在硅太阳电池表面附着硅纳米颗粒薄膜的方法及装置

摘要

本发明公开了一种在硅太阳电池表面附着硅纳米颗粒薄膜的方法，使硅纳米颗粒形成硅纳米颗粒束，硅纳米颗粒束扫描并附着在硅太阳电池表面形成均匀的硅纳米颗粒薄膜。本发明还公开了制备上述薄膜的装置，包括原料腔和成膜腔，原料腔带有与成膜腔相通的喷射孔，成膜腔连接真空系统，成膜腔内设有用于承载硅太阳电池的可三维移动的样品台，硅纳米颗粒从原料腔的喷射孔以硅纳米颗粒束形式进入成膜腔后，样品台带动硅太阳电池移动，在硅太阳电池表面形成硅纳米颗粒薄膜。本发明方法可以有效地控制硅纳米颗粒在硅太阳电池表面的成膜速度和所得硅纳米颗粒薄膜的厚度及均匀性，本发明可以提高硅太阳电池的效率，有利于硅太阳电池成本的降低。

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料领域，尤其涉及一种为提高硅太阳电池效率而在其表面附着硅纳米颗粒薄膜的方法及装置。

背景技术

随着全球经济的发展，能源的消耗急剧增长。在当前，绝大多数能源是通过燃烧化石燃料获得的。化石燃料的巨量使用所导致的大量二氧化碳等气体排放正在造成日益严重的社会环境问题。因此，各种可再生能源的开发利用受到了国际社会越来越大的重视。在各种可再生能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污染、便利等特点成为了重点发展的对象。太阳能的利用主要包括光热和光伏两大类，其中光伏发电以其高效、系统简洁、长寿命、维护简单而备受青睐，成为了太阳能利用的主流技术。在各国政府的政策支撑下，全球太阳能光伏产业在过去的十年里保持了高速增长。太阳能光伏产业已经被认为是继微电子产业之后驱动全球经济发展最主要的产业之一。

太阳能光伏产业中的核心是太阳电池。目前，90％以上的太阳电池是利用硅材料来制造的。硅太阳电池的高成本是阻碍太阳能光伏发电全面推广的根本原因。为了降低硅太阳电池的成本，人们一般采取两条途径。一是减少硅太阳电池的制作成本，主要是尽量减少硅材料的用量；二是利用新的制作工艺提高硅太阳电池的效率。不久前，Stupca等(Enhancement ofpolycrystalline silicon solar cells using ultrathin films of silicon nanoparticle，Applied Physics Letters 91，063107(2007))报道了通过在硅太阳电池表面覆盖硅纳米颗粒薄膜以提高硅太阳电池效率的工艺。在他们的工艺中，硅纳米颗粒是通过电化学腐蚀硅片而获得的，硅纳米颗粒随后被分散在有机溶剂中，然后他们把所得溶液滴在硅太阳电池表面，在有机溶剂挥发后得到硅纳米颗粒薄膜。尽管他们观察到硅太阳电池在表面被覆盖了硅纳米颗粒薄膜后效率提高了，但是他们的工艺难以显著降低硅太阳电池的成本。其主要原因在于：(1)通过电化学腐蚀硅片来获得硅纳米颗粒的产率低，成本高；(2)通过点滴硅纳米颗粒溶液来形成硅纳米颗粒薄膜的方式不适宜工业化生产。显然，为了充分发挥硅纳米颗粒薄膜对硅太阳电池效率的改善作用，有必要开发出基于硅纳米颗粒的新工艺方案。

发明内容

本发明提供一种成本低和工艺简单的在硅太阳电池表面附着硅纳米颗粒薄膜的方法。

一种在硅太阳电池表面附着硅纳米颗粒薄膜的方法，使硅纳米颗粒形成硅纳米颗粒束，硅纳米颗粒束扫描并附着在硅太阳电池表面形成均匀的硅纳米颗粒薄膜。

使硅纳米颗粒形成硅纳米颗粒束的主要思路是驱动硅纳米颗粒通过一喷射孔或缝隙以形成硅纳米颗粒束，至于驱动硅纳米颗粒的方式可以利用气压差产生的气流。

本发明利用真空产生的气压差使硅纳米颗粒通过一喷射孔喷射形成硅纳米颗粒束，真空产生的气压差驱动硅纳米颗粒成本低、便于控制，不会引入其他杂质。

为保证硅纳米颗粒束通过并且便于控制流量，喷射孔孔径优选为0.5～6mm。喷射孔为圆形时孔径即其直径，喷射孔为其他形状时，其最短边也应该在0.5～6mm范围内。

所述的硅太阳电池(附着硅纳米颗粒薄膜之前)可以是利用现有通用技术制得的各种硅太阳电池，一般其表面为栅状金属电极和减反射膜。

为了在硅太阳电池表面形成均匀的硅纳米颗粒薄膜，硅纳米颗粒束扫描(喷射并与硅太阳电池表面接触、附着的过程)硅太阳电池表面时，通过移动硅太阳电池使硅太阳电池表面的每一处都接收到硅纳米颗粒束扫描，才能形成厚度均匀的硅纳米颗粒薄膜。

所述的硅纳米颗粒薄膜的厚度为2-100纳米，厚度可以通过硅纳米颗粒流量与扫描时间计算而得，也可以通过检测设备在线控制。

为了使硅纳米颗粒能够附着在硅太阳电池表面，并具有优异的性能，所述的硅纳米颗粒的平均尺寸为1-10纳米，硅纳米颗粒尺寸分布的标准偏差小于平均尺寸的20％。

采用真空产生的气压差驱动硅纳米颗粒，使喷射孔两侧的真空度不同，喷射孔出口一侧的压强一般小于50Pa，而进口一侧的压强至少为出口一侧的10倍。为了保证硅纳米颗粒束沿既定方向接触硅太阳电池表面，所述的硅太阳电池表面与喷射孔的距离不能太大，一般1-5cm。硅纳米颗粒到达硅太阳电池表面时具有极超音速度，它们通过惯性碰撞而附着在硅太阳电池表面。

本发明所采用的硅纳米颗粒可以通过各种现有技术方法制备，例如硅烷热分解和硅烷等离子体分解，也可以利用市售的硅纳米颗粒。硅纳米颗粒的平均尺寸为1-10纳米，硅纳米颗粒尺寸分布的标准偏差小于平均尺寸的20％。硅纳米颗粒束的截面是圆形、方形或长方形。

为了实现本发明方法，本发明还提供了一种在硅太阳电池表面附着硅纳米颗粒薄膜的装置，包括用于盛放或制备硅纳米颗粒的原料腔及用于放置硅太阳电池的成膜腔，所述的原料腔带有与成膜腔相通的喷射孔，成膜腔底部设有用于连接真空系统的真空管路，成膜腔内设有用于承载硅太阳电池的可三维移动的样品台，硅纳米颗粒从原料腔的喷射孔以硅纳米颗粒束形式进入成膜腔后，样品台带动硅太阳电池移动，使硅纳米颗粒束扫描并附着在硅太阳电池表面形成均匀的硅纳米颗粒薄膜。

如果是利用现成的硅纳米颗粒，那么原料腔可以是一个简单的容器，用于盛放硅纳米颗粒。

如果是在制备硅纳米颗粒的同时在硅太阳电池表面形成硅纳米颗粒薄膜，那么原料腔可以是一个制备硅纳米颗粒的装置，制备硅纳米颗粒可以采用现有技术方法和装置。

例如所述的原料腔为带有进气管路的管状腔体，其外围设有高频电磁场发射装置，使进入原料腔内的原料气体受激发生成硅纳米颗粒。

原料腔的喷射孔的形状是圆形、方形或长方形，硅纳米颗粒经过小孔后所形成的硅纳米颗粒束的截面也呈现相对应的形状。

所述的成膜腔可以用金属(如不锈钢)或其他材料制成。

在成膜腔里，表面为栅状金属电极和减反射膜的硅太阳电池置于具有三维自由度的样品台上。调节样品台的高度，使硅太阳电池接近喷射孔，然后在水平面的两个方向上移动样品台，实现硅纳米颗粒束对整个硅太阳电池表面的扫描。最终覆盖在硅太阳电池表面的硅纳米颗粒薄膜的厚度为2-100纳米。

样品台可采用现有技术中各类电动或气动装置实现三维移动并自动控制。

本发明方法在完成传统的硅太阳电池制作工艺后，再增加一个在硅太阳电池表面覆盖硅纳米颗粒薄膜的步骤以提高硅太阳电池的效率。

本发明方法可以有效地控制硅纳米颗粒在硅太阳电池表面的成膜速度和所得硅纳米颗粒薄膜的厚度及均匀性。这非常有利于保证在生产过程中产品的一致性。本发明可以把硅太阳电池的效率至少提高1％，有利于硅太阳电池成本的降低。

附图说明

图1为本发明用于在硅太阳电池表面附着硅纳米颗粒薄膜的装置的结构示意图，图中原料腔为制备硅纳米颗粒的装置。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明用于在硅太阳电池表面附着硅纳米颗粒薄膜的装置包括用于制备硅纳米颗粒的原料腔及用于放置硅太阳电池的成膜腔6，原料腔为带有进气管路1的管状等离子体腔2(石英管)，进气管路1与等离子体腔2通过不锈钢连接件3相互连接。

等离子体腔2外围设有高频电磁场发射装置(图中未表示)，使进入等离子体腔2内的原料气体受激发生成硅纳米颗粒4。

等离子体腔2带有与成膜腔6相通的喷射孔，成膜腔6底部设有用于连接真空系统的真空管路9，成膜腔6内设有用于承载硅太阳电池7的可三维移动的样品台8，等离子体腔2与成膜腔6也通过不锈钢连接件3相互连接。

将硅烷、氩气和氢气混合后经进气管道1进入等离子体腔2。混合气体在13.56MHz射频电源的激发下形成等离子体，硅纳米颗粒4在等离子体中产生，其平均尺寸是3.1nm，尺寸分布的标准偏差是0.5nm。等离子体腔2里的压强是300Pa。硅纳米颗粒4在经过等离子体腔2底部的直径为4.5mm的喷射孔(圆孔)后以硅纳米颗粒束5的形式进入压强为20Pa的不锈钢成膜腔6中。

表面为栅状金属电极和减反射层的硅太阳电池7置于成膜腔6里的样品台8上。整个系统的真空通过真空泵抽真空来实现。真空泵通过真空管路9与成膜腔6相通。

通过调节样品台8的高度，硅太阳电池7与等离子体腔2底部的喷射孔的距离为1cm。在水平面里的X和Y方向上移动样品台8，最后硅太阳电池7的表面形成一层均匀的厚度为11nm的硅纳米颗粒薄膜。通过对硅太阳电池效率的测量得知，表面覆盖了硅纳米颗粒薄膜后硅太阳电池的效率提高了2.1％。

实施例2

采用实施例1的装置，硅烷、氩气和氢气混合后经进气管道1进入等离子体腔2。混合气体在13.56MHz射频电源的激发下形成等离子体，硅纳米颗粒4在等离子体中产生，其平均尺寸是5.3nm，尺寸分布的标准偏差是0.7nm。等离子体腔2里的压强是450Pa。硅纳米颗粒4在经过等离子体腔2底部的直径为2mm的喷射孔(圆孔)后以硅纳米颗粒束5的形式进入压强为4Pa的不锈钢成膜腔6中。

表面为栅状金属电极和减反射层的硅太阳电池7置于成膜腔6里的样品台8上。整个系统的真空通过真空泵抽真空来实现。真空泵通过真空管路9与成膜腔6相通。

通过调节样品台8的高度，硅太阳电池7与等离子体腔2底部的喷射孔的距离为3cm。在水平面里的X和Y方向上移动样品台8，最后硅太阳电池7的表面形成一层均匀的厚度为50nm的硅纳米颗粒薄膜。通过对硅太阳电池效率的测量得知，表面覆盖了硅纳米颗粒薄膜后硅太阳电池的效率提高了1.6％。

实施例3

采用实施例1的装置，硅烷、氩气和氢气混合后经进气管道1进入等离子体腔2。混合气体在13.56MHz射频电源的激发下形成等离子体，硅纳米颗粒4在等离子体中产生，其平均尺寸是8.2nm，尺寸分布的标准偏差是1.1nm。等离子体腔2里的压强是1060Pa。硅纳米颗粒4在经过等离子体腔2底部的直径为1mm的喷射孔(圆孔)后以硅纳米颗粒束5的形式进入压强为0.3Pa的不锈钢成膜腔6中。

表面为栅状金属电极和减反射层的硅太阳电池7置于成膜腔6里的样品台8上。整个系统的真空通过真空泵抽真空来实现。真空泵通过真空管路9与成膜腔6相通。

通过调节样品台8的高度，硅太阳电池7与等离子体腔2底部的喷射孔的距离为4cm。在水平面里的X和Y方向上移动样品台8，最后硅太阳电池7的表面形成一层均匀的厚度为90nm的硅纳米颗粒薄膜。通过对硅太阳电池效率的测量得知，表面覆盖了硅纳米颗粒薄膜后硅太阳电池的效率提高了1.2％。