[发明专利]基于纳米硅彩色薄膜太阳电池材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于纳米硅彩色薄膜太阳电池材料的制备方法，低温铝诱导制备不同厚度、物相及不同表面形貌的P型纳米硅薄膜材料，采用P型纳米硅薄膜材料可制备出纳米硅彩色薄膜太阳电池，属于薄膜太阳电池领域。

背景技术

太阳能具有取之不竭、使用方便、无污染等优点。随着光伏技术的不断发展，薄膜太阳电池因具有材料用量少（为体硅的1%左右）、通过卷对卷技术可在柔性衬底上制备成柔性薄膜太阳电池等优点，已成为目前的研究热点之一。薄膜太阳电池中最常见的是硅基薄膜太阳电池。其中，非晶硅(α-Si)薄膜太阳电池具有原料丰富、光吸收系数大及弱光性能好等优点，已实现产业化。但目前非晶硅薄膜太阳电池还存在转换效率低和稳定性较差(s-w效应)等缺点，鉴于此，人们又研究了纳米硅（nc-Si）薄膜太阳电池等，纳米硅薄膜太阳电池不仅具有非晶硅薄膜太阳电池的诸多优点，还能有效降低光致衰减效应，受到人们的广泛关注。纳米硅薄膜太阳电池所用的纳米硅薄膜材料通常是通过非晶硅晶化来获得。在常规高温退火、快速光热退火、金属诱导晶化和激光晶化等方法中，金属诱导快速光热退火晶化由于所需设备简单、温度低、能耗小等优点得到广泛应用。金属铝（Al）引起的杂质能级最浅（约0.069eV），非常接近价带，使得非晶态硅向晶态硅转变的活化能降低，因此，铝作为诱导金属具有低温制备出有性能良好的纳米硅薄膜的潜力。

目前太阳电池的颜色非灰即黑、色彩单调，安装在建筑屋顶上，或作为光伏幕墙，将影响建筑物的外观，因此需要不同色彩的太阳电池。另外在追求个性化设计的场合(如利用光伏发电提供电能的广告板等)，彩色太阳电池也具有独特的优势。基于此，彩色太阳电池的研究具有重要的意义。针对纳米硅薄膜太阳电池的结构，利用Al诱导P型非晶硅薄膜晶化制备纳米硅薄膜太阳电池的P型材料，通过调节薄膜的厚度、晶粒尺寸及晶化率，可赋予纳米硅薄膜太阳电池不同色彩。近年来，人们对彩色太阳电池也做了一些研究，如专利(申请号：CN201010212937.7)利用半导体量子点制造彩色太阳电池的方法，包括：玻璃盖板、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物、电池片下方保护材料，乙烯-醋酸乙烯脂共聚物表面涂上由半导体量子点分散在有机溶剂中形成的墨水，有机溶剂挥发后形成半导体量子层，通过光子的激发，使得量子点发光，呈现出不同的色彩；专利(申请号：CN200920238621.8) 一种彩色太阳能光伏组件，包括由上而下设置的透明面板、彩色太阳电池、底板层，彩色太阳电池包括彩色太阳电池芯片级基板。安装到建筑物的墙面、顶面更加方便、美观。相比之下，Al诱导P型非晶硅薄膜制备的纳米硅薄膜，通过调节其厚度、晶粒尺寸及晶化率，赋予薄膜太阳电池不同色彩，可制备出彩色薄膜太阳电池。该方法具有工艺简单、与目前的硅基薄膜太阳电池工艺相兼容、易实现规模化生产等特点。

发明内容

本发明提供基于彩色纳米硅薄膜太阳电池材料的制备方法，以TCO玻璃为衬底，P型硅材料为原料，在200℃衬底上先制备不同厚度的P型非晶硅（a-Si）薄膜，再在P型非晶硅（α-Si）薄膜上制备一层铝（Al）膜，将α-Si/Al膜在N₂气氛中进行低温快速光热退火。通过控制退火温度、升温降温速率、退火时间，可以制备出不同厚度、不同物相及不同表面形貌的P型纳米硅薄膜，并具有不同的光学性能参数，表面可呈现出不同色彩，将其作为硅薄膜太阳电池的P层，可赋予太阳电池表面不同色彩，从而制备出纳米硅彩色薄膜太阳电池。

原理：纳米硅薄膜太阳电池从上到下分别为玻璃、透明导电氧化膜、P层、I层、N层、背电极及保护膜。铝（Al）为第ⅢA族元素也为P型杂质，掺到硅薄膜中不会复合P型硅薄膜中的空穴。通过制备出不同厚度的非晶硅薄膜经Al诱导低温光热快速退火，可制备出P型纳米硅薄膜。通过调控薄膜的制备工艺参数和退火工艺，可制备出不同晶粒尺寸、晶化率及表面形貌的纳米硅薄膜，并具有出不同的折射率、吸收系数和反射率等，从而使薄膜呈现出不同的色彩，如附图4所示。

本发明按以下步骤实施

A)利用TCO玻璃为衬底，分别利用丙酮、无水乙醇和去离子水分别超声清洗10min，N₂吹干；

B)200℃衬底温度下，以P型硅材料为原料，在TCO衬底上制备非晶硅（a-Si）

薄膜，厚度为80~200nm；

C)室温下，再在非晶硅薄膜表面制备一层Al膜，厚度为5~20nm；

D)将a-Si/Al薄膜在N₂气氛中300~500℃低温快速（20~30min）退火，制备出P