硅基異質結sis結構太陽電池的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體光電器件的制備方法，特別是涉及一種太陽電池的制備方法，應用于高效晶硅太陽能電池的制備技術、半導體光電器件技術和硅氧化物薄膜復合材料科學技術領域。
【背景技術】
[0002]T⑶/S1x/c-Si結構SIS異質結光電功能器件的原理起源于MIS結構器件，在20世紀70年代末被提出后，先后有大量的文獻報道，選擇了多種物理和化學制備方法，以及不同T⑶薄膜材料與晶硅襯底的組合。1978年，DeVisschere和Pauwels首先分析了SIS器件的光伏性能，并指出絕緣層在CUxS/CdS異質結中是有害的，而在金屬氧化物/半導體吸收層中是有益的；后來Shewchun等人用SIS模型來分析ITO/Si異質結時，發現在該物理結的界面處存在娃氧化物絕緣層;接著Ghosh等人對Sn02/n-Si光伏電池作性能分析時，也可得出相似的結論。于是Wilson ff.Wenas等人于2006年對Zn0/Si02/Si太陽電池的載流子傳輸機理進行了理論分析后認為:少數載流子主要通過量子力學隧道過程穿過S1x勢皇；當S1x層厚度在20 A左右時，該光伏器件將有最大的光電轉化效率；當界面態密度增大時，轉化效率將降低;ZnO摻雜濃度升高時，該器件的光電轉化效率將提高;通過優化該器件的各項參數，獲得最高轉化效率將達到25%。2008年，0.Malik等人制備了IT0/Si0x/n-Si結構的太陽電池，其中ITO薄膜是用噴涂法制備，而硅表面的氧化層是將硅片放入熱的雙氧水溶液中形成。通過改變硅片浸入雙氧水溶液的時間來改變氧化層厚度，分析得到當浸入時間為10分鐘時，該器件在AMO時的轉化效率達到10.8%，而在AMl.5時其轉化效率達到12.5%。同期，采用p-型導電的晶硅片，Young Choi等人制備的n-ZnO/p-Si二極管表現出優異的整流特性。通過TEM和XPS對n-ZnO和p-Si界面表征發現，也存在S1Jl，此氧化硅層對器件的整流特性有直接的影響。如果S1x層過厚，則器件的反向漏電會增大，原因是這層自然氧化層中存在許多缺陷，致使該器件界面處的復合嚴重；如果S1Jl較薄時，反向電流趨近于零。如何制備穩定和質量優良的娃基異質結SIS(Semiconductor Insulator Semiconductor)結構成為提高太陽能電池轉化效率亟待解決的技術難題。
【發明內容】
[0003]為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的不足，提供一種硅基異質結SIS結構太陽電池的制備方法，結合多功能S1x薄膜材料的磁控濺射沉積方法、低能離子束混合和固相反應方法、熱蒸發金屬電極工藝，制備了具有“半導體-絕緣體-半導體接觸結構”的結構，降低了制備成本，避免了高溫氧化，簡化了工藝步驟，制備了新型硅基異質結SIS結構太陽電池，顯示了較好的穩定性能和較高的光電轉換效率。
[0004]為了達到上述發明目的，本發明采用如下技術方案:
一種硅基異質結SIS結構太陽電池的制備方法，步驟如下:
a.采用η-型導電、晶向為(100)、電阻率為1.0?2.0Ω.cm且厚度為130?180 μπι的硅單晶片為襯底；
b.將在步驟a中選取的硅單晶片經化學清洗及表面制絨后，利用射頻磁控濺射工藝在娃單晶片的正面上制備厚度為80?150 nm的ITO薄膜，形成透明半導體層;優選采用質量濃度為0.2-1.5 %的他0!1溶液作為腐蝕溶液，對經過化學清洗后的硅單晶片表面進行制絨，在硅單晶片表面形成絨面結構;優選在NaOH溶液中再加入質量比為0.2%的Na2S13配制成腐蝕溶液，并在對硅單晶片表面進行第一次制絨時使用；
c.在步驟b磁控濺射工藝過程中，同時在靶材上施加電位為600?800V的負偏壓，使ITO靶材中的O離子在偏壓加速下注入硅單晶片表面，在ITO薄膜和硅單晶片的界面處，將O離子注入硅單晶片的Si基體表層，使O離子與硅單晶片的淺層硅原子發生固相反應形成超薄S1x層，從而在ITO薄膜和硅單晶片之間形成超薄S1x薄膜，形成超薄絕緣層;超薄S1x薄膜的厚度優選通過控制施加在靶材上的負偏壓的大小和時間負偏壓的持續作用時間進行控制;優選制備超薄S1x薄膜的厚度為0.5-2.0 nm；
d.在步驟b濺射結束后，再利用熱蒸發或掩膜方法，在ITO薄膜上制備圖案化的Ag/Al柵電極作為前電極，在硅單晶片的背面上沉積制備Al電極作為背電極，從而最終制成具有IT0/Si0x/n-Si層狀結構的硅基異質結SIS結構太陽電池片;將最終制備的硅基異質結SIS結構太陽電池片的邊緣部分進行切割精整，得到成品太陽電池片。
[0005]本發明所得到的娃基異質結SIS(TC0/Si0x/n_Si)結構太陽電池，基于如下原理: 本發明制備的硅基異質結SIS結構太陽電池，采用ITO透明導電氧化物薄膜材料，半導體異質結光電器件理論、離子淺注入混合技術等先進方法與思路。其中，ITO薄膜因具有優異的電學和光學性質，可作為太陽電池的窗口層，既有利于載流子的橫向傳輸，以適當增加柵電極間的距離而減少金屬電極的遮光面積，又具有增透減反的作用，以降低光學反射造成的損失，進一步提高器件的短路電流。根據半導體異質結理論，制備出功函數較大的ITO薄膜，可有效增加開路電壓。利用磁控濺射中特有離子淺注入混合技術，將O離子注入Si基體表層形成超薄S1x層。該超薄S1x層不僅可有效鈍化Si基體表面的懸掛鍵減少界面復合，而且超薄S1x層中特有的O空位可增強光生載流子的隧穿，提高SIS結構太陽電池的轉換效率。SIS結構太陽電池在光照下的傳輸特性為:n-Si基體在光照下，價帶頂的電子吸收能量躍迀到導帶底，產生電子-空穴對。電子-空穴對在內建電場作用下分離，向兩個相反的方向傳輸。電子被n-Si背面的電極收集，而空穴則必須隧穿過S1x層被ITO收集。
[0006]本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點:
I.本發明采用射頻磁控濺射沉積ITO薄膜工藝、離子淺注入混合技術和熱蒸發金屬電極工藝，制備了具有IT0/Si0x/n-Si結構的新型硅基異質結SIS結構太陽電池，具有較高光伏轉換效率；
2.本發明通過磁控濺射中離子淺注入混合技術形成的超薄S1x層不僅作為鈍化層降低界面態，而且可增強光生空穴隧穿，提高SIS結構太陽電池的轉換效率；
3.本發明制備的硅基異質結SIS結構太陽電池具有許多獨特的優點，有一定的發展前途，并有推廣應用之遠景，從器件設計原理、模型數值計算和工藝優化的角度，本發明制備的器件的光電轉換效率還有較大的提升余地。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發明優選實施例制備的SIS結構太陽電池的結構示意圖。
[0008]圖2是本發明優選實施例制備的SIS結構太陽電池在光照下的電流-電壓、輸出功率特性曲線圖。
[0009]圖3是本發明優選實施例制備的SIS結構太陽電池ITO/Si界面高分辨TEM圖。
[0010]圖4是本發明優選實施例制備的SIS結構太陽電池內部元素化合態的XPS深度剖析圖。
[0011 ]圖5是本發明優選實施例制備的SI S結構太陽電池中ITO薄膜的載流子濃度對器件開路電壓的影響關系圖。
[0012]圖6是本發明優選實施例制備的SIS結構太陽電池中電子和空穴隧穿因子對開路電壓的影響關系圖。
[0013]圖7是本發明優選實施例制備的SIS結構太陽電池的外量子效率圖。
[0014]圖8是本發明優選實施例制備的SIS結構太陽電池的溫度響應關系圖。
[0015]圖9是本發明優選實施例制備的SIS結構太陽電池的時間穩定性驗證對比圖。
【具體實施方式】
[0016]本發明的優選實施例詳述如下:
在本實施例中，參見圖1?9，一種硅基異質結SIS結構太陽電池的制備方法，步驟如下:
a.采用η-型導電、晶向為(100)、電阻率為1.0?2.0Ω.cm且厚度為130?180 μπι的硅單晶片為襯底；
b.米用標準RCA清洗方法對步驟a中選取的娃單晶片經化學清洗，在清洗時，先在75°C下將硅單晶片浸入NH40H、H202和H2O的混合質量比為1: 1:5的混合溶液中進行超聲波清洗10分鐘，再采用去離子水進行再次清洗，然后在75°C下再將硅單晶片浸入HCUH2O2和H2O的混合質量比為1: 1:6的另一混合溶液中超聲波清洗10分鐘；
c.硅片絨面制備:在85°C下將經過步驟b中清洗后的硅單晶片浸入NaOH和H2O的混合質量比為1.4:100的NaOH溶液中進行化學腐蝕40分鐘，由于NaOH對硅單晶片腐蝕具有各向異性，能制備金字塔形絨面結構；對于第I次配液制絨，還需要在NaOH和H2O的質量比為1.4:100的NaOH溶液中再加入0.2%(質量比)的Na2S13配置混合溶液，來提高絨面制作效果，完成制絨后，再用去離子水對硅單晶片的制絨面進行沖洗；
d.將在步驟c中完成絨面制備的硅單晶片在HCl和H2O的混合質量比為1:6的稀鹽酸中進行清洗，然后去離子水清洗，再將硅單晶片在質量百分比濃度為5%的HF溶液中清洗后表面自然氧化層，然后去離子水清洗單晶硅片表面，并采用氮氣進行吹干，得到干燥的具有表面絨面結構的單晶硅片；
e.將經