共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备方法

摘要

一种共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1：取一硅片；步骤2：在硅片中注入Al；步骤3：将过渡性金属元素注入到含Al的硅片中；步骤4：将含有Al和过渡性金属元素的硅片进行退火处理，完成共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源光伏技术，特别是指一种共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备方法。

背景技术

太阳能电池是利用太阳能最有效、最广泛的一种方式，低成本和高效率一直都是太阳能电池技术发展的动力和目标。以单晶硅为代表第一代太阳能电池和以非晶硅薄膜为代表的第二代太阳能电池都无法同时满足高效率和低成本的要求。以叠层太阳能电池和中间带太阳能电池等电池为代表的第三代太阳能电池则很好地解决了高效率和成本的冲突问题。

利用深能级杂质掺杂技术形成的硅基杂质中间带太阳能电池，除了能够实现一般晶硅电池对可见光波段的吸收利用，还能够实现对红外波段的双光子吸收利用。硅的杂质中间带太阳能电池在不改变开路电压的同时提高电池的短路电流，从而提高中间太阳能电池的转换效率。

杂质中间带太阳能电池有着种种优点，但是目前却面临着一个技术瓶颈，几乎所有的深能级杂质元素在硅中的固溶度都远远小于这些元素在硅中形成杂质中间带的Mott转变浓度。只有采用新的非平衡技术提高深能级杂质元素在硅中的有效掺杂浓度，使得其掺杂浓度并且达到或者超过Mott转变浓度，才能够实现杂质中间带。

目前采用的非平衡技术主要是，离子注入以及激光退火。虽然这两种非平衡组合技术能够提高深能级杂质元素在硅材料中的掺杂浓度，但是由于激光退火技术成本过高和其只能应用于小尺寸样品处理的劣势导致了其大规模应用的可能性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备方法，以提高太阳能电池的光电转换效率，具有制作工艺简单的优点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一硅片；

步骤2：在硅片中注入Al；

步骤3：将过渡性金属元素注入到含Al的硅片中；

步骤4：将含有Al和过渡性金属元素的硅片进行退火处理，完成共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备。

其中过渡性金属元素是Ti或Cr。

其中注入Al时采用离子注入的方式，注入剂量为2×10¹⁵cm^-2，注入的能量为30eV，使Al在硅片中浓度含量达到3.4×10²⁰cm^-3。

其中注入Ti时采用离子注入的方式，注入能量为45eV，注入剂量为1.7×10¹⁵cm^-2，使Ti在硅片中浓度含量达到3.4×10²⁰cm^-3。

其中退火处理的温度为800-1100℃，退火时间为5-60秒。

从上面的技术方案中，本发明具有以下效果：

本发明提供的共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备方法，是基于元素共掺的方法提高过渡性金属元素在硅中的掺杂浓度。这种材料中深能级杂质元素含量超过了Mott转变浓度，形成杂质中间带。这种中间带材料不仅能够吸收传统晶硅太阳能电池能吸收的可见光谱，而且还能够对太阳能红外光谱进行双光子吸收。采用上述材料制作的太阳能电池能够在不改变电池开路电压，同时增大开路电流。

本发明提供的这种硅基光电材料，是制备在硅片上，并且含有硅作为其主要的成分之一，因此容易实现与硅基材料和器件的光电子集成。

本发明提供的共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备方法，得到的硅基光电材料，可以采用与当前的硅微电子加工相兼容的工艺制备各种电光器件，制备成本低。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中间带太阳能电池原理图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一硅片，硅片只要求达到普通实验用的硅片规格即可。硅片的厚度，电阻率，晶向等相关参数没有特别的要求。硅片经过酸清洗，清除表面的重离子和其他杂质元素。

步骤2：采用离子注入的方式，将Al注入到硅片中注入剂量为2×10¹⁵cm^-2，注入的能量为30ev，使Al在硅片中浓度含量达到3.4×10²⁰cm^-3。

步骤3：将过渡性金属元素注入到已含Al的硅片中，该过渡性金属元素可以为Ti或Cr，以Ti掺杂为例，采用离子注入的方式，Ti离子注入能量为45ev，注入剂量为1.7×10¹⁵cm^-2，最终使Ti在硅片中浓度含量达到3.4×10²⁰cm^-3；而Ti的浓度含量已经远远高于Ti的Mott相变浓度。

步骤4：将含有Al和过渡性金属元素的硅片进行退火处理，所述的退火的温度为800-1100℃，退火时间为5-60秒。

经过退火处理之后的硅片的晶格将得到恢复，Ti杂质元素出现电离，出现自由移动的电子。Al在硅中的固溶度可以超过10¹⁹cm^-3，而Al和Ti在高温下很容易形成AlSi合金。由于Al的这种“绑定”作用，使得深能级杂质元素Ti在硅中的浓度超过了Mott转变浓度。由Ti杂质元素引起的杂质局域函数将得到扩展，杂质能级出现简并形成能带，最终在硅的表面上形成了中间带材料。

根据中间带材料制作的中间带太阳能电池的原理图如图2所示，VB、CB分别是硅材料的价带和导带，而IB则是通过共掺杂形成的中间带。hv、hv₁、hv₂则表示不同能量的光子，通过吸收利用能量为hv₂光子，可以将电子从价带跃迁到中间带，而当再次吸收能量为hv₁光子，则可以将电子从中间带跃迁到导带。当吸收能量为hv的光子时，可以直接将电子从价带跃迁到导带。通过中间带材料制作的太阳能电池，能够利用小于禁带宽度的光子，从而提高了太阳能电池的电流和效率。

实施例

结合参阅图1，本发明提供一种共掺杂的硅基杂质中间带材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：采用晶向(100)n型硅片，硅片用浓硫酸煮5分钟，再用氢氟酸漂洗30s。

步骤2：将Al注入到硅片中注入剂量为2×10¹⁵cm^-2，注入的能量为30eV。

步骤3：将Ti离子注入到含Al的硅片中，注入能量为45ev，注入剂量为1.7×10¹⁵cm^-2。

步骤4：将含有Al和Ti离子的硅片进行退火处理，温度为850℃，退火时间为15s。

最后在硅的表明层形成了共掺杂的硅基杂质中间带材料。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。