專利名稱：共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源光伏技術(shù)，特別是指一種共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法。
背景技術(shù)：
太陽能電池是利用太陽能最有效、最廣泛的一種方式，低成本和高效率一直都是太陽能電池技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力和目標(biāo)。以單晶硅為代表第一代太陽能電池和以非晶硅薄膜為代表的第二代太陽能電池都無法同時(shí)滿足高效率和低成本的要求。以疊層太陽能電池和中間帶太陽能電池等電池為代表的第三代太陽能電池則很好地解決了高效率和成本的沖突問題。利用深能級(jí)雜質(zhì)摻雜技術(shù)形成的硅基雜質(zhì)中間帶太陽能電池，除了能夠?qū)崿F(xiàn)一般晶硅電池對(duì)可見光波段的吸收利用，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)紅外波段的雙光子吸收利用。硅的雜質(zhì)中間帶太陽能電池在不改變開路電壓的同時(shí)提高電池的短路電流，從而提高中間太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。雜質(zhì)中間帶太陽能電池有著種種優(yōu)點(diǎn)，但是目前卻面臨著一個(gè)技術(shù)瓶頸，幾乎所有的深能級(jí)雜質(zhì)元素在硅中的固溶度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這些元素在硅中形成雜質(zhì)中間帶的Mott 轉(zhuǎn)變濃度。只有采用新的非平衡技術(shù)提高深能級(jí)雜質(zhì)元素在硅中的有效摻雜濃度，使得其摻雜濃度并且達(dá)到或者超過Mott轉(zhuǎn)變濃度，才能夠?qū)崿F(xiàn)雜質(zhì)中間帶。目前采用的非平衡技術(shù)主要是，離子注入以及激光退火。雖然這兩種非平衡組合技術(shù)能夠提高深能級(jí)雜質(zhì)元素在硅材料中的摻雜濃度，但是由于激光退火技術(shù)成本過高和其只能應(yīng)用于小尺寸樣品處理的劣勢(shì)導(dǎo)致了其大規(guī)模應(yīng)用的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，具有制作工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，包括如下步驟步驟1 取一硅片；步驟2 在硅片中注入Al ；步驟3 將過渡性金屬元素注入到含Al的硅片中；步驟4:將含有Al和過渡性金屬元素的硅片進(jìn)行退火處理，完成共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備。其中過渡性金屬元素是Ti或Cr。其中注入Al時(shí)采用離子注入的方式，注入劑量為2X1015cm_2，注入的能量為30eV， 使Al在硅片中濃度含量達(dá)到3. 4X 102°cm_3。其中注入Ti時(shí)采用離子注入的方式，注入能量為45eV，注入劑量為1.7X 1015cnT2，使Ti在硅片中濃度含量達(dá)到3. 4X 102°cm_3。其中退火處理的溫度為800-1100°C，退火時(shí)間為5-60秒。從上面的技術(shù)方案中，本發(fā)明具有以下效果本發(fā)明提供的共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，是基于元素共摻的方法提高過渡性金屬元素在硅中的摻雜濃度。這種材料中深能級(jí)雜質(zhì)元素含量超過了 Mott轉(zhuǎn)變濃度，形成雜質(zhì)中間帶。這種中間帶材料不僅能夠吸收傳統(tǒng)晶硅太陽能電池能吸收的可見光譜，而且還能夠?qū)μ柲芗t外光譜進(jìn)行雙光子吸收。采用上述材料制作的太陽能電池能夠在不改變電池開路電壓，同時(shí)增大開路電流。本發(fā)明提供的這種硅基光電材料，是制備在硅片上，并且含有硅作為其主要的成分之一，因此容易實(shí)現(xiàn)與硅基材料和器件的光電子集成。本發(fā)明提供的共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，得到的硅基光電材料， 可以采用與當(dāng)前的硅微電子加工相兼容的工藝制備各種電光器件，制備成本低。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖1是本發(fā)明的流程圖；圖2是本發(fā)明中間帶太陽能電池原理圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，包括如下步驟步驟1 取一硅片，硅片只要求達(dá)到普通實(shí)驗(yàn)用的硅片規(guī)格即可。硅片的厚度，電阻率，晶向等相關(guān)參數(shù)沒有特別的要求。硅片經(jīng)過酸清洗，清除表面的重離子和其他雜質(zhì)元
ο步驟2:采用離子注入的方式，將Al注入到硅片中注入劑量為2X1015cm_2，注入的能量為30ev，使Al在硅片中濃度含量達(dá)到3. 4 X IO2W30步驟3 將過渡性金屬元素注入到已含Al的硅片中，該過渡性金屬元素可以為 Ti或Cr，以Ti摻雜為例，采用離子注入的方式，Ti離子注入能量為4kv，注入劑量為 1. 7X 1015cm_2，最終使Ti在硅片中濃度含量達(dá)到3. 4 X IO2W ；而Ti的濃度含量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ti的Mott相變濃度。步驟4 將含有Al和過渡性金屬元素的硅片進(jìn)行退火處理，所述的退火的溫度為 800-1100°C，退火時(shí)間為5-60秒。經(jīng)過退火處理之后的硅片的晶格將得到恢復(fù)，Ti雜質(zhì)元素出現(xiàn)電離，出現(xiàn)自由移動(dòng)的電子。Al在硅中的固溶度可以超過1019cm_3，而Al和Ti在高溫下很容易形成AlSi合金。由于Al的這種“綁定”作用，使得深能級(jí)雜質(zhì)元素Ti在硅中的濃度超過了 Mott轉(zhuǎn)變濃度。由Ti雜質(zhì)元素引起的雜質(zhì)局域函數(shù)將得到擴(kuò)展，雜質(zhì)能級(jí)出現(xiàn)簡(jiǎn)并形成能帶，最終在硅的表面上形成了中間帶材料。根據(jù)中間帶材料制作的中間帶太陽能電池的原理圖如圖2所示，VB、CB分別是硅材料的價(jià)帶和導(dǎo)帶，而IB則是通過共摻雜形成的中間帶。hv、hvi、hv2則表示不同能量的光子，通過吸收利用能量為hv2光子，可以將電子從價(jià)帶躍遷到中間帶，而當(dāng)再次吸收能量為子，則可以將電子從中間帶躍遷到導(dǎo)帶。當(dāng)吸收能量為hv的光子時(shí)，可以直接將電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。通過中間帶材料制作的太陽能電池，能夠利用小于禁帶寬度的光子，從而提高了太陽能電池的電流和效率。實(shí)施例結(jié)合參閱圖1，本發(fā)明提供一種共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，包括如下步驟步驟1 采用晶向(lOO)n型硅片，硅片用濃硫酸煮5分鐘，再用氫氟酸漂洗30s。步驟2 JfAl注入到硅片中注入劑量為2X1015cm_2，注入的能量為30eV。步驟3 將Ti離子注入到含Al的硅片中，注入能量為4kv，注入劑量為 1. 7X 1015cnT2。步驟4 將含有Al和Ti離子的硅片進(jìn)行退火處理，溫度為850°C，退火時(shí)間為15s。最后在硅的表明層形成了共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，包括如下步驟步驟1 取一硅片；步驟2 在硅片中注入Al ；步驟3 將過渡性金屬元素注入到含Al的硅片中；步驟4 將含有Al和過渡性金屬元素的硅片進(jìn)行退火處理，完成共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，其中過渡性金屬元素是Ti或Cr。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，其中注入Al時(shí)采用離子注入的方式，注入劑量為2 X 1015cm_2，注入的能量為30eV，使Al在硅片中濃度含量達(dá)到 3. 4 X IO2W3ο
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，其中注入Ti時(shí)采用離子注入的方式，注入能量為45eV，注入劑量為1. 7 X 1015cm_2，使Ti在硅片中濃度含量達(dá)到 3. 4 X IO2W3ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，其中退火處理的溫度為800-1100°C，退火時(shí)間為5-60秒。
全文摘要
一種共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備方法，包括如下步驟步驟1取一硅片；步驟2在硅片中注入Al；步驟3將過渡性金屬元素注入到含Al的硅片中；步驟4將含有Al和過渡性金屬元素的硅片進(jìn)行退火處理，完成共摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料的制備。
文檔編號(hào)C30B31/22GK102191563SQ20111010292
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者左玉華, 成步文, 王啟明, 薛春來, 鄭世雄, 馬志華 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所, 南安市三晶陽光電力有限公司