基于硅薄膜和硅納米線異質(zhì)結(jié)的復(fù)合電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于硅薄膜和硅納米線異質(zhì)結(jié)的復(fù)合電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭以及生態(tài)環(huán)境的逐漸惡化，綠色可再生能源是解決能源與環(huán)境危機(jī)的關(guān)鍵。太陽(yáng)能作為地球上儲(chǔ)備最豐富的能源之一，成為人類利用的首選的可再生能源，因此，如何獲得低成本、高效率的太陽(yáng)能電池得到了研宄者的重視和關(guān)注。
[0003]太陽(yáng)能電池是通過(guò)半導(dǎo)體p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，目前，產(chǎn)業(yè)化的太陽(yáng)能電池以晶體硅和各種薄膜電池為主。其中，硅薄膜由于其原材料消耗少、能耗低、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而得到了快速的發(fā)展。近年來(lái)，具有半導(dǎo)體硅納米線結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池引起了人們的廣泛關(guān)注，由于其減反射以及強(qiáng)吸收的光學(xué)性質(zhì)和高載流子迀移率的電學(xué)性質(zhì)，使得硅納米線結(jié)構(gòu)已成為光伏材料的有力候選者。但是，由于硅納米線比表面積大，由其形成的硅納米線電池表面缺陷較多，使得單一的硅納米線電池效率與預(yù)期仍然存在一定的差距。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)【背景技術(shù)】存在的缺陷，提出了一種基于硅薄膜和硅納米線異質(zhì)結(jié)的復(fù)合電池，本發(fā)明提供的復(fù)合電池可同時(shí)提高電池的短路電流和開(kāi)路電壓，增加電池的轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)化電池的性能。
[0005]一種基于硅薄膜和硅納米線異質(zhì)結(jié)的復(fù)合電池，其特征在于，包括自下而上依次設(shè)置的襯底1、η型硅薄膜層2、第一本征硅薄膜層3、第一 P型硅薄膜層4、η型硅納米線陣列層5、第二本征硅薄膜層6、第二 P型硅薄膜層7和透明導(dǎo)電薄膜層8，其中，所述η型硅薄膜層2、第一本征硅薄膜層3、第一 P型硅薄膜層4自下而上依次平行設(shè)置于襯底I之上，所述η型硅納米線陣列層5中的硅納米線垂直于所述第一 P型硅薄膜層4，所述第二本征硅薄膜層6、第二 P型硅薄膜層7和透明導(dǎo)電薄膜層8自下而上依次覆蓋所述η型硅納米線陣列層5ο
[0006]進(jìn)一步地，所述η型娃薄膜層2的厚度為20?25nm ；
[0007]所述第一本征娃薄膜層3的厚度250nm?600nm ；
[0008]所述第一 P型娃薄膜層4的厚度1nm?20nm ；
[0009]所述第二本征娃薄膜層6的厚度為400nm?700nm ；
[0010]所述第二 P型娃薄膜層7的厚度為15nm?25nm。
[0011]一種上述基于硅薄膜和硅納米線異質(zhì)結(jié)的復(fù)合電池的制備方法，包括以下步驟:
[0012]步驟1:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在襯底I上依次沉積η型硅薄膜層2、第一本征硅薄膜層3、第一 P型硅薄膜層4 ;
[0013]步驟2:在步驟I得到的樣品表面采用磁控濺射法生長(zhǎng)摻錫氧化銦薄膜或氧化錫薄膜；
[0014]步驟3:n型硅納米線陣列層5的制備:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，在反應(yīng)腔室內(nèi)通入氫氣，對(duì)步驟2得到的樣品進(jìn)行H等離子體處理，得到生長(zhǎng)硅納米線的金屬催化劑納米顆粒(銦金屬或錫金屬)；然后在氫氣、硅烷和磷烷混合氣體氣氛下，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)η型硅納米線陣列層5 ;
[0015]步驟4:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在步驟3得到的η型硅納米線陣列層5表面依次沉積第二本征硅薄膜層6、第二 P型硅薄膜層7，形成硅納米線異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；
[0016]步驟5:采用磁控濺射法在步驟4所得的樣品表面生長(zhǎng)摻錫氧化銦透明薄膜電極，即得到所述復(fù)合電池。
[0017]進(jìn)一步地，上述步驟I中所述的襯底為導(dǎo)電玻璃或帶導(dǎo)電膜的柔性襯底，所述在襯底上沉積η型硅薄膜層2采用的方法為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，其中，反應(yīng)氣體及其體積比為氫氣:硅烷:磷烷=60:(5?10):(0.05?0.1)，反應(yīng)腔室中功率密度為
0.05W/cm2?0.2ff/cm 2，反應(yīng)氣體壓力10Pa?300Pa，反應(yīng)溫度為100?300°C，反應(yīng)時(shí)間為5min?lOmin，沉積得到的η型娃薄膜層2的厚度為20?25nm。
[0018]進(jìn)一步地，上述步驟I中所述沉積第一本征硅薄膜層3采用的方法為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，其中，反應(yīng)氣體及其體積比為氫氣:硅烷=60:(5?10)，反應(yīng)腔室中的功率密度為0.03W/cm2?0.lW/cm2，反應(yīng)氣體壓力為10Pa?250Pa，反應(yīng)溫度為100°C?2500C，反應(yīng)時(shí)間為40min?80min，沉積得到的第一本征娃薄膜層3的厚度250nm?600nm。
[0019]進(jìn)一步地，上述步驟I中所述沉積第一 P型硅薄膜層4采用的方法為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，其中，反應(yīng)氣體及其體積比為氫氣:硅烷:硼烷=60: (5?10): (0.02?0.1)，反應(yīng)腔室中的功率密度為0.8W/cm2?lW/cm2，反應(yīng)氣體壓力為200Pa?700Pa，反應(yīng)溫度為60°C?120°C，反應(yīng)時(shí)間為2min?6min，沉積得到的第一 p型娃薄膜層4的厚度1nm?20nmo
[0020]進(jìn)一步地，上述步驟3中所述沉積η型硅納米線陣列層5采用的方法為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，其中，反應(yīng)氣體及其體積比為氫氣:硅烷:磷烷=60: (5?10): (0.05 ?0.1) O
[0021]進(jìn)一步地，上述步驟4中所述在硅納米線陣列層5表面沉積第二本征硅薄膜層6采用的方法為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，其中，反應(yīng)氣體及其體積比為氫氣:硅烷=60: (5?10)，反應(yīng)腔室中的功率密度為0.01W/cm2?LOW/cm2，反應(yīng)氣體壓力為10Pa?300Pa，反應(yīng)溫度為100°C?250°C，反應(yīng)時(shí)間為70min?120min，沉積得到的第二本征硅薄膜層6的厚度為400nm?700nmo
[0022]進(jìn)一步地，上述步驟4中所述沉積第二 P型硅薄膜層7采用的方法為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，其中，反應(yīng)氣體及其體積比為氫氣:硅烷:硼烷=60: (5?10): (0.02?0.1)，反應(yīng)腔室中的功率密度為0.lW/cm2?l.0W/cm2，反應(yīng)氣體壓力為200Pa?700Pa，反應(yīng)溫度為70°C?150°C，反應(yīng)時(shí)間為2min?5min，沉積得到的第二 p型娃薄膜層7的厚度為15nm?25nm。
[0023]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明在nip硅薄膜電池的基礎(chǔ)上再依次生長(zhǎng)硅納米線陣列和硅薄膜形成異質(zhì)結(jié)電池，得到了基于硅薄膜和硅納米線異質(zhì)結(jié)的復(fù)合電池。本發(fā)明得到的復(fù)合電池可同時(shí)提高電池的短路電流和開(kāi)路電壓，能最大程度減小光反射，增強(qiáng)光吸收，提高電池的轉(zhuǎn)換效率；且本發(fā)明得到的復(fù)合電池采用硅納米線作為頂電池，可不用進(jìn)行表面減反設(shè)計(jì)，極大地降低了電池成本，對(duì)太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)和推廣利用帶來(lái)了重要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明提供的基于硅薄膜和硅納米線異質(zhì)結(jié)的復(fù)合電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]其中，I為襯底，2為η型硅薄膜層，3為第一本征硅薄膜層，4為第一 ρ型硅薄膜層，5為η型硅納米線陣列層，6為第二本征硅薄膜層，7為第二 ρ型硅薄膜層，8為透明導(dǎo)電薄膜層。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地介紹。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于硅薄膜和硅納米線異質(zhì)結(jié)的復(fù)合電池，包括自下而上設(shè)置的襯底1、η型硅薄膜層2、第一本征硅薄膜層3、第一 ρ型硅薄膜層4、η型硅納米線陣列層5、第二本征硅薄膜層6、第二 ρ型硅薄膜層7和透明導(dǎo)電薄膜層8，其中，所述η型硅薄膜層2、第一本征硅薄膜層3、第一 ρ型硅薄膜層4自下而上依次平行設(shè)置于襯底I之上，所述η型硅納米線陣列層5中的硅納米線垂直于所述第一 ρ型硅薄膜層4，所述第二本征硅薄膜層6、第二 ρ型硅薄膜層7和透明導(dǎo)電薄膜層8自下而上依次覆蓋所述η型硅納米線陣列層5。
[0028]其中，η型娃薄膜層2的厚度為20?25nm，第一本征娃薄膜層3的厚度為250nm?600nm，第一 ρ型娃薄膜層4的厚度1nm?20nm，第二本征娃薄膜層6的厚度為400nm?700nm，第二 ρ型娃薄膜層7的厚度為15nm?25nm。
[0029]本發(fā)明還提供了上述基于硅薄膜和硅納米線異質(zhì)結(jié)的復(fù)合電池的制備方法，包括以下步驟:
[0030]步驟1:將導(dǎo)電玻璃或帶導(dǎo)電膜的柔性襯底在去離子水、乙醇中超聲清洗3?5次，吹干后放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)的反應(yīng)腔室內(nèi)，對(duì)導(dǎo)電玻璃或帶導(dǎo)電膜的柔性襯底在300°C下進(jìn)行烘烤，烘烤完后抽真空至IX 10_4Pa以上；
[0031]步驟2:n型硅薄膜層2的制備:首先采用H等離子體對(duì)襯底表面進(jìn)行清潔；然后在氫氣、硅烷、磷烷混合氣體氣氛下、功率密度為0.05W/cm2?0.2W/cm2、反應(yīng)氣體壓力為10Pa?300Pa、反應(yīng)溫度為100°C?300°C條件下反應(yīng)5min?lOmin，得到厚度為20nm?25nm的η型硅薄膜層2，其中氫氣、硅烷、磷烷的體積比為60: (5?10): (0.05?0.1);
[0032]步驟3:第一本征硅薄膜層3的制備:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在步驟2得到的樣品表面沉積第一本征硅薄膜層3，其中，反應(yīng)氣體及其體積比為氫氣:硅烷=60:(5?10)，反應(yīng)腔室中的功率密度為0.03W/cm2?0.lW/cm 2，反應(yīng)氣體壓力為10Pa?250Pa，反應(yīng)溫度為100°C?250°C，反應(yīng)時(shí)間為40min?80min，沉積得到的第一本征硅薄膜層3的厚度250nm?600nm ；
[0033]步驟4:第一 ρ型硅薄膜層4的制備:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在步驟3得到的樣品表面沉積第一 P型硅薄膜層4，其中反應(yīng)氣體及