[發(fā)明專利]一種含有鈦雜質(zhì)中間帶的晶體硅材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310289506.4
• 申請日: 2013-07-11
• 公開（公告）號: CN103334155A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳朝;范寶殿;蔡麗晗;陳蓉
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: C30B29/06
• 分類號: C30B29/06;H01L31/0288
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及晶體硅材料，尤其是涉及一種含有鈦雜質(zhì)中間帶的晶體硅材料及其制備方法。

背景技術(shù)

21世紀(jì)，能源短缺和環(huán)境污染成為阻礙未來人類可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)正逐漸進入人類能源結(jié)構(gòu)，并將成為未來基礎(chǔ)能源的重要組成部分。由于硅材料具有原料豐富、性能良好、使用過程無污染等優(yōu)點，在可預(yù)見的未來硅材料和晶體硅太陽電池仍然是光伏發(fā)電的主流。

目前所廣泛使用的硅基太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率理論最大值僅為29%，其原因在于晶體硅太陽能電池不能將全部的太陽光能量轉(zhuǎn)換為電能。硅室溫下禁帶寬度為1.12eV，其光譜響應(yīng)的范圍在400～1100nm。即大于1100nm的紅外光不能有效地被晶體硅太陽電池吸收產(chǎn)生光電流。

提高硅太陽能電池對太陽光的利用率，已成為當(dāng)前廣泛關(guān)注的焦點。通過能帶工程引入新的能帶，提高硅材料對可見光范圍的吸收和拓展紅外吸收范圍是減少此類能量損失的有效途徑之一。為此可以在硅材料中通過引入過量的深能級雜質(zhì)，形成雜質(zhì)中間帶材料來實現(xiàn)紅外吸收的大幅提高。由此可以在不改變開路電壓的同時提高短路電流，從而大幅提高硅基中間帶太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

然而雜質(zhì)中間帶太陽能電池目前的技術(shù)瓶頸是深能級雜質(zhì)在硅中的固溶度遠(yuǎn)小于形成雜質(zhì)中間帶的Mott轉(zhuǎn)變濃度(5.9×10¹⁹cm^-3)([1]Luque?A?etal.,Physica?B382(2006)320–327)，因此都需要采用非平衡態(tài)技術(shù)才能實現(xiàn)。目前采用的非平衡態(tài)技術(shù)主要是離子注入和脈沖激光退火。雖然這兩種非平衡態(tài)技術(shù)能夠提高深能級雜質(zhì)元素在硅材料中的摻雜濃度，但是目前報道的注入深度還不能滿足制作太陽能電池的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種含有鈦雜質(zhì)中間帶的晶體硅材料及其制備方法。

所述含有鈦雜質(zhì)中間帶的晶體硅材料包括硅層和中間帶層，所述中間帶層位于硅層上表面，中間帶層的深度為0.2～1.0μm，注入濃度為6×10¹⁹-1×10²²cm^-3，中間帶層的波長范圍為1～3μm，紅外光的吸收系數(shù)超過1×10⁴～1×10⁵cm^-1，中間帶層的少子壽命為硅層材料少子壽命的5～20倍。

所述含有鈦雜質(zhì)中間帶的晶體硅材料的制備方法，包括以下步驟：

1）在硅片表面制備一層鈦薄膜；

2）把帶有鈦薄膜的硅片用激光輻照；

3）把激光輻照后的硅片進行退火處理；

4）將退火后的硅片進行腐蝕，制得含有鈦雜質(zhì)中間帶的晶體硅材料。

在步驟1）中，所述鈦薄膜的厚度可為30～300nm；所述在硅片表面制備一層鈦薄膜的方法可采用磁控濺射或蒸發(fā)鍍膜。

在步驟2）中，所述激光輻照的條件可為：采用YAG：Nd一維線型連續(xù)激光，激光器的電流為20～30A，掃描速率為3～10mm/s。

在步驟3）中，所述退火處理的溫度可為600～1000℃，退火處理的時間可為1～15min。

在步驟4）中，所述腐蝕可采用氫氟酸溶液，所述氫氟酸溶液的體積濃度可為1%～20%。

利用本發(fā)明所制得的含有鈦雜質(zhì)中間帶的晶體硅材料可以用來制備中間帶太陽電池或紅外探測器。該中間帶電池能明顯提高電池對紅外部分太陽光的利用率，減少電池的發(fā)熱，提高電池的熱穩(wěn)定性，進而可提高晶體硅太陽能電池對低能量光子利用率和光電轉(zhuǎn)換效率。該紅外探測器能明顯提高探測器在紅外波段的靈敏度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點：

本發(fā)明利用連續(xù)激光掃描制備有鈦薄膜的硅片，使鈦的注入濃度超過Mott轉(zhuǎn)變濃度，可形成雜質(zhì)中間帶。所制得的含有鈦雜質(zhì)中間帶的晶體硅材料不僅能提高通常硅材料的光吸收，更能通過在材料中增加中間帶實現(xiàn)雙光子過程，拓展光吸收波長范圍，使波長大于1100nm的紅外光也能被吸收產(chǎn)生電子空穴對。該材料的各項參數(shù)都滿足制作太陽能電池的要求，并且能夠在不改變電池開路電壓的同時增大短路電流。本發(fā)明可以與當(dāng)前的太陽能電池制備工藝相兼容，有利于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。利用該材料的紅外吸收特性，可以用來制備高靈敏紅外探測器。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所制得的含有鈦雜質(zhì)中間帶的晶體硅材料的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。