本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是一種適于提高柔性薄膜適應(yīng)性的單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著石油和煤炭等不可再生資源的逐漸耗盡，可再生能源的利用與開發(fā)顯得越來(lái)越緊迫，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)成為可再生能源中最安全、最環(huán)保和最具潛力的競(jìng)爭(zhēng)者。太陽(yáng)能電池作為將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件，由PN結(jié)和上、下電極構(gòu)成，光照下產(chǎn)生的電子和空穴在PN結(jié)或異質(zhì)結(jié)空間電場(chǎng)作用下向不同方向移動(dòng)，從而形成光生電壓和電流。

現(xiàn)今所有商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池，都是以硅作為制作材料。硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池三種。其中，單晶硅太陽(yáng)能電池具有最高的轉(zhuǎn)換效率，在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于受單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，致使單晶硅成本價(jià)格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困難的。

柔性硅薄膜太陽(yáng)能電池具有高功率重量比、柔軟、可折疊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制備成本低和便于攜帶等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)進(jìn)幾年的研究發(fā)展，柔性硅薄膜太陽(yáng)能電池的制造技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域已取得了巨大的突破，但也存在一些缺陷，比如光-電轉(zhuǎn)換效率低、供電穩(wěn)定性弱、光致衰退效應(yīng)等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及其制備方法，其通過(guò)提高柔性薄膜的適應(yīng)性，得以使薄膜應(yīng)用于不同的基底材料，以便于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、快速、可大面積制作的柔性薄膜太陽(yáng)能電池。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能電池的組成結(jié)構(gòu)依次為基底、鋁電極、薄膜層以及金電極，所述鋁電極和所述金電極分別通過(guò)沉積的方式設(shè)置于所述薄膜層兩側(cè)，所述鋁電極設(shè)置于所述基底上，其中，所述薄膜層包括含硼單晶硅、磷源以及鉻薄膜，所述鉻薄膜上沉積有所述金電極，所述含硼單晶硅的背面設(shè)置有所述鋁電極。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，所述鋁電極的厚度為50～80nm。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，所述鉻薄膜的厚度為10～20nm。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，形成的所述金電極薄膜的厚度為60～90nm。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，所述含硼單晶硅為硼摻雜單晶硅薄膜。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，所述磷源為P452。

一種柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法，其包括步驟：

S100將含硼單晶硅置于由高氯酸和過(guò)氧化氫組成的混合溶液中浸泡10～30分鐘，以用于清除所述含硼單晶硅表面的有機(jī)雜質(zhì)，取出后再用水沖洗烘干，其中，混合溶液的溫度為50～80℃；

S200將磷源旋涂于含硼單晶硅表面，再放置于100～150℃下加熱10～20分鐘，隨后放置于800～1000℃的擴(kuò)散爐中擴(kuò)散2～5分鐘；

S300通過(guò)光刻機(jī)在半成品表面制作分離孔模板，再通過(guò)深反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)腐蝕表面單晶硅直到露出二氧化硅中間層；

S400將半成品浸泡于濃度為10～20％的氫氟酸溶液中12～24小時(shí)；

S500通過(guò)電子束物理氣相沉積系統(tǒng)在半成品的含硼單晶硅背面沉積鋁納米薄膜，形成鋁電極，再在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為350～400℃，退火時(shí)間為15～30分鐘；

S600通過(guò)光刻機(jī)在半成品表面制備頂面電極的模板，再通過(guò)電子束物理氣相沉積系統(tǒng)在頂面模板上沉積鉻薄膜，再在鉻薄膜的表面沉積金納米薄膜，隨后在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為300～350℃，退火時(shí)間為5～10分鐘；以及

S700將制作好的帶有頂面金電極和背面鋁電極的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)移到基底上，所述鋁電極設(shè)置于基底上，制得所述柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。

根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，所述基底選自玻璃、金屬薄膜、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、聚二甲基硅氧烷以及柔性不銹鋼薄膜中的一種。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的性能測(cè)試圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1太陽(yáng)能電池 10基底 20鋁電極 30含硼單晶硅

40磷源 50鉻薄膜 60金電極

具體實(shí)施方式

以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu)選實(shí)施例只作為舉例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其他顯而易見(jiàn)的變型。

如圖1所示的是一種柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1，所述太陽(yáng)能電池1的組成結(jié)構(gòu)依次為基底10、鋁電極20、薄膜層以及金電極60，所述鋁電極20和所述金電極60分別通過(guò)沉積的方式設(shè)置于所述薄膜層兩側(cè)，所述鋁電極20設(shè)置于所述基底10上，其中，所述薄膜層包括含硼單晶硅30、磷源40以及鉻薄膜50，所述鉻薄膜50上沉積有所述金電極60，所述含硼單晶硅30的背面設(shè)置有所述鋁電極20。從而通過(guò)提高柔性薄膜的適應(yīng)性，得以使薄膜應(yīng)用于不同的基底10材料，以便于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、快速、可大面積制作的柔性薄膜太陽(yáng)能電池1。

其中，所述鋁電極20的厚度為50～80nm。

其中，所述鉻薄膜50的厚度為10～20nm。

其中，形成的所述金電極60薄膜的厚度為60～90nm。

其中，所述含硼單晶硅30為硼摻雜單晶硅薄膜(SOI)，所述磷源40為P452。

一種柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1的制備方法，包括步驟：

S100將含硼單晶硅30(SOI)置于由高氯酸和過(guò)氧化氫組成的混合溶液中浸泡10～30分鐘，以用于清除所述含硼單晶硅30表面的有機(jī)雜質(zhì)，取出后再用水沖洗烘干，其中，混合溶液的溫度為50～80℃；

S200將磷源40旋涂于含硼單晶硅30表面，再放置于100～150℃下加熱10～20分鐘，隨后放置于800～1000℃的擴(kuò)散爐中擴(kuò)散2～5分鐘；

S300通過(guò)光刻機(jī)在半成品表面制作分離孔模板，再通過(guò)深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)技術(shù)腐蝕表面單晶硅直到露出二氧化硅中間層；

S400將半成品浸泡于濃度為10～20％的氫氟酸溶液中12～24小時(shí)；

S500通過(guò)電子束物理氣相沉積系統(tǒng)(EB-PVD)在半成品的含硼單晶硅30背面沉積鋁納米薄膜，形成鋁電極20，再在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為350～400℃，退火時(shí)間為15～30分鐘；

S600通過(guò)光刻機(jī)在半成品表面制備頂面電極的模板，再通過(guò)電子束物理氣相沉積系統(tǒng)在頂面模板上沉積鉻薄膜50，再在鉻薄膜50的表面沉積金納米薄膜，隨后在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為300～350℃，退火時(shí)間為5～10分鐘；以及

S700將制作好的帶有頂面金電極60和背面鋁電極20的太陽(yáng)能電池1轉(zhuǎn)移到基底10上，所述鋁電極20設(shè)置于基底10上，制得所述柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1。

其中，所述基底10選自玻璃、金屬薄膜、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及柔性不銹鋼薄膜中的一種。

本發(fā)明在現(xiàn)有單晶硅太陽(yáng)能電池1生產(chǎn)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合界面輔助薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)制備所述柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1，擴(kuò)展其適用范圍，降低生產(chǎn)成本。

通過(guò)界面輔助薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，得以大面積地轉(zhuǎn)移納米或微米量級(jí)的薄膜，在薄膜轉(zhuǎn)移之前先在薄膜上制備好器件的電極，并利用此電極作為薄膜的骨架，有效提高了大面積納米薄膜轉(zhuǎn)移的成功率。其優(yōu)勢(shì)在于不僅提高了轉(zhuǎn)移薄膜的尺寸，同時(shí)對(duì)襯底材料沒(méi)有特殊要求，可以是硬質(zhì)材料(如玻璃、金屬薄膜等)，還可以是柔性的襯底材料(如PET、PDMS、柔性不銹鋼薄膜等)。

所述磷源40P452是一種液態(tài)擴(kuò)散磷源40材料，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆的方式涂抹于硅材料表面，可以實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)進(jìn)入硅材料的精確控制，為半導(dǎo)體結(jié)的制備提供雜質(zhì)源。

所述金電極60起到保護(hù)薄膜層的作用，使得所述薄膜層不易破裂，分離的成功率提高，從而使得所述薄膜層轉(zhuǎn)移成功率得到提高。同時(shí)，所述鉻薄膜50有利于提高金納米薄膜和所述薄膜層的粘合力，從而使制得的太陽(yáng)能電池1結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

本發(fā)明使用的分步退火的技術(shù)解決了納米材料熔點(diǎn)變低的問(wèn)題，提高了金電極60的穩(wěn)定性，從而使正反面電極都非常完整，提高了柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1的整體品質(zhì)。

本發(fā)明的所述柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1的光電轉(zhuǎn)化效率得以達(dá)到體硅材料的程度，而且其制備可以更加節(jié)省單晶硅源材料，不僅提高了性能，還可降低材料消耗，使其更具競(jìng)爭(zhēng)力。

本發(fā)明下述實(shí)施例中所使用的硼摻雜單晶硅薄膜材料來(lái)自于北京世紀(jì)金光半導(dǎo)體有限公司。

本發(fā)明下述實(shí)施例中所使用的高氯酸、過(guò)氧化氫、氫氟酸來(lái)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

本發(fā)明下述實(shí)施例中所使用的磷源40P452來(lái)自于美國(guó)FILMTRONICS公司。

本發(fā)明下述實(shí)施例中所使用的光刻機(jī)為OAI Mode1806 manual Front/Backside Contact Mask Aligner。

本發(fā)明下述實(shí)施例中所使用的EB-PVD為AJA ATC ORION Series Evaporation System。

本發(fā)明下述實(shí)施例中所使用的等離子體刻蝕機(jī)(DRIE)為TRION Deep Reactive Ion Etching System。

本發(fā)明下述實(shí)施例中所使用的退火爐為MTI OTF Tube Furnace。

實(shí)施例1

(1)將硼摻雜單晶硅薄膜材料(SOI)置于由80質(zhì)量份高氯酸和60質(zhì)量份過(guò)氧化氫混合而成的混合溶液中浸泡10分鐘，混合溶液的溫度為80℃，取出用去離子水沖洗干凈后烘干。

(2)將磷源40P452均勻的旋涂于SOI表面，先將其放置在100℃下加熱20分鐘，再將其放置在800℃的擴(kuò)散爐中擴(kuò)散5分鐘，得到半成品1。

(3)通過(guò)光刻機(jī)在半成品1表面制作分離孔模板，然后利用DRIE腐蝕表面單晶硅直到露出二氧化硅中間層，得到半成品2。

(4)將半成品2浸泡在質(zhì)量濃度為10％的氫氟酸溶液中24個(gè)小時(shí)，得到半成品3。

(5)通過(guò)EB-PVD系統(tǒng)在半成品3的底面制備厚度為50nm的納米薄膜鋁電極20，接著在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為400℃，退火時(shí)間為分鐘15分鐘，得到半成品4。

(6)通過(guò)光刻機(jī)在半成品4表面制備頂面電極的模板，再使用EB-PVD系統(tǒng)在半成品4表面沉積20nm的鉻納米薄膜，然后再在其表面沉積60nm的金納米薄膜，接著在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為350℃，退火時(shí)間為分鐘5分鐘。

(7)將制作好的帶有頂面金電極60和背面鋁電極20的太陽(yáng)能電池1轉(zhuǎn)移到PET基底10上，即得到一種柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1。

實(shí)施例2

(1)將硼摻雜單晶硅薄膜材料(SOI)置于由100質(zhì)量份高氯酸和40質(zhì)量份過(guò)氧化氫混合而成的混合溶液中浸泡30分鐘，混合溶液的溫度為50℃，取出用去離子水沖洗干凈后烘干。

(2)將磷源40P452均勻的旋涂于SOI表面，先將其放置在150℃下加熱10分鐘，再將其放置在1000℃的擴(kuò)散爐中擴(kuò)散2分鐘，得到半成品1。

(3)通過(guò)光刻機(jī)在半成品1表面制作分離孔模板，然后利用DRIE腐蝕表面單晶硅直到露出二氧化硅中間層，得到半成品2。

(4)將半成品2浸泡在質(zhì)量濃度為20％的氫氟酸溶液中12個(gè)小時(shí)，得到半成品3。

(5)通過(guò)EB-PVD系統(tǒng)在半成品3的底面制備厚度為80nm的納米薄膜鋁電極20，接著在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為350℃，退火時(shí)間為分鐘30分鐘，得到半成品4。

(6)通過(guò)光刻機(jī)在半成品4表面制備頂面電極的模板，再使用EB-PVD系統(tǒng)在半成品4表面沉積10nm的鉻納米薄膜，然后再在其表面沉積90nm的金納米薄膜，接著在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為300℃，退火時(shí)間為分鐘10分鐘。

(7)將制作好的帶有頂面金電極60和背面鋁電極20的太陽(yáng)能電池1轉(zhuǎn)移到柔性不銹鋼上，即得到一種柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1。

實(shí)施例3

(1)將硼摻雜單晶硅薄膜材料(SOI)置于由90質(zhì)量份高氯酸和50質(zhì)量份過(guò)氧化氫混合而成的混合溶液中浸泡20分鐘，混合溶液的溫度為70℃，取出用去離子水沖洗干凈后烘干。

(2)將磷源40P452均勻的旋涂于SOI表面，先將其放置在120℃下加熱15分鐘，再將其放置在900℃的擴(kuò)散爐中擴(kuò)散3分鐘，得到半成品1。

(3)通過(guò)光刻機(jī)在半成品1表面制作分離孔模板，然后利用DRIE腐蝕表面單晶硅直到露出二氧化硅中間層，得到半成品2。

(4)將半成品2浸泡在質(zhì)量濃度為15％的氫氟酸溶液中18個(gè)小時(shí)，得到半成品3。

(5)通過(guò)EB-PVD系統(tǒng)在半成品3的底面制備厚度為70nm的納米薄膜鋁電極20，接著在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為380℃，退火時(shí)間為分鐘20分鐘，得到半成品4。

(6)通過(guò)光刻機(jī)在半成品4表面制備頂面電極的模板，再使用EB-PVD系統(tǒng)在半成品4表面沉積15nm的鉻納米薄膜，然后再在其表面沉積80nm的金納米薄膜，接著在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行退火，退火溫度為320℃，退火時(shí)間為分鐘7分鐘。

(7)將制作好的帶有頂面金電極60和背面鋁電極20的太陽(yáng)能電池1轉(zhuǎn)移到其它柔性PDMS材料上，即得到一種柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1。

其中，實(shí)施例3制備的所述柔性單晶硅薄膜太陽(yáng)能電池1的性能測(cè)試結(jié)果如圖2所示。暗電流測(cè)試說(shuō)明所述薄膜太陽(yáng)能電池1的漏電流極小，PN結(jié)的質(zhì)量良好。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明要求的保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。