非晶硅薄膜中间带材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于太阳能电池的非晶硅薄膜中间带材料的制备方法及该方法制备的非晶硅薄膜中间带材料，所述包括以下步骤：选择衬底的材料并对衬底进行预处理；在预处理过的衬底表面生长高浓度掺杂的非晶硅薄膜；对生长完成的非晶硅薄膜进行退火。本发明专利技术利用磁控溅射设备，化学气相沉积设备等薄膜生长设备，在晶硅、石英、玻璃、不锈钢等很多可以生长薄膜的衬底上，通过对生长条件的控制，实现杂质在非晶硅中的高浓度均匀掺杂，从而形成良好的非晶硅薄膜中间带材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源光伏
，具体涉及一种用于太阳能电池的非晶硅薄膜中间带材料的制备方法及该方法制备的非晶硅薄膜中间带材料。
技术介绍
太阳能电池被认为是利用太阳能这一清洁能源最有效的方式之一。为了更有效且更清洁地利用太阳能，一直以来，低成本和高效率都是太阳能电池技术发展的动力和目标。 而对于硅太阳能电池而言，由于硅材料本身的资源丰富，成本低廉，使用硅来制作太阳能电池一直都是制作太阳能电池的主要途径之一。然而，不管是以晶体硅为材料的晶硅太阳能电池，还是以非晶硅、多晶硅薄膜为吸收材料的薄膜太阳能电池，都不能同时满足成本低、 效率高的要求。因此，叠层中间带电池、热载流子电池、中间带太阳能电池等可以解决高效率和成本低相冲突的第三代太阳能电池是当前发展的趋势。对于普通的双结太阳能电池而言，小于其能量带隙的光子不能被吸收。这部分光子会透过半导体材料，造成能量的损失。而中间带太阳能电池，便可以利用这一部分光子， 提高电池对于太阳光的利用率。中间带太阳能电池是利用掺杂、量子点、磁控溅射、稀释配合金等技术手段在半导体材料的禁带中引入新的能级，从而使得小于半导体带隙的光子也可以被电池吸收。采用这种方法制作的太阳能电池可以在不改变开路电压的同时，有效的提高电池的短路电流，从而提高电池的转换效率。为了形成杂质中间带太阳能电池的材料，一个很重要的方面就是要在禁带中形成中间能带。而为了形成中间能带，则需要在硅材料中掺杂进入远超过其固溶度的杂质。这个可以形成中间带的杂质最低浓度叫做Mott极限。以金属钛在硅中为例，金属钛在硅中可以形成深能级，当钛浓度达到其在硅中Mott极限，也就是5 X IO19CnT3以上时，其杂质能级相互交迭，形成中间能带。然而，由于热平衡的原因，许多传统的技术很难使得杂质浓度足够高，以使杂质能级之间可以形成杂质带。只有采用非平衡技术提高深能级杂质元素在硅材料中的掺杂浓度，才能获得中间带太阳能电池材料。此外，杂质中间带太阳能电池的研究大多局限在晶体材料，很少涉及薄膜材料。而对于非晶硅薄膜这样价格低廉，工艺简单的材料，更是没有涉及过。对于中间带太阳能电池而言，其理论上的最高效率，随着晶体硅到薄膜硅材料带隙的增加而有明显的增加。对于一个太阳的照射条件下来说，单晶硅中间带太阳能电池最高可以达到31%的电池效率，而非晶硅薄膜中间带太阳能电池则可以达到41%左右。因此，如果能制备非晶硅薄膜中间带太阳能电池材料，它将成为一种非常有前途的材料。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术专利的主要目的在于提供一种用于太阳能电池的非晶硅薄膜中间带材料的制备方法及该方法制备的非晶硅薄膜中间带材料，以提高太阳能电池的光电转换效率。( 二)技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提出一种非晶硅薄膜中间带材料的制备方法，该方法包括以下步骤选择衬底的材料并对衬底进行预处理；在预处理过的衬底表面生长高浓度掺杂的非晶硅薄膜；对生长完成的非晶硅薄膜进行退火。根据本专利技术的优选实施方式，所述衬底的材料为单晶硅、石英、玻璃、或者不锈钢。根据本专利技术的优选实施方式，所述生长高浓度掺杂的非晶硅薄膜的步骤中，掺杂材料由能在硅的禁带中形成能级的元素构成。根据本专利技术的优选实施方式，所述掺杂材料为钛、铝、铟、镁或硫。根据本专利技术的优选实施方式，所述生长高浓度掺杂的非晶硅薄膜的步骤是在不高于400°C的温度下进行的。根据本专利技术的优选实施方式，所述生长高浓度掺杂的非晶硅薄膜的步骤是在氢气的气氛中进行的。根据本专利技术的优选实施方式，对生长完成的非晶硅薄膜进行退火的步骤是在氮气或者氢气的气氛中进行的。根据本专利技术的优选实施方式，对生长完成的非晶硅薄膜进行退火的步骤是在不高于400°C的温度下进行的。本专利技术还提出一种非晶硅薄膜中间带材料，该材料由本专利技术的上述方法制备而得，其在近红外波段的吸收率为50%以上。(三)有益效果本专利技术利用磁控溅射设备，化学气相沉积设备等薄膜生长设备，在晶硅、石英、玻璃、不锈钢等很多可以生长薄膜的衬底上，通过对生长条件的控制，实现杂质在非晶硅中的高浓度均勻掺杂，从而形成良好的非晶硅薄膜中间带材料。该材料由于在硅的禁带中形成了中间能级，因此可以有效提高非晶硅电池对近红外波段太阳光的吸收，提高非晶硅太阳能电池的效率。本专利技术工艺简单，对衬底和生长环境的要求较低，采用该工艺制备的薄膜， 可以实现大面积的生长，这有利于降低单位面积的成本。附图说明图1是根据本专利技术的实施例在衬底上生长非晶硅薄膜中间带材料的示意图；图2是根据本专利技术的实施例共溅射生长的非晶硅薄膜中间带材料的SIMS图；图3为根据本专利技术的实施例生长的非晶硅共溅射薄膜和没有掺入金属钛的非晶硅薄膜材料在近红外波段的吸收谱对比图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。图1是根据本专利技术的实施例在衬底上生长非晶硅薄膜中间带材料的示意图。请参阅图1所示的结构，本专利技术的用于太阳能电池的非晶硅薄膜中间带材料的制备方法，包括以下步骤步骤1 选择衬底的材料并对衬底进行预处理；步骤2 在预处理过的衬底表面生长高浓度掺杂的非晶硅薄膜；步骤3 对生长完成的非晶硅薄膜进行退火。以下具体描述上述三个步骤。步骤1中，衬底的材料可以选择为晶体硅，也可以是玻璃、石英、不锈钢等，只要其符合薄膜生长要求，均可作为本发是的衬底的材料。在本实施例中，选用晶体硅作为衬底材料，其晶向可以是(100)或(111)。对于衬底材料，需要进行预处理，例如其表面进行清洗。在本实施中采用硅衬底， 预处理步骤包括用浓硫酸煮5分钟，然后用去离子水进行清洗，再用氢氟酸漂洗30秒。如果采用石英作为衬底，则需要对其进行去油污处理，例如用丙酮、乙醇依次煮洗，然后用去离子水洗干净。步骤2中，通过将衬底材料放入材料生长装置，在控制在一定的条件下以实现杂质在非晶硅中的高浓度均勻掺杂，从而在衬底的表面形成高浓度掺杂的非晶硅薄膜。所述的掺杂材料可以是钛、铝、铟、镁以及硫等元素，但本专利技术并不限于此，掺杂材料可以由能在硅的禁带形成能级的任何元素构成。本专利技术所述的高浓度掺杂是指掺杂浓度高于该材料在硅中形成中间带的最低浓度。在本实施例中，将清洗干净的衬底放入生长设备中，生长设备可以是磁控溅射设备，也可以是化学气相沉积法设备。在生长过程中，在生长设备内通入氢气，使薄膜材料在氢气的氛围内生长。根据本专利技术，薄膜生长的温度不能超过400°C。并且，通过调节磁控溅射的功率或者气源浓度等生长环境参数，使得掺杂材料在非晶硅薄膜材料中达到高掺杂。在本实施例中，利用硅靶和钛靶以及磁控溅射设备进行磁控溅射，并且控制生长温度在300°C，调节磁控溅射设备中硅靶材和钛靶材的溅射功率分别为100W和3W，生长时间为2小时。图2是根据本实施例共溅射生长的非晶硅薄膜中间带材料的SIMS图。如图2所示，所得到的薄膜材料为钛浓度大于IO19CnT3的钛和非晶硅共溅射的薄膜材料，且钛的浓度在薄膜中分布均勻。步骤3中，将生长完成的薄膜材料进行退火。根据本专利技术，退火温度不超过400°C。 在该实施例中，控制退火温渡在400°C，并在氮气的氛围内退火，退火时间在半小时左右。测量表明，利用本专利技术的方法制备的非晶硅薄膜中间带材料在近红外波段的光吸收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹权，周天微，左玉华，王启明，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：