[發(fā)明專利]表面等離激元和界面場協(xié)同增強(qiáng)型單晶硅電池的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710449371.1
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN107240623B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周智全;胡斐;陸明
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18;B82Y30/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于光伏技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種表面等離激元和界面場協(xié)同增強(qiáng)型單晶硅電池的制備方法。本發(fā)明使用熱退火誘導(dǎo)法制備鑲嵌于二氧化硅上鈍化層中的金屬顆粒（直徑<100nm），在電池?zé)Y(jié)溫度下蒸鍍的金屬膜會熱收縮成納米顆粒，有效捕獲共振波長在近紫外附近的太陽光波段，產(chǎn)生光生電子空穴對，然后由二氧化硅鈍化層對n型硅的界面場效應(yīng)，將光生電子空穴對拉開，形成額外的光電流，提升電池的光電響應(yīng)；同時這種貴金屬前位嵌入結(jié)構(gòu)的二氧化硅，可以視作優(yōu)秀的場效應(yīng)鈍化層。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光伏技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單晶硅太陽能電池的制備方法。

背景技術(shù)

表面等離子體共振 （Surface plasmon resonance，SPR），又稱表面等離激元共振，是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，有關(guān)儀器和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)研究的重要工具。通過構(gòu)造一個由金屬納米顆粒組成的表面，實(shí)現(xiàn)局域場的表面等離子共振，入射到介質(zhì)表面的消逝波和金屬（納米顆粒）等離子體的本征波矢極易匹配，從而達(dá)成共振，于特定的波長處光吸收大大增強(qiáng)。

表面等離子體共振的現(xiàn)象理早在1902年便由Wood在實(shí)驗(yàn)室觀察到，但是很長一段時間內(nèi)，該現(xiàn)象都沒有能被很好地利用起來，最著名的利用當(dāng)屬上世紀(jì)七八十年代的表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS），近年來，SPR效應(yīng)逐漸又開始顯現(xiàn)出嶄新的活力，尤其是在提升太陽能電池效率等領(lǐng)域中有重大作用，被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。但是SPR效應(yīng)的作用距離相當(dāng)有限，往往只有幾十納米。因此SPR增強(qiáng)型太陽能電池多為非晶硅薄膜電池，而在襯底較厚的晶硅電池中運(yùn)用甚為困難。金屬的吸收增強(qiáng)不但無法有效作用至結(jié)區(qū)，而且一旦靠近結(jié)區(qū)，因金屬大多具有受熱霧狀擴(kuò)散效應(yīng)，在電池?zé)Y(jié)處理時會破壞PN結(jié)，引起開路電壓的下降。而且由于金屬本身在硅材料中作為一種深能級復(fù)合中心，將會引起短路電流的下降，影響到光電池的光電轉(zhuǎn)化性能。因此很多研究者往往將金屬大顆粒（直徑>100nm）置于電池外部甚至是電極外部，充分利用大尺寸表面等離激元的散射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)全波段減反射。然而這種方法實(shí)質(zhì)上收益不高，而且很容易被物理表面制絨、黑硅技術(shù)等新型減反射技術(shù)所替代。如何有效利用小尺寸表面等離激元的近場效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)提升特定波段，尤其是硅電池響應(yīng)較弱的近紫外、近紅外波段的光電性能，是一個非常有挑戰(zhàn)性的工藝和物理問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種表面等離激元和界面場協(xié)同增強(qiáng)作用的單晶硅太陽能電池的制備方法。

由于能產(chǎn)生SPR現(xiàn)象的介質(zhì)面被限定為有負(fù)且低介電系數(shù)的貴金屬，如金、銀，或鋁等非貴金屬。因而制備方法往往比較困難，典型的制備這些金屬納米顆粒的方法如物理法的高能離子注入，濕化學(xué)法的粒子交換，都需要特殊的儀器。本發(fā)明和傳統(tǒng)的單晶硅電池工藝匹配，使用熱退火誘導(dǎo)法制備鑲嵌于二氧化硅上鈍化層中的金屬顆粒（直徑<100nm），在電池?zé)Y(jié)溫度下蒸鍍的金屬膜會熱收縮成納米顆粒，有效捕獲共振波長在近紫外附近的太陽光波段，產(chǎn)生光生電子空穴對，然后由二氧化硅鈍化層對n型硅的界面場效應(yīng)，將光生電子空穴對拉開，形成額外的光電流，提升電池的光電響應(yīng)。其制備的具體步驟如下：

（1）選取兩面拋光的，電阻率為1-10Ω cm的單晶硅襯底；該單晶硅襯底體積可為10×10×0.2mm³-25×25×0.2mm³。

（2）將襯底浸沒于氫氟酸溶液中，去除表面的氧化層；氫氟酸溶液質(zhì)量濃度可為5%-10%。

（3）取出去氧化層的襯底，用氮?dú)鈽寣悠繁砻娲蹈桑M(jìn)行表面織構(gòu)化；具體可將其置于85℃-95℃的NaOH/Alcohol/H₂O (0.5g/200ml/200ml)混合溶液中10-20分鐘；

該步驟中，所述表面織構(gòu)化應(yīng)均勻，制絨硅表面應(yīng)有30%以下的反射率，例如為15-30%；

該步驟中，氮?dú)鈽岊^一般不選擇金屬材質(zhì)的，防止金屬離子或金屬原子滯留于硅襯底表面，影響少子器件性能。