄膜，其晶态含量在(50±5) %之间，晶态峰在509-518(^1之间，室温电导率达到4.9 X 10Q-1.cm 1 ； 步骤四:将样品传入到另一个等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中，将该等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统本底真空度抽到8.0 X KT4Pa以下，再通入高纯氢气H2和氢稀释了的浓度为0.5%的高纯磷烷PH3,其硅烷SiH4、氢气H2、磷烷PH3这三种工作气体的流量比为5:100:5-15(SCCM)，采用此工艺条件可制备出N型纳米硅薄膜，其电导率达2.ZXlO1Q-1.cm1 ;在上述工艺的基础上，将磷烷成硼烷B2H5即通入高纯氢气H2和氢稀释了的浓度为5%的高纯硼烷B2H5,其硅烷SiH4、氢气H2、硼烷B2H5这三种工作气体的流量比为5:100:0.3-0.8 (SCCM)，并且直流偏压为100-300V，采用此工艺条件可制备出P型纳米硅薄膜，其电导率达2.97 X 12 Ω -W1 (2.97 X 11 Ω -WO。 步骤五:在上述沉积纳米硅薄膜过程中，采用椭园偏振光谱实时监控薄膜生长过程的制备方法，这是本本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种纳米硅薄膜太阳能电池椭园偏振光谱实时监控制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一：采用湿化学法或干化学法对单晶硅片进行各向异性腐蚀，获得金字塔状的绒面硅片衬底；具体方案是：硅片清洗后放在聚四氟乙烯容器中用HF：去离子水＝1：50的稀溶液腐蚀10秒钟，然后在30秒内用大量的去离子水冲洗HF酸，从而去除单晶硅片上的二氧化硅层；采用碱溶液化学腐蚀的方法即以NaOH作为反应物并以异丙醇作为添加剂调节腐蚀速度各向异性因子，其NaOH与异丙醇的混合溶液对单晶硅进行各向异性腐蚀，NaOH浓度3％，异丙醇的用量5％，反应温度90℃，腐蚀时间为50min，在这一条件下，制备出类金字塔的织构表面即绒面硅片衬底；步骤二：采用热蒸发方法或磁控溅射方法制备纳米硅薄膜太阳能电池的背电极；具体方案是：采用热蒸发方法制备电极时，系统本底真空抽止8.0×10‑4Pa以下，样品温度为200℃～400℃，电阻蒸发或电子束蒸发高纯铝Al膜金属导电膜皆可；采用磁控溅射方法制备电极时，系统本底真空抽止8.0×10‑4Pa以下，样品温度为200℃～400℃，溅射电流0.4‑0.8A，溅射电压350‑450V，工作气体Ar2，工作气压0.5‑3Pa，溅射高纯铝Al金属靶，从而在样品表面上形成高纯铝Al金属导电膜；再进行真空退火处理即系统本底真空抽止8.0×10‑4Pa以下，退火温度为450℃～560℃，退火时间为5min～20min，这时沉积的铝膜明显致密，膜与衬底的结合变好，有利于降低薄膜的电阻；步骤三：采用等离子体增强化学气相沉积法即PECVD，通入硅烷SiH4制备本征纳米硅膜；具体方案是：先将系统本底真空度抽到8.0×10‑4Pa以下，再通入氢稀释了的浓度为5％的高纯硅烷SiH4，温度为200‑380℃，工作气压为1.0‑3.0Torr，射频功率为40‑60W，采用此工艺条件制备出本征纳米硅薄膜，其晶态含量在50±5％之间，晶态峰在509‑518cm‑1之间，室温电导率达到4.9×100Ω‑1·cm‑1；步骤四：将样品传入到另一个等离子体增强化学气相沉积系统中，将该等离子体增强化学气相沉积系统本底真空度抽到8.0×10‑4Pa以下，再通入高纯氢气H2和氢稀释了的浓度为0.5％的高纯磷烷PH3，其硅烷SiH4、氢气H2、磷烷PH3这三种工作气体的流量比为5:100:5‑15(SCCM)，采用此工艺条件制备出N型纳米硅薄膜，其电导率达2.2×101Ω‑1·cm‑1；在上述工艺的基础上，将磷烷PH3换成硼烷B2H5即通入高纯氢气H2和氢稀释了的浓度为5％的高纯硼烷B2H5，其硅烷SiH4、氢气H2、硼烷B2H5这三种工作气体的流量比为5:100:0.3‑0.8(SCCM)，并且直流偏压为100‑300V，采用此工艺条件制备出P型纳米硅薄膜，其电导率达2.97×102Ω‑1cm‑1；步骤五：在上述沉积纳米硅薄膜过程中，采用椭园偏振光谱实时监控薄膜生长过程的制备方法，具体方案是：在沉积纳米硅薄膜的工作腔室两侧设置真空隔离腔室，在其内分别安装光纤偶合器、光纤准直系统，小孔可调光拦、特殊光学零件支架，根据工作模式不同，可将起偏器、检偏器、光纤光谱仪或带探测器的小型快速扫描光谱仪安装在真空隔离腔室里或安装在真空隔离腔室外部，氙灯或卤钨灯混合光源、斩波器和锁相放大器安装在真空隔离腔室外部；工作模式一：由氙灯或卤钨灯混合光源产生波长范围为300nm～1100nm的光，通过光纤及其准直系统使这种光经过起偏器形成直线偏振光谱束，经工作腔室左侧窗口以60°‑80°度斜入射于样品表面而反射、其反射光谱束的偏振态发生了变化，这种变化与薄膜样品的光学参数有关；这种携带着薄膜信息的反射偏振光谱束经工作腔室右侧窗口和旋转检偏器后进入光纤光谱仪，由光纤光谱仪同时对各波长下的光强信号进行探测，从而得到此薄膜生长时刻的光强随波长和旋转检偏器偏振角的变化规律，根据这种变化规律计算出此薄膜生长时刻的薄膜椭偏光谱参数Ψ和Δ，进而计算出此薄膜生长时刻的薄膜光学常数薄膜折射率n和消光系数k以及薄膜厚度d；由于光纤光谱仪同时对各波长下的光强信号进行探测，这就加快了光谱范围内光强的探测时间，适合于薄膜快速生长的情况，实现了真正意义上的实时监控薄膜生长的目的；工作模式二：由氙灯或卤钨灯混合光源产生波长范围为300nm～1100nm的光，通过光纤及其准直系统和斩波器使这种斩波后的光经过起偏器形成直线偏振光谱束，经工作腔室左侧窗口以60°‑80°度斜入射于样品表面而反射，其反射光谱束的偏振态发生了变化，这种变化与薄膜样品的光学参数有关；这种携带着薄膜信息的反射偏振光谱束经工作腔室右侧窗口和旋转检偏器后进入带探测器的小型快速扫描光谱仪，分别探测各波长下的光强信号并输入到锁相放大器，从而得到在扫描时间内光强随波长和旋转检...
【技术特征摘要】
1.一种纳米硅薄膜太阳能电池椭园偏振光谱实时监控制备方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: 步骤一:采用湿化学法或干化学法对单晶硅片进行各向异性腐蚀，获得金字塔状的绒面硅片衬底；具体方案是:硅片清洗后放在聚四氟乙烯容器中用HF:去离子水=I:50的稀溶液腐蚀10秒钟，然后在30秒内用大量的去离子水冲洗HF酸，从而去除单晶硅片上的二氧化硅层；采用碱溶液化学腐蚀的方法即以NaOH作为反应物并以异丙醇作为添加剂调节腐蚀速度各向异性因子，其NaOH与异丙醇的混合溶液对单晶硅进行各向异性腐蚀，NaOH浓度3%，异丙醇的用量5%，反应温度90°C，腐蚀时间为50min，在这一条件下，制备出类金字塔的织构表面即绒面硅片衬底； 步骤二:采用热蒸发方法或磁控溅射方法制备纳米硅薄膜太阳能电池的背电极；具体方案是:采用热蒸发方法制备电极时，系统本底真空抽止8.0X KT4Pa以下，样品温度为.200°C?400°C，电阻蒸发或电子束蒸发高纯铝Al膜金属导电膜皆可；采用磁控溅射方法制备电极时，系统本底真空抽止8.0X 10_4Pa以下，样品温度为200 °C?400 °C，溅射电流.0.4-0.8A，溅射电压350-450V，工作气体Ar2,工作气压0.5_3Pa，溅射高纯铝Al金属靶，从而在样品表面上形成高纯铝Al金属导电膜；再进行真空退火处理即系统本底真空抽止.8.0XKT4Pa以下，退火温度为450°C?560°C，退火时间为5min?20min，这时沉积的铝膜明显致密，膜与衬底的结合变好，有利于降低薄膜的电阻； 步骤三:采用等离子体增强化学气相沉积法即PECVD，通入硅烷SiH4制备本征纳米硅膜；具体方案是:先将系统本底真空度抽到8.0X10_4Pa以下，再通入氢稀释了的浓度为5%的高纯硅烷SiH4，温度为200-380°C，工作气压为1.0-3.0Torr，射频功率为40-60W，采用此工艺条件制备出本征纳米硅薄膜，其晶态含量在50±5%之间，晶态峰在509-518(^1之间，室温电导率达到4.9 X 1qQ-1.cm1 ； 步骤四:将样品传入到另一个等离子体增强化学气相沉积系统中，将该等离子体增强化学气相沉积系统本底真空度抽到8.0X 10_4Pa以下，再通入高纯氢气H2和氢稀释了的浓度为0.5 %的高纯磷烷PH3，其硅烷S i H4、氢气H2、磷烷PH3这三种工作气体的流量比为5:100:5-15(SCCM)，采用此工艺条件制备出N型纳米硅薄膜，其电导率达.2.2 X 11 Ω -1 ^cm 1 ;在上述工艺的基础上，将磷烷PH3换成硼烷B2H5即通入高纯氢气H2和氢稀释了的浓度为5%的高纯硼烷B2H5,其硅烷SiH4、氢气H2、硼烷B2H5这三种工作气体的流量比为5:100:0.3-0.8 (SCCM)，并且直流偏压为100-300V，采用此工艺条件制备出P型纳米硅薄膜，其电导率达2.97 X 12 Ω-1^1 ； 步骤五:在上述沉积纳米硅薄膜过程中，采用椭园偏振光谱实时监控薄膜生长过程的制备方法，具体方案是:在沉积纳米硅薄膜的工作腔室两侧设置真空隔离腔室，在其内分别安装光纤偶合器、光纤准直系统，小孔可调光拦、特殊光学零...
【专利技术属性】
技术研发人员：张维佳，马强，宋登元，刘嘉，张雷，马晓波，范志强，马登浩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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