專利名稱：硅基納米氧化鋅粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能的結(jié)構(gòu)及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其制備方法，特別涉及一種硅基納米氧化鋅粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
能源問題是21世紀人類社會可持性續(xù)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)之一，全球總能耗主要來自煤、石油和天然氣等化石能源以及核能?；茉此a(chǎn)生的溫室氣體和其它有害物質(zhì)排放日益威脅人類的正常發(fā)展；核能雖然是一種綠色、環(huán)保的能源，但其自身潛在的高危特性是不允許有絲毫失誤。能源危機和環(huán)境污染問題的日益突出，要求開發(fā)高效、無污染的清潔能源。可利用的再生能源主要有風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、潮汐能以及太陽能等。同水能?風(fēng)能等相比，相當(dāng)全球總能量需求量3-4萬倍的太陽能，具有取之不盡、用之不竭、沒有污染，使用方便、不受地域限制和成本低廉等優(yōu)點，被列為各國科學(xué)家開發(fā)和利用的新能源之首。近年來，作為一種新型清潔太陽能能源的光伏應(yīng)用已展示了一幅非常廣闊的前景。20世紀90年代，我國光伏發(fā)電逐漸應(yīng)用到通信、農(nóng)村偏遠地區(qū)的發(fā)電、氣象和交通等多個領(lǐng)域， 并且以20%的速度增加。然而，盡管人們對各種類型的太陽能電池進行了多年的研究和開發(fā)，但大規(guī)模商業(yè)化的主要以硅太陽能電池為主。單晶硅太陽電池具有轉(zhuǎn)換效率高、壽命長和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但原料硅的品質(zhì)要求很高，加之其本身拉制工藝復(fù)雜，造成生產(chǎn)成本居高不下；多晶硅太陽能電池因所含雜質(zhì)、缺陷多而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅；而非晶硅太陽電池在長期光的輻照下，能量轉(zhuǎn)換效率容易發(fā)生衰退，影響其實際應(yīng)用。為降低太陽能電池的成本，除提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率外，尋求低價新型材料也是一個重要的途徑。已發(fā)展的新型材料種類很多，主要有GaAs、GaN, CdS和銅銦鎵硒等。雖然GaAs和GaN太陽電池雖在空間應(yīng)用中比硅太陽電池更有優(yōu)勢，但屬于III-V化合物，揮發(fā)性強、工藝復(fù)雜，制備成本高；CdS和銅銦鎵硒對人類具有一定的毒副作用，不適合綠色環(huán)保的發(fā)展需求。氧化鋅(ZnO)是一種新型六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的直接帶隙II-VI族半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為3. 37eV，激子束縛能高達60meV。ZnO以無毒性、儲量豐富、低價和優(yōu)異的光電性能等優(yōu)點，在聲表面波器件、氣敏元件和透明導(dǎo)電膜等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要制備方法有溶膠_凝膠法、激光脈沖法、化學(xué)氣相沉積法和磁控濺射法等。關(guān)于硅基ZnO薄膜的生長及發(fā)光性質(zhì)已有廣泛的研究，但對于ZnO/Si異質(zhì)結(jié)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機制的實驗和理論探索還僅處于起步階段，此方面報道的文獻也很少，且工藝復(fù)雜、成本較高、不容易大面積和批量生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種硅基納米ZnO粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)及其制備方法。該異質(zhì)結(jié)太陽能電池借助材料廉價、性能穩(wěn)定和工藝簡單等優(yōu)勢，有利于光伏太陽能電池的成本降低和推廣。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的
硅基納米氧化鋅粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池，包括N型區(qū)、P型區(qū)和封裝結(jié)構(gòu)三部分，N型區(qū)包括N型區(qū)玻璃襯底，N型區(qū)玻璃襯底上有透明電極，透明電極上有銀電極，P型區(qū)包括單側(cè)重摻雜的P型硅片，P型硅片重摻雜側(cè)表面上形成歐姆接觸的金屬薄膜電極，P 型區(qū)襯底，P型區(qū)襯底上的銀電極，透明電極和銀電極上設(shè)置的N型摻雜納米ZnO粉體薄膜， 所述的N型摻雜納米ZnO薄膜為納米粉體材料形成。所述電池中的PN結(jié)是由N型摻雜納米ZnO薄膜和P型硅片經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成緊密接觸的異質(zhì)結(jié)，N型區(qū)和P型區(qū)被封裝結(jié)構(gòu)封裝為硅基納米ZnO粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池。一種硅基納米ZnO粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備方法，按以下步驟實現(xiàn)(1)把N型雜質(zhì)和納米ZnO粉體按1 IO4-IO7比例摻混，用超聲波長時間分散到松油醇中，加入乙基纖維素加熱到60-120°C，攪拌直到乙基纖維素全部溶解，即形成N型摻雜的納米ZnO粉體分散體漿料；(2)采用絲網(wǎng)印刷工藝在透明導(dǎo)電玻璃上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)、打磨為平整的網(wǎng)格銀電極；隨后在帶有銀電極的透明電極上印刷或旋涂納米ZnO粉體漿料，經(jīng)燒結(jié)后形成納米ZnO粉體薄膜的N型區(qū)；(3)通過半導(dǎo)體工藝中的氧化、光刻和熱擴散、離子注入技術(shù)，在P型硅片的一側(cè)摻雜硼離子形成單側(cè)重摻雜區(qū)，并沉積金屬薄膜電極；(4)采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在P型區(qū)襯底上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)、打磨為平整的網(wǎng)格銀電極；隨后在P型區(qū)襯底的非工作區(qū)上涂抹低玻粉漿料；(5)采用高溫?zé)Y(jié)工藝，把光電極極板、重摻雜金屬化的P型硅片和背電極極板進行疊放，夾持上下極板，在高溫爐中氣體保護燒結(jié)2-3小時，溫度范圍為400-550°C。所述的N型雜質(zhì)為Al2O3或硼，透明導(dǎo)電玻璃為ITO或氧化鋅透明導(dǎo)電玻璃，保護氣體為氮氣或惰性氣體氬氣。本發(fā)明中用于光生伏特效應(yīng)的硅基納米氧化鋅粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池，把絲網(wǎng)印刷的N型摻雜ZnO粉體薄膜和P型硅片，在外加夾持力的作用下通過高溫?zé)Y(jié)，形成緊密接觸的異質(zhì)PN結(jié)；在N型區(qū)的透明電極和銀電極形成了太陽能電池的光電極；在P型區(qū)形成歐姆接觸的金屬薄膜和銀電極即為太陽能電池的背電極。因此，硅基納米氧化鋅粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池可應(yīng)用光伏發(fā)電領(lǐng)域。
圖1是本發(fā)明中納米粉體氧化鋅薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖2是本發(fā)明中粉體納米氧化鋅薄膜的小角度X射線衍射(XRD)圖譜。圖3是本發(fā)明中硅基納米氧化鋅粉體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步詳細說明。
具體實施例方式參照圖1所示，N型摻雜納米ZnO粉體漿料經(jīng)絲網(wǎng)印刷到N型區(qū)襯底，通過 300-600°C燒結(jié)后薄膜表面在大面積的范圍內(nèi)均勻性好、平整度高，上表面大部分ZnO粉體的顆粒粒徑在100-150nm之間，只有極少數(shù)的顆粒粒徑大于200nm ；薄膜表面上的有機粘合
4劑得到充分的分解與蒸發(fā)。參照圖2所示，絲網(wǎng)印刷Al2O3摻雜納米ZnO粉體薄膜在大氣中500°C恒溫?zé)Y(jié) 12011^11后，在2 9 =31.72° ,34. 36° ,36. 22° ,56. 52° 和 62. 84° 處有明顯的衍射峰出現(xiàn)，分別對應(yīng)的是ZnO的(100)、(002)、(101)、(110)和(103)晶面。說明絲網(wǎng)印刷Al2O3摻雜納米ZnO粉體薄膜主要成分為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。在樣品的XRD譜圖中沒有發(fā)現(xiàn)有Al2O3 特征峰的出現(xiàn)，說明Al2O3摻雜納米ZnO粉體薄膜經(jīng)高溫長時間燒結(jié)后，Al+3雜質(zhì)原子擴散到六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO晶格中代替了 Zn+2原子的位子，形成預(yù)期的N型摻雜納米ZnO半導(dǎo)體薄膜。參照圖3所示，本發(fā)明包括在N型區(qū)透明導(dǎo)電電極⑵上絲網(wǎng)印刷的N型摻雜納米氧化鋅粉體薄膜，P型區(qū)單側(cè)重摻雜且沉積金屬薄膜形成歐姆接觸的P型硅片(5)，兩者在高溫?zé)Y(jié)條件形成緊密接觸的異質(zhì)PN結(jié)以及低玻粉封裝方式(9)。1.N型區(qū)玻璃襯底； 2. N型區(qū)透明導(dǎo)電電極；3. N型區(qū)銀電極；4. N型區(qū)N型摻雜納米氧化鋅薄膜；5. P型區(qū)單側(cè)重摻雜P型硅片；6.歐姆接觸金屬薄膜電極；7. P型區(qū)銀電極；8. P型區(qū)襯底；9.封裝結(jié)構(gòu)。實施例1 具體的工藝包括以下幾個步驟(1)把一定摻混比例的納米Al2O3和ZnO粉體用超聲波長時間地分散到松油醇中， 加入乙基纖維素并用磁力攪拌器加熱到60-120°C，長時間地攪拌直到乙基纖維素全部溶解，即形成N型摻雜納米ZnO粉體分散體漿料；(2)采用絲網(wǎng)印刷工藝在ITO透明導(dǎo)電玻璃上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)、打磨為平滑的銀柵網(wǎng)格電極；再把納米ZnO粉體漿料印刷在N型區(qū)光電極上，經(jīng)燒結(jié)形成N型區(qū)的納米 ZnO粉體薄膜；(3)通過半導(dǎo)體工藝中的氧化、光刻和熱擴散等技術(shù)，在P型硅的單側(cè)熱擴散硼離子形成一個重摻雜區(qū)；隨后熱蒸發(fā)金屬薄膜形成歐姆接觸的電極；(4)采用絲網(wǎng)印刷工藝在P型區(qū)襯底上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)、打磨為平滑的銀柵網(wǎng)格電極；隨后，在普通玻璃上涂抹低玻粉進行300-450°C燒結(jié)；(5)按圖3順序把各個組件疊放，夾持光電極和背電極的極板，放進高溫爐保護氣體中400-550°C燒結(jié)2-3小時，使N型摻雜納米氧化鋅粉體薄膜和P型硅片形成緊密的接觸界面，使低玻粉有效地封裝器件。實施例2 (1)采用Sol-Gel法制備含ZnO透明膠狀，并按比例摻混一定的硼雜質(zhì)，強力長時間攪拌，形成N型摻雜的納米ZnO粉體溶膠；(2)采用絲網(wǎng)印刷工藝在ITO透明導(dǎo)電玻璃上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)后打磨為平滑的銀柵網(wǎng)格電極；再利用旋涂工藝在N型區(qū)導(dǎo)電襯底上多次旋涂一定厚度的納米ZnO溶膠薄膜，經(jīng)燒結(jié)形成N型摻雜納米ZnO粉體薄膜；(3)通過半導(dǎo)體工藝中的氧化、光刻和離子注入等技術(shù)，在P型硅的單側(cè)注入硼離子，形成一個重摻雜區(qū)；隨后磁控濺射沉積一層金屬薄膜電極；(4)采用絲網(wǎng)印刷在表面平整的陶瓷片上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)、打磨為平滑的銀柵網(wǎng)格電極；隨后，在非工作區(qū)涂抹低玻粉進行300-450°C燒結(jié)(5)按圖3順序把各個組件疊放，夾持光電極和背電極的極板，放進高溫爐保護氣體中400-550°C燒結(jié)2-3小時，使N型摻雜納米氧化鋅粉體薄膜和P型硅片形成緊密的接觸界面，使低玻粉有效地封裝器件。硅基納米ZnO粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池，包括N型摻雜納米ZnO粉體薄膜的玻璃襯底、單側(cè)P+-金屬結(jié)構(gòu)形成歐姆接觸的P型硅片、網(wǎng)格銀電極的P型區(qū)襯底。按照圖ι 從上到下具體的結(jié)構(gòu)是N型區(qū)玻璃襯底上設(shè)置透明導(dǎo)電薄膜，透明導(dǎo)電薄膜上絲網(wǎng)印刷的網(wǎng)格銀電極(光電極)、光電極上設(shè)置N型摻雜的納米ZnO粉體薄膜；ZnO薄膜和P型硅片形成的異質(zhì)PN結(jié)，P型硅片另一側(cè)為P+-金屬薄膜形成歐姆接觸的金屬電極；金屬薄膜和印刷銀電極的P型區(qū)襯底形成硅基納米ZnO粉體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的背電極。所述的透明電極為ITO電極或ZnO電極或其他透明導(dǎo)電薄膜。一種硅基納米氧化鋅粉體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備，按以下步驟實現(xiàn)(1)把一定摻混比例的N型雜質(zhì)和ZnO粉體用超聲波長時間地分散到松油醇中，加入乙基纖維素后用磁力攪拌器加熱到60-120°C，長時間攪拌直到乙基纖維素全部溶解，即形成N型摻雜的納米ZnO粉體分散體漿料；(2)采用絲網(wǎng)印刷工藝在ITO透明導(dǎo)電玻璃上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)、打磨為平滑的銀柵網(wǎng)格電極；再把納米ZnO粉體漿料印刷在導(dǎo)電襯底上，經(jīng)過燒結(jié)形成N型區(qū)的納米ZnO 粉體薄膜；(3)通過半導(dǎo)體工藝中的氧化、光刻和熱擴散等技術(shù)，在P型硅的一側(cè)擴散硼離子，形成單側(cè)重摻雜區(qū)；隨后沉積金屬薄膜形成歐姆接觸電極；(4)采用絲網(wǎng)印刷工藝在P型區(qū)襯底上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)、打磨為平滑的銀柵網(wǎng)格電極；隨后，在非工作區(qū)上涂抹低玻粉并進行300-420°C燒結(jié)；(5)采用高溫?zé)Y(jié)工藝，按圖3順序把各個組件疊放，夾持光電極和背電極之間的極板，放進高溫后在爐保護氣體中400-550°C燒結(jié)2-3小時，使納米氧化鋅粉體薄膜和P型硅片之間形成緊密接觸的界面結(jié)構(gòu)，并通過低玻粉有效地固定器件。
權(quán)利要求
1.硅基納米氧化鋅粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池，包括N型區(qū)、P型區(qū)和封裝結(jié)構(gòu)三部分，N型區(qū)包括N型區(qū)玻璃襯底(1)，N型區(qū)玻璃襯底(1)上有透明電極(2)，透明電極(2) 上有銀電極(3)，P型區(qū)包括單側(cè)重摻雜的P型硅片(5)，P型硅片(5)重摻雜側(cè)表面上形成歐姆接觸的金屬薄膜電極(6)，P型區(qū)襯底(8)，P型區(qū)襯底(8)上的銀電極(7)，其特征在于，透明電極⑵和銀電極⑶上設(shè)置的N型摻雜納米ZnO粉體薄膜(4)，所述的N型摻雜納米ZnO薄膜(4)為納米粉體材料形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基納米ZnO粉體薄膜異質(zhì)太陽能電池，其特征在于，所述電池中的PN結(jié)是由N型摻雜納米ZnO薄膜(4)和P型硅片(5)經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成緊密接觸的異質(zhì)結(jié)，N型區(qū)和P型區(qū)被封裝結(jié)構(gòu)(9)封裝為硅基納米ZnO粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基納米ZnO粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備方法， 其特征在于，按以下步驟實現(xiàn)(1)把N型雜質(zhì)和納米ZnO粉體按1 IO4-IO7比例摻混，用超聲波長時間分散到松油醇中，加入乙基纖維素加熱到60-120°C，攪拌直到乙基纖維素全部溶解，即形成N型摻雜的納米ZnO粉體分散體漿料；(2)采用絲網(wǎng)印刷工藝在透明導(dǎo)電玻璃上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)、打磨為平整的網(wǎng)格銀電極；隨后在帶有銀電極的透明電極上印刷或旋涂納米ZnO粉體漿料，經(jīng)燒結(jié)后形成納米ZnO 粉體薄膜的N型區(qū)；(3)通過半導(dǎo)體工藝中的氧化、光刻和熱擴散、離子注入技術(shù)，在P型硅片的一側(cè)摻雜硼離子形成單側(cè)重摻雜區(qū)，并沉積金屬薄膜電極；(4)采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在P型區(qū)襯底上印刷銀漿，高溫?zé)Y(jié)、打磨為平整的網(wǎng)格銀電極；隨后在P型區(qū)襯底的非工作區(qū)上涂抹低玻粉漿料；(5)采用高溫?zé)Y(jié)工藝，把光電極極板、重摻雜金屬化的P型硅片和背電極極板進行疊放，夾持上下極板，在高溫爐中氣體保護燒結(jié)2-3小時，溫度范圍為400-550°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基納米ZnO粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備，其特征在于，所述的N型雜質(zhì)為Al2O3或硼，透明導(dǎo)電玻璃為ITO或氧化鋅透明導(dǎo)電玻璃，保護氣體為氮氣或惰性氣體氬氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基納米氧化鋅粉體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽能的結(jié)構(gòu)及其制備，將N型雜質(zhì)摻混的納米ZnO粉體漿料絲網(wǎng)印刷在具有銀電極的透明電極上，燒結(jié)去除納米ZnO薄膜表面的有機試劑，形成N型摻雜納米ZnO粉體薄膜。在印刷網(wǎng)格狀銀電極的P型區(qū)襯底上涂抹封裝材料。按光電極極板、重摻雜金屬化的P型硅片和背電極極板進行疊放，夾持上下兩極板進行400-550℃的高溫?zé)Y(jié)，促使納米ZnO粉體薄膜和P型硅片之間緊密接觸，形成異質(zhì)的PN結(jié)太陽能電池。結(jié)果證明，該硅基納米ZnO粉體異質(zhì)結(jié)太陽能電池有較好的光伏性能，最大短路電壓可達300mV左右，為ZnO異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備開辟了一個新方案。
文檔編號H01L31/072GK102185001SQ20111009688
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者商世廣, 徐可為 申請人:西安交通大學(xué)