專利名稱：硅納米線/非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅納米線太陽(yáng)能電池裝置，屬于太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景面對(duì)全球能源短缺危機(jī)和生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，世界各國(guó)積極研究和開(kāi)發(fā)利用可再生能 源，從而實(shí)現(xiàn)能源工業(yè)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。其中，太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為可再生能 源的焦點(diǎn)。假如把地球表面0.1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)為電能，轉(zhuǎn)變率5%，每年發(fā)電量可達(dá)5.6xl012 千瓦小時(shí)，相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍。因而太陽(yáng)能被認(rèn)為是能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化的 最佳解決途徑。國(guó)內(nèi)外專家預(yù)言到2100年太陽(yáng)能有望占到全球一次能源的70%，其中太陽(yáng)能 發(fā)電更是占64%。太陽(yáng)能電池是通過(guò)半導(dǎo)體p-n結(jié)的光伏效應(yīng)(photovoltaic effect)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把 光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。目前商業(yè)化太陽(yáng)能電池以單晶硅和非晶硅為主。當(dāng)前，人們除大量 應(yīng)用單晶硅太陽(yáng)電池外[參見(jiàn)專利專利號(hào)JP5243597-A;專利號(hào)KR2002072736-A]，還研制 成功了多晶硅電池[參見(jiàn)專利專利號(hào)US5949123-A]、非晶硅電池[參見(jiàn)專利專利號(hào) 〗P2002124689-A;專利號(hào)US6307146-B1]、薄膜太陽(yáng)電池等各種新型的電池[參見(jiàn)專利專利 號(hào)JP2002198549-A],并且還再不斷地研制各種新材料、新結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)電池[參見(jiàn)專利專利 號(hào)DE19743692-A;DE19743692-A1]。在幾種薄膜電池中，非晶硅薄膜太陽(yáng)電池近年來(lái)發(fā)展迅 速，其主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，成本低。但是非晶硅由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和大量氫原 子的存在，具有光疲勞效應(yīng)(Staebler-Wronski效應(yīng))，故非晶硅太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工作穩(wěn) 定性存在問(wèn)題，其光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減。多晶硅薄膜電池的研究工作 自1987年以來(lái)發(fā)展迅速[參見(jiàn)專利專利號(hào)JP2002222975-A],成為世界關(guān)注的新熱點(diǎn)。多晶 硅薄膜電池由于所使用的硅量遠(yuǎn)較單晶硅少，又無(wú)效率衰減問(wèn)題，并且有可能在廉價(jià)襯底材 料上制備，其成本預(yù)期要遠(yuǎn)低于體單晶硅電池，實(shí)驗(yàn)室效率也迅速提高。在第三代低成本高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池研發(fā)競(jìng)賽中，納米技術(shù)作為建造更好的太陽(yáng)能 電池的.-種新方法出現(xiàn)了，納米材料應(yīng)用于太陽(yáng)能電池上能夠極大地提高光電轉(zhuǎn)換效率，有 望為綠色能源的發(fā)展帶來(lái)革命性的變化。1991年，瑞士洛桑高等理工學(xué)院Gratzel教授率先 發(fā)明了二氧化鈦納米晶薄膜染料敏化太陽(yáng)能電池[B. O'Regan， M. Gratzel, A low-cost, high efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal Ti。2 films. Nature 1991, 353, 737—740.]，其 光電能量轉(zhuǎn)換率在AM 1.5模擬日光照射下可達(dá)7.1%，接近了多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率。2005 年美國(guó)加州大學(xué)的楊培東教授課題組首次采用一維ZnO納米線作為太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極材料， 該電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)1.5% [M. Law, L.E. Greene, J.C. Johnson, et al, N加owiredye-sensitized solar cells. Nature Materials 200S, 4，'455-459.JV 2(J(T7年，實(shí)恒圣母大學(xué)的Kamat 等人將二氧化鈦的納米顆粒吸附于單壁式納米碳管上，利用納米碳管來(lái)引導(dǎo)光生電荷載子的 流動(dòng)，使電荷更容易到達(dá)電極成為電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池紫外光轉(zhuǎn)換為電流的效率為僅 使用二氧化鈦的兩倍[A. Kongkanand, R.M. Dominguez， P.V. Kamat, Single Wall Carbon N油otube Scaffolds for Photoelectrochemical Solar Cells. Capture and Transport of Photogenerated Electrons Nano Letter 2007， 7， 676>680.]。與其它半導(dǎo)體材料相比較，硅材料含量豐富而且廉 價(jià)，同時(shí)與目前的半導(dǎo)體微加工工藝兼容，因此基于硅納米結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池正受到越來(lái)越 多的重視。最近我們?cè)谥苽浯竺娣e硅納米線及其陣列的基礎(chǔ)上[參見(jiàn)中國(guó)專利CN1382626;中國(guó) 專利申請(qǐng)?zhí)?005100117533; Kuiqing Peng, Mingliang Zhang, Aijiang Lu, NingBew Wong， Ruiqin Zhang, Shuit-Tong Lee. Ordered Si nanowire arrays via Nanosphere Lithography and Metal-induced etching. Applied Physics Letters 2007, 90,163123，發(fā)展了-'種制備大面積有序納 米硅線的方法，這種技術(shù)不需要高溫和復(fù)雜設(shè)備,可以在室溫附近制備出大面積直徑均一排列 有序的納米硅線及其陣列。大面積有序硅納米線的光吸收實(shí)驗(yàn)表明其具有良好的減反射和光 吸收性能，這主要是因?yàn)楣杵砻嬗捎诩{米結(jié)構(gòu)化形成的巨大的比表面積造成的。單根硅納 米線的導(dǎo)電性能測(cè)試表明我們制備的硅納米線具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。在此基礎(chǔ)之上，我們?cè)O(shè) 計(jì)了種基于我們制備的硅納米線的硅納米線/非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池裝置。相對(duì)傳統(tǒng)的硅 太陽(yáng)能電池，硅納米線/非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池是新一代太陽(yáng)能電池的代表。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)和提供 -種具有新型結(jié)構(gòu)且光吸收能力強(qiáng)，光電轉(zhuǎn)換效率髙的硅納米線 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置。本發(fā)明提出的硅納米線陣列太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，它含有Ti/Pd/Ag柵形電極、透明氧化銦錫 (ITO)導(dǎo)電層薄膜、n型氫化非晶硅、p型納米硅線、p型硅基底層、鋁金屬膜背電極層， 其特征在于所述太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置含有依次相疊的下述各層，(1) Ti/Pd/Ag柵形電極，位于透明ITO導(dǎo)電薄膜層之上，其作用是作為正面引出電極；(2) 透明1TO導(dǎo)電薄膜層位于n型非晶硅/p型硅納米線異質(zhì)結(jié)層之上，作為正面引出電 極；(3) n型非晶硅位于p型納米硅線陣列層之上，其作用是與p型納米硅線形成p-n異質(zhì)結(jié)， 產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)；(4〉p型納米硅線位于P型硅基底層之上，其作用是與n型非晶硅形成p-n異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生 光生伏特效應(yīng)，同時(shí)也作為太陽(yáng)能電池的減反射層；金屬膜背電極之上，其作ffl是作-為太陽(yáng)龜池的基區(qū)；(6) 鋁金屬膜背電極層，其作用是形成電池背電場(chǎng)；本發(fā)明首先用我們發(fā)明的納米硅線及其的制備方法，首先在P型硅基片表面制備出大面 積的納米硅線陣列。隨后采用等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積技術(shù)在p型硅納米線及其陣列表面 沉積n型氫化非晶硅薄膜(a-Si:H)，形成硅納米線/非晶硅三維徑向p-n異質(zhì)結(jié)。為了最大效 率收集針:納米線/非晶硅三維徑向p-n異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生的光生載流子并引出電流，利用磁控濺射技 術(shù)在硅納米線/非晶硅三維異質(zhì)結(jié)表面沉積一層氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜。然后再用掩 膜法在ITO導(dǎo)電薄膜上面制備Ti/Pd/Ag柵形正面歐姆接觸電極。用真空蒸鍍法在P型硅基底 面沉積金屬鋁，燒結(jié)后作為背面歐姆接觸電極。在兩面的金屬接觸電極上引出外引線，便得 到了--個(gè)單片的硅納米線太陽(yáng)能電池。


圖1為本發(fā)明的硅納米線太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖。 1Ti/Pd/Ag柵形電極 2透明氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電薄膜 3 n型氫化非晶硅 4p型納米硅線陣列 5 p型硅基底層 6鋁金屬膜背電極層具體實(shí)施方式
本發(fā)明首先用我們提出的納米硅線陣列的制備方法，首先在P型硅基片表面制備出大面 積的納米硅線陣列后，用真空蒸鍍法在P型硅基底面沉積金屬鋁薄膜，燒結(jié)后作為背面歐姆 接觸電極。隨后采用等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積技術(shù)在p型硅納米線及其陣列表面沉積n型 S化非晶硅薄膜(a-Si:H)，形成硅納米線/非晶硅三維徑向p-n異質(zhì)結(jié)，利用磁控濺射技術(shù)在 硅納米線/非晶硅三維異質(zhì)結(jié)表面沉積一層氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜。再用掩膜法在ITO 導(dǎo)電薄膜表面沉積Ti/Pd/Ag作為正面歐姆接觸電極，從而形成一個(gè)新型的硅納米線陣列太陽(yáng) 能轉(zhuǎn)換裝置。在兩面的金屬接觸電極上引出外引線，便得到了--個(gè)單片的硅納米線/非晶硅異 質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。權(quán)利要求
1、硅納米線/非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，它含有Ti/Pd/Ag柵形電極、透明氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電層、n型非晶硅、p型納米硅線、p型硅基底層、鋁金屬膜背電極層，其特征在于所述太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置含有依次相疊的下述各層，(1)Ti/Pd/Ag柵形電極，位于透明ITO導(dǎo)電薄膜層之上，其作用作為正面引出電極；(2)透明ITO導(dǎo)電薄膜層位于n型非晶硅/p型納米硅線異質(zhì)結(jié)層之上，作為正面引出電極；；(3)n型非晶硅位于p型納米硅線之上，其作用是與p型納米硅線形成p-n異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)；(4)p型納米硅線位于P型硅基底層之上，其作用是與n型非晶硅形成三維p-n異質(zhì)結(jié)，產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，同時(shí)也作為太陽(yáng)電池的減反射層；(5)P型硅基底層，位于鋁金屬膜背電極之上，其作用是作為太陽(yáng)能電池的基區(qū)；(6)鋁金屬膜背電極，其作用是作為背面引出電極。其主要特征在于透明ITO導(dǎo)電薄膜(2)和P型硅基底層(3)之間含有p型納米硅線/n型非晶硅三維異質(zhì)結(jié)層。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域的硅納米線陣列太陽(yáng)能電池裝置。其特征在于所述透明氧化銦錫導(dǎo)電薄膜層和P型硅基底層之間含有p型納米硅線/n型非晶硅三維異質(zhì)結(jié)層。所述太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置含有依次相疊的各層為Ti/Pd/Ag柵形電極，作為正面引出電極；透明ITO導(dǎo)電薄膜層，起透光作用并作為正面引出電極；n型非晶硅位于p型納米硅線之上，與p型納米硅線形成p-n異質(zhì)結(jié)；p型納米硅線位于P型硅基底層之上，與n型非晶硅形成三維p-n異質(zhì)結(jié)。同時(shí)也作為太陽(yáng)電池的減反射層；P型硅基底層，作為太陽(yáng)能電池的基區(qū)；鋁金屬膜背電極，作為背面引出電極。本發(fā)明提供的這種具有新型結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置，光吸收能力強(qiáng)，光電轉(zhuǎn)換效率高。
文檔編號(hào)H01L31/0747GK101262024SQ20081008420
公開(kāi)日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者彭奎慶 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)