CN102185001B - 硅基纳米氧化锌粉体薄膜异质结太阳能的结构及其制备 - Google Patents

硅基纳米氧化锌粉体薄膜异质结太阳能的结构及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基纳米氧化锌粉体薄膜异质结太阳能的结构及其制备，将N型杂质掺混的纳米ZnO粉体浆料丝网印刷在具有银电极的透明电极上，烧结去除纳米ZnO薄膜表面的有机试剂，形成N型掺杂纳米ZnO粉体薄膜。在印刷网格状银电极的P型区衬底上涂抹封装材料。按光电极极板、重掺杂金属化的P型硅片和背电极极板进行叠放，夹持上下两极板进行400-550℃的高温烧结，促使纳米ZnO粉体薄膜和P型硅片之间紧密接触，形成异质的PN结太阳能电池。结果证明，该硅基纳米ZnO粉体异质结太阳能电池有较好的光伏性能，最大短路电压可达300mV左右，为ZnO异质结太阳能电池的制备开辟了一个新方案。

Description

硅基纳米氧化锌粉体薄膜异质结太阳能的结构及其制备
技术领域
本发明涉及一种异质结太阳能电池的结构及其制备方法，特别涉及一种硅基纳米氧化锌粉体薄膜异质结太阳能电池的结构及其制备方法。
背景技术
能源问题是21世纪人类社会可持性续发展所面临的重大挑战之一，全球总能耗主要来自煤、石油和天然气等化石能源以及核能。化石能源所产生的温室气体和其它有害物质排放日益威胁人类的正常发展；核能虽然是一种绿色、环保的能源，但其自身潜在的高危特性是不允许有丝毫失误。能源危机和环境污染问题的日益突出，要求开发高效、无污染的清洁能源。可利用的再生能源主要有风能、水能、地热能、潮汐能以及太阳能等。同水能、风能等相比，相当全球总能量需求量3-4万倍的太阳能，具有取之不尽、用之不竭、没有污染，使用方便、不受地域限制和成本低廉等优点，被列为各国科学家开发和利用的新能源之首。近年来，作为一种新型清洁太阳能能源的光伏应用已展示了一幅非常广阔的前景。20世纪90年代，我国光伏发电逐渐应用到通信、农村偏远地区的发电、气象和交通等多个领域，并且以20％的速度增加。然而，尽管人们对各种类型的太阳能电池进行了多年的研究和开发，但大规模商业化的主要以硅太阳能电池为主。单晶硅太阳电池具有转换效率高、寿命长和性能稳定等优点，但原料硅的品质要求很高，加之其本身拉制工艺复杂，造成生产成本居高不下；多晶硅太阳能电池因所含杂质、缺陷多而导致转换效率低于单晶硅；而非晶硅太阳电池在长期光的辐照下，能量转换效率容易发生衰退，影响其实际应用。为降低太阳能电池的成本，除提高太阳能电池的转化效率外，寻求低价新型材料也是一个重要的途径。已发展的新型材料种类很多，主要有GaAs、GaN、CdS和铜铟镓硒等。虽然GaAs和GaN太阳电池虽在空间应用中比硅太阳电池更有优势，但属于III-V化合物，挥发性强、工艺复杂，制备成本高；CdS和铜铟镓硒对人类具有一定的毒副作用，不适合绿色环保的发展需求。
氧化锌(ZnO)是一种新型六方纤锌矿结构的直接带隙II-VI族半导体材料，室温下的禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV。ZnO以无毒性、储量丰富、低价和优异的光电性能等优点，在声表面波器件、气敏元件和透明导电膜等领域有着广泛的应用，主要制备方法有溶胶-凝胶法、激光脉冲法、化学气相沉积法和磁控溅射法等。关于硅基ZnO薄膜的生长及发光性质已有广泛的研究，但对于ZnO/Si异质结太阳能电池的光电转换机制的实验和理论探索还仅处于起步阶段，此方面报道的文献也很少，且工艺复杂、成本较高、不容易大面积和批量生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种硅基纳米ZnO粉体薄膜异质结太阳能电池的结构及其制备方法。该异质结太阳能电池借助材料廉价、性能稳定和工艺简单等优势，有利于光伏太阳能电池的成本降低和推广。
本发明的技术方案是这样实现的：
硅基纳米氧化锌粉体薄膜异质结太阳能电池，包括N型区、P型区和封装结构三部分，N型区包括N型区玻璃衬底，N型区玻璃衬底上有透明电极，透明电极上有银电极，P型区包括单侧重掺杂的P型硅片，P型硅片重掺杂侧表面上形成欧姆接触的金属薄膜电极，P型区衬底，P型区衬底上的银电极，透明电极和银电极上设置的N型掺杂纳米ZnO粉体薄膜，所述的N型掺杂纳米ZnO薄膜为纳米粉体材料形成。
所述电池中的PN结是由N型掺杂纳米ZnO薄膜和P型硅片经高温烧结后形成紧密接触的异质结，N型区和P型区被封装结构封装为硅基纳米ZnO粉体薄膜异质结太阳能电池。
一种硅基纳米ZnO粉体薄膜异质结太阳能电池的制备方法，按以下步骤实现：
(1)把N型杂质和纳米ZnO粉体按1∶104-107比例掺混，用超声波长时间分散到松油醇中，加入乙基纤维素加热到60-120℃，搅拌直到乙基纤维素全部溶解，即形成N型掺杂的纳米ZnO粉体分散体浆料；
(2)采用丝网印刷工艺在透明导电玻璃上印刷银浆，高温烧结、打磨为平整的网格银电极；随后在带有银电极的透明电极上印刷或旋涂纳米ZnO粉体浆料，经烧结后形成纳米ZnO粉体薄膜的N型区；
(3)通过半导体工艺中的氧化、光刻和热扩散、离子注入技术，在P型硅片的一侧掺杂硼离子形成单侧重掺杂区，并沉积金属薄膜电极；
(4)采用丝网印刷技术在P型区衬底上印刷银浆，高温烧结、打磨为平整的网格银电极；随后在P型区衬底的非工作区上涂抹低玻粉浆料；
(5)采用高温烧结工艺，把光电极极板、重掺杂金属化的P型硅片和背电极极板进行叠放，夹持上下极板，在高温炉中气体保护烧结2-3小时，温度范围为400-550℃。
所述的N型杂质为Al2O3或硼，透明导电玻璃为ITO或氧化锌透明导电玻璃，保护气体为氮气或惰性气体氩气。
本发明中用于光生伏特效应的硅基纳米氧化锌粉体薄膜异质结太阳能电池，把丝网印刷的N型掺杂ZnO粉体薄膜和P型硅片，在外加夹持力的作用下通过高温烧结，形成紧密接触的异质PN结；在N型区的透明电极和银电极形成了太阳能电池的光电极；在P型区形成欧姆接触的金属薄膜和银电极即为太阳能电池的背电极。因此，硅基纳米氧化锌粉体薄膜异质结太阳能电池可应用光伏发电领域。
附图说明
图1是本发明中纳米粉体氧化锌薄膜的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图2是本发明中粉体纳米氧化锌薄膜的小角度X射线衍射(XRD)图谱。
图3是本发明中硅基纳米氧化锌粉体异质结太阳能电池的结构示意图。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，N型掺杂纳米ZnO粉体浆料经丝网印刷到N型区衬底，通过300-600℃烧结后薄膜表面在大面积的范围内均匀性好、平整度高，上表面大部分ZnO粉体的颗粒粒径在100-150nm之间，只有极少数的颗粒粒径大于200nm；薄膜表面上的有机粘合剂得到充分的分解与蒸发。
参照图2所示，丝网印刷Al2O3掺杂纳米ZnO粉体薄膜在大气中500℃恒温烧结120min后，在2θ＝31.72°、34.36°、36.22°、56.52°和62.84°处有明显的衍射峰出现，分别对应的是ZnO的(100)、(002)、(101)、(110)和(103)晶面。说明丝网印刷Al2O3掺杂纳米ZnO粉体薄膜主要成分为六方纤锌矿结构。在样品的XRD谱图中没有发现有Al2O3特征峰的出现，说明Al2O3掺杂纳米ZnO粉体薄膜经高温长时间烧结后，Al+3杂质原子扩散到六方纤锌矿结构的ZnO晶格中代替了Zn+2原子的位子，形成预期的N型掺杂纳米ZnO半导体薄膜。
参照图3所示，本发明包括在N型区透明导电电极(2)上丝网印刷的N型掺杂纳米氧化锌粉体薄膜，P型区单侧重掺杂且沉积金属薄膜形成欧姆接触的P型硅片(5)，两者在高温烧结条件形成紧密接触的异质PN结以及低玻粉封装方式(9)。1.N型区玻璃衬底；2.N型区透明导电电极；3.N型区银电极；4.N型区N型掺杂纳米氧化锌薄膜；5.P型区单侧重掺杂P型硅片；6.欧姆接触金属薄膜电极；7.P型区银电极；8.P型区衬底；9.封装结构。
实施例1：
具体的工艺包括以下几个步骤：
(1)把一定掺混比例的纳米Al2O3和ZnO粉体用超声波长时间地分散到松油醇中，加入乙基纤维素并用磁力搅拌器加热到60-120℃，长时间地搅拌直到乙基纤维素全部溶解，即形成N型掺杂纳米ZnO粉体分散体浆料；
(2)采用丝网印刷工艺在ITO透明导电玻璃上印刷银浆，高温烧结、打磨为平滑的银栅网格电极；再把纳米ZnO粉体浆料印刷在N型区光电极上，经烧结形成N型区的纳米ZnO粉体薄膜；
(3)通过半导体工艺中的氧化、光刻和热扩散等技术，在P型硅的单侧热扩散硼离子形成一个重掺杂区；随后热蒸发金属薄膜形成欧姆接触的电极；
(4)采用丝网印刷工艺在P型区衬底上印刷银浆，高温烧结、打磨为平滑的银栅网格电极；随后，在普通玻璃上涂抹低玻粉进行300-450℃烧结；
(5)按图3顺序把各个组件叠放，夹持光电极和背电极的极板，放进高温炉保护气体中400-550℃烧结2-3小时，使N型掺杂纳米氧化锌粉体薄膜和P型硅片形成紧密的接触界面，使低玻粉有效地封装器件。
实施例2：
(1)采用Sol-Gel法制备含ZnO透明胶状，并按比例掺混一定的硼杂质，强力长时间搅拌，形成N型掺杂的纳米ZnO粉体溶胶；
(2)采用丝网印刷工艺在ITO透明导电玻璃上印刷银浆，高温烧结后打磨为平滑的银栅网格电极；再利用旋涂工艺在N型区导电衬底上多次旋涂一定厚度的纳米ZnO溶胶薄膜，经烧结形成N型掺杂纳米ZnO粉体薄膜；
(3)通过半导体工艺中的氧化、光刻和离子注入等技术，在P型硅的单侧注入硼离子，形成一个重掺杂区；随后磁控溅射沉积一层金属薄膜电极；
(4)采用丝网印刷在表面平整的陶瓷片上印刷银浆，高温烧结、打磨为平滑的银栅网格电极；随后，在非工作区涂抹低玻粉进行300-450℃烧结
(5)按图3顺序把各个组件叠放，夹持光电极和背电极的极板，放进高温炉保护气体中400-550℃烧结2-3小时，使N型掺杂纳米氧化锌粉体薄膜和P型硅片形成紧密的接触界面，使低玻粉有效地封装器件。
硅基纳米ZnO粉体薄膜异质结太阳能电池，包括N型掺杂纳米ZnO粉体薄膜的玻璃衬底、单侧P+-金属结构形成欧姆接触的P型硅片、网格银电极的P型区衬底。按照图1从上到下具体的结构是：N型区玻璃衬底上设置透明导电薄膜，透明导电薄膜上丝网印刷的网格银电极(光电极)、光电极上设置N型掺杂的纳米ZnO粉体薄膜；ZnO薄膜和P型硅片形成的异质PN结，P型硅片另一侧为P+-金属薄膜形成欧姆接触的金属电极；金属薄膜和印刷银电极的P型区衬底形成硅基纳米ZnO粉体异质结太阳能电池的背电极。
所述的透明电极为ITO电极或ZnO电极或其他透明导电薄膜。
一种硅基纳米氧化锌粉体异质结太阳能电池的制备，按以下步骤实现：
(1)把一定掺混比例的N型杂质和ZnO粉体用超声波长时间地分散到松油醇中，加入乙基纤维素后用磁力搅拌器加热到60-120℃，长时间搅拌直到乙基纤维素全部溶解，即形成N型掺杂的纳米ZnO粉体分散体浆料；
(2)采用丝网印刷工艺在ITO透明导电玻璃上印刷银浆，高温烧结、打磨为平滑的银栅网格电极；再把纳米ZnO粉体浆料印刷在导电衬底上，经过烧结形成N型区的纳米ZnO粉体薄膜；
(3)通过半导体工艺中的氧化、光刻和热扩散等技术，在P型硅的一侧扩散硼离子，形成单侧重掺杂区；随后沉积金属薄膜形成欧姆接触电极；
(4)采用丝网印刷工艺在P型区衬底上印刷银浆，高温烧结、打磨为平滑的银栅网格电极；随后，在非工作区上涂抹低玻粉并进行300-420℃烧结；
(5)采用高温烧结工艺，按图3顺序把各个组件叠放，夹持光电极和背电极之间的极板，放进高温后在炉保护气体中400-550℃烧结2-3小时，使纳米氧化锌粉体薄膜和P型硅片之间形成紧密接触的界面结构，并通过低玻粉有效地固定器件。

Claims (2)

1.一种硅基纳米ZnO粉体薄膜异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，按以下步骤实现：
⑴把N型杂质和纳米ZnO粉体按1:104-107比例掺混，用超声波长时间分散到松油醇中，加入乙基纤维素加热到60-120℃，搅拌直到乙基纤维素全部溶解，即形成N型掺杂的纳米ZnO粉体分散体浆料；
⑵采用丝网印刷工艺在透明导电玻璃上印刷银浆，高温烧结、打磨为平整的网格银电极；随后在带有银电极的透明电极上印刷或旋涂纳米ZnO粉体浆料，经烧结后形成纳米ZnO粉体薄膜的N型区；
⑶通过半导体工艺中的氧化、光刻和热扩散、离子注入技术，在P型硅片的一侧掺杂硼离子形成单侧重掺杂区，并沉积金属薄膜电极；
⑷采用丝网印刷技术在P型区衬底上印刷银浆，高温烧结、打磨为平整的网格银电极；随后在P型区衬底的非工作区上涂抹低玻粉浆料；
⑸采用高温烧结工艺，把通过步骤⑴-⑵形成的纳米ZnO粉体薄膜的N型区、重掺杂金属化的P型硅片和背电极极板进行叠放，夹持上下极板，在高温炉中气体保护烧结2-3小时，温度范围为400-550℃。
2.根据权利要求1所述的硅基纳米ZnO粉体薄膜异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述的N型杂质为Al2O3或硼，透明导电玻璃为ITO或氧化锌透明导电玻璃，保护气体为氮气或惰性气体氩气。 
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