專利名稱：一種太陽能電池用減反射材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及光電類材料的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種減反射材 料及其制備方法，該發(fā)明利用射頻磁控濺射法制備了非晶Er2O3-Al2O3(ErAlO)減反射復(fù)合 氧化物薄膜。本發(fā)明提供了一種取代傳統(tǒng)減反射材料SiO2、TiO2等的新型減反射候選材 料，并提供了其制備方法。
背景技術(shù)：
太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最基本的元件，是把太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能的器件 [1_3]。為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，近年來，太陽能新材料(如減反射材料、半導(dǎo)體材料、電極材 料等)的開發(fā)研究在世界范圍內(nèi)形成了熱潮，取得了令人矚目的進(jìn)展[1]。隨著各種新型太 陽能電池材料和各種新型電池結(jié)構(gòu)的不斷研究和發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的減反射材料逐漸顯現(xiàn)出無法 克服的缺點，如SiO2和MgF2的折射率太小，Ti02、Ta205等的禁帶寬度太窄，MgF2、TiO2、Ta2O5 還不能有效地鈍化Si表面等[4]，尋找新的高性能減反射薄膜材料，已成為研究的熱點[5_8]。文獻(xiàn)表明，電介質(zhì)材料稀土氧化物如Er2O3 Tm203、Ho2O3等也是一種很有應(yīng)用前景 的新型減反射材料[8_1(1]:非常大的禁帶寬度(5_7eV)，在太陽光的所有波長范圍內(nèi)，從紅外 到紫外所有波長的光都透明；適當(dāng)?shù)恼凵湎禂?shù)；足夠大的機(jī)械強(qiáng)度和以致連鋼針都不能把 其表面刮傷的足夠的硬度；與硅、鍺和石英等表面優(yōu)良的附著性能；非常好的化學(xué)穩(wěn)定性 和熱穩(wěn)定性。Er2O3等屬于Mn2O3或bixbyte立方結(jié)構(gòu)，且其晶格常數(shù)和Si的晶格常數(shù)的兩 倍比較接近，容易制備和Si形成陡峭的界面，減少由于光生載流子的界面復(fù)合而產(chǎn)生的漏 電流。但是，稀土金屬價格昂貴，而且，Er2O3熱穩(wěn)定性較差。而摻Al2O3可以大幅降低Er2O3 等減反射薄膜的價格，還有望提高其熱穩(wěn)定性，所以ErAlO適合作為太陽能電池等的新型 減反射涂層。目前關(guān)于稀土氧化物薄膜作為減反射材料的研究工作，報導(dǎo)還較少，有關(guān)這類材 料的研究工作尚處于初期階段，僅涉及到反射率等一些最初始的結(jié)果，仍然有許多問題值 得進(jìn)一步開展研究。而且，ErAlO減反射薄膜的研究還未見報道。參考文獻(xiàn)Report of the basic energy sciences workshops on solar energy utilization, April, 2005. http://www.sc.doe.gov/bes/reports/files/SEU_rpt. pdf.Facing Our Energy Challenges in a New Era of Science, June 5, 2007, http://www. sc. doe. gov/bes/presentations/recent. html劉恩科，光電池及其應(yīng)用，1991年，科學(xué)出版社。[4] G. Armin. Aberle, Solar Energy Materials & Solar Cells, 65 (2001) 239-248. C. Rachid, Μ. Bedra, and S. Yasmina, Phys. Stat. Sol. (a) 205, No. 7, (2008)，1724 - 1728.[6]N. Kensuke, H. Susumu, 0. Keisuke, M. Hideki, Solar Energy Materials & Solar Cells, 92 (2008) 919 - 922.K.P. Bhuvana, J. Elanchezhiyan, N. Gopalakrishnan, T. Balasubramanian, Journal of Alloys and Compounds, 2008, article online.J. M. Khoshman, A. Khan, M. E. Kordesch, Surface & Coatings Technology, 202 (2008), 2500-2502.V. A. Rozhkov and M. A. Rodionov, "Antireflection Properties of Erbium Oxide Films，，Technical Physics Letters, Volume 31, Nomber 1, 2005, Pages 77 -78。[10] V. A. Rozhkov, M. A. Rodionov, M. B. Shalimova, A. V. Pashin, A. M. Guryanov, B e c τ η η κ CaMTY — EcTecTBeHHOHayMHan c e ρ η fl. 2004. Na 4 (34) 112-123.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體工藝中取代Si02、TiO2等的減反射材料及其制 備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種太陽能電池用減反射材料為氧化鉺-氧化鋁(Er2O3-Al2O3，ErAlO)復(fù)合材料，其中 Al2O3的含量為20 30%，此減反射材料是穩(wěn)定的非晶復(fù)合氧化物材料。上述的一種太陽能電池用減反射材料的制備方法，該方法包括如下步驟
(1)、將Er2O3與Al2O3按比例混合制成陶瓷靶材；
(2)、硅片生長前先用去離子水超聲清洗10min，再用濃度為1 %的冊酸腐蝕30s以去 除Si(IOO)襯底的表面自然氧化層，將清洗好的Si(IOO)襯底送進(jìn)生長室；
(3)、用磁控濺射的方法將步驟(1)所得的陶瓷靶材置于步驟(2)所得的P型Si(100) 襯底上以制備Er2O3與Al2O3復(fù)合氧化物薄膜，襯底的電阻率為2 10 Ω cm，射頻功率為40W， 濺射氣體為Ar和02，氧分壓比P=P (O2) / ((P (O2) +P (Ar))為1%，工作氣壓為1. OPa,生長完成 后得到Er2O3與Al2O3復(fù)合氧化物薄膜厚度為90nm ；
隨著薄膜中Al2O3含量的不同，折射率是可以調(diào)節(jié)的，當(dāng)Al2O3摻入量的摩爾數(shù)比例從 20%增加到30%時，薄膜的折射率可以從1. 68調(diào)節(jié)到1. 83 ；
(4)、將步驟(3)所得的Er2O3與Al2O3復(fù)合氧化物薄膜經(jīng)900°C氧氣退火處理，即得本 發(fā)明的太陽能電池用減反射材料。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的一種太陽能電池用減反射材料經(jīng)XRD測量顯示這種材料具有良好的熱穩(wěn)定 性；橢偏儀測試表明ErAlO薄膜具有良好的適當(dāng)?shù)恼凵渎?，可?紫外光譜測試表明這一薄 膜具有優(yōu)良的減反射效果。研究結(jié)果表明，非晶ErAlO薄膜是一種很有希望取代SiO2等傳 統(tǒng)減反射薄膜的新型反射材料，這種復(fù)合材料解決了 Er2O3價格高、熱穩(wěn)定性較差的缺點， 同時保留了它優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)的優(yōu)點，這種材料作為新型減反射材料極有應(yīng)用前景。減反射薄膜的一個重要性質(zhì)是應(yīng)該有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性方面的考慮不僅 僅是器件本身有可能會工作于高溫度的環(huán)境，而且太陽能電池的制造過程本身就會使用到900°C這么高的注入雜質(zhì)激活的熱處理過程。熱穩(wěn)定性的好壞對減反射材料是否兼容于太 陽能電池的制造工藝有著關(guān)鍵性的作用，然而大多數(shù)非晶氧化物，在高溫退火后會趨向于 變成多晶氧化物，因為晶粒間的光散射會導(dǎo)致光能的損失，從而降低電池的光電轉(zhuǎn)化效率。 用本發(fā)明制作的ErAlO薄膜實驗結(jié)果表明為非晶材料，并具有良好的熱穩(wěn)定性。減反射薄膜最重要的性質(zhì)是應(yīng)該有合適的折射率和優(yōu)良的減反射性能。對于硅光 電池來講，如果光直接從空氣射入電池，那么最合適的減反射薄膜的折射率應(yīng)該在1. 8 1.9，但一般材料的折射率都比這個數(shù)值小。ErAlO薄膜的折射率，在光電池利用率最高的可 見光范圍(400 760nm)有合適的折射率，而且，隨著薄膜中Al2O3含量的不同，折射率是可 以調(diào)節(jié)的，這是這一薄膜的一大優(yōu)勢。鍍有ErAlO薄膜的硅片的反射率在可見光范圍可以 降低到5%以下，和沒有減反射膜的硅片反射率30% 40%相比，將大幅度降低硅太陽能電 池的光反射。本發(fā)明的優(yōu)點是這種減反射材料及其制備方法因為其原料較為簡單，制作工藝可 應(yīng)用于規(guī)模化生產(chǎn)，與現(xiàn)有的大規(guī)模半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝匹配，很有希望取代現(xiàn)在的SiO2形成 廣泛應(yīng)用，從而對半導(dǎo)體、太陽能產(chǎn)業(yè)起到促進(jìn)作用。


圖1、實施例1 (ErAlO)薄膜900度退火前后的XRD譜
圖2、實施例2 (Er2O3)薄膜(Al2O3含量為0%的ErAlO薄膜)900度退火后的XRD譜 圖3、用橢偏儀測得的實施例I(ErAlO)和實施例2 (Er2O3)薄膜的折射率隨入射波長 ^的關(guān)系曲線
圖4、實施例1 (ErA10/Si)和實施例2 (Er203/Si)的反射率圖譜 圖5、實施例3含20%A1203的ErAlO薄膜的折射率隨入射波長2的關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行具體的闡述，但并不限制本發(fā)明。本發(fā)明的實施例采用JGP500D型超高真空多功能磁控濺射設(shè)備制備ErAlO薄膜。用X射線衍射(XRD)表征薄膜的結(jié)構(gòu)。薄膜的光學(xué)性質(zhì)用橢圓偏振儀測定。實施例1
一種太陽能電池用減反射材料，即Al2O3的摩爾數(shù)百分比為30%的ErAlO非晶復(fù)合氧化 物薄膜。Er2O3Al2O3為7:3的混合陶瓷靶在P型Si (100)襯底上濺射形成；選用的硅片電 阻率為2 10 Ω ^m,襯底溫度為室溫，生長前需經(jīng)過表面處理。射頻功率為40 W，濺射氣 體為Ar和O2，氧分壓比P=P (O2) / ((P (O2) +P (Ar))為1 %，工作氣壓為1. 0 Pa。電阻率2 10 Ω · cm的P型(100)硅片生長前先用去離子水超聲清洗10 min，再用濃度為1 %的HF 酸腐蝕30 s以去除Si襯底的表面自然氧化層，最后將其送進(jìn)生長室。所得到的ErAlO薄 膜厚度為90 nm，在一個大氣壓下，氧氣流量為150 L/h的退火爐中進(jìn)行退火處理，退火時間 為30 min，退火溫度為900 °C。實施例2一種太陽能電池用減反射材料，即Al2O3的摩爾數(shù)百分比為0%的ErAlO非晶氧化物薄膜。Er2O3陶瓷靶在P型Si (100)襯底上濺射形成；選用的硅片電阻率為2 10 Ω · cm，襯底溫度為室溫，生長前需經(jīng)過表面處理。射頻功率為40 W，濺射氣體為Ai^PO2, 氧分壓比P=P(O2)/((P(O2)+P(Ar))為1 %，工作氣壓為1.0 Pa。電阻率2 10 Ω .cm的P 型(100)硅片生長前先用去離子水超聲清洗10 min，再用濃度為1 %的HF酸腐蝕30 s以 去除Si襯底的表面自然氧化層，最后將其送進(jìn)生長室。所得到的ErAlO薄膜厚度為90 nm, 在一個大氣壓下，氧氣流量為150 L/h的退火爐中進(jìn)行退火處理，退火時間為30 min，退火 溫度為900 °C。實施例3
改變了 ErAlO薄膜中Al2O3的含量，用Al2O3摩爾含量為20%的Al2O3-Er2O3混合陶瓷靶 作為濺射靶，其他制作條件與實施例1相同。圖1為實施例1的薄膜900°C退火前后的XRD譜，從圖1中可以看出實施例1的薄 膜沒有任何特征衍射峰出現(xiàn)，表明，當(dāng)襯底溫度為室溫時，利用射頻濺射法在Si (100)襯底 上沉積的ErAlO薄膜處于非晶狀態(tài)。薄膜在900°C退火過程中沒有發(fā)生明顯的晶化現(xiàn)象。圖2是實施例2的XRD圖譜，不管是在氮氣氛下還是在氧氣氛下，900 °C退火之 后，Er2O3薄膜XRD分析顯示出現(xiàn)了硅酸鹽衍射峰，樣品在高溫下退火都是不穩(wěn)定的，顯然， Al2O3的加入，極大的改善了 Er2O3薄膜的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。圖3 (a) (b)分別是用橢偏儀測得的實施例1 (ErAlO)和實施例2 (Er2O3)薄膜 退火前的折射率《隨入射波長2的關(guān)系曲線(退火前后折射率幾乎沒有變化)。在400 760nm范圍內(nèi)ErAlO的折射率為1. 77 1. 83，特別是在光輻射最強(qiáng)的600nm附近，其折射 率為1.8，這樣的折射率非常適合作為硅太陽能電池的減反射涂層。和未摻雜Al2O3的Er2O3 薄膜折射率(400 760nm范圍內(nèi)的折射率為1. 66 1. 71)相比，ErAlO的折射率更適合做 為硅太陽能電池的減反射薄膜，而且，根據(jù)實際需要的不同，其折射率還可以隨著薄膜化學(xué) 組分的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4是實施例1 (ErA10/Si)和實施例2 (Er203/Si)退火前的反射率圖譜(退火前 后折射率幾乎沒有變化)，為了比較，清潔Si襯底的反射率圖譜也顯示在圖4中。由圖4可 以看出，鍍有ErAlO薄膜的硅片的反射率在可見光范圍為0. 5% 5%，和沒有減反射膜的硅 片反射率30% 40%以及硅為襯底的Er2O3薄膜3% 20%相比，ErAlO薄膜大幅度降低了硅 表面的光反射，減反射效果明顯好于Er2O3薄膜，也比文獻(xiàn)報道的傳統(tǒng)的減反射薄膜Si02、 TiO2的減反射效果好。說明ErAlO薄膜可以是一種很有應(yīng)用前景的太陽能電池用減反射材 料。圖5為含20%的Al2O3的ErAlO薄膜的折射率隨入射波長2的關(guān)系曲線，折射 率在400 IOOOnm范圍為1. 73 1. 80。其反射率結(jié)果與實施例1的ErAlO薄膜(實施例 1)類似，反射率均小于5%，表現(xiàn)出良好的減反射效果。以上所述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所做的任 何等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種太陽能電池用減反射材料，其特征在于該減反射材料為氧化鉺 氧化鋁(Er2O3 Al2O3)復(fù)合材料，其中Al2O3的含量為20～30%。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池用減反射材料，其特征在于該減反射材料是穩(wěn)定的 非晶復(fù)合氧化物材料。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽能電池用減反射材料的制備方法，其特征在于該方法包括 如下步驟(1)、將Er2O3與Al2O3按比例混合制成陶瓷靶材；(2)、硅片生長前先用去離子水超聲清洗lOmin，再用濃度為1%的HF酸腐蝕30s以去除 Si(IOO)襯底的表面自然氧化層，將清洗好的Si(IOO)襯底送進(jìn)生長室；(3)、用磁控濺射的方法將步驟(1)所得的陶瓷靶材置于步驟(2)所得的P型Si(100) 襯底上以制備Er2O3與Al2O3復(fù)合氧化物薄膜，襯底的電阻率為2 10 Ω cm，射頻功率為40W， 濺射氣體為Ar和02，氧分壓比P=P (O2) / ((P (O2) +P (Ar))為1%，工作氣壓為1. OPa,生長完成 后得到Er2O3與Al2O3復(fù)合氧化物薄膜；(4)、將步驟(3)所得的Er2O3與Al2O3復(fù)合氧化物薄膜經(jīng)900°C氧氣退火處理，即得本 發(fā)明的太陽能電池用減反射材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能電池用減反射材料及其制備方法。該減反射材料為氧化鉺-氧化鋁(Er2O3-Al2O3)復(fù)合材料，其中Al2O3的含量為20～30%，此減反射材料是穩(wěn)定的非晶復(fù)合氧化物材料。采用射頻磁控濺射制備，濺射靶為Er2O3和Al2O3混合陶瓷靶，在P型Si(100)襯底上制備得到ErAlO非晶減反射氧化物薄膜。本發(fā)明的太陽能電池用減反射材料有可調(diào)節(jié)的折射率，優(yōu)良的減反射效果，和良好熱穩(wěn)定性、光學(xué)特性。
文檔編號C04B35/622GK101997039SQ201010296389
公開日2011年3月30日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者朱燕艷 申請人:上海電力學(xué)院