[发明专利]硅基SIS异质结光电器件的制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种新型直流磁控溅射AZO/SiO₂/p-Si SIS异质结光电器件的制备方法，属新型硅基异质结光电器件制备方法技术领域。

背景技术

近年来，从防止地球温室效应、保护环境和替代石油能源出发，利用太阳能发电受到极大的重视。在太阳电池普及应用中，最大的障碍是它的成本太高。因此，如何降低成本是当前最重要的研究课题之一。降低太阳电池的成本，已有好多途径，如降低硅材料的成本﹑改进现有技术﹑采用新技术及采用廉价的成结方法等。

    SIS（Semiconductor/Insulator/Semiconductor结构的缩写）太阳电池，是在此情况下为了降低成本而新发展起来的一种新的异质结类型电池。它是继MIS（金属－绝缘体－半导体）电池之后，随着透明导电的氧化物半导体薄膜的发展而出现的。研究表明，SnO₂薄膜用于太阳能电池顶部氧化物层，可以得到高的能量转换效率，例如SnO₂/SiO_x/n-Si电池，其效率已达到15.4%，可与一般的单晶硅pn结太阳电池相匹敌。

    采用这类透明的氧化物半导体导电薄膜作电池顶层材料，有以下几方面的优点：

（1）    制造快速﹑简单﹑经济，不需高温。避免了高温扩散引起的晶格损伤和少子寿命退化，减小了基区载流子的复合。

（2）    由于收集势垒靠近表面，有助于收集短波光生少子，避免了多数pn结太阳电池表面出现的“死层”，故紫光响应好，同时增加了抗辐射性能。

（3）    氧化物半导体，一般具有较宽的禁带宽度（ITO≈3.6eV，AZO≈3.3eV）适合作异质结窗口，对太阳光利用率高，有利于提高光电转换效率。

（4）    氧化物半导体一般为重掺简并结构，其费米能级位于导带之上0.1 eV或在其附近，其电阻率低～10^-4Ω·cm，可降低对接触材料和栅极材料的苛刻要求。

（5）    氧化物半导体的折射系数 (n) 比较大，如AZO（n≈2.2），应用于Si衬底材料时，能起减反射作用。

（6）    由于是TCO透明导电薄膜，膜层可较厚（几千?），使分布电阻降低。同时，AZO可兼起形成势垒﹑抗反射﹑收集电极和密封超薄SiO_x作用，故SIS电池稳定性好。

（7）ZnO电子亲和势能为4.15 eV；理论计算表明，ZnO对p型半导体材料，可以成为很好的SIS电池。

发明内容

为了在不增加工艺的复杂性和成本的基础上，制造紫外—可见—近红外广谱硅基异质结光电器件（包括太阳电池、光电探测器）。根据半导体能带工程，我们原创性地设计并研制出p—型晶硅与宽带隙AZO透明导电薄膜、超薄SiO₂层相结合的一种新型SIS异质结光电器件（SIS是Semiconductor/Insulator/Semiconductor结构的缩写）。

    本发明采用低温热氧化生长超薄SiO₂层、直流磁控溅射AZO发射极、减反射、收集电极膜制备了一种新型AZO/SiO₂/p-Si SIS紫外—可见—近红外广谱异质结光电器件。

    本发明为一种新型SIS异质结光电器件的制备方法，其特征在于具有以下的步骤：

    a. 选用 p－型、晶向为（100）、电阻率为5Ω·cm、厚度200μm的抛光硅单晶片为衬底。

    b. 经标准RCA化学清洗后。

    c. 去除晶硅表面自然氧化层（体积比为HF:H₂O=1:10）。

    d. 然后在硅片背面蒸Al。

    e. 将硅片在400～500℃，流量比为N₂:O₂=4:1条件下热氧化15～30分钟生长一层15～20?超薄SiO₂层，背面Al合金化同时进行。

    f. 继而直流磁控溅射高透光率、高导电率的AZO发射极、减反射、收集电极膜。

g. 通过金属掩模版直流磁控溅射Cu栅指状金属电极。

h. 用金刚石刀切去光电池边缘部分，防止光电池边缘短路效应。

     本发明的新型AZO/SiO₂/p-Si SIS异质结原理如下：