基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池的制备方法

摘要

本发明公开了一种制备基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池的方法，包括：在晶硅基板正面和背面制备绒面结构，并将晶硅基板放置于扩散炉中进行扩散，形成双面PN结；混合硅颗粒与半导体氧化物颗粒，通过电子束蒸发至晶硅基板上，形成富Si的氧化物薄膜；对晶硅基板进行高温退火处理，形成Si量子点超晶格结构；对Si量子点超晶格结构进行掺杂，形成n型或者n+型Si量子点超晶格结构；在晶硅基板正面和背面生长Si3N4减反膜；采用丝网印刷在晶硅基板的背面印刷的正电极，并进行热处理固化；然后采用丝网印刷在晶硅基板的正面印刷的负电极，并进行热处理固化；合金退火，制备出基于硅量子点超晶格结构的晶硅电池。利用本发明，提高了晶硅电池的转换效率。

说明书

技术领域

本发明涉及晶硅太阳能电池技术领域，尤其涉及一种制备基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池的方法，利用Si量子点超晶格结构的能带调节作用，使得太阳能电池对于光子能量大于硅禁带宽度(1.1eV)的光(300nm～1000nm)更好的吸收，特别是短波长的光，以此来达到高效太阳能电池的目的，进而降低成本。

背景技术

随着世界人口的急剧增加和各国经济的快速发展，对能源的需求越来越多，能源问题已成为一个国家长久快速发展的战略性问题。目前大规模使用的传统能源如石油和煤炭由于储量有限，按目前的消耗量在几十年后至一百多年后将会枯竭，同时目前频繁的使用化石能源造成严重的大气污染和温室效应。因此，对清洁可再生能源的需求也越来越迫切；太阳能电池作为清洁能源的一种由此得到了快速发展。

自1954年贝尔实验室报道第一个商品化的Si太阳能电池以来，各种太阳能电池相继问世。通过数十年来的不断发展，太阳能电池从第一代的单晶硅太阳能电池、第二代的薄膜太阳能电池到现在第三代的高效太阳能电池，其制作成本逐步降低，转换效率不断提高。

目前晶硅(单晶和多晶)电池在各种太阳能电池中，其市场比重占到了90％以上，但转换效率普遍不高。如何制备出转换效率高的电池是各国从事光伏行业面临的一个关键问题，这也是降低太阳能成本的关键手段。

由于Si是一种间接带隙材料，其对光吸收的能力相对于直接带隙半导体来说要弱的多。如何增强光的吸收，如何有效地利用短波长范围内的光，这对于提高晶硅太阳能电池的效率来说，是一项重要途径。本发明正是基于这样的背景下展开。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池的方法，以利用Si纳米晶超晶格结构提高晶硅电池的转换效率。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供了一种制备基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池的方法，该方法包括：

步骤101：在晶硅基板正面和背面制备绒面结构，并将晶硅基板放置于扩散炉中进行扩散，形成双面PN结；

步骤102：混合硅颗粒与半导体氧化物颗粒，通过电子束蒸发至晶硅基板上，形成富Si的氧化物薄膜；

步骤103：对晶硅基板进行高温退火处理，形成Si量子点超晶格结构；

步骤104：对Si量子点超晶格结构进行掺杂，形成n型或者n⁺型Si量子点超晶格结构；

步骤105：在晶硅基板正面和背面生长Si₃N₄减反膜；

步骤106：采用丝网印刷在晶硅基板的背面印刷的正电极，并进行热处理固化；然后采用丝网印刷在晶硅基板的正面印刷的负电极，并进行热处理固化；

步骤107：合金退火，制备出基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池。

上述方案中，所述步骤101具体包括：将厚度为180微米至250微米的晶硅基板放置于氢氧化钠溶液中进行各向异性腐蚀，在腐蚀过程中晶硅基板正、背两面均置于腐蚀液中，制备出的正、反面的绒面各方面特性基本一致，绒面结构呈现出传统的金字塔形；将正反两面均有绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中进行扩散，扩散源为液态POCl₃，扩散出的双面PN结的结深在200～500微米之间，扩散完后利用酸洗去掉正反面的磷硅玻璃。

上述方案中，步骤101中所述晶硅基板为商用125单晶或者156多晶，晶硅基板衬底类型为P型衬底；单晶电阻率为0.5～3Ω·cm，多晶电阻率为0.5～6Ω·cm。

上述方案中，步骤102中所述半导体氧化物颗粒是SiO₂或者HfO₂，所述富Si的氧化物薄膜厚度为20～50nm，

上述方案中，步骤103中所述对晶硅基板进行高温退火处理时，以氮气保护气，退火温度为900～1200摄氏度。

上述方案中，步骤104中所述对Si量子点超晶格结构进行掺杂采用热扩散的方式或者离子注入的方式进行，采用热扩散的方式时扩散源为液态POCl₃；采用离子注入的方式时注入磷离子，注入完成后在900摄氏度下快速退火处理，形成n型或者n⁺型Si量子点超晶格结构。

上述方案中，步骤105中所述在晶硅基板正面和背面生长Si₃N₄减反膜，采用等离子增强化学气相淀积方法，Si₃N₄减反膜的厚度为20～50nm。

上述方案中，步骤106中所述在晶硅基板的背面印刷的正电极采用铝银浆料，在晶硅基板的正面印刷的负电极采用银浆料。

上述方案中，所述步骤107包括：采用阶梯式升温方式进行正面、背面的电极合金处理，无特殊气氛保护，最终制备出基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池。

(三)有益效果

本发明通过在晶硅表面制备Si量子点超晶格结构，利用Si量子点的量子效应，对能带结构进行有效的调节，充分地吸收宽谱带范围内的光并被晶硅电池吸收，最终达到高效转换的目的，具有增加的工艺步骤少、能与大生产线上的工艺兼容，易于实现大规模生产等特点。

附图说明

图1为本发明提供的制备基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池的方法流程图；

图2为P型晶硅基板的示意图；

图3为在正反面制备出绒面后并热扩散后形成PN结的示意图；

图4为电子束蒸发Si颗粒及氧化物颗粒混合物，形成富Si的氧化物薄膜的示意图；

图5为高温热退火处理形成Si量子点超晶格后，再进行热扩散或者离子注入，使Si量子点超晶格结构成n型的示意图；

图6为利用PECVD生长Si₃N₄减反膜的示意图；

图7为利用丝网印刷技术在正面和背面分别印刷负电极和正电极的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对具体实施方式加以说明，详细说明如下：

本发明是利用大规模生产线生产的半成品太阳能电池片，在此基础上制备出量子点超晶格结构出来，利用量子点对能带调节的特性来增加太阳能电池对高能量光子的吸收，最终达到高效率的目的；除此之处，还对全硅高效第三代太阳能电池的技术和工艺进行有益的探索。本发明在晶硅电池基片上，通过制备电子束蒸发Si颗粒及氧化物的混合物来制备出可以进行能带调节的Si纳米晶超晶格结构，使其达到宽谱带吸收的目的，提高晶硅电池的转换效率。

如图1所示，图1为本发明提供的制备基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：在晶硅基板正面和背面制备绒面结构，并将晶硅基板放置于扩散炉中进行扩散，形成双面PN结；

步骤102：混合硅颗粒与半导体氧化物颗粒，通过电子束蒸发至晶硅基板上，形成富Si的氧化物薄膜；

步骤103：对晶硅基板进行高温退火处理，形成Si量子点超晶格结构；

步骤104：对Si量子点超晶格结构进行掺杂，形成n型或者n⁺型Si量子点超晶格结构；

步骤105：在晶硅基板正面和背面生长Si₃N₄减反膜；

步骤106：采用丝网印刷在晶硅基板的背面印刷的正电极，并进行热处理固化；然后采用丝网印刷在晶硅基板的正面印刷的负电极，并进行热处理固化；

步骤107：合金退火，制备出基于硅量子点超晶格结构的晶硅太阳能电池。

图2至图7是用来说明本发明一个具体实施例的示意图。

如图2中步骤201所示，选取的晶硅基板为商用125单晶或者156多晶都可，衬底类型为P型衬底；单晶电阻率为0.5～3Ω·cm，多晶电阻率为0.5～6Ω·cm。

如图3中步骤301所示，利用大规模生产线上制备绒面的方法，将厚度为180微米至250微米的晶硅基板放置于按一定比例配制的NaOH、Na₂SiO₃和无水乙醇混合而成的制绒液中，由于发生化学反应，会对晶硅进行各向异性腐蚀形成绒面，绒面的形状呈现倒金字塔形；其中多晶硅制备绒面的方式略有不同。因为在制备过程中基板正、反面因为均置于腐蚀液中，因此正反两面制备出的绒面特性基本一致。

如步骤303所示，将正反两面制备好绒面结构的晶硅基板放置入扩散炉中，进行扩散。扩散炉温度可在300℃至1300℃变化。本实施例远取扩散温度在850～950℃之间，扩散源为液态POCl₃。可以实现单面PN结扩散，也可实现双面PN结扩散。在此例中，本实施例以单面PN结扩散为例，扩散出的PN结其结深在200～500nm之间，结深由扩散时间来确定，扩散完毕后所形成的方块电阻约在20～50Ω变化。由于扩散过程中，会在电池表面形成磷硅玻璃，它会影响电池的效率，因此用HF酸、HNO₃酸和水的混合腐蚀液来消除磷硅玻璃，清除完磷硅玻璃后用去离子水清洗干净并烘干。

如图4中步骤401所示，制备出Si量子点超晶格结构。先按一定的比例配制Si颗粒和氧化物颗粒的混合物，用来电子束蒸发。基板也一定要放到缓冲HF酸中进行晶硅基板表面去氧化层的工作。去完氧化层后，要尽快地将基板放入到子束蒸发设备的腔体中并快速抽真空，一般抽到10^-6Torr便可；空气的减少有助于减小晶硅表面的氧化。而后电子束蒸发厚度在20～50nm的富Si的氧化物薄膜。

如图5中步骤501所示，对所述对样品进行高温热退火，退火温度选取在1050℃下退火30分钟，退火时用氮气氛进行保护，形成Si量子点超晶格结构，量子点大小为4nm左右。量子点大小可通过退火温度、时间、富Si比例来控制。完毕后进行POCl₃热扩散或者离子注入，使Si量子点超晶格结构经过掺杂成n型，掺杂的深度在10¹⁶/cm³以上；其中POCl₃热扩散与常规的PN结形成工艺一样；如果是注入的过程在真空中进行。

如图6中步骤601所示，为了制备减反膜，将基片再放入到等离子体增强化学气相沉积设备(PECVD)中，生长Si₃N₄膜，膜厚控制在20～70nm之间。由于是和量子点超晶格结构相结合使用，Si₃N₄膜厚度相对于单层减反膜来说要薄一些；这种结合相当于双层减反膜，可以更加有效地降低光的反射。

如图7中，先如步骤701所示，利用丝网印刷将铝浆料印刷于电池背面，形成铝背场电极，印刷完毕后在200℃热处理并加以固化。接着再如步骤702所示，用丝网印刷机在正面涂覆负电极银浆料，形成栅线和汇流条，印刷完毕后在200℃热处理并加以固化。

最后按照大规模生产线的退火合金方式，对正面的负电极、背面的正电极进行从300℃至900℃的阶梯式热退火处理，最终完成表面Si纳米晶、金属纳米晶混合调制晶硅高效太阳能电池的制备。

以上所述制备工艺，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。