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一种应用于非晶Si太阳能电池的ZnO:Al绒面薄膜 【EN】A kind of ZnO:Al matte thin film being applied to amorphous Si solaode

申请(专利)号:CN201410271526.3国省代码:浙江 33
申请(专利权)人:【中文】浙江大学【EN】Zhejiang University
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摘要:
【中文】本发明公开了一种利用CH3COONH4溶液腐蚀制备的应用于非晶Si太阳能电池中的绒面ZnO:Al透明导电薄膜的方法。该类绒面ZnO:Al薄膜由磁控溅射方法制备,靶材由高纯度的ZnO粉末和Al2O3粉末按一定比例混合烧结而成,薄膜生长温度为400℃,溅射功率为200W,溅射时间为45min。其次利用CH3COONH4溶液腐蚀得到的表面具有陨石坑的绒面ZnO:Al薄膜,其中CH3COONH4溶液的浓度为0.5~7.0wt%,腐蚀时间为5~30min。最后利用等离子体化学气相沉积(PECVD)沉积太阳能电池的吸光层(pin-Si层)。本发明制备的绒面ZnO:Al薄膜具有制备方法简单,易于操作,并且可以作为很好的非晶Si太阳能电池中的散光层,有利于提高非晶Si太阳能电池的效率。 【EN】Paragraph:The invention discloses one and utilize CHImage:201410271526.GIF

主权项:
【中文】一种非晶Si太阳能电池的制备方法,其步骤如下:(1)按Zn1‑x AlxO化学式计量比,0.01≤X≤0.04,分别称取纯ZnO粉末和纯Al2O3粉末,将纯ZnO粉末和纯Al2O3粉末混合,研磨,在1000~1500℃烧结,制成ZnAlO基陶瓷靶材;(2)采用磁控溅射方法,以步骤(1)的陶瓷靶作为靶材,在经清洗的衬底上沉积一层ZnO:Al薄膜;沉积条件为:衬底和靶材的距离为80mm,生长室真空度在2×10‑3Pa以上,生长室通入纯Ar,控制压强为0.20Pa,调节溅射功率为200W,衬底温度为400℃,溅射时间为45min;(3)将步骤(2)所得的沉积在衬上的ZnO:Al薄膜置于质量浓度为0.5~7.0%的CH3COONH4溶液中腐蚀5~30min,得到表面分布有陨石坑的绒面ZnO:Al薄膜;(4)将步骤(3)所得的薄膜在450℃,Ar气氛中退火30min,然后采用等离子体化学气相沉积法在200℃下,按照以下条件依次沉积p‑i‑n层:a)通入SiH4,CH4,H2,B2H6反应气体沉积20nm p型硅碳薄膜,氢稀释比H2/SiH4为100∶1,SiH4与CH4流量比10∶1,沉积压力为100pa;b)通入SiH4,H2反应气体沉积300nm i型非晶Si层,H2/SiH4为10:1,沉积压强为100Pa;c)通入PH3、SiH4、H2气体沉积30nm n型非晶Si层,H2/SiH4为50:1;然后再镀上电极。 【EN】1. a preparation method for amorphous Si solaode, its step is as follows:


说明书

一种应用于非晶Si太阳能电池的ZnO:Al绒面薄膜

技术领域


本发明涉及一种应用于非晶Si太阳能电池的ZnO:Al绒面薄膜。


背景技术


目前的非晶Si基太阳能电池,自下而上依次包括衬底、透明导电薄膜、p


型非晶Si、i型非晶Si、n型非晶Si和电极。现在市场上广泛应用的透明导电薄


膜是ITO(In2O3:SnO2)和FTO(SnO2:F)材料,但由于地球上In的存储量很少,


而且Sn4+元素容易被氢等离子体还原为Sn2+,这些直接导致了ITO和FTO长远


应用的瓶颈。透明导电薄膜作为散射太阳光的窗口层,必须尽大可能散射太阳光,


提高光的利用率,从而提高电池的效率。其中一个最重要的方法就是使得透明导


电薄膜表面绒化,使其表面具有大小不均一的陨石坑结构,这样可以更有效地利


用太阳光。然而,作为最常用的湿化学处理方法,尤其使用HCl、HNO3、NaOH


等强酸强碱很难控制好薄膜表面的绒面结构。


发明内容


本发明的目的是提供一种方法简单,易于控制,成本低,光利用率高的非晶


Si太阳能电池及其制备方法。


本发明的非晶Si太阳能电池,自下而上依次包括衬底、透明导电薄膜、p型


非晶Si层、i型非晶Si层、n型非晶Si层和电极,其特征在于所述的透明导电


薄膜是表面分布有直径在50~400nm的陨石坑的绒面ZnO:Al透明导电薄膜。


上述的衬底可以是蓝宝石、石英或玻璃。


所述的电极可以是Al、Ti或Au。


非晶Si太阳能电池中p型非晶Si层的厚度为20nm、i型非晶Si层的厚度为


300nm、n型非晶Si层的厚度为30nm。


非晶Si太阳能电池的制备方法,其步骤如下:


(1)按Zn1-xAlxO化学式计量比,0.01≤X≤0.04,分别称取纯ZnO粉末和纯


Al2O3粉末,将纯ZnO粉末和纯Al2O3粉末混合,研磨,在1000~1500℃烧结,


制成ZnAlO基陶瓷靶材;


(2)采用磁控溅射方法,以步骤(1)的陶瓷靶作为靶材,在经清洗的衬底


上沉积一层ZnO:Al薄膜;沉积条件为:衬底和靶材的距离为80mm,生长室


真空度在2×10-3Pa以上,生长室通入纯Ar,控制压强为0.20Pa,调节溅射功率


为200W,衬底温度为400℃,溅射时间为45min;


(3)将步骤(2)所得的沉积在衬上的ZnO:Al薄膜置于质量浓度为0.5~


7.0%的CH3COONH4溶液中腐蚀5~30min,得到表面分布有陨石坑的绒面


ZnO:Al薄膜;


(4)将步骤(3)所得的薄膜在450℃,Ar气氛中退火30min,然后采用等


离子体化学气相沉积法在200℃下,按照以下条件依次沉积p-i-n层:a)通入SiH4,


CH4,H2,B2H6反应气体沉积20nmp型硅碳薄膜,氢稀释比H2/SiH4为100∶1,


SiH4与CH4流量比10∶1,沉积压力为100pa;b)通入SiH4,H2反应气体沉积


300nmi型非晶Si层,H2/SiH4为10:1,沉积压强为100Pa;c)通入PH3、SiH4


H2气体沉积30nmn型非晶Si层,H2/SiH4为50:1;然后再镀上电极。


本发明中,所使用的纯ZnO粉末和纯Al2O3粉末的纯度均为99.99%。


本发明的优点在于:


(1)由于绒面ZnO:Al透明导电薄膜,其表面是大小不一的陨石坑,因此能够


有效对可见光进行散射,增加太阳光的利用率。


(2)采用腐蚀方法制备绒面ZnO:Al透明导电薄膜重复性好,而且操作简便,


成本低。制备的绒面ZnO:Al透明导电薄膜透过率在85%以上,能够满足太阳


能电池器件的要求。


(3)利用绒面ZnO:Al透明导电薄膜作为非晶Si太阳能电池的窗口层,能够


有效提高太阳能电池器件的光转换效率。


附图说明


图1为本发明的非晶Si太阳能电池示意图。图中:1为衬底,2为绒面ZnO:


Al薄膜,3为p型非晶Si层,4为i型非晶Si层,5为n型非晶Si层,6为电极。


图2为ZnO:Al薄膜的扫描图。


图3为ZnO:Al薄膜的雾度图。


图4为非晶Si太阳能电池的电池效率图。


具体实施方式


以下结合附图及具体实例进一步说明本发明。


参照图1,本发明的非晶Si太阳能电池,自下而上依次包括衬底1、透明导


电薄膜2、p型非晶Si层3、i型非晶Si层4、n型非晶Si层5和电极6,其中透


明导电薄膜2是表面分布有直径在50~400nm的陨石坑的绒面ZnO:Al透明导


电薄膜。


实例1:


(1)按Zn0.96Al0.04O化学式计量比Zn:Al=0.96:0.04的比例,分别称取纯度为


99.99%的ZnO粉末45.00g,纯度为99.99%的Al2O3粉末1.1747g。将称量好的


ZnO粉末和Al2O3粉末倒入装有玛瑙球和乙醇的球磨罐中,在球磨机上球磨72


个小时,使粉末细化并且均匀混合。然后将原料分离出来80℃烘干24小时,


添加粘结剂研磨,压制成直径约3英寸,厚度3mm的圆片形。把成型的胚体放


入烧结炉中,在1300℃烧结8小时,得到所需的Zn0.96Al0.04O基陶瓷靶材。


(2)采用磁控溅射方法,以步骤(1)的陶瓷靶作为靶材,在经清洗的玻璃衬底


上沉积一层ZnO:Al薄膜。沉积条件为:衬底和靶材的距离为80mm,生长室


真空度为2×10-3Pa,生长室通入纯Ar,控制压强为0.20Pa,调节溅射功率为200


W,衬底温度为400℃,溅射时间为45min。


(3)将步骤(2)所得的ZnO:Al薄膜置于质量浓度为5.0%CH3COONH4溶液


中腐蚀20min,腐蚀后的扫描图见图2。由图可见,绒面已经形成,并且陨石坑


的直径在50~400nm,不均匀分布在绒面表面上。其雾度图见图3,由图可见在


550nm处的雾度值为27%,表明太阳光可以有效被该种绒面薄膜散射。


(4)将步骤(3)所得的薄膜在450℃,Ar气氛围中退火30min,然后采用等


离子体化学气相沉积法在200℃下,按照以下条件依次沉积pin层:a)通入SiH4,


CH4,H2,B2H6反应气体沉积20nmp型硅碳薄膜,氢稀释比H2/SiH4为100∶1,


SiH4与CH4流量比10∶1,沉积压力为100pa;b)通入SiH4,H2反应气体沉积


300nmi型非晶Si层,H2/SiH4为10:1,沉积压强为100Pa;c)通入PH3、SiH4


H2气体沉积30nmn型非晶Si层,H2/SiH4为50:1,然后再镀上Al电极。图4


为得到的非晶Si太阳能电池的电流-电压图,由图可见其光转换效率高达


10.75%,表面绒面成功起到散射太阳光的效果。


实例2:


(1)按Zn0.98Al0.02O化学式计量比Zn:Al=0.98:0.02的比例,分别称取纯度为


99.99%的ZnO粉末45.00g,纯度为99.99%的Al2O3粉末0.5873g。将称量好的


ZnO粉末和Al2O3粉末倒入装有玛瑙球和乙醇的球磨罐中,在球磨机上球磨72


个小时,使粉末细化并且均匀混合。然后将原料分离出来80℃烘干24小时,


添加粘结剂研磨,压制成直径约3英寸,厚度3mm的圆片形。把成型的胚体放


入烧结炉中,在1300℃烧结8小时,得到所需的Zn0.98Al0.02O基陶瓷靶材。


(2)采用磁控溅射方法,以步骤(1)的陶瓷靶作为靶材,在经清洗的玻璃衬底


上沉积一层ZnO:Al薄膜。沉积条件为:衬底和靶材的距离为80mm,生长室


真空度为2×10-3Pa,生长室通入纯Ar,控制压强为0.20Pa,调节溅射功率为200


W,衬底温度为400℃,溅射时间为45min。


(3)将步骤(2)所得的ZnO:Al薄膜置于质量浓度为3.0%CH3COONH4溶液


中腐蚀20min,得到表面分布有陨石坑的绒面ZnO:Al薄膜,陨石坑的直径在


50~300nm,并且不均匀分布在绒面表面上。其在550nm处的雾度值为6%。


(4)将步骤(3)所得的薄膜在450℃,Ar气氛围中退火30min,然后采用等


离子体化学气相沉积法在200℃下,按照以下条件依次沉积pin层:a)通入SiH4,


CH4,H2,B2H6反应气体沉积20nmp型硅碳薄膜,氢稀释比H2/SiH4为100∶1,


SiH4与CH4流量比10∶1,沉积压力为100pa;b)通入SiH4,H2反应气体沉积


300nmi型非晶Si层,H2/SiH4为10:1,沉积压强为100Pa;c)通入PH3、SiH4


H2气体沉积30nmn型非晶Si层,H2/SiH4为50:1,然后再镀上Au电极。所得


到的非晶Si太阳能电池的光转换效率为9.05%。


实例3:


(1)按Zn0.96Al0.04O化学式计量比Zn:Al=0.96:0.04的比例,分别称取纯度为


99.99%的ZnO粉末45.00g,纯度为99.99%的Al2O3粉末1.1747g。将称量好的


ZnO粉末和Al2O3粉末倒入装有玛瑙球和乙醇的球磨罐中,在球磨机上球磨72


个小时,使粉末细化并且均匀混合。然后将原料分离出来80℃烘干24小时,


添加粘结剂研磨,压制成直径约3英寸,厚度3mm的圆片形。把成型的胚体放


入烧结炉中,在1300℃烧结8小时,得到所需的Zn0.96Al0.04O基陶瓷靶材。


(2)采用磁控溅射方法,以步骤(1)的陶瓷靶作为靶材,在经清洗的蓝宝石衬


底上沉积一层ZnO:Al薄膜。沉积条件为:衬底和靶材的距离为80mm,生长


室真空度为2×10-3Pa,生长室通入纯Ar,控制压强为0.20Pa,调节溅射功率为


200W,衬底温度为400℃,溅射时间为45min。


(3)将步骤(2)所得的ZnO:Al薄膜置于质量浓度为5.0%CH3COONH4溶液


中腐蚀5min,得到表面分布有陨石坑的绒面ZnO:Al薄膜,陨石坑的直径在


50~350nm,并且不均匀分布在绒面表面上。其在550nm处的雾度值为9%。


(4)将步骤(3)所得的薄膜在450℃,Ar气氛围中退火30min,然后采用等


离子体化学气相沉积法在200℃下,按照以下条件依次沉积pin层:a)通入SiH4,


CH4,H2,B2H6反应气体沉积20nmp型硅碳薄膜,氢稀释比H2/SiH4为100∶1,


SiH4与CH4流量比10∶1,沉积压力为100pa;b)通入SiH4,H2反应气体沉积


300nmi型非晶Si层,H...

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图1
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