专利名称：一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及氢化硅薄膜太阳电池开发技术领域，特指一种表面等离子体氢化硅薄 膜太阳电池，利用表面等离子体材料增强硅薄膜电池对光的吸收量，制备一种由表面等离 子体和硅薄膜完全匹配的单结、叠层氢化硅薄膜太阳电池体系。
背景技术：
半导体太阳电池是根据光生伏特效应把太阳光通过P-N结直接转换为电能的一 种能量转换器件，随着科学技术的提高，尤其近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工 艺也被应用于硅电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细 金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米，高度达到15微米以上， 快速热退火技术用于晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完 成，采用该工艺在100平方厘米的晶硅片上作出的电池转换效率超过14%;据报道，目前在 50 60微米晶硅衬底上制作的电池效率超过16%。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100 平方厘米多晶上效率超过17%，无机械刻槽在同样面积上效率达到16%，采用埋栅结构， 机械刻槽在130平方厘米的晶硅上电池效率达到15. 8% ；而氢化硅薄膜太阳电池转校效率 相对较低；目前在晶硅电池里，能量低于带隙的光子和能量高出带隙的光子仅这两项损失 就损失掉百分之六十几的光照能量，这个数字相当可观；在非晶硅电池里，这个数字应该略 有不同，但相信差不了多少，道理是一样的。研究人员正在寻求提升电池效率的方法；2008 年取得突破的技术是通过干法绒面优化上表面的结构和在外延层/衬底界面处插入一个 中间多孔硅反射镜。采用这两种方式仅可将太阳能电池的效率提升到约14%。
本发明提出创造一种被称为“表面等离子体”的微电干扰可以得到更好的效果。 当光照射到金属层时它能够在金属表面形成光波。这些电子光波在太阳能池表面像波纹一 样移动。如果金属是造成缺陷形式，射入的光能够使微波振动，因此可以有效地散射光，而 且，光在特定的共振色内这种散射过程更强，本发明根据表面等离子体和硅薄膜电池特点， 设计了一种由表面等离子体和硅薄膜完全匹配的单结、叠层氢化硅薄膜太阳电池体系，即 一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池(如图1 )，该结构薄膜电池相比普通氢化硅薄膜太 阳电池，增加了太阳光的吸收量，避免了电池直接暴露在空气当中，尤其有效阻止了来自自 然环境对电池的损害，如酸雨腐蚀、氧化等；并且该结构太阳电池稳定性能优越、电压输 出和电流输出都得到相应的提高，又可以根据需要制作成单结(图2和图3)、叠层等结构的 优点。发明内容
本发明的目的将具有表面效应的三维等离子体，应用于pin结构的氢化硅薄膜太 阳电池，以提高氢化硅薄膜太阳电池的整体性能，最终研制出一种由表面等离子体和氢化 硅薄膜完全匹配的单结、叠层氢化硅薄膜太阳电池，即表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池； 为保证太阳电池达到或接近光的完全吸收性，选用不同介电常数的纳米金属材料。它具有稳定性好、完全吸光特性、内阻损耗低、转换效率高、填充因子高以及/-K特性良好等优点。一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，包括ITO透明电极、ΖηΟ/Al背电 极，其特征在于从顶层到底层依次为ΙΤ0透明电极、周期为T的等离子体、氢化硅 薄膜和&!θ/Α1背电极；等离子体由纳米氧化铝或纳米银薄膜和纳米金薄膜组成，等 离子体对于入射光的反射率尽可能为零，等离子体和氢化硅薄膜中开有通孔，通孔 的直径R小于入射光最小入射波长的十份之一，通孔间距L大于等于通孔的直径( l.5R>L>R )。所述的等离子体对于入射光的反射率尽可能为零指使纳米氧化铝或纳米银薄膜 和纳米金薄膜满足完全匹配关系式￥ = 式中O"是金属的横向电导率，j是金属的横向磁导率；|%和/4分别是真空的介电常数和磁导率。所述入射光的波长范围为太阳光中可见光的波长范围。本发明解决其关键问题所采用的技术方案是根据不同薄膜制备技术，制备所需纳 米金属薄膜和半导体薄膜，按照本发明设计的电池结构(如图1所示)制定加工路线和加工 方案。其核心加工工艺如下1)衬底玻璃清洗；2)制备ITO透明电极；3)利用溅射工艺依次制备纳米氧化铝或纳米银薄膜、纳米金薄膜；以上纳米金属薄膜满足完全匹配关系式，式中〃是金属的横向电导率，ff是金属的横向磁导率；1 * 分别是真空的介电常数和磁导率.根据需要设计呈周期性排列结构，周期为r;4)利用等离子体化学气相沉积系统依次制备P、i、η薄膜层；如果电池为#结叠层电池，继续重复步骤2)至4)直至完成要求为止；5)采用激光打孔技术在上述步骤2广4)中制备的薄膜，进行激光钻孔(作为光路通道)。 为使光在孔口发生衍射现象，通孔的直径小于入射光最小入射波长的十份之一，通孔间距 尽可能接近通孔的直径；6)制备ZnO/Al背电极;7)进行太阳电池版刻蚀、采用键合装置，在真空环境下将透明玻璃与上述过程制备的 电池芯片进行键合。本发明的有益效果是设计表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，研制出稳定性好、 吸光完全、内阻损耗低、转换效率高、填充因子高以及/-K特性好的氢化硅薄膜太阳电池。
图1是本发明的等离子体氢化硅薄膜太阳电池芯片结构示意图；0，ITO电极；1，纳米氧化铝薄膜；2，纳米金薄膜；3，pin氢化硅薄膜；4，ZnO/Al 图2是本发明的pin氢化硅薄膜横向剖面图； 图3是本发明的单结等离子体氢化硅薄膜纵向剖面图。
具体实施方式
1.太阳电池的结构设计采用透明玻璃衬底，设计IT0/Al203/AU/p/i/n/Zn0/Al电池芯片结构，在两侧增加周期 性排列的等离子体，并与芯片薄膜形成完全匹配的三维等离子体硅薄膜电池。增加周期性 排列的表面等离子体，它表面存在的自由振动电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传 播的电子疏密波，这种利用表面等离子体效应的新型结构可有效提高氢化硅薄膜太阳电池 的光电转换效率。
2、氢化硅薄膜太阳电池的制备2.1衬底玻璃的清洗一、用比例为1:2 5的氨水、双氧水、去离子水混合煮沸5 10分钟；二、分别依次用甲苯、丙酮、酒精超声波清洗15分钟；三、用去离子水冲洗玻璃表面；四、用高纯氮气吹干。
2.2实验设备及实验材料实验设备PECVD沉积系统、超声波清洗设备、溅射台；实验材料浓度为5%高氢稀释硅烷、浓度为0. 5%高氢稀释硼烷、浓度为0. 5%高氢 稀释磷烷、氢气、氩气；丙酮、酒精、甲苯、棉絮、高纯氮气等。
2. 3 膜利用溅射技术制备透明电极为ΙΤ0。
2.4 等离子体层制备氧化铝或银薄膜氩气流量80sCCm，射频功率源激励100W，厚度5nm-20nm ； 金薄膜氩气流量80sCCm，射频功率源激励300W，厚度5nm-20nm。
2.5利用PECVD方法在透明电极上生长pin结构沉积条件本底真空在1. 6X 10_4Pa，射频功率在20(T300W (频率是13. 56 MHz)，沉积 温度在沘0 V，直流偏压200 V，反应压强200pa ；P层硅烷流量lOsccm，氢气流量90sccm，硼烷流量10 sccm，厚度大约80 nm ； i层硅烷流量lOsccm，氢气流量90sccm，厚度大约1000 nm-1200nm ； η层硅烷流量IOsccm，氢气流量90sccm，磷烷流量lOsccm，厚度大约80 nm。
2.6界面缺陷的处理PECVD沉积每层硅薄膜后进行15分钟的氢钝化处理，以降低表面载流子的复合率。
2.7背反射电极的制备在室温下利用掺铝ZnO靶材，通过控制氧气流量40-60SCCm，氩气80sCCm，利用直流电 源激励IOOV制备IOOnm厚度的氧化锌薄膜；然后改换铝靶，控制氩气流量SOsccm，直流电 压激励100V，厚度为300nm铝薄膜。
3、后续加工3.1 三维等离子体激光打孔本底真空2. O X IO-4Pa,对等离子体和氢化硅薄膜进行激光打孔，通孔直径R为20nm，孔 间距L为30nm。
3. 2电池刻蚀、键合加工本底真空1. OX 10_4Pa，以保证孔内形成真空状态。5
与普通单结结构氢化硅薄膜太阳电池相比，单节等离子体氢化硅薄膜太阳电池的 开路电压在1. 0V，短路电流30mA/cm2、转换效率提高至20%左右，填充因子基本不变。
权利要求
1.一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，包括ITO透明电极、氢化硅薄膜和&10/A1 背电极，其特征在于在ITO透明电极和氢化硅薄膜之间设有周期为T的等离子体；等离子 体由纳米氧化铝或纳米银薄膜和纳米金薄膜组成，等离子体对于入射光的反射率尽可能为 零，等离子体和氢化硅薄膜中开有通孔。
2.如权利要求1所述的一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，其特征在于所述通 孔的直径R小于入射光最小入射波长的十份之一，通孔间距L大于等于通孔的直径。
3.如权利要求1所述的一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，其特征在于所述的 等离子体对于入射光的反射率尽可能为零指使纳米氧化铝或纳米银薄膜和纳米金薄膜满足完全匹配关系式|=￥，式中tO Mo<^是金属的横向电导率，CTiw是金属的横向磁导率；而和夠分别是真空的介电常数和磁导率。
4.如权利要求2所述的一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，其特征在于所述通 孔间距 1.55>￡>i 。
5.如权利要求2所述的一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，其特征在于所述入 射光的波长范围为太阳光中可见光的波长范围。
全文摘要
本发明涉及氢化硅薄膜太阳电池开发技术领域，特指一种表面等离子体氢化硅薄膜太阳电池，其特征在于在ITO透明电极和氢化硅薄膜之间设有周期为T的等离子体；等离子体由纳米氧化铝或纳米银薄膜和纳米金薄膜组成，等离子体对于入射光的反射率尽可能为零，等离子体和氢化硅薄膜中开有通孔。本发明利用表面等离子体材料增强硅薄膜电池对光的吸收量，制备一种由表面等离子体和硅薄膜完全匹配的单结、叠层氢化硅薄膜太阳电池体系。
文档编号H01L31/042GK102044575SQ20101056996
公开日2011年5月4日 申请日期2010年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者丁建宁, 祝俊, 程广贵, 郭立强 申请人:江苏大学