硅基异质结sis结构太阳电池的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体光电器件的制备方法，特别是涉及一种太阳电池的制备方法，应用于高效晶硅太阳能电池的制备技术、半导体光电器件技术和硅氧化物薄膜复合材料科学技术领域。
【背景技术】
[0002]T⑶/S1x/c-Si结构SIS异质结光电功能器件的原理起源于MIS结构器件，在20世纪70年代末被提出后，先后有大量的文献报道，选择了多种物理和化学制备方法，以及不同T⑶薄膜材料与晶硅衬底的组合。1978年，DeVisschere和Pauwels首先分析了SIS器件的光伏性能，并指出绝缘层在CUxS/CdS异质结中是有害的，而在金属氧化物/半导体吸收层中是有益的；后来Shewchun等人用SIS模型来分析ITO/Si异质结时，发现在该物理结的界面处存在娃氧化物绝缘层;接着Ghosh等人对Sn02/n-Si光伏电池作性能分析时，也可得出相似的结论。于是Wilson ff.Wenas等人于2006年对Zn0/Si02/Si太阳电池的载流子传输机理进行了理论分析后认为:少数载流子主要通过量子力学隧道过程穿过S1x势皇；当S1x层厚度在20 A左右时，该光伏器件将有最大的光电转化效率；当界面态密度增大时，转化效率将降低;ZnO掺杂浓度升高时，该器件的光电转化效率将提高;通过优化该器件的各项参数，获得最高转化效率将达到25%。2008年，0.Malik等人制备了IT0/Si0x/n-Si结构的太阳电池，其中ITO薄膜是用喷涂法制备，而硅表面的氧化层是将硅片放入热的双氧水溶液中形成。通过改变硅片浸入双氧水溶液的时间来改变氧化层厚度，分析得到当浸入时间为10分钟时，该器件在AMO时的转化效率达到10.8%，而在AMl.5时其转化效率达到12.5%。同期，采用p-型导电的晶硅片，Young Choi等人制备的n-ZnO/p-Si二极管表现出优异的整流特性。通过TEM和XPS对n-ZnO和p-Si界面表征发现，也存在S1Jl，此氧化硅层对器件的整流特性有直接的影响。如果S1x层过厚，则器件的反向漏电会增大，原因是这层自然氧化层中存在许多缺陷，致使该器件界面处的复合严重；如果S1Jl较薄时，反向电流趋近于零。如何制备稳定和质量优良的娃基异质结SIS(Semiconductor Insulator Semiconductor)结构成为提高太阳能电池转化效率亟待解决的技术难题。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种硅基异质结SIS结构太阳电池的制备方法，结合多功能S1x薄膜材料的磁控溅射沉积方法、低能离子束混合和固相反应方法、热蒸发金属电极工艺，制备了具有“半导体-绝缘体-半导体接触结构”的结构，降低了制备成本，避免了高温氧化，简化了工艺步骤，制备了新型硅基异质结SIS结构太阳电池，显示了较好的稳定性能和较高的光电转换效率。
[0004]为了达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案:
一种硅基异质结SIS结构太阳电池的制备方法，步骤如下:
a.采用η-型导电、晶向为(100)、电阻率为1.0?2.0Ω.cm且厚度为130?180 μπι的硅单晶片为衬底；
b.将在步骤a中选取的硅单晶片经化学清洗及表面制绒后，利用射频磁控溅射工艺在娃单晶片的正面上制备厚度为80?150 nm的ITO薄膜，形成透明半导体层;优选采用质量浓度为0.2-1.5 %的他0!1溶液作为腐蚀溶液，对经过化学清洗后的硅单晶片表面进行制绒，在硅单晶片表面形成绒面结构;优选在NaOH溶液中再加入质量比为0.2%的Na2S13配制成腐蚀溶液，并在对硅单晶片表面进行第一次制绒时使用；
c.在步骤b磁控溅射工艺过程中，同时在靶材上施加电位为600?800V的负偏压，使ITO靶材中的O离子在偏压加速下注入硅单晶片表面，在ITO薄膜和硅单晶片的界面处，将O离子注入硅单晶片的Si基体表层，使O离子与硅单晶片的浅层硅原子发生固相反应形成超薄S1x层，从而在ITO薄膜和硅单晶片之间形成超薄S1x薄膜，形成超薄绝缘层;超薄S1x薄膜的厚度优选通过控制施加在靶材上的负偏压的大小和时间负偏压的持续作用时间进行控制;优选制备超薄S1x薄膜的厚度为0.5-2.0 nm；
d.在步骤b溅射结束后，再利用热蒸发或掩膜方法，在ITO薄膜上制备图案化的Ag/Al栅电极作为前电极，在硅单晶片的背面上沉积制备Al电极作为背电极，从而最终制成具有IT0/Si0x/n-Si层状结构的硅基异质结SIS结构太阳电池片;将最终制备的硅基异质结SIS结构太阳电池片的边缘部分进行切割精整，得到成品太阳电池片。
[0005]本发明所得到的娃基异质结SIS(TC0/Si0x/n_Si)结构太阳电池，基于如下原理: 本发明制备的硅基异质结SIS结构太阳电池，采用ITO透明导电氧化物薄膜材料，半导体异质结光电器件理论、离子浅注入混合技术等先进方法与思路。其中，ITO薄膜因具有优异的电学和光学性质，可作为太阳电池的窗口层，既有利于载流子的横向传输，以适当增加栅电极间的距离而减少金属电极的遮光面积，又具有增透减反的作用，以降低光学反射造成的损失，进一步提高器件的短路电流。根据半导体异质结理论，制备出功函数较大的ITO薄膜，可有效增加开路电压。利用磁控溅射中特有离子浅注入混合技术，将O离子注入Si基体表层形成超薄S1x层。该超薄S1x层不仅可有效钝化Si基体表面的悬挂键减少界面复合，而且超薄S1x层中特有的O空位可增强光生载流子的隧穿，提高SIS结构太阳电池的转换效率。SIS结构太阳电池在光照下的传输特性为:n-Si基体在光照下，价带顶的电子吸收能量跃迀到导带底，产生电子-空穴对。电子-空穴对在内建电场作用下分离，向两个相反的方向传输。电子被n-Si背面的电极收集，而空穴则必须隧穿过S1x层被ITO收集。
[0006]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
I.本发明采用射频磁控溅射沉积ITO薄膜工艺、离子浅注入混合技术和热蒸发金属电极工艺，制备了具有IT0/Si0x/n-Si结构的新型硅基异质结SIS结构太阳电池，具有较高光伏转换效率；
2.本发明通过磁控溅射中离子浅注入混合技术形成的超薄S1x层不仅作为钝化层降低界面态，而且可增强光生空穴隧穿，提高SIS结构太阳电池的转换效率；
3.本发明制备的硅基异质结SIS结构太阳电池具有许多独特的优点，有一定的发展前途，并有推广应用之远景，从器件设计原理、模型数值计算和工艺优化的角度，本发明制备的器件的光电转换效率还有较大的提升余地。
【附图说明】
[0007]图1是本发明优选实施例制备的SIS结构太阳电池的结构示意图。
[0008]图2是本发明优选实施例制备的SIS结构太阳电池在光照下的电流-电压、输出功率特性曲线图。
[0009]图3是本发明优选实施例制备的SIS结构太阳电池ITO/Si界面高分辨TEM图。
[0010]图4是本发明优选实施例制备的SIS结构太阳电池内部元素化合态的XPS深度剖析图。
[0011 ]图5是本发明优选实施例制备的SI S结构太阳电池中ITO薄膜的载流子浓度对器件开路电压的影响关系图。
[0012]图6是本发明优选实施例制备的SIS结构太阳电池中电子和空穴隧穿因子对开路电压的影响关系图。
[0013]图7是本发明优选实施例制备的SIS结构太阳电池的外量子效率图。
[0014]图8是本发明优选实施例制备的SIS结构太阳电池的温度响应关系图。
[0015]图9是本发明优选实施例制备的SIS结构太阳电池的时间稳定性验证对比图。
【具体实施方式】
[0016]本发明的优选实施例详述如下:
在本实施例中，参见图1?9，一种硅基异质结SIS结构太阳电池的制备方法，步骤如下:
a.采用η-型导电、晶向为(100)、电阻率为1.0?2.0Ω.cm且厚度为130?180 μπι的硅单晶片为衬底；
b.米用标准RCA清洗方法对步骤a中选取的娃单晶片经化学清洗，在清洗时，先在75°C下将硅单晶片浸入NH40H、H202和H2O的混合质量比为1: 1:5的混合溶液中进行超声波清洗10分钟，再采用去离子水进行再次清洗，然后在75°C下再将硅单晶片浸入HCUH2O2和H2O的混合质量比为1: 1:6的另一混合溶液中超声波清洗10分钟；
c.硅片绒面制备:在85°C下将经过步骤b中清洗后的硅单晶片浸入NaOH和H2O的混合质量比为1.4:100的NaOH溶液中进行化学腐蚀40分钟，由于NaOH对硅单晶片腐蚀具有各向异性，能制备金字塔形绒面结构；对于第I次配液制绒，还需要在NaOH和H2O的质量比为1.4:100的NaOH溶液中再加入0.2%(质量比)的Na2S13配置混合溶液，来提高绒面制作效果，完成制绒后，再用去离子水对硅单晶片的制绒面进行冲洗；
d.将在步骤c中完成绒面制备的硅单晶片在HCl和H2O的混合质量比为1:6的稀盐酸中进行清洗，然后去离子水清洗，再将硅单晶片在质量百分比浓度为5%的HF溶液中清洗后表面自然氧化层，然后去离子水清洗单晶硅片表面，并采用氮气进行吹干，得到干燥的具有表面绒面结构的单晶硅片；
e.将经