[发明专利]一种硅纳米线径向异质结太阳电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅纳米线径向异质结太阳电池的制备方法，属于光伏技术领域。

背景技术

传统平面结太阳电池的光吸收和载流子输运方向是平行的，两者同时还是一个矛盾体：要想充分吸收光，就必须要求材料要足够厚，而在电输运方面，为了能实现载流子的有效收集，要求材料要足够薄。这个缺点严重影响了传统平面结构太阳电池性能的进一步提高。因此，新型结构太阳电池的研究势在必行。在纳米线上制备径向p-n结太阳电池，不仅可以利用纳米线结构良好的陷光效果，还可以解决传统平面结太阳电池在光吸收和载流子输运方面存在的矛盾，可以大大提高载流子的收集效率，有望在廉价材料上实现高的光电转换效率。

目前，这种新结构的径向p-n结太阳电池的相关研究工作正在进行，但是目前产业化使用的高温扩散工艺难以在纳米线上制备径向p-n结太阳电池。本申请人提出了一种采用低温浅结掺杂工艺在硅纳米线上制备径向同质p-n结太阳电池的方法（专利公开号为CN201310395014），采用该工艺可以大大提高太阳电池的短路电流和转换效率。但是径向同质结太阳电池缺乏良好的界面钝化，表面复合比较严重，这使得太阳电池的开路电压并不是很高。薄膜硅/晶体硅异质结太阳电池是大家所公认的具有高开路电压特性的太阳电池，日本Panasonic公司报道的硅基异质结（HIT）太阳电池的开路电压已达到了750mV。将硅纳米线的结构和异质结结合起来，形成纳米线径向异质结太阳电池，可以结合异质结太阳电池开路电压高和径向p-n结太阳电池短路电流大等多方面的优点，具有重要的科研和应用价值。目前国际上有多家科研单位开始研究硅纳米线径向异质结太阳电池，也陆续地报道了一些结果，但是他们都是采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法制备非晶硅薄膜，这种方法不仅难以在纳米线上实现良好的非晶硅薄膜保角沉积，而且由于离子轰击、等离子体初期不稳定等问题，使得钝化效果不理想，所以至今报道的纳米线径向异质结太阳电池的开路电压还没有超过560mV，电池的转换效率都小于10%。

热丝化学气相沉积（HWCVD）技术具有低温沉积、实验过程易于控制、大量原子氢、无离子轰击和易于在纳（微）米结构上实现保角沉积等优点。更重要的是，热丝化学气相沉积技术比等离子体增强化学气相沉积的钝化能力更强，可以减少表面复合，十分适合在纳米线结构上制备性能优良的径向异质结太阳电池。

发明内容

本发明的目的是提出一种硅纳米线径向异质结太阳电池的制备方法，采用热丝化学气相沉积技术，钝化纳米线结构的表面，在纳米线上沉积高质量的本征和n型非晶硅薄膜，实现了非晶硅薄膜的保角沉积，以提高太阳电池的开路电压和转换效率。

本发明提出的硅纳米线径向异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用湿法腐蚀方法，在p型单晶硅片的上表面形成竖立的、直径为20～2000纳米、高度为100～10000纳米的纳米线，将上表面带有纳米线的硅片清洗干净；

（2）将步骤（1）得到的样品放入热蒸发设备的腔体中，在腔体内真空达到3×10^-4帕后，蒸发高纯铝，在样品下表面沉积一层厚度为1～2微米的金属铝薄膜；

（3）将步骤（2）得到的样品放入石英炉中，通入氮气和氧气的混合气体，其中氮气和氧气的体积比为95:5，在930℃下保持1小时，使样品下表面的金属铝薄膜形成铝背场层，样品的上表面形成热氧化层；

（4）将步骤（3）得到的样品水平放置，在保护样品下表面铝背场层不被破坏的前提下，在样品上表面滴加氢氟酸溶液，去除样品上表面的氧化层，氢氟酸溶液的体积百分比溶度为5～15%，处理时间为1～3分钟；

（5）将步骤（4）得到的样品放入热丝化学气相沉积设备的腔体内，用挡板遮挡样品，对腔体进行抽真空，当腔体真空达到3×10^-4帕后，点亮热丝，热丝的温度为1500～1800℃，通入氢气，氢气的流量为20标准毫升/分钟（sccm），在压强为1～20帕下，移开挡板，对样品进行原子氢处理，处理时间为0.5～3分钟，处理后，用挡板遮挡样品，关闭氢气；

（6）继续向腔体内通入氢气和硅烷，氢气流量为2标准毫升/分钟，硅烷流量为2标准毫升/分钟，在压强为1帕下，向腔体内壁覆盖本征非晶硅薄膜，覆盖时间为10分钟，然后移开挡板，向带有纳米线的硅片上表面沉积5～15纳米厚的本征非晶硅薄膜，沉积速率为0.1～0.4纳米/秒，沉积后，用挡板遮挡样品，关闭氢气和硅烷；