CN104576803B - 基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池及其制备方法。其包括N型硅衬底(6)和背面电极(7)；在N型硅衬底(6)的上表面通过干法刻蚀形成梯形形状；该梯形上依次通过转移形成GaN纳米线绒面层(5)、通过沉积形成本征多晶硅层(4)和P型多晶硅层(3)、通过溅射形成ITO氧化铟锡透明导电薄膜(2)，最终得到三维倒梯形整体结构；该结构顶端采用电子束蒸发形成正面电极(1)。所述GaN纳米线绒面层中每根GaN纳米线直径为50‑100nm，长度为10‑20μm，该层具有强烈的陷光特性，能够降低硅衬底表面的光反射率。本发明提高了器件对光子的吸收和利用，改善了太阳能电池的转换效率，可用于光伏发电。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，特别是涉及基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池，可用于光伏发电。
背景技术
由于太阳能丰富且清洁，对广泛的能源相关应用而言，光伏器件极具吸引力。然而，目前硅基和其他太阳能电池的光电转化效率低，使太阳能电池的成本较高，阻碍了其发展和应用。太阳能电池的光电转化率定义为太阳能电池的电输出与太阳能电池表面区域入射的太阳能之比。在实际太阳能电池的制作中，有很多因素限制着器件的性能，因而在太阳能电池的设计和材料的选择等方面必须考虑这些因素的影响。
为了提高太阳能电池的光电转化率，需要采用陷光技术。当光经过这些结构时，光束会发生散射，散射光以较大的入射角进入薄膜电池的吸收层，由于吸收层材料的折射系数通常比周围材质的折射率高，大角散射的光束在吸收层中易于发生全反射。全反射光束在吸收层中来回振荡，直至被吸收层吸收生成光生载流子。这样通过陷光技术，可以有效提高薄膜太阳能电池的光吸收，从而提高电池转化效率。
现有的太阳能电池表面的陷光结构通常采用三维倒梯形结构，剖面如图2所示。其结构自上而下分别为：正面电极1、ITO氧化铟锡透明导电薄膜2、P型多晶硅层3、本征多晶硅层4、N型硅衬底5、背面电极6。衬底表面通过湿法刻蚀，形成拥有三维倒梯形重复单元的表面，再在其上等离子体化学气相淀积PECVD本征多晶硅层和P型多晶硅层，形成具有三维倒梯形陷光结构的能量转换机构。当光入射电池表面光线会在其表面连续反射，增加光在电池表面陷光结构中的有效运动长度和反射次数，从而增大能量转换机构对光的吸收效率。但是这种结构由于绒面尺寸不均匀且分布较广，使得衬底表面缺陷密度大大增加，在正表面难以获得高质量的绒面陷光，不易降低衬底对光的反射系数。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，给出了一种基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池，降低硅衬底表面的光反射率，以提高太阳能电池对光子的吸收和利用。
为实现上述目的，本发明提出的基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池，包括N型硅衬底6和背面电极7，其中N型硅衬底6的上表面采用倒梯形形状，该倒梯形上依次层叠有本征多晶硅层4、P型多晶硅层3和ITO氧化铟锡透明导电薄膜2，形成三维倒梯形整体结构，该三维倒梯形整体结构的顶端设有正面电极1，其特征在于：本征多晶硅层4与N型硅衬底6之间增设有GaN纳米线绒面层5。
作为优选，所述的GaN纳米线绒面层5由相互交叉堆叠的GaN纳米线组成，每根GaN纳米线的直径为50-100nm，长度为10-20μm。
作为优选，所述的N型硅衬底6的厚度为200-400μm。
作为优选，所述的正面电极1采用金属银材料。
作为优选，所述的P型多晶硅层3和本征多晶硅层4的厚度均为10-15nm。
作为优选，所述的背面电极7采用金属铝材料。
为实现上述目的，本发明的制备方法包括如下步骤：
1)对N型硅衬底进行清洗；
2)采用干法刻蚀，在硅衬底表面形成倒梯形形状；
3)在表面形成倒梯形形状的N型硅衬底上表面制作GaN纳米线绒面层；
3a)取另一块硅衬底a，并在其上淀积5-10nm的金属Ni；
3b)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，升温至850-920℃，置于盛有0.5g纯度为99.999％的金属Ga的刚玉舟上方，再通入流量比为4:1氢气和氨气的混合气体，反应10-30分钟，在该硅衬底a上生长出一层GaN纳米线；
3c)将生长出GaN纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡20-30分钟，使GaN纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成GaN纳米线悬浮液；
3d)用滴管将GaN纳米线用溶液转移到具有倒梯形形状的N型硅衬底上表面，形成GaN纳米线层；
3e)将已经转移有GaN纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡5-10分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对GaN纳米线层进行清洗；
3f)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻蚀清洗过的GaN纳米线层，形成GaN纳米线绒面层，其刻蚀气体为SF6或CF4，刻蚀时间为2-5分钟。
4)在具有倒梯形形状的纳米线绒面层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积厚度为10-15nm的本征多晶硅层；
5)在具有倒梯形形状的本征多晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD淀积厚度为15-20nm的P型多晶硅层；
6)在具有具有倒梯形形状的P型多晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导电极，形成三维倒梯形整体结构；
7)在三维倒梯形整体结构顶端采用电子束蒸发工艺沉积金属银并刻蚀形成正面电极；
8)在N型硅衬底背面采用电子束蒸发工艺沉积金属铝形成太阳能电池的背面电极，完成基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池的制备。
本发明通过增加具有高表面积和高陷光特性的GaN纳米线绒面层，能够有效降低硅衬底对光的反射，提高太阳能电池对光子的吸收和利用，改善太阳能电池的转换效率。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图。
图2是现有拥有三维倒梯形陷光结构的太阳能电池结构图。
图3是本发明的制作工艺流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明包括正面电极1、ITO氧化铟锡透明导电薄膜2、P型多晶硅层3、本征多晶硅层4、GaN纳米线绒面层5、N型硅衬底6、背面电极7。其中N型硅衬底6的上表面采用梯形形状，GaN纳米线绒面层5、本征多晶硅层4、P型多晶硅层3和ITO氧化铟锡透明导电薄膜2依次层叠在该梯形上，形成三维倒梯形整体结构，正面电极1设在该三维倒梯形结构的顶端。所述正面电极1采用金属银材料；所述P型多晶硅层3和本征多晶硅层4的厚度均为10-15nm；所述GaN纳米线绒面层5是通过溶液转移至硅衬底6上而形成的相互交叉堆叠的GaN纳米线层，每根GaN纳米线的直径为50-100nm，长度为10-20μm，此绒面层具有强烈的陷光特性，能够有效的降低硅衬底表面的光反射率；所述N型硅衬底6的厚度为200-400nm；背面电极7采用金属铝材料。
以下给出制作基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池的三个实施例：
实施例1，制作每根GaN纳米线的直径为50nm，长度为10μm的GaN纳米线三维结构太阳能电池。
参照图3，本实例的制作步骤如下：
步骤1：清洗N型硅衬底，以去除表面污染物。
(1.1)使用丙酮和异丙醇对N型硅衬底交替进行超声波清洗，以去除衬底表面有机物污染；
(1.2)配置1：1：3的氨水、双氧水、去离子水的混合溶液，并加热至120℃，将N型硅衬底置于此混合溶液中浸泡12分钟，取出后用大量去离子水冲洗，以去除N型硅衬底表面无机污染物；
(1.3)将N型硅衬底用HF酸缓冲液浸泡2分钟，去除表面的氧化层。
步骤2：在N型硅衬底上表面刻蚀形成倒梯形形状。
采用干法刻蚀，在硅衬底表面形成深度为2μm三维倒梯形重复单元。干法刻蚀工艺参数为：RF功率为100W，氯气流量20ml/min，BCl3流量为8ml/min，Ar流量为5ml/min，反应腔内压强为10mTorr。
步骤3：在已形成倒梯形形状的N型硅衬底上表面制作GaN纳米线绒面层。
(3.1)取另一块硅衬底a，并在其上淀积5nm的金属Ni；
(3.2)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，置于盛有0.5g纯度为99.999％的金属Ga的刚玉舟上方，升温至850℃，再通入流量比为4:1氢气和氨气的混合气体，反应10分钟，在该硅衬底a上生长出一层GaN纳米线；
(3.3)将生长出GaN纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡20分钟，使GaN纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成GaN纳米线悬浮液；
(3.4)用滴管将GaN纳米线悬浮液转移到具有倒梯形形状的N型硅衬底上表面，形成GaN纳米线层；
(3.5)将已经转移有GaN纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡5分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对GaN纳米线层进行清洗；
(3.6)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻清洗过的GaN纳米线层，形成GaN纳米线绒面层，其刻蚀气体为SF6，刻蚀时间为2分钟。
步骤4：在具有倒梯形形状的纳米线绒面层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD工艺淀积厚度为10nm的本征多晶硅层，其沉积功率100W，SiF4与H2的气体流量比为50ml/min:10ml/min，SiH4流量为0.5ml/min，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤5：在具有倒梯形形状的本征多晶硅层上采用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度为10nm的P型多晶硅层，其沉积功率100W，SiF4与H2的气体流量比为50ml/min:10ml/min，SiH4流量为0.5ml/min，B2H6流量为0.5ml/min，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤6：在具有倒梯形形状的P型多晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明电极，形成三维倒梯形整体结构。
步骤7：在三维倒梯形整体结构顶端采用电子束蒸发工艺沉积金属银并刻蚀形成正面电极。
步骤8：在N型硅衬底背面采用电子束蒸发工艺沉积金属铝，形成太阳能电池的背面电极，完成基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池的制备。
实施例2，制作每根GaN纳米线的直径为80nm，长度为15μm的GaN纳米线三维结构太阳能电池。
参照图3，本实例的制作步骤如下：
步骤一：清洗N型硅衬底，以去除表面污染物。
本步骤与实施例1的步骤1相同。
步骤二：在N型硅衬底上表面刻蚀形成倒梯形形状。
采用干法刻蚀，在硅衬底表面形成深度为3μm三维倒梯形重复单元。干法刻蚀工艺参数为：RF功率为100W，氯气流量20ml/min，BCl3流量为8ml/min，Ar流量为5ml/min，反应腔内压强为10mTorr。
步骤三：在已形成倒梯形形状的N型硅衬底上表面制作GaN纳米线绒面层。
(3a)取另一块硅衬底a，并在其上淀积8nm的金属Ni；
(3b)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，置于盛有0.5g纯度为99.999％的金属Ga的刚玉舟上方，升温至885℃，再通入流量比为4:1氢气和氨气的混合气体，反应20分钟，在该硅衬底a上生长出一层GaN纳米线；
(3c)将生长出GaN纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡20分钟，使GaN纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成GaN纳米线悬浮液；
(3d)用滴管将GaN纳米线悬浮液转移到具有倒梯形形状的N型硅衬底上表面，形成GaN纳米线层；
(3e)将已经转移有GaN纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡5分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对GaN纳米线层进行清洗；
(3f)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻蚀清洗过的GaN纳米线层，形成GaN纳米线绒面层，其刻蚀气体为SF6，刻蚀时间为4分钟。
步骤四：在具有倒梯形形状的纳米线绒面层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD工艺淀积厚度为13nm的本征多晶硅层，其沉积功率100W，SiF4与H2的气体流量比为50ml/min:10ml/min，SiH4流量为0.6ml/min，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤五：在具有倒梯形形状的本征多晶硅层上采用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度为13nm的P型多晶硅层，其沉积功率100W，SiF4与H2的气体流量比为50ml/min:10ml/min，SiH4流量为0.6ml/min，B2H6流量为0.5ml/min，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
步骤六：与实施例1的步骤6相同。
步骤七：与实施例1的步骤7相同。
步骤八：与实施例1的步骤8相同，完成基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池的制备。
实施例3，制作每根GaN纳米线的直径为100nm，长度为20μm的GaN纳米线三维结构太阳能电池。
参照图3，本实例的制作步骤如下：
步骤A：清洗N型硅衬底，以去除表面污染物。
本步骤与实施例1的步骤1相同。
步骤B：在N型硅衬底上表面刻蚀形成倒梯形形状。
采用干法刻蚀，在硅衬底表面形成深度为4μm三维倒梯形重复单元。干法刻蚀工艺参数为：RF功率为100W，氯气流量20ml/min，BCl3流量为8ml/min，Ar流量为5ml/min，反应腔内压强为10mTorr。
步骤C：在已形成倒梯形形状的N型硅衬底上表面制作GaN纳米线绒面层。
(C.1)取另一块硅衬底a，并在其上淀积10nm的金属Ni；
(C.2)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，置于盛有0.5g纯度为99.999％的金属Ga的刚玉舟上方，升温至920℃，再通入流量比为4:1氢气和氨气的混合气体，反应30分钟，在该硅衬底a上生长出一层GaN纳米线；
(C.3)将生长出GaN纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡20分钟，使GaN纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成GaN纳米线悬浮液；
(C.4)用滴管将GaN纳米线悬浮液转移到具有倒梯形形状的N型硅衬底上表面，形成GaN纳米线层；
(C.5)将已经转移有GaN纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡5分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对GaN纳米线层进行清洗；
(C.6)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻蚀清洗过的GaN纳米线层，形成GaN纳米线绒面层，其刻蚀气体为CF4，刻蚀时间为5分钟。
步骤D：在具有倒梯形形状的纳米线绒面层上采用等离子体增强化学气相沉积PECVD工艺淀积厚度为15nm的本征多晶硅层，其沉积功率100W，SiF4与H2的气体流量比为50ml/min:10ml/min，SiH4流量为0.7ml/min，反应室压强为100Pa，基板温度为300℃。
步骤E：在具有倒梯形形状的本征多晶硅层上采用等离子体增强化学气相淀积PECVD淀积厚度为15nm的P型多晶硅层，其沉积功率100W，SiF4与H2的气体流量比为50ml/min:10ml/min，SiH4流量为0.7ml/min，B2H6流量为0.5ml/min，反应室压强为100Pa，基板温度为300℃。
步骤F：与实施例1的步骤6相同。
步骤G：与实施例1的步骤7相同。
步骤H：与实施例1的步骤8相同，完成基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池的制备。
Claims (5)
1.一种基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
1)对N型硅衬底进行清洗；
2)采用干法刻蚀，在硅衬底表面形成倒梯形形状；
3)在表面形成倒梯形形状的N型硅衬底上表面制作GaN纳米线绒面层；
3a)取另一块硅衬底a，并在其上淀积5-10nm的金属Ni；
3b)将淀积有金属Ni的硅衬底a放入CVD设备的反应腔中，升温至850-920℃，置于盛有0.5g纯度为99.999％的金属Ga的刚玉舟上方，再通入流量比为4:1氢气和氨气的混合气体，反应10-30分钟，在该硅衬底a上生长出一层GaN纳米线；
3c)将生长出GaN纳米线的硅衬底a置于酒精溶液超声震荡20-30分钟，使GaN纳米线脱离硅衬底a并溶解于酒精溶液中，形成GaN纳米线悬浮液；
3d)用滴管将GaN纳米线用溶液转移到具有倒梯形形状的N型硅衬底上表面，形成GaN纳米线层；
3e)将已经转移有GaN纳米线层的N型硅衬底置于浓硝酸中浸泡5-10分钟，再将其转移至体积比3：1的氨水与四甲基氢氧化铵TMAH溶液的混合液中，并通入纯度99.999％的高纯氧气，鼓泡30分钟对GaN纳米线层进行清洗；
3f)采用耦合离子刻蚀ICP工艺微刻蚀清洗过的GaN纳米线层，形成GaN纳米线绒面层；
4)在具有倒梯形形状的纳米线绒面层上采用等离子体增强化学气相沉积厚度为10-15nm的本征多晶硅层；
5)在具有倒梯形形状的本征多晶硅层上采用等离子体增强化学气相沉积厚度为15-20nm的P型多晶硅层；
6)在具有具有倒梯形形状的P型多晶硅层上采用磁控溅射沉积ITO氧化铟锡透明导电薄膜，作为透明导电极，形成三维倒梯形整体结构；
7)在三维倒梯形整体结构顶端采用电子束蒸发工艺沉积金属银并刻蚀形成正面电极；
8)在N型硅衬底背面采用电子束蒸发工艺沉积金属铝形成太阳能电池的背面电极，完成基于GaN纳米线三维结构的太阳能电池的制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)中所述的干法刻蚀，其工艺参数为：RF功率为100W，氯气流量20ml/min，BCl3流量为8ml/min，Ar流量为5ml/min，反应腔内压强为10mTorr。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3f)中所述的耦合离子刻蚀，其刻蚀气体为SF6或CF4，刻蚀时间为3-5分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤4)中所述的等离子体增强化学气相淀积，其工艺参数为：沉积功率100W，SiF4与H2的气体流量比为50ml/min:10ml/min，SiH4流量为0.5-0.7ml/min，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤5)中所述的等离子体增强化学气相沉积，其工艺参数为：沉积功率100W，SiF4与H2的气体流量比为50ml/min:10ml/min，SiH4流量为0.5-0.7ml/min，B2H6流量为0.5ml/min，反应室压强100Pa，基板温度300℃。
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