硅基ＳＩＳ异质结光电器件的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种直流磁控溅射ＡＺＯ／ＳｉＯ２／ｐ－ＳｉＳＩＳ异质结光电器件的制备方法，属硅基异质结光电器件制备方法技术领域。本发明专利技术采用低温热氧化生长超薄ＳｉＯ２层、直流磁控溅射ＡＺＯ发射极、减反射、收集电极膜，成功制备了一种新型ＡＺＯ／ＳｉＯ２／ｐ－ＳｉＳＩＳ紫外—可见—近红外广谱异质结光电器件。所制新型ＡＺＯ／ＳｉＯ２／ｐ－ＳｉＳＩＳ异质结Ｉ—Ｖ曲线具有很好的整流特性，反向暗电流很小，这说明ＡＺＯ与ｐ－Ｓｉ之间形成良好的异质结二极管。在ＡＭ１．５光照条件下，开路电压ＶＯＣ高达２３０ｍＶ，光电转换效率η为０．０２５％，具有明显的光生伏特效应。ＳＩＳ异质结结合ＡＺＯ宽带隙和Ｓｉ材料相对窄带隙的不同特性相互补充，不仅可以开发成为低成本的太阳电池，而且可以成为性能优良的紫外—可见—近红外增强型广谱光电探测器。

【技术实现步骤摘要】

    本专利技术涉及一种新型直流磁控溅射AZO/SiO2/p-Si SIS异质结光电器件的制备方法，属新型硅基异质结光电器件制备方法

技术介绍
近年来，从防止地球温室效应、保护环境和替代石油能源出发，利用太阳能发电受到极大的重视。在太阳电池普及应用中，最大的障碍是它的成本太高。因此，如何降低成本是当前最重要的研究课题之一。降低太阳电池的成本，已有好多途径，如降低硅材料的成本﹑改进现有技术﹑采用新技术及采用廉价的成结方法等。    SIS（Semiconductor/Insulator/Semiconductor结构的缩写）太阳电池，是在此情况下为了降低成本而新发展起来的一种新的异质结类型电池。它是继MIS（金属－绝缘体－半导体）电池之后，随着透明导电的氧化物半导体薄膜的发展而出现的。研究表明，SnO2薄膜用于太阳能电池顶部氧化物层，可以得到高的能量转换效率，例如SnO2/SiOx/n-Si电池，其效率已达到15.4%，可与一般的单晶硅pn结太阳电池相匹敌。    采用这类透明的氧化物半导体导电薄膜作电池顶层材料，有以下几方面的优点：（1）    制造快速﹑简单﹑经济，不需高温。避免了高温扩散引起的晶格损伤和少子寿命退化，减小了基区载流子的复合。（2）    由于收集势垒靠近表面，有助于收集短波光生少子，避免了多数pn结太阳电池表面出现的“死层”，故紫光响应好，同时增加了抗辐射性能。（3）    氧化物半导体，一般具有较宽的禁带宽度（ITO≈3.6eV，AZO≈3.3eV）适合作异质结窗口，对太阳光利用率高，有利于提高光电转换效率。（4）    氧化物半导体一般为重掺简并结构，其费米能级位于导带之上0.1 eV或在其附近，其电阻率低～10-4Ω·cm，可降低对接触材料和栅极材料的苛刻要求。（5）    氧化物半导体的折射系数 (n) 比较大，如AZO（n≈2.2），应用于Si衬底材料时，能起减反射作用。（6）    由于是TCO透明导电薄膜，膜层可较厚（几千?），使分布电阻降低。同时，AZO可兼起形成势垒﹑抗反射﹑收集电极和密封超薄SiOx作用，故SIS电池稳定性好。（7）ZnO电子亲和势能为4.15 eV；理论计算表明，ZnO对p型半导体材料，可以成为很好的SIS电池。
技术实现思路
为了在不增加工艺的复杂性和成本的基础上，制造紫外—可见—近红外广谱硅基异质结光电器件（包括太阳电池、光电探测器）。根据半导体能带工程，我们原创性地设计并研制出p—型晶硅与宽带隙AZO透明导电薄膜、超薄SiO2层相结合的一种新型SIS异质结光电器件（SIS是Semiconductor/Insulator/Semiconductor结构的缩写）。    本专利技术采用低温热氧化生长超薄SiO2层、直流磁控溅射AZO发射极、减反射、收集-->电极膜制备了一种新型AZO/SiO2/p-Si SIS紫外—可见—近红外广谱异质结光电器件。    本专利技术为一种新型SIS异质结光电器件的制备方法，其特征在于具有以下的步骤：    a. 选用 p－型、晶向为（100）、电阻率为5Ω·cm、厚度200μm的抛光硅单晶片为衬底。    b. 经标准RCA化学清洗后。    c. 去除晶硅表面自然氧化层（体积比为HF:H2O=1:10）。    d. 然后在硅片背面蒸Al。    e. 将硅片在400～500℃，流量比为N2:O2=4:1条件下热氧化15～30分钟生长一层15～20?超薄SiO2层，背面Al合金化同时进行。    f. 继而直流磁控溅射高透光率、高导电率的AZO发射极、减反射、收集电极膜。g. 通过金属掩模版直流磁控溅射Cu栅指状金属电极。h. 用金刚石刀切去光电池边缘部分，防止光电池边缘短路效应。     本专利技术的新型AZO/SiO2/p-Si SIS异质结原理如下： MIS及SIS太阳电池研究表明，在构成肖特基势垒的顶部金属电极或透明导电氧化物薄膜和晶硅衬底之间引入适当厚度的绝缘膜（如二氧化硅），可以改善它的光伏特性。这一超薄绝缘层可以单向抑制多子暗电流，使VOC提高。设氧化层厚度为d，氧化层对电子和空穴的势垒高度分别为χn和χp，从p-Si半导体中穿过氧化层进入顶层氧化物半导体的净空穴流为               p-Si衬底中空穴为多子，它是无光照J-V曲线中反向饱和电流J0的主要贡献项。上式SIS少子隧穿二极管中多子 （空穴）隧穿电流与AZO/p-Si异质结肖特基势垒二极管多子工作器件J-V方程的差别只是增加了指数项。比较AZO/p-Si肖特基器件和SIS器件电流的两个分量的相对大小。可以看出，SIS器件中电流的热电子发射分量（即多子“寄生电流”反向饱和暗电流）大为降低。其原因是：1. 由于ZnO与p-Si存在一定的晶格失配（），在顶层透明导电氧化物半导体和基体半导体之间引入一薄绝缘层钝化半导体表面，减小界面态（费米能级“钉扎”效应），使势垒高度可随顶层透明导电氧化物半导体功函数变化，因此适当的选择顶层氧化物半导体，可使势垒高度提高。2. 隧道项小于1。由以上两式可知，绝缘层对载流子（多子、少子）传输的阻碍各不相同。对多子空穴隧道系数为；对少子电子隧道项仅为。明显可见，超薄绝缘层可以单向抑制多子暗电流又不明显影响少子电流，SIS二极管为很好的少子直接隧穿工作器件。顶层氧化物半导体与基体能否形成少子隧道二极管取决于半导-->体表面是否形成耗尽和反型层。一般规律要求顶层氧化物半导体的功函数应小于或等于p型半导体的电子亲和能。    超薄绝缘层在SIS太阳电池中所处的地位极为重要，不仅钝化了发射区表面，从而降低了光生载流子在表面处的复合，改善了SIS接触的电流传输机构。而且作为顶层氧化物半导体膜与Si衬底之间的介质匹配膜，有效地降低了界面态密度。超薄绝缘层的引入形成SIS少子隧道二极管，这与一般的AZO/Si肖特基势垒截然不同，使其发生了质变，一般的肖特基势垒是多子器件。引人注目的一点是超薄绝缘层对少子电流不提供附加阻力，而却对多子电流提供一个附加阻力，在小正向偏压（光照下）少子电流和普通二极管无异，而多子电流却被绝缘层阻挡降低了几个数量级。正是由于小于20?的绝缘层在使多子电流大大减小的同时少子电流几乎不变，这种电池的开路电压和转换效率明显提高。附图说明    图1为本专利技术新型AZO/SiO2/p-Si SIS异质结器件结构图。    图2新型AZO/SiO2/p-Si SIS 异质结能带结构图    图3无光照新型AZO/SiO2/p-Si SIS异质结I—V曲线。图4 新型AZO/SiO2/p-Si SIS异质结光电池无光照及在弱白光LED灯（入射光功率密度6.3mW/cm2）照射下J-V曲线。  图5 AM1.5光照下直流磁控溅射AZO/SiO2/p-Si SIS异质结光电池转换效率J-V曲线。具体实施方法    现将本专利技术的具体实施例叙述于后。实施例1    本实施例中新型SINP硅蓝紫光电池制备方法如下：(1)选用 p－型、晶向为（100）、电阻率为5.0 Ω·cm、厚度200μm的直拉硅单晶片为衬底。(2)由标准RCA清洗技术，先将硅片在7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基ＳＩＳ异质结光电器件的制备方法，其特征在于该方法具有以下的步骤：ａ．选用ｐ－型电导、晶向为（１００）、电阻率为５．０Ω.ｃｍ、厚度为２００μｍ的直拉硅单晶片为衬底；ｂ．经标准ＲＣＡ化学清洗；ｃ．将硅片在体积比为ＨＦ：Ｈ↓［２］Ｏ＝１：１０溶液中浸泡７分钟，去除正面的磷硅玻璃及硅表面自然氧化层；ｄ．用真空蒸发在硅片背面镀２微米厚的Ａｌ金属电极膜；ｅ．将硅片在４００～５００℃，流量比为Ｎ↓［２］∶Ｏ↓［２］＝４∶１条件下热氧化１５～３０分钟生长一层１５～２０？？超薄ＳｉＯ↓［２］层，背面Ａｌ合金化同时进行；ｆ．继而直流磁控溅射ＡＺＯ发射极、减反射、收集电极膜；ｇ．通过金属掩模板直流磁控溅射Ｃｕ栅指电极；ｈ．用金刚石刀切去光电池边缘部分，防止光电池边缘短路效应，即得到半导体异质结ＡＺＯ／ＳｉＯ↓［２］／ｐ－Ｓｉ结构的ＳＩＳ光电器件。

【技术特征摘要】
1.一种硅基SIS异质结光电器件的制备方法，其特征在于该方法具有以下的步骤：a. 选用p-型电导、晶向为（100）、电阻率为5.0 Ω·cm、厚度为200 μm的直拉硅单晶片为衬底；    b. 经标准RCA化学清洗；    c. 将硅片在体积比为HF:H2O= 1:10 溶液中浸泡7 分钟，去除正面的磷硅玻璃及硅表面自然氧化层；    d. 用真空蒸发在硅片背面镀2微米厚的Al 金属电极膜；...

【专利技术属性】
技术研发人员：马忠权，何波，赵磊，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]