硅纳米线径向异质结太阳电池的研究

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1、第14届中国光伏大会（CPVC14）论文集硅纳米线径向异质结太阳电池的研究董刚强，刘丰珍，刘勇，朱美芳（中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京100049）摘要：本文通过金属辅助化学刻蚀方法，在p型晶硅衬底上制备定向排列的硅纳米线（SiNW）阵列。采用热丝化学气相沉积技术，实现了非晶硅薄膜的保角沉积，制备了结构为n-a-Si:H/i-a-Si:H/p-c-SiNWs的硅纳米线径向异质结(RHJ)太阳电池。暗I-V和C-V测试表明，硅纳米线样品经非晶硅钝化后，少子寿命显著提高,相比于采用低温掺杂工艺制备的同质结径向太阳电池，采用非晶硅薄膜作为

2、钝化层和发射极的异质结太阳电池具有更高的开路电压。量子效率结果显示，在短波波段，径向异质结太阳电池的载流子收集效率有了明显提高，体现了载流子径向收集的优点。经优化，制备的硅纳米线径向异质结太阳电池的转换效率达到15.9%。关键词：硅纳米线；径向异质结；太阳电池；热丝化学气相沉1引言纳米线径向pn结太阳电池不仅具有良好的陷光效果，同时光吸收和载流子收集方向相互垂直，有利于提高载流子收集效率。已有较多径向结硅太阳电池的工作报道[1-6]，但是，由于纳米结构的引入，大大增加了太阳电池的表面复合。已报道的实验结果显示，该类太阳电池的开路电压较低，转换效

3、率还有很大的提升空间[7-8]。因此，优化基于硅纳米线的太阳电池制备工艺，降低表面复合，对于提高径向pn结太阳电池的性能具有重要意义。优质非晶硅薄膜对晶硅表面具有好的钝化效果，非晶硅薄膜/晶体硅异质结太阳电池的效率不断刷新，一次又一次地展示了该结构在实现高效电池中的优势[9]。因此，我们期望能够将非晶硅薄膜的钝化作用和纳米线结构结合起来，制备a-Si:H/SiNWs径向异质结太阳电池，以降低表面复合提高开压。热丝化学气相沉积(HWCVD)具有保角沉积、无离子轰击和易于控制薄膜沉积过程等优势，适合a-Si:H/SiNWs径向异质结太阳电池的制备[

4、10,11]。本文中，我们将金属辅助化学腐蚀（MACE）制备硅纳米线和HWCVD技术制备硅薄膜结合起来，成功制备了具有径向输运特征的a-Si:H/SiNWs异质结太阳电池。262◇◇一light第14届中国光伏大会（CPVC14）论文集gridTi&Ag◇2实验采用相同的工艺，分别在p型抛光硅a．Si：H(<10P0。>晶5‘向，：1“-5Ωcm)和纳米线衬底上■片n制备了异质结太阳电池。纳米线的制备采用相同的抛光硅片，经乙醇和丙酮超声m、／之后放入含有氢氟酸(5mol/L)和硝酸银后，放入氢氟酸溶液中去除表面氧化层，(0.02mol/L)的混

5、合溶液中制备纳米线，通过控制腐蚀时间来控制纳米线长度。纳米≮

6、线7表面的银，用氨水和双氧水混合溶液去除，然后采用RCA流程清洗，氮气吹干。样品表面的氧化层用10%HF去除。在沉积硅薄膜之前，在HWCVD腔体中，进行原子氢处理，然后采用HWCVD技术制备本征和n型掺杂非晶硅薄膜，作为钝化层和发射极。热丝温度和衬底温度分别为1750℃和150℃。图1为RHJ太阳电池结构示意图。图1径向异质结太阳电池结构示意图3结果和讨论研究发现，在我们的实验条件下，纳米线的长度与腐蚀时间成线性关系，腐蚀速率约为0.5μm/min。通过控制腐蚀时间制备了3种长度的硅

7、纳米线阵列，如表1所示。可以看到，随纳米线长度的增加，平均反射率降低，但样品的表面积也大大增加，这将显著增加表面复合。e§表1不同腐蚀时间(t)制备的硅纳米线长度（L），350nm~1000nm波长范围平均反射率(Ravg)和表面积增加倍数（M）汇总表t(min)L(μm)Ravg(%)M02510012.5535.798.145.983.62118.245.490.8注：M=Anw/Ap，其中，Anw为纳米线结构表面积，Ap为抛光硅片的表面积。测量了抛光硅片和不同长度纳米线样品P在c非-晶S硅薄膜钝化前后的少子寿命。对于未钝化的样品，抛光硅片

8、具有最高的少子寿命，约150μs，而纳米线样品的少子寿命相对较低，不高于80μs。与未钝化的样品相比，非晶硅薄膜钝化显著提高了少子寿命。对于抛光硅片和长度为1微米的纳米线样品，少子寿命分别从150μs和80μs提高到180μs和160μs。即非晶硅薄膜表面钝化显著降低了表面复合，该作用对于纳米线样品更加显著。同时发现，少子寿命随纳米线长度的增加而下降，因263第14届中国光伏大会（CPVC14）论文集此，虽然长纳米线结构有利于光吸收，但折衷考虑长纳米线带来的保角沉积的困难和严重的表面复合，我们采用长度为1微米的硅纳米线进行器件的制备。图2为平面

9、和径向异质结太阳电池的光I-V曲线。径向异质结太阳电池的Voc略低于平面异质结太阳电池，这与非晶硅钝化后的少子寿命值相符。径向异质结太阳电池的Voc达