專利名稱：具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術領域，特別是涉及一種具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法。
背景技術：
隨著傳統能源的日漸枯竭以及生態(tài)環(huán)境的逐漸惡化，綠色可再生能源將是解決能源與環(huán)境危機的關鍵。太陽能作為地球上儲備最豐富的清潔能源之一，成為人類利用的首選，因此如何獲得低成本、高效率的太陽能電池得到世界研發(fā)人員的關注。太陽能電池是通過半導體p_n結的光生伏特效應直接把光能轉化成電能的裝置。目前產業(yè)化的太陽能電池晶體硅和各種薄膜電池為主。晶體硅太陽能電池主要有單晶硅太 陽電池、多晶硅太陽電池以及晶體硅/非晶硅薄膜異質結太陽電池；薄膜電池主要包括硅薄膜太陽電池、碲化鉻薄膜(CdTe)太陽電池和銅銦鎵錫(CIGS)薄膜太陽電池。在上述各類太陽能電池中，作為第一類型太陽能電池的晶體硅太陽電池，具有效率高、使用壽命長等優(yōu)點，但由于提煉原材料晶體硅屬于高耗能，且成本較高，所以晶體硅太陽電池難以滿足低成本、低耗能的要求。于是，作為第二類太陽能電池的薄膜太陽電池得到了快速的發(fā)展，其中非晶硅薄膜太陽電池具有生產效率高、成本低等優(yōu)點，但是非晶硅由于其內部結構不穩(wěn)定，在光照的條件下會出現光致衰退效應(Staebler-Wronski效應)，所以非晶娃太陽電池存在工作不穩(wěn)定的缺點；另外，碲化鉻薄膜太陽能電池由于其生產效率高，成本低且在光照條件下無衰退也得到較快的發(fā)展，但因鉻是種有毒的物質，有污染環(huán)境的危害，使得碲化鉻薄膜太陽電池的發(fā)展受到限制；銅銦鎵錫薄膜太陽電池也具有高效率、無毒等優(yōu)點，但銅屬于貴金屬，銦鎵屬于稀有金屬，所以銅銦鎵錫薄膜太陽電池的原料受到限制。為了追求高轉化效率、低成本的太陽能電池，一些新概念太陽能電池即第三代太陽能電池出現了。如染料敏化太陽能電池、硅納米線結構太陽能電池。其中硅納米線結構由于其減反射以及強吸收的光學性質和高載流子遷移率的電學性質，使得硅納米線結構已成為光伏材料的有力候選者。根據硅納米線結構獲得的不同方式，可以把硅納米線結構太陽能電池分為兩類一類是通過腐蝕晶體硅得到硅納米線，從形成硅納米線結構太陽能電池；另一類是通過(氣-液-固)VLS生長機制獲得的硅納米線，從而形成硅納米線結構太陽能電池。通過腐蝕晶體硅獲得的硅納米線結構太陽能電池，雖然具有高的轉化效率，但由于離不開高成本的晶體硅材料，成本也難以得到大幅降低。最近，我們利用具有低耗能、低成本、大面積沉積等優(yōu)勢的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術，在柔性不銹鋼襯底上，通過VLS機制，制備出具有很好限光效果的硅納米線結構。在此基礎上，我們設計了一種基于我們制備的硅納米線的硅納米線結構太陽能電池。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，該方法具有陷光能力強，高的光電轉化效率。本發(fā)明提供一種具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，包括以下步驟步驟I :在不銹鋼襯底上，濺射摻錫氧化銦薄膜；步驟2 :采用等離子體輔助化學氣相沉積方法，在腔室中通入氫氣，對摻錫氧化銦薄膜進行H等離子體處理，得到銦金屬納米顆粒；步驟3 :再向腔室中通入第一反應氣體或第二反應氣體，使不銹鋼襯底與銦金屬納米顆粒之間形成娃納米線，該娃納米線為n型或者p型；步驟4 :降低腔室中溫度，向腔室中通入氫氣和硅烷氣體，在硅納米線上沉積本征
層；步驟5 :向腔室中通入第二反應氣體或第一反應氣體，在本征層上沉積摻雜層，該摻雜層為P型摻雜或n型摻雜，形成樣品；步驟6 :將沉積摻雜層后的樣品從腔室中取出，采用磁控濺射的方法在摻雜層上生長摻錫氧化銦透明薄膜電極，完成制備。


為進一步說明本發(fā)明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖I是本發(fā)明制備方法的流程圖。圖2是采用本方法得到的太陽能電池的結構示意圖。圖3是用本發(fā)明方法例制備的太陽能電池與同等條件下制備的無硅納米線結構的硅薄膜電池的反射譜的比較示意圖。圖4是用本發(fā)明方法制備的太陽能電池的光、暗IV曲線圖。
具體實施例方式實施例I請參閱圖I所示，本發(fā)明提供一種具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，包括以下步驟，步驟I :在不銹鋼襯底上，濺射摻錫氧化銦薄膜，所述濺射用靶材中的錫鋼質量比為Sn In = (0-1) 9，摻錫氧化鋼薄膜的濺射厚度為5-10納米；步驟2 :采用等離子體輔助化學氣相沉積方法，在腔室中通入氫氣，對摻錫氧化銦薄膜進行H等離子體處理，得到銦金屬納米顆粒，所述腔室中的功率密度為0. lff/cm2-l. Off/cm2,反應時間5分鐘-10分鐘，反應氣壓力為100Pa-200Pa，腔室溫度為300°C _450°C，得到的銦金屬納米顆粒的直徑為10-300納米；步驟3 :再向腔室中通入第一反應氣體，使不銹鋼襯底與銦金屬納米顆粒之間形成娃納米線,所述腔室中的第一反應氣體,該第一反應氣體為氫氣、娃燒氣體和磷燒氣體，其體積比為氫氣硅烷氣體磷烷氣體=60 (5-10) (0. 05-0. I)，得到的n型硅納米線，n型娃納米線的長度為1-5微米；步驟4:降低腔室中溫度至100°C -140°C,向腔室中通入氫氣和硅烷氣體，在步驟3得到的n型硅納米線上沉積本征層，其中氫氣和硅烷氣體的體積比為H2 SiH4 =(4-10) 1，腔室中的功率密度為0. lff/cm2-0. 5ff/cm2,反應時間50分鐘-90分鐘，反應氣壓力為 IOOPa-2OOPa ；步驟5 向腔室中通入第二反應氣體，在本征層上沉積摻雜層，該摻雜層為P型摻雜，形成樣品，所述腔室中的第二反應氣體為氫氣、娃燒氣體和硼燒氣體，其體積比為氫氣硅烷氣體硼烷氣體=100 : (1-3) (0.02-0. I)，腔室中的功率密度為0.5W/cm2-l. OW/cm2，反應時間3分鐘-5分鐘，反應氣壓力為300Pa_650Pa，得到p型層后，形成樣品;步驟6 :將沉積摻雜層后的樣品從腔室中取出，采用磁控濺射的方法在摻雜層上生長摻錫氧化銦透明薄膜電極，所述的透明薄膜電極的厚度為300納米-500納米，完成制備。實施例2與實施例I基本相同，不同之處在于，步驟3是采用第二反應氣體，該步驟3腔室中的第二反應氣體為氫氣、娃燒氣體和硼燒氣體的體積比為氫氣娃燒氣體純硼燒氣體=100 (1-3) (0.02-0. I)，得到的P型硅納米線步驟5是采用第一反應氣體，該步驟5腔室中的第一反應氣體為氫氣、硅烷氣體和磷烷氣體，其體積比為氫氣硅烷氣體磷烷氣體=60 (5-10) (0. 05-0. I)，為n型摻雜，得到的n型層。請參閱圖2，其是采用本方法得到的太陽能電池的結構示意圖，其中，I是不銹鋼襯底，2是n(p)型硅納米線，3是本征層硅薄膜，4是p (n)型層硅薄膜，5是銦金屬納米顆粒，6是透明導電膜。圖3給出的光學反射譜曲線說明具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池擁有更好的減反射效果。圖4給出的光暗I-V曲線說明具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池擁有可觀的應用前景。按照上述實施例I的生長工藝，具體的生長結果如下圖3所示為制備的具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池和同等條件下制備的無娃納米線結構的娃薄膜太陽能電池反射譜的比較，可以看出在300nm-7OOnm波段,娃納米線結構太陽能電池的反射率降到10%以下,并且在整個太陽能波段(300nm-1100nm),相當于硅薄膜電池，都有較低的反射率。另外，我們利用自己搭建的太陽模擬器對所得具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池進行了光暗I-V測試，如圖4所示，得到電池的性能參數開路電壓是0. 62伏，填充因子為0. 43，能量轉化效率3. 57%。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.ー種具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，包括以下步驟 步驟I :在不銹鋼襯底上，濺射摻錫氧化銦薄膜； 步驟2 :采用等離子體輔助化學氣相沉積方法，在腔室中通入氫氣，對摻錫氧化銦薄膜進行H等離子體處理，得到銦金屬納米顆粒； 步驟3 :再向腔室中通入第一反應氣體或第二反應氣體，使不銹鋼襯底與銦金屬納米顆粒之間形成娃納米線，該娃納米線為η型或者P型； 步驟4 :降低腔室中溫度，向腔室中通入氫氣和硅烷氣體，在硅納米線上沉積本征層； 步驟5 向腔室中通入第二反應氣體或第一反應氣體，在本征層上沉積摻雜層，該摻雜層為P型摻雜或η型摻雜，形成樣品； 步驟6:將沉積摻雜層后的樣品從腔室中取出，采用磁控濺射的方法在摻雜層上生長摻錫氧化銦透明薄膜電極，完成制備。
2.根據權利要求I所述的具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，其中步驟I濺射用靶材中的錫銦質量比為Sn In = (0-1) 9，摻錫氧化銦薄膜的濺射厚度為5-10納米。
3.根據權利要求I所述的具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，其中步驟2腔室中的功率密度為O. lff/cm2-l. Off/cm2,反應時間5分鐘-10分鐘，反應氣壓カ為100Pa-200Pa，腔室溫度為300°C _450°C，得到的銦金屬納米顆粒的直徑為10-300納米。
4.根據權利要求I所述的具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，其中其中步驟3腔室中的第一反應氣體，該第一反應氣體為氫氣、硅烷氣體和磷烷氣體的混合氣體，其體積比為氫氣硅烷氣體磷烷氣體=60 (5-10) (O. 05-0. I)，得到的η型硅納米線，該步驟3腔室中的第二反應氣體為氫氣、硅烷氣體和硼烷氣體的混合氣體，其體積比為氫氣硅烷氣體硼烷氣體=100 (1-3) (O. 02-0. I)，得到的P型硅納米線。
5.根據權利要求I所述的具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，其中步驟4中的降低腔室中的溫度至100°C _140°C，腔室中反應氣體為氫氣和硅烷氣體的體積比為=H2 SiH4 = (4-10) I。
6.根據權利要求I所述的具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，其中步驟5腔室中的第二反應氣體為氫氣、硅烷氣體和硼烷氣體的混合氣體，其體積比為氫氣硅烷氣體硼烷氣體=100 (1-3) (O. 02-0. I)，為P型摻雜，得到P型層；該步驟5腔室中的第一反應氣體為氫氣、娃燒氣體和磷燒氣體的混合氣體，其體積比為氫氣娃燒氣體磷烷氣體=60 (5-10) (O. 05-0. I)，為η型摻雜，得到的η型層。
7.根據權利要求I所述的具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，其中步驟6所述的透明薄膜電極的厚度為300納米-500納米。
全文摘要
一種具有硅納米線結構的硅薄膜太陽能電池的制備方法，包括在不銹鋼襯底上，濺射摻錫氧化銦薄膜；在腔室中通入氫氣，對摻錫氧化銦薄膜進行H等離子體處理；再向腔室中通入第一反應氣體或第二反應氣體，使不銹鋼襯底與銦金屬納米顆粒之間形成n型或p型硅納米線；降低腔室中溫度，向腔室中通入氫氣和硅烷氣體，在硅納米線上沉積本征層；向腔室中通入第二反應氣體或第一反應氣體，在本征層上沉積摻雜層，該摻雜層為p型摻雜或n型摻雜，形成樣品；將沉積摻雜層后的樣品從腔室中取出，采用磁控濺射的方法在摻雜層上生長摻錫氧化銦透明薄膜電極，完成制備。該方法具有陷光能力強和高的光電轉化效率。
文檔編號H01L31/18GK102983215SQ201210468808
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權日2012年11月19日
發(fā)明者謝小兵, 曾湘波, 楊萍, 李潔, 李敬彥, 張曉東, 王啟明 申請人:中國科學院半導體研究所