一种WS₂/Si异质结太阳能电池制备方法

一种WS₂/Si异质结太阳能电池制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备二硫化钨/硅（WS2/Si）异质结太阳能电池的方法，主要工艺是：对p型单晶硅片清洗、制绒后置于PECVD系统中制备出本征非晶硅薄膜层；经WO3的硫化制备出WS2薄膜层；在其反面热蒸发金属铝背电极，正面采用电子束蒸发制备出钯薄膜构成上电极，得到异质结太阳能电池。该化学气相沉积方法可制备出面积大、分布均匀、高结晶性的纳米WS2薄膜材料，有很好的载流子迁移率和带隙可调控优点，且实验方法简单、工艺可控、易操作、成本较低、光电转换效率高，能够实现太阳能的有效转换。
【专利说明】
-种WS2/S i异质结太阳能电池制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于微电子及光电子技术领域，更具体地，设及一种二硫化鹤/娃异质结太 阳电池的制备工艺。
【背景技术】
[0002] 现今世界，资源、环境问题日益突出，全球能源危机和碳排放问题日趋严重，作为 清洁能源的太阳能，因其可再生性和无环境污染而成为当今各国大力开发的新能源，W太 阳能光电利用为标志的光伏产业得W迅猛发展，太阳能电池的研发便成为近年来发展最 快、最具有活力的领域之一。太阳能电池又称"太阳能忍片"或"光电池"，是一种可将能量转 换的光电元件，目前制约其发展的两个关键问题就是:提高转换效率和降低成本。
[0003] 太阳能电池是利用半导体材料的光伏效应原理把太阳光能转换为电能的一种装 置，娃是当前最常用的太阳能电池材料，由该材料制备的太阳能电池转换效率高，技术也相 对成熟。目前，虽然在太阳能电池中娃系太阳能电池是发展最成熟的，但由于成本居高不 下，严重影响到其大规模推广应用；随着技术的发展，现今的娃系太阳能电池，其效率近理 论极限，要想再进一步提高转换效率是非常困难的；因此，太阳能电池的发展离不开对新的 半导体材料的选择和制备工艺的改进。
[0004] 二硫化鹤(WS2 )的天然矿物为辉鹤矿，在自然界中较为稀少，主要通过化学方法制 取;因其具有抗福射性和良好的热稳定性及化学稳定性，是优良的半导体材料;层状结构的 WS2在可见光范围具有宽的带隙且带隙可调的物理性质、较高的载流子迁移率等特点，已成 为目前半导体材料领域研究的热点之一；由该材料与娃Si制备的WS2 / Si异质结太阳电池 具有优良的光伏效应，且具有工艺简单、易于操作等特点，在降低器件成本的同时，能有效 吸收转换太阳光。另外，已实现二硫化鹤薄层大尺寸、均匀制取，因此，WS2 / Si异质结太阳 能电池具有良好应用前景。

【发明内容】

[0005] 本发明所解决的问题在于提供一种二硫化鹤/娃异质结太阳能电池制备方法，实 现太阳能的有效转换。
[0006] -种二硫化鹤/娃异质结太阳能电池的制备，包括W下步骤： (1)采用丙酬溶液对单晶娃片进行超声清洗，去除娃片表面的有机污垢，并采用酒精对 所述娃片进行超声清洗去除所述娃片表面的丙酬，去离子水冲洗3次。
[0007] (2)采用缓冲蚀刻液B0E清洗上述娃片，去除表面氧化层，然后去离子水中冲洗，用 氮气吹干。清洗后的单晶娃片记作单晶娃片A。
[000引 （3)采用1.1~2 wt % NaOH和1~3 vol% IPA的混合溶液在70~90 °C条件下 腐蚀P型娃片A 15~26 min。绒面制备后表面成倒金字塔状结构的单晶娃片记作娃片B。 [0009 ] (4)在阳CVD系统中通入N也，用N也等离子轰击B表面，从而纯化B表面。流量控制在 20~30 seem,真空室压强保持在0.5~1.2 Pa。
[0010] (5)在阳CVD系统中通入SiH4,流量控制在30~60 seem,真空室压强保持在80~ lOOPa。时间2~4 min,功率80~150W，形成附有本征非晶娃薄膜的娃片C。
[00川 （6)将立氧化鹤粉末W03(lmg)分散在乙醇中，然后将其放在娃片C表面上。
[0012] (7)将盛有硫粉S(100mg~500mg)的石英舟置于加热炉石英管通风口上流低溫 区，溫度200~250°C，表面盛有W〇3的娃片C置于炉中央，向石英管充入保护气体Ar 10~ 15 minW排净空气，然后加热石英管至500°C~600°C。其中Ar气流量为10~100 seem。 [OOU] (8)保持上述Ar气流量不变，W 3 °C/min~5°C/min缓慢加热石英管至750~900 °C，恒溫5~30 min后冷却至室溫，形成附有WS2薄膜的娃片D。
[0014] (9)在上述娃片的反面热蒸发金属侣背电极，并在此气氛下退火。退火溫度为450 °C±20°C，退火处理时间为25~35 min;附有A1电极的娃片记作娃片E。
[0015] (10化正面含有二硫化鹤，其上采用电子束蒸发制备厚度为50~200nm的钮薄膜 构成上电极，形成异质结太阳能电池。
[0016] 其中，所述单晶娃片为P型单晶娃片，厚度150微米~300微米，电阻率0.2Ω，c皿~ 1.0 Ω ·畑。
[0017]其中，步骤(2)中，B0E液为体积比6:1的NH4F和HF混合溶液;其中氣化锭溶液的浓 度为35 wt%~45 wt%，氨氣酸溶液浓度为45 wt%~55 wt%。
[0018] 其中，步骤（6)中，金属氧化物W03的纯度为大于9 9.9 5%，硫粉S的纯度为大于 99.95%〇
[0019] 本发明提供了一种采用上述的制备方法获得的异质结太阳能电池，其特征在于， 从下往上依次为A1背电极、P型单晶娃、本征非晶娃薄膜、二硫化鹤薄层、Pd。
[0020] 其中所述金属A1背电极厚度为100~300纳米;P型单晶娃厚度为150微米~300 微米;本征非晶娃薄膜厚度2~8纳米;二硫化鹤薄层厚度为10~60纳米;Pd金属层厚度为 50~200纳米。
[0021] 本发明提供的制备方法能够得到大面积、均匀、高结晶性能的二硫化鹤层，与P型 单晶娃构成异质结构，将其应用于异质结太阳电池制备，可W有效实现光电转换。该方法简 单易行，成本较低，可控性强，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明实施例提供的WS2 / Si异质结电池结构示意图； 图2是WS2/ Si异质结太阳电池工艺流程图； 其中，1为金属Pd层，2为二硫化鹤膜，3为本征非晶娃层，4为P型单晶娃，5为A1背电极。
【具体实施方式】
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0024] 本发明提供了一种二硫化鹤/娃(WS2 / Si)异质结太阳能电池制备方法，化学气相 沉积(CVD)方法可制得大面积、均匀、高结晶质量薄层二硫化鹤，该材料具有较高的载流子 迁移率，且带隙可调控，制备的WS2 / Si异质结太阳电池具有工艺简单、成本低、光电转换效 率高等特点，在降低器件成本的同时，能够实现太阳能的有效转换。
[0025]图1是本发明实施例提供的WS2/ Si异质结电池结构示意图。本发明采用化学气相 沉积(CVD)制备二硫化鹤薄膜，与P型单晶娃构成异质结构，与传统晶体娃电池不同的是没 有高溫扩散渗杂工艺，电池制备工艺简单，可有效实现光电转换。
[00%]电池结构如图1所示，从下往上依次为A1背电极5、p型单晶娃薄膜4、本征非晶娃薄 膜3、二硫化鹤薄层2和Pd金属层1;所述金属A1背电极5厚度为100~300纳米;P型单晶娃4 厚度为150微米~300微米;本征非晶娃薄膜厚度2~8纳米;二硫化鹤薄层2厚度为10~ 60纳米;Pd金属层1厚度为50~200纳米。
[0027]本发明的WS2/ Si异质结太阳能电池的制备方法，包括W下步骤： (1)采用丙酬溶液对单晶娃片进行超声清洗后去除娃片表面的有机污垢，并采用酒精 对所述娃片进行超声清洗去除所述娃片表面的丙酬，用去离子水冲洗3次。其中单晶娃片厚 度150微米~300微米，电阻率0.2Ω.αη~Ι.ΟΩ.αη。
[00%] (2)采用NH4F、HF混合液在常溫下对上述娃片进行清洗，去除表面氧化层，然后在 去离子水中冲洗。其中氣化锭溶液的浓度为35 wt%~45 wt%，氨氣酸溶液浓度为45 wt%~ 55 wt%。清洗后的单晶娃片记作单晶娃片A。
[00巧] (3)采用1.1~2 wt % NaOH和1~3 vol% IPA的混合溶液在70~90 °C条件下 腐蚀P型娃片A 15~26 min。绒面制备后表面成倒金字塔状结构的单晶娃片记作娃片B。
[0030] (4)在阳CVD系统中通入N出，用N出等离子轰击B表面，从而纯化B表面。流量控制在 20~30 seem,真空室压强保持在0.5~1.2 Pa。
[0031] 上述工艺中丙酬、乙醇清洗后的单晶娃片经缓冲蚀刻液清洗时，娃片表面的自然 氧化层(Si〇2)被氨氣酸腐蚀，即HF作为主要的蚀刻液，NH4F则作为缓冲剂使用，利用NH4F控 制r的浓度，减缓腐蚀速度，使反应稳定匀速进行;在低真空环境下采用N、H离子纯化单晶 娃表面的悬挂键，降低界面态密度。
[0032] (5)在阳CVD系统中通入SiH4,流量控制在30~60 seem,真空室压强保持在80~ lOOPa。时间2~4 min,功率80~150W，形成附有本征非晶娃薄膜的娃片C。
[00削 （6)将；氧化鹤粉末W03(lmg)分散在乙醇中，然后将其放在娃片C表面上。
[0034] (7)将盛有硫粉S(100mg~500mg)的石英舟置于加热炉石英管通风口上流低溫 区，溫度200~250°C，表面盛有W〇3的娃片C置于炉中央，向石英管充入保护气体Ar 10~ 15 minW排净空气，然后加热石英管至500°C~600°C。其中Ar气流量为10~100 seem。 [00；3日](8)保持上述Ar气流量不变，W 3 °C/min~5°C/min缓慢加热石英管至750~900 °C，恒溫5~30 min后冷却至室溫，形成附有WS2薄膜的娃片D。
[0036] (9)在上述娃片的反面热蒸发金属侣背电极，并在此气氛下退火。退火溫度为450 °C±20°C，退火处理时间为25~35 min;附有A1电极的娃片记作娃片E。
[0037] (10化正面含有二硫化鹤，其上采用电子束蒸发制备厚度为50~200nm的钮薄膜 构成上电极，形成异质结太阳能电池。
[0038] 现借助具体实例进一步详细说明本发明提供的WS2 / Si异质结太阳能电池制备技 术： 实例1: (1)按上述方案完成单晶娃片的基本腐蚀与清洗。其中娃片厚度150μπι，电阻率0.2 Ω · cm ο
[0039] (2)在阳CVD系统中通入SiH4，流量30 seem,压强80 Pa，时间2 min,功率80W。
[0040] (3)将盛有硫粉S(lOOmg)的石英舟置于加热炉石英管通风口上流低溫区，溫度250 °C。表面盛有W化的娃片置于炉中央，向石英管充入保护气体Ar 10 minW排净空气，然后加 热石英管至600°C。其中Ar气流量为100 seem。
[0041] (4)保持上述Ar气流量不变，W 3°C/min缓慢加热石英管至750°C，恒溫5 min后冷 却至室溫。
[0042] 巧)在上层附有二硫化鹤的娃片背面热蒸发A1电极，厚度为100 nm。
[0043] (6)在上述二硫化鹤薄层上电子束蒸发沉积50 nm钮金属层，形成电极。
[0044] 实例2: (1)按上述方案完成单晶娃片的腐蚀与清洗。其中娃片厚度200μπι，电阻率0.5 Ω，(^!!!。
[0045] (2)在阳CVD系统中通入SiH4，流量40 seem,压强85 Pa，时间3 min,功率100W。
[0046] (3)将盛有硫粉S(200mg)的石英舟置于加热炉石英管通风口上流低溫区，溫度230 °C。表面盛有W化的娃片置于炉中央，向石英管充入保护气体Ar 15 minW排净空气，然后加 热石英管至550°C。其中Ar气流量为80 seem。
[0047] (4)保持上述Ar气流量不变，W~5°C/min缓慢加热石英管至825°C，恒溫10 min后 冷却至室溫。
[004引巧)在上层附有二硫化鹤的娃片背面热蒸发A1电极，厚度为150 nm。
[0049] (6)在上述二硫化鹤薄层上电子束蒸发沉积100 nm钮金属层，形成电极。
[0050] 实例3: (1)按上述方案完成单晶娃片的腐蚀与清洗。其中娃片厚度250μπι，电阻率0.8 Ω 'em。 [0化1] (2)在阳CVD系统中通入SiH4，流量50 seem,压强90 Pa，时间3 min,功率120W。
[0052] (3)将盛有硫粉S(300mg)的石英舟置于加热炉石英管通风口上流低溫区，溫度200 °C。表面盛有W化的娃片置于炉中央，向石英管充入保护气体Ar 10 minW排净空气，然后加 热石英管至550°C。其中Ar气流量为50 seem。
[0化3] (4)保持上述Ar气流量不变，W 5°C/min缓慢加热石英管至825°C，恒溫15 min后 冷却至室溫。
[0化4] (6)在上层附有二硫化鹤的娃片背面热蒸发A1电极，厚度为200 nm。
[0055] (7)在上述二硫化鹤薄层上电子束蒸发沉积150 nm钮金属层，形成电极。
[0056] 实例4: (1)按上述方案完成单晶娃片的腐蚀与清洗。其中娃片厚度300μπι，电阻率1.0 Ω，(^!!!。 [0化7] (2)在阳CVD系统中通入SiH4，流量60 seem,压强100 Pa，时间4 min,功率150W。
[005引 （3)将盛有硫粉S(400mg)的石英舟置于加热炉石英管通风口上流低溫区，溫度200 °C。表面盛有W化的娃片置于炉中央，向石英管充入保护气体Ar 10 minW排净空气，然后加 热石英管至500°C。其中Ar气流量为10 seem。
[0059] (4)保持上述Ar气流量不变，W 5°C/min缓慢加热石英管至850°C，恒溫30 min后 冷却至室溫。
[0060] (6)在上层附有二硫化鹤的娃片背面热蒸发A1电极，厚度为300 nm。
[0061] (7)在上述二硫化鹤薄层上电子束蒸发沉积200 nm钮金属层，形成电极。
[0062] 由于制备太阳能电池的步骤是相同的，各个实施例之间的区别仅仅是各个参数的 区别的，为了节省篇幅，上述实例仅仅给出了个别实施例中的参数;具体实例如下表1所示， 表1示出了异质结太阳能电池的制备方法实施例。
[0063] 表 1
[0064] 本发明公开了一种二硫化鹤/娃(WS2 / Si)异质结太阳能电池制备方法，利用化学 气相沉积(CVD)方法可制得大面积、均匀、高结晶质量层状二硫化鹤，该材料具有较高的载 流子迁移率，且带隙可调控，制备的WS2 / Si异质结太阳电池具有工艺简单、减少娃薄膜用 量等特点，在降低器件成本的同时，能够实现太阳能的有效转换。
[0065] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种WS2/ Si异质结太阳能电池制备方法，其特征在于，包括下述步骤： (1) 采用丙酮溶液对单晶硅片进行超声清洗，去除硅片表面的有机污垢，并采用酒精对 所述硅片进行超声清洗去除所述硅片表面的丙酮，去离子水冲洗3次； (2) 采用缓冲刻蚀液BOE清洗上述硅片，去除表面氧化层，然后去离子水冲洗，用氮气吹 干，清洗后的单晶硅片记作单晶硅片A; (3) 采用1.1~2 wt % NaOH和1~3 vol% IPA的混合溶液在70~90 °C条件下腐蚀P 型硅片A 15~26 min，进行绒面制备，表面形成倒金字塔状结构，该单晶硅片记作硅片B; (4) 在PECVD系统中通入NH3,流量控制在20~30 sccm，真空室压强保持在0.5~1.2 Pa，用NH3等离子轰击B表面从而钝化B表面； (5) 在PECVD系统中通入SiH4,流量控制在30~60 sccm，真空室压强保持在80~ lOOPa，时间2~4 min,功率80~150W，形成本征非晶硅薄膜，生长非晶硅薄膜的硅片记 为C; (6) 将lmg三氧化钨粉末W03分散在乙醇中，然后将其放在硅片C表面上； (7) 将盛有100mg~500mg硫粉S的石英舟置于加热炉石英管通风口上流低温区，温度 为200~250°C，表面盛有W0 3的硅片C置于炉中央，向石英管充入10~15 min保护气体Ar 以排净空气，然后加热石英管至500°C ~ 600°C，其中Ar气流量为10~100 seem; (8) 保持上述Ar气流量不变，以3 °C/min~5°C/min缓慢加热石英管至750~900 °C， 恒温5~30 min后冷却至室温，形成附有WS2薄膜的硅片D; (9) 在上述硅片中没有WS2薄膜的一面热蒸发金属铝背电极，并在H2气氛下退火，退火温 度为430~470°C，退火处理时间为25~35 min;附有A1电极的硅片记作硅片E; (10) 在E有WS2薄膜的一面，采用电子束蒸发制备厚度为50~200nm的钯薄膜构成上电 极，形成异质结太阳能电池。2. 如权利要求1所述的电池制备方法，其特征在于，所述B0E液为NH4F和HF体积比为6:1 的混合溶液，其中，氟化铵溶液的浓度为35 wt%~45 wt%，氢氟酸溶液浓度为45 wt%~55 Wt%〇3. 如权利要求1所述的电池制备方法，其特征在于，所述硅片为p型单晶硅片，厚度为 150微米~300微米，所述单晶硅片的电阻率为0·2Ω·〇η~1·0Ω·〇η。4. 如权利要求1所述的电池制备方法，其特征在于，金属氧化物W03的纯度为大于 99.95%，硫粉S的纯度为大于99.95%。5. -种异质结太阳能电池，其是采用权利要求1~4任一项所述的制备方法获得的，其 特征在于，从下往上依次为A1背电极、p型单晶硅、本征非晶硅薄膜、二硫化钨薄层、Pd金属 层。6. 如权利要求5所述的异质结太阳能电池，其特征在于，所述金属A1背电极厚度为100 ~300纳米，所述的p型单晶娃厚度为150微米~300微米，所述的本征非晶娃薄膜厚度2~ 8纳米，所述的二硫化妈薄层厚度为10~60纳米，所述的Pd金属层厚度为50~200纳米。
【文档编号】H01L31/074GK105870253SQ201610258405
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】曾祥斌, 王文照, 陈晓晓, 丁佳, 李寒剑, 徐素娥, 郭富城
【申请人】华中科技大学