[发明专利]表面等离激元和界面场协同增强型单晶硅电池的制备方法

说明书

本发明属于光伏技术领域，具体为一种表面等离激元和界面场协同增强型单晶硅电池的制备方法。本发明使用热退火诱导法制备镶嵌于二氧化硅上钝化层中的金属颗粒（直径<100nm），在电池烧结温度下蒸镀的金属膜会热收缩成纳米颗粒，有效捕获共振波长在近紫外附近的太阳光波段，产生光生电子空穴对，然后由二氧化硅钝化层对n型硅的界面场效应，将光生电子空穴对拉开，形成额外的光电流，提升电池的光电响应；同时这种贵金属前位嵌入结构的二氧化硅，可以视作优秀的场效应钝化层。

技术领域

本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种单晶硅太阳能电池的制备方法。

背景技术

表面等离子体共振 （Surface plasmon resonance，SPR），又称表面等离激元共振，是一种物理光学现象，有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生物学研究的重要工具。通过构造一个由金属纳米颗粒组成的表面，实现局域场的表面等离子共振，入射到介质表面的消逝波和金属（纳米颗粒）等离子体的本征波矢极易匹配，从而达成共振，于特定的波长处光吸收大大增强。

表面等离子体共振的现象理早在1902年便由Wood在实验室观察到，但是很长一段时间内，该现象都没有能被很好地利用起来，最著名的利用当属上世纪七八十年代的表面增强拉曼散射（SERS），近年来，SPR效应逐渐又开始显现出崭新的活力，尤其是在提升太阳能电池效率等领域中有重大作用，被认为是一种极具发展潜力的技术。但是SPR效应的作用距离相当有限，往往只有几十纳米。因此SPR增强型太阳能电池多为非晶硅薄膜电池，而在衬底较厚的晶硅电池中运用甚为困难。金属的吸收增强不但无法有效作用至结区，而且一旦靠近结区，因金属大多具有受热雾状扩散效应，在电池烧结处理时会破坏PN结，引起开路电压的下降。而且由于金属本身在硅材料中作为一种深能级复合中心，将会引起短路电流的下降，影响到光电池的光电转化性能。因此很多研究者往往将金属大颗粒（直径>100nm）置于电池外部甚至是电极外部，充分利用大尺寸表面等离激元的散射效应，实现全波段减反射。然而这种方法实质上收益不高，而且很容易被物理表面制绒、黑硅技术等新型减反射技术所替代。如何有效利用小尺寸表面等离激元的近场效应，实现提升特定波段，尤其是硅电池响应较弱的近紫外、近红外波段的光电性能，是一个非常有挑战性的工艺和物理问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种表面等离激元和界面场协同增强作用的单晶硅太阳能电池的制备方法。

由于能产生SPR现象的介质面被限定为有负且低介电系数的贵金属，如金、银，或铝等非贵金属。因而制备方法往往比较困难，典型的制备这些金属纳米颗粒的方法如物理法的高能离子注入，湿化学法的粒子交换，都需要特殊的仪器。本发明和传统的单晶硅电池工艺匹配，使用热退火诱导法制备镶嵌于二氧化硅上钝化层中的金属颗粒（直径<100nm），在电池烧结温度下蒸镀的金属膜会热收缩成纳米颗粒，有效捕获共振波长在近紫外附近的太阳光波段，产生光生电子空穴对，然后由二氧化硅钝化层对n型硅的界面场效应，将光生电子空穴对拉开，形成额外的光电流，提升电池的光电响应。其制备的具体步骤如下：

（1）选取两面抛光的，电阻率为1-10Ω cm的单晶硅衬底；该单晶硅衬底体积可为10×10×0.2mm³-25×25×0.2mm³。

（2）将衬底浸没于氢氟酸溶液中，去除表面的氧化层；氢氟酸溶液质量浓度可为5%-10%。

（3）取出去氧化层的衬底，用氮气枪将样品表面吹干，进行表面织构化；具体可将其置于85℃-95℃的NaOH/Alcohol/H₂O (0.5g/200ml/200ml)混合溶液中10-20分钟；

该步骤中，所述表面织构化应均匀，制绒硅表面应有30%以下的反射率，例如为15-30%；

该步骤中，氮气枪头一般不选择金属材质的，防止金属离子或金属原子滞留于硅衬底表面，影响少子器件性能。