專利名稱：非晶硅中間帶太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏新能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種非晶硅中間帶太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益嚴(yán)重。太陽能光伏發(fā)電作為最有希望的新能源之一，成為人們研究的熱點(diǎn)。硅基太陽電池由于資源豐富、發(fā)展歷史較早且技術(shù)比較成熟，一直處于領(lǐng)先地位，但由于材料和工藝的限制，很難降低成本。而非晶硅在可見范圍的光吸收吸收遠(yuǎn)高于晶體硅，所以電池可以很薄，而且非晶硅電池的制備方法簡單、成本低，因而成為目前人們所關(guān)注的研究課題之一。非晶硅薄膜電池由于轉(zhuǎn)換效率低而嚴(yán)重阻礙了產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用。而制約效率提高·的關(guān)鍵因素在于反射損耗高、表面復(fù)合大、收集效率低及長波響應(yīng)差。為了挽回長波損失，利用雜質(zhì)工程，在非晶硅禁帶中形成深能級中間帶是突破紅外波段響應(yīng)的一項重要的優(yōu)選途徑。中間帶的引入，將可見與紅外兼容一體，可以有效利用原先未利用的低能光子，增加短路電流輸出。在保證開路電壓不變的前提下，增加電池的轉(zhuǎn)換效率。雖然非晶硅中間帶可以增加在長波波段的光譜吸收，但是非晶硅中間帶的制備仍然有很多困難。尤其是由于重?fù)诫s引起的強(qiáng)散射和非晶硅本身的帶尾態(tài)、懸掛鍵，影響載流子的遷移率和有效收集運(yùn)輸，導(dǎo)致光生載流子收集效率低。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明提供了一種制備非晶硅中間帶太陽能電池及其制備方法，以提高光生載流子的收集效率。( 二 )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種非晶硅中間帶太陽能電池，包括導(dǎo)電襯底；η型納米線，形成于導(dǎo)電襯底上；非晶硅中間帶層，形成于η型納米線上；P型非晶硅層，形成于非晶硅中間帶層上；透明導(dǎo)電薄膜層，形成于P型非晶硅層上。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種非晶硅中間帶太陽能電池的制備方法，包括在導(dǎo)電襯底上制備納米線；對納米線進(jìn)行摻雜形成η型納米線；在η型納米線上生長非晶硅中間帶本征材料；在非晶硅中間帶本征材料上生長P型非晶硅層；在P型非晶硅層上制備透明導(dǎo)電薄膜層，從而完成非晶硅中間帶太陽能電池的制備。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明制備非晶硅中間帶太陽能電池及其制備方法具有以下有益效果(I)納米線材料具有高度取向性、占空比和比表面可控的特性，從而為光生載流子提供快捷通道，減少復(fù)合，提高了光生載流子的收集效率；
(2)中間帶材料中過渡金屬雜質(zhì)的引入能有效拓展光譜的吸收范圍，改善長波吸收，從而提高了電池轉(zhuǎn)換效率。


圖I為依照本發(fā)明實施例的非晶硅中間帶太陽能電池的剖面示意圖；圖2為依照本發(fā)明實施例的制備非晶硅中間帶太陽能電池方法的流程圖；圖3為本發(fā)明實施例非晶硅中間帶太陽電池與普通非晶硅p-i-n結(jié)構(gòu)太陽電池在近紅外波段的吸收譜對比圖。
具體實施例方式為使本發(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)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。本發(fā)明的技術(shù)方案是利用電化學(xué)法或水熱法在襯底上制備納米線。將納米線放入磁控濺射或PECVD等材料生長設(shè)備中，生長本征非晶硅、非晶硅中間帶材料、P型非晶硅，形成ZnO納米線/i型本征非晶娃中間帶材料/p型非晶娃結(jié)構(gòu)，簡稱n-i (IB) -p徑向結(jié)構(gòu)。其中，i代表i層本征非晶硅，IB代表中間帶。最后沉積ITO層，形成納米徑向結(jié)構(gòu)的非晶娃中間帶太陽能電池。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種非晶硅中間帶太陽能電池。如圖I所示，該非晶硅中間帶太陽能電池包括導(dǎo)電襯底，及依次形成于該導(dǎo)電襯底上的表層經(jīng)過鈍化的η型ZnO納米線、非晶硅中間帶層、P型非晶硅層和透明導(dǎo)電薄膜層。本實施例中，采用的襯底可以是不銹鋼襯底，也可以是導(dǎo)電玻璃襯底。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以根據(jù)需要采用其他類型的襯底。上述的η型ZnO納米線中，按照半導(dǎo)體領(lǐng)域通常的做法，其是對生產(chǎn)的ZnO納米線進(jìn)行氮磷摻雜來形成的。此外，由于η型ZnO納米線的比表面積大，表面態(tài)多，所以在表面濺射生長一層缺陷態(tài)較低的本征非晶硅層，可以鈍化納米線的表面態(tài)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，雖然本實施例采用的ZnO納米線，但是也可以采用其他類型的納米線，例如Si納米線、C納米線等。本實施例中，由于納米線具有高度取向性、占空比和比表面可控的特性，從而為光生載流子提供快捷通道，減少復(fù)合，提高光生載流子的收集效率。上述的非晶硅中間帶層為過渡金屬重?fù)诫s的非晶硅中間帶本征材料。其中，過渡金屬是指能在禁帶中引入深能級的金屬，如鈦、鉻、鈷等元素。重?fù)诫s為摻雜濃度大于5X IO19CnT3以上的摻雜。以過渡金屬雜質(zhì)為鈦元素為例，Ti的摻雜濃度在102°cm_3以上。本實施例中，中間帶材料中過渡金屬雜質(zhì)的引入能有效拓展光譜的吸收范圍，改善長波吸收，從而提高了電池轉(zhuǎn)換效率。本實施例中,η型ZnO納米線、非晶娃中間帶層和P型非晶娃層構(gòu)成n_i (IB)-p徑向結(jié)構(gòu)，該徑向納米線將光吸收和載流子淑云收集的方向分開，利用納米線長度方向吸收光，利用納米線徑向收集光生載流子。由于納米線長度遠(yuǎn)大于其半徑，光充分吸收產(chǎn)生的光生載流子在較短的距離被收集，減少光生載流子輸運(yùn)中的復(fù)合。圖2為依照本發(fā)明實施例非晶硅中間帶太陽能電池制備方法的流程圖。請參照圖I和圖2，該制備非晶硅中間帶太陽能電池的方法包括步驟A，在導(dǎo)電襯底上制備ZnO納米線；制備ZnO納米線的方法一般為化學(xué)合成方法，如電化學(xué)法、溶液化學(xué)生長法或水熱法。利用化學(xué)合成方法制備的ZnO納米線，成本低而且容易實現(xiàn)大面積產(chǎn)業(yè)化。以電化學(xué)法制備ZnO納米線為例，通過調(diào)整工作電壓和電流、電解質(zhì)溶液的濃度、溶劑和溶質(zhì)的種類，可以制備出有序化、長度可控的氧化鋅納米線，長度約I μ m，直徑IOOnm左右。
步驟B,對該ZnO納米線進(jìn)行氮磷氣相摻雜形成η型ZnO納米線；步驟C，在ZnO納米線的表層沉積本征非晶硅，對該η型ZnO納米線的表面態(tài)進(jìn)行鈍化；本步驟中，通過調(diào)整氬氣和氫氣的流量比，利用磁控濺射方法生長若干nm的本征非晶硅。步驟D，調(diào)整氬氣和氫氣的流量比，在上述ZnO納米線上磁控共濺射過渡金屬雜質(zhì)摻雜的非晶娃中間帶本征材料，該非晶娃中間帶本征材料的厚度約400nm。步驟E，在非晶硅中間帶本征材料上生長P型非晶硅層，形成n-i-p徑向結(jié)構(gòu)；生長P型非晶硅層的方法一般為PECVD法，通過調(diào)整硅烷和氫氣的流量比、硼烷的流量、射頻功率和沉積溫度等來控制P型非晶硅層的結(jié)構(gòu)和性能，厚度約幾十nm，形成n-i (IB) -p徑向結(jié)構(gòu)。步驟F，在P型非晶硅層上制備透明導(dǎo)電薄膜(簡稱ΙΤ0)層，從而完成非晶硅中間帶太陽能電池的制備。本步驟中，制備透明導(dǎo)電薄膜的方法可以為熱蒸發(fā)、磁控濺射，或化學(xué)氣相沉積等方法。以采用熱蒸發(fā)方法為例，在恰當(dāng)?shù)难鯕夥謮合抡舭l(fā)In2O3和SnO2混合物，可以獲得透明導(dǎo)電薄膜(ITO)，厚度約40nm。圖3為本發(fā)明實施例非晶硅中間帶太陽電池與普通非晶硅p-i-n結(jié)構(gòu)太陽電池在近紅外波段的吸收譜對比圖。其中，圓點(diǎn)為本發(fā)明的非晶硅中間帶電池，方點(diǎn)為普通非晶硅p-i-n結(jié)構(gòu)太陽電池。圖3可知，本發(fā)明非晶硅中間帶太陽電池較普通非晶硅電池的吸收在紅外波段有明顯提高。本發(fā)明中，將ZnO徑向納米線和非晶硅中間帶材料結(jié)合制備的太陽電池，不但拓展了長波光譜的吸收，而且解決了高效陷光和高效載流子收集的問題。這是一種很有前景的太陽電池。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非晶硅中間帶太陽能電池，其特征在于，包括 導(dǎo)電襯底； η型納米線，形成于所述導(dǎo)電襯底上； 非晶硅中間帶層，形成于所述η型納米線上； P型非晶硅層，形成于所述非晶硅中間帶層上； 透明導(dǎo)電薄膜層，形成于所述P型非晶硅層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶硅中間帶太陽能電池，其特征在于，所述η型納米線為氮磷摻雜的ZnO納米線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶硅中間帶太陽能電池，其特征在于，還包括本征非晶硅，沉積于所述η型ZnO納米線表層，用于鈍化其表面態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非晶硅中間帶太陽能電池，其特征在于，所述非晶硅中間帶層為過渡金屬重?fù)诫s的非晶硅中間帶本征材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非晶硅中間帶太陽能電池，其特征在于，所述過渡金屬為鈦、鉻或鈷；所述重?fù)诫s的摻雜濃度大于5Χ 1019cm_3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非晶硅中間帶太陽能電池，其特征在于，所述過渡金屬為鈦，所述摻雜濃度大于102°cm_3。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的非晶硅中間帶太陽能電池，其特征在于，所述襯底為不銹鋼襯底或?qū)щ姴Ａбr底。
8.一種非晶硅中間帶太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括 在導(dǎo)電襯底上制備納米線； 對所述納米線進(jìn)行摻雜形成η型納米線； 在所述η型納米線上生長非晶娃中間帶本征材料； 在所述非晶硅中間帶本征材料上生長P型非晶硅層； 在所述P型非晶硅層上制備透明導(dǎo)電薄膜層，從而完成非晶硅中間帶太陽能電池的制備。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的非晶硅中間帶太陽能電池制備方法，其特征在于，所述納米線為ZnO納米線； 所述對納米線進(jìn)行摻雜形成η型納米線的步驟包括對所述ZnO納米線進(jìn)行氮磷摻雜以形成η型ZnO納米線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的非晶硅中間帶太陽能電池制備方法，其特征在于，所述在η型納米線上生長非晶硅中間帶本征材料的步驟之前還包括 在所述η型ZnO納米線的表層沉積本征非晶硅，對其表面態(tài)進(jìn)行鈍化。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的非晶硅中間帶太陽能電池制備方法，其特征在于，所述在 ZnO納米線上生長非晶硅中間帶本征材料的步驟包括在所述ZnO納米線上生長過渡金屬雜質(zhì)摻雜的非晶硅中間帶本征材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的非晶硅中間帶太陽能電池制備方法，其特征在于，所述過渡金屬為鈦、鉻或鈷；所述重?fù)诫s的摻雜濃度大于5Χ 1019cm_3。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種非晶硅中間帶太陽能電池及其制備方法，該非晶硅中間帶電池包括導(dǎo)電襯底；n型納米線，形成于導(dǎo)電襯底上；非晶硅中間帶層，形成于n型納米線上；p型非晶硅層，形成于非晶硅中間帶層上；透明導(dǎo)電薄膜層，形成于p型非晶硅層上。本發(fā)明中，通過利用納米線材料具有高度取向性、占空比和比表面可控的特性，從而為光生載流子提供快捷通道，減少復(fù)合，提高光生載流子的收集效率。
文檔編號H01L31/0352GK102891191SQ20121037587
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者周天微, 曹權(quán), 左玉華, 王啟明 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所