硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池制造领域领域。所述方法包括在Ｐ型太阳能级硅衬底上制备金属纳米晶掩蔽层；以金属纳米晶掩蔽层作为掩蔽，采用干法刻蚀硅衬底，制备垂直的硅纳米柱阵列；去除金属纳米晶掩蔽层；依次沉积本征非晶硅层和Ｎ型非晶硅层并形成异质结；最后沉积透明导电薄膜层以及制备上接触电极和下接触电极。采用本法可一次性大面积的制备上述太阳能能电池阵列，大大降低了成本。此外，本方法制备工艺简单，成本低，具有很好的制备效率和工艺稳定性。且工艺步骤完全与现有的晶体硅、薄膜硅太阳能电池的制备工艺兼容。易于大规模推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳能电池制造领域，特别是涉及一种硅基纳米柱阵列异质结薄膜太 阳能电池及其制备方法。
技术介绍
自1954年，第一块单晶硅同质PN结太阳能电池的诞生至今，硅基太阳能电池经 历了两个阶段以晶体硅和多晶硅为代表的第一代太阳能电池和以非晶硅薄膜为代表 的第二代太阳能电池。然而，传统的基于同质PN结技术的硅基太阳能电池突显出成本 高、效率低以及对环境污染严重等问题。现有的晶体硅太阳能电池片普遍采用线切割技术得到衬底厚度为25um至300 um 的硅片。包括切割过程中的损耗，生产一片硅片，平均消耗厚度为350um的硅材。然 而，实际上只需要厚度为几个微米的有源区，其余几百微米的硅材料大大占用了成本。 另外，在晶体硅太阳能电池中为了增加光吸收，设计中会增加有源区的厚度，但同时 又增加了载流子的复合，减少了光生载流子的数量。二者存在矛盾。于是，各种新概念及其技术如纳米技术、异质结技术等的引入成为解决上述问题 的途径，成为硅基太阳能电池最重要的发展方向之一。也是实现第三代太阳能电池构 想的支撑技术。产生了第三代太阳能电池的雏形。它的制备方法和特性研究已成国际 研究热点。异质结技术、纳米技术的结合成为这类新型电池的结构特点。硅基纳米棒阵列的 弓I入能够有效将光吸收方向和载流子输运方向分离，从而减少光生载流子的传输距离， 提高收集效率。其次，其本身可增加光吸收，减小光反射率，进一步提高转换效率。 另外，纳米柱阵列使异质结生长成为可能，进而可制备出多结新型电池结构。在硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备方面英国石油公司(BP)联合美 国加州理工大学通过金属颗粒如Au或Al等催化气相生长制备硅纳米柱阵列，此法 工艺条件虽稳定，可重复，但催化金属无法去除，造成金属离子的引入，使特性恶化。另外，生长的硅纳米柱并非垂直分布，严重影响了后续器件的制备。美国波特兰大学 和佛罗里达州立大学采用化学旋涂混有硅纳米晶的生物减反膜，然后通过硅颗粒掩蔽 干法刻蚀晶体硅形成规则的纳米柱。此法易于大规模生产，且易得到规则分布的纳米 柱阵列。然而，却并未将此技术应用到太阳能电池领域。并且，硅纳米晶掩蔽效果差， 自身会被刻蚀从而起不到掩蔽效果，造成不希望的晶体硅纳米柱的腐蚀，影响最终电 池特性。本专利技术人在进行纳米晶应用的研究中发现，由于Ni等金属在自然界分布较广，且 成本低，易去除等特点，通过Ni金属纳米晶作为掩蔽层，干法刻蚀晶体硅可直接形成 规则、大面积的硅纳米柱阵列，且成本低，效率高。配合非晶硅薄膜工艺可制备出硅 基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的新结构。改进现有太阳能电池的构架，以期得 到低成本、高效率、可实用的新型太阳能电池。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种新型硅基纳米柱阵列薄膜太阳能电池及其相应的 制备方法。在完全与已有的太阳能电池制备工艺兼容的前提下，提出创新结构，以期 提高薄膜太阳能电池的转化效率。利用该技术易于大面积制备的自身特点，以期降低 成本。从而走向实用化，创造价值。所述技术方案如下本专利技术的一种硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池，包括下接触电极和上接触 电极，在所述下接触电极与上接触电极之间依次为硅纳米柱阵列、本征非晶硅层、N 型非晶硅层以及透明导电薄膜层。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池，所述硅纳米柱阵列采用P型太 阳能级硅制成。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池，所述本征非晶硅层和N型非晶 硅层在所述硅纳米柱阵列上部形成异质结。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池，所述本征非晶硅层为不掺杂的 非晶硅，可由硅垸等气体经反应生成，其厚度在3 nin至5 nm之间；所述N型非晶硅 层由磷烷和硅烷的混合气体经反应生成，其厚度在IO nm至20 nm之间。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池，所述透明导电薄膜层采用透明 的掺杂氧化物制备而成，其厚度在IO nm至lOO nm之间。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池，所述上接触电极的材料为Ag;所述下接触电极的材料为Al。本专利技术的一种硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备方法，所述方法具体步骤如下步骤A:在P型太阳能级硅衬底上制备金属纳米晶掩蔽层；步骤B:以金属纳米晶掩蔽层作为掩蔽，采用干法刻蚀硅衬底，制备垂直的硅纳 米柱阵列；步骤C:去除金属纳米晶掩蔽层；步骤D:依次沉积本征非晶硅层和N型非晶硅层并形成异质结；步骤E:沉积透明导电薄膜层；步骤F:制备上接触电极和下接触电极。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备方法，所述步骤A中，金 属纳米晶掩蔽层可选用Ni、 Cd、 Ti、以及Pt进行制备。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备方法，所述步骤A中，采 用快速热退火法制备金属纳米晶掩蔽层本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备方法，在所述步骤B中， 将未被金属纳米晶掩蔽层掩蔽的硅刻掉，而保留金属纳米晶掩蔽层掩蔽下的硅。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备方法，在所述步骤C中， 通过HF酸去除金属纳米晶掩蔽层。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备方法，在所述步骤D中， 通过高频等离子体化学气相沉积(PECVD)的方法将本征非晶硅层和N型非晶硅层形成 异质结。本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备方法，在所述步骤E中， 透明导电薄膜电极层是通过磁控溅射沉积形成。 本专利技术提供的技术方案的有益效果是本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池与现有的太阳能电池相比具有明 显的优点和有益效果1、本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池与传统的晶体硅太阳能电池相 比能够兼顾提高光吸收和提高收集效率。本专利技术能够有效地将光吸收方向和载流子输 运方向分离。增加了光吸收层厚度，提高了光吸收。同时，縮短了载流子的输运距离，提高了收集效率。2、 现有的对非晶硅的大量研究工作集中在如何制备叠层薄膜太阳能电池结构方面，然而，此类电池仍无法解决非晶硅薄膜电池转化效率低的根本问题。本专利技术采用 纳米结构与非晶硅薄膜的结合，提高了传统电池的转化效率，为新一代太阳能电池的制造和研究打下基础。3、 本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池采用异质结构增加了对太阳光 的吸收。晶体硅只能吸收30%左右的太阳光，而剩余的光只能白白转化为热。而异质 结的引入使无法被晶体硅材料吸收的光被非晶硅薄膜材料吸收，增加了光吸收，提高 了转化效率。4、 本专利技术与传统的晶体硅太阳能电池相比，本专利技术具有成本低的优势。这首先体 现在，纳米柱阵列能够有效的大大降低硅材的消耗，单片硅材料用量是普通晶体硅电 池的1/10。大大降低了成本。同时，本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池 采用了金属Ni制备纳米晶，成本低。由于金属Ni在自然界分布广泛，且价格低廉， 无毒无害，故不会增加电池的制备成本。在工艺制备方面，本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备方法较 其他工艺有如下实用优点1、 本专利技术的硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池的制备采用了干法刻蚀的工艺 制备晶硅纳米柱，步骤简单，易于大面积制备规则的纳米柱阵列。干法刻蚀设备在传 统的晶体硅太阳能电池的生产中被广泛用来去除太阳能电池的边缘部分(刻边)，故干 法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池，包括下接触电极和上接触电极，其特征在于，在所述下接触电极与上接触电极之间依次为硅纳米柱阵列、本征非晶硅层、Ｎ型非晶硅层以及透明导电薄膜层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晨，贾锐，朱晨昕，李维龙，李昊峰，张培文，赵盛杰，刘明，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]