以硅纳米柱阵列为基底的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以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池及其制备方法。该太阳电池是以大高宽比硅纳米柱阵列为基底，磁控溅射的方法包裹其他薄膜材料，形成异质结结构。其制作方法包括：在P型硅片表面用氯化铯纳米岛自组装的方法制备大高宽比纳米柱阵列；在背面制备铝背场；用磁控溅射的方法在硅纳米柱阵列表面包裹氧化锌、硫化镉等N型材料层；在N型材料层表面覆盖ITO透明导电层；在上表面制备钛银电极。这种以大高宽比硅纳米柱阵列为基底的异质结电池其优点在于：第一，可以有效增加基底的表面比，提高异质结的有效面积，增加对入射光的吸收；第二，借助于大高宽比纳米柱阵列良好的陷光作用，能够减小反射，提高异质结电池的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体微纳加工技术，异质结太阳电池
，尤其是一种以大高宽比硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池及其制备方法。
技术介绍
纳米阵列是一种新型的表面结构，在太阳电池、LED等许多领域有巨大的工业应用，纳米织构化具有降低可见光反射的特性。对于传统的单晶或多晶硅太阳电池，可以在硅表面直接制备纳米线、纳米柱等纳米织构化，利用纳米阵列的陷光作用，能有效提高太阳电池的短路电流及电池效率。由于制备工艺繁琐及成本较高，限制了传统太阳电池的推广。在硅衬底上利用简单工艺沉积一层透明半导体薄膜，制备异质结太阳能电池是一种具有潜在应用前景的构思。此种异质结太阳电池具有优良的光伏效应，且制作工艺简单，制备温度较低。常见的异质结电池是指将氧化锌、硫化镉等N型材料制备在抛光硅片表面。将纳米化的氧化锌、硫化镉等材料，沉积在抛光硅片表面，也可以提高太阳电池的效率，效率可达到10.9％(R.Pietruszka，B.S.Witkowski，S.Gieraltowska，ECaban，L.Wachnicki，E.Zielony,K.Gwozdz，P.Bieganski，E.Placzek-Popko，M.Godlewski，New efficient solar cell structures based onzinc oxide nanorods，Solar Energy Materials&Solar Cells 143(2015)99-104)。在2011年Chuan He等人用水热法在抛光硅片表面制备纳米孔阵列，然后在这种粗糙的表面用化学浴沉积的方法制备硫化镉薄膜，这种方法能有效降低反射，但光电转化效率只有1.15×10-4％(Chuan He，Chang BaoHan，Yu Rui Xu，and Xin Jian Li，Photovoltaic effect of CdS/Sinanoheterojunction array，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 110，094316(2011))。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为克服上述现有技术中存在的各种不足，本专利技术提供了一种以大高宽比硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池及其制备方法。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池，该异质结太阳电池包括：P型硅片；形成于P型硅片表面的大高宽比硅纳米柱阵列；形成于P型硅片背面的铝背场；包裹于大高宽比硅纳米柱阵列表面的N型材料层；覆盖于N型材料层表面的ITO透明导电层；以及形成于ITO透明导电层表面的钛银电极。上述方案中，所述形成于P型硅片表面的大高宽比硅纳米柱阵列，硅纳米柱的直径是50-1500纳米，高度为0.2-3微米，高宽比范围为大于0且小于等于10。上述方案中，所述包裹于大高宽比硅纳米柱阵列表面的N型材料层为氧化锌或硫化镉。上述方案中，所述包裹于大高宽比硅纳米柱阵列表面的N型材料层与大高宽比硅纳米柱阵列之间形成异质结。根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供了一种以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池的制备方法，该方法包括：在P型硅片表面制备大高宽比硅纳米柱阵列；在制备有大高宽比硅纳米柱阵列的P型硅片背面制备铝背场；在大高宽比硅纳米柱阵列表面包裹N型材料层；在N型材料层表面覆盖ITO透明导电层；以及在ITO透明导电层表面制备钛银电极。上述方案中，所述在P型硅片表面制备大高宽比硅纳米柱阵列的步骤中，大高宽比硅纳米柱阵列的制备采用氯化铯纳米岛刻蚀技术，制作出的纳米柱直径是50-1500纳米，高度为0.2-3微米，高宽比范围为大于0且小于等于10。上述方案中，所述在制备有大高宽比硅纳米柱阵列的P型硅片背面制备铝背场的步骤中，是采用热蒸发的方法在制备有大高宽比硅纳米柱阵列的P型硅片背面制备铝金属背面电极。上述方案中，所述在大高宽比硅纳米柱阵列表面包裹N型材料层的步骤中，是采用磁控溅射的方法在大高宽比硅纳米柱阵列表面包裹N型材料层，N型材料层为氧化锌或硫化镉；为保证纳米柱阵列侧壁的包裹，使样品与靶材保持一定角度完成溅射镀膜；磁控溅射镀膜后，加热一定温度，使薄膜形成良好的结晶状态。上述方案中，所述在N型材料层表面覆盖ITO透明导电层的步骤中，是采用磁控溅射的方法在N型材料层表面磁控溅射ITO透明导电层，用于光生载流子的收集；磁控溅射后，加热一定温度，使得ITO薄膜拥有良好的透光性及导电性。上述方案中，所述在ITO透明导电层表面制备钛银电极的步骤中，是采用热蒸法的方法在ITO透明导电层表面制备钛银梳状电极结构，以便于测试。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的这种以大高宽比硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池，优点在于：第一，可以有效增加基底的表面比，提高异质结的有效面积，增加对入射光的吸收；第二，借助于大高宽比纳米柱阵列良好的陷光作用，能够减小反射，从而达到提高异质结电池性能的目的。2、本专利技术提供的这种以大高宽比硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池，将大高宽比的纳米柱阵列以基底的形式应用于异质结太阳电池的表面，结合磁控溅射的方法在纳米柱阵列包裹氧化锌、硫化镉等N型薄膜，制备得到异质结太阳电池，对于硫化镉异质结电池，效率可以达到1.83％。3、本专利技术提供的这种以大高宽比硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池的制备方法，采用氯化铯纳米岛自组装技术制备大高宽比纳米柱阵列，这种方法可以根据需要制备平均直径为50-1500纳米，高度为0.2-3微米的硅纳米柱阵列，高宽比最大可以达到10，这种方法所制备的纳米柱阵列高宽比易于控制并且纳米柱间间隔较大，适合用于磁控溅射的方法包裹其他薄膜材料。4、本专利技术提供的这种以大高宽比硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池的制备方法，与水热法相比，引入的杂质离子少，对硅片的污染较小，更有利于太阳电池效率的提升。同时，由氯化铯自组装技术制备的纳米岛，在硅片表面的覆盖率大约为30％，使得制备得到的硅纳米柱间隔较大，更有利于用磁控溅射的方式包裹其他薄膜材料。5、本专利技术提供的这种以大高宽比硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池的制备方法，采用磁控溅射的方法在纳米柱结构表面包裹氧化锌、硫化镉等N型材料层，磁控溅射法具有成膜质量好、薄膜附着力强、薄膜成分易于控制和工艺步骤简单等优点，相比化学浴沉积的方法更加适合用于异质结太阳电池的制备。附图说明图1是在硅片表面蒸镀一层氯化铯薄膜的示意图。图2是在硅片表面团聚形成一个个类似水滴的纳米氯化铯半岛结构的示意图。图3是以团聚的氯化铯岛结构为掩膜，利用等离子体刻蚀技术刻蚀硅，将氯化铯结构转移到硅表面的示意图。图4是在硅片表面制备的纳米柱结构的示意图。图5是在硅片背面热蒸发铝背场的示意图。图6是在纳米阵列表面包裹一层N型材料层的示意图。图7是在N型材料层表面制备ITO透明导电层的示意图。图8是在ITO透明导电层表面制备钛银电极的示意图。图9为硅片表面用氯化铯纳米岛自组装技术制备的大高宽比纳米柱阵列的SEM图。图10为硫化镉薄膜包裹后的纳米柱阵列的SEM图。图11为采用本专利技术提供的方法制备的硫化镉/硅纳米柱太阳电池的J-V曲线测试结果。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池，其特征在于，该异质结太阳电池包括：P型硅片；形成于P型硅片表面的大高宽比硅纳米柱阵列；形成于P型硅片背面的铝背场；包裹于大高宽比硅纳米柱阵列表面的N型材料层；覆盖于N型材料层表面的ITO透明导电层；以及形成于ITO透明导电层表面的钛银电极。

【技术特征摘要】
1.一种以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池，其特征在于，该异质结太阳电池包括：P型硅片；形成于P型硅片表面的大高宽比硅纳米柱阵列；形成于P型硅片背面的铝背场；包裹于大高宽比硅纳米柱阵列表面的N型材料层；覆盖于N型材料层表面的ITO透明导电层；以及形成于ITO透明导电层表面的钛银电极。2.根据权利要求1所述的以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池，其特征在于，所述形成于P型硅片表面的大高宽比硅纳米柱阵列，硅纳米柱的直径是50-1500纳米，高度为0.2-3微米，高宽比范围为大于0且小于等于10。3.根据权利要求1所述的以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池，其特征在于，所述包裹于大高宽比硅纳米柱阵列表面的N型材料层为氧化锌或硫化镉。4.根据权利要求1所述的以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池，其特征在于，所述包裹于大高宽比硅纳米柱阵列表面的N型材料层与大高宽比硅纳米柱阵列之间形成异质结。5.一种以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，该方法包括：在P型硅片表面制备大高宽比硅纳米柱阵列；在制备有大高宽比硅纳米柱阵列的P型硅片背面制备铝背场；在大高宽比硅纳米柱阵列表面包裹N型材料层；在N型材料层表面覆盖ITO透明导电层；以及在ITO透明导电层表面制备钛银电极。6.根据权利要求5所述的以硅纳米柱阵列为基底的异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，所述在P型硅片表面制备大高宽比硅纳米柱阵列的步骤中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘静，伊福廷，王波，张天冲，王雨婷，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11