硅基納米線太陽電池電極接觸性能的改善

楊勇洲， 高 斐， 劉生忠， 賈 銳

(1.陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西西安710062；2.陜西師范大學材料科學與工程學院，陜西西安710062；3.中國科學院微電子研究所，北京100029)

減反射結構在太陽電池中具有非常重要的作用，它可以降低入射光的反射，增強太陽電池對入射光的吸收[1]。近年，硅納米線結構因具有超低的光反射和較強的光吸收而受到了重視[2-5]。硅納米線的制備方法主要包括：激光燒蝕[6]、氣液固相沉積(VLS)[7-8]、反應離子刻蝕(RIE)[4，9]和濕法腐蝕等[10-11]。在300～1 000 nm光波長范圍，硅納米線陣列具有超低的光反射率(＜5%)。但與傳統的金字塔結構晶硅電池相比，盡管納米線結構具有超低的反射損失，納米線晶硅太陽電池的轉換效率仍不高[12]。這主要有兩方面原因：一是納米線具有大的表面積，從而引起大的表面復合[10]；二是納米線自身的這種尖端結構使得納米線與金屬電極的接觸不夠致密，金屬漿料不能完全填充納米線之間的間隙，使得電極接觸電阻較大[5，13]。為了解決硅納米線太陽電池的電極接觸問題，有研究小組通過在(111)晶向的P型硅表面制備傾斜納米線陣列的方法[10]和選區制備納米線陣列的方法[3，14]來改善電極接觸性能，并且取得一定效果。

本文采用銀誘導濕法化學腐蝕的方法在P型(100)晶向硅表面成功地制備了垂直于襯底的硅納米線陣列，并且采用激光刻蝕的方法選擇性地刻蝕掉電極區域下的納米線陣列，制備出電極接觸的平坦區域，然后通過對準絲網印刷技術將銀漿料印刷在平坦區域上，解決了納米線陣列晶硅太陽電池電極接觸性能差的問題。

1 實驗

1.1 硅納米線的制備

實驗采用直徑為5.08 cm圓形單面拋光的p型(100)硅片，硅片的厚度為300 μm，電阻率為2.5 Ω·cm。將硅片經過半導體標準(RCA)清洗，去除表面的雜質和有機物后進行濕法腐蝕制備納米線陣列。首先在硅片未拋光面用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)沉積厚度為200 nm的氮化硅(Si3N4)作為保護層，防止背面被腐蝕液腐蝕。在常溫下，將背面氮化硅保護的硅片浸入氫氟酸(10%)和硝酸銀(0.01 mol/L)的混合水溶液中反應30 s，在表面沉積一層不致密的銀薄膜。用去離子水清洗若干次后再浸入氫氟酸(10%)和雙氧水(2%)的混合水溶液中腐蝕3 min，在表面形成垂直于襯底的硅納米線陣列。然后將腐蝕后的硅片用去離子水清洗后浸入濃硝酸溶液中去除殘留的銀顆粒，最后用去離子水沖洗并用氮氣吹干進行下一步應用。硅納米線的表面形貌用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，反射率通過帶有積分球的紫外-可見-近紅外分光光度計測量。

1.2 硅納米線太陽電池制備

為了解決電極接觸性能差，形成好的歐姆接觸，采用激光刻蝕的方法：用激光刻蝕掉絲網印刷電極區域下的硅納米線陣列，形成電極與電池接觸的平坦區域。隨后將樣品在880℃進行磷擴散，擴散時間30 min，方塊電阻為35 Ω/□。將上述片子用稀釋的HF水溶液漂洗，去除表面磷硅玻璃(PSG)和背面的氮化硅保護層，然后用PECVD在有硅納米線陣列面沉積80 nm厚的Si3N4減反射膜。最后，通過絲網印刷在電池的前表面和背面印刷電極，并在870℃進行燒結。電池制備完成后，將電池切成2 cm×2 cm大小，在太陽能模擬器(AM1.5，100 W/cm2)下進行I-V測試。圖1為硅納米線太陽電池的結構圖。

圖1 硅納米線太陽電池的結構圖

2 結果與分析

圖2(a)～圖2(b)為硅納米線結構平面和截面的SEM圖，硅納米線長度大約為500 nm，直徑為50～200 nm。圖2(c)～圖2(d)為激光刻蝕區域平面和截面的SEM圖，相對于納米線陣列的尖端結構，可以看出激光刻蝕區域較為平滑，這有利于電極與電池形成較大的接觸面積，有利于電極對電流的收集和降低接觸電阻。而電池表面的其他部分仍然是硅納米線陣列結構，在不破壞納米線結構的超低反射情況下，這可以有效提高電池的填充因子和能量轉換效率。

圖2 硅納米線陣列、激光刻蝕區域SEM圖

為了研究硅納米線結構的減反射特性，在300～1 100 nm光波長范圍內進行反射率測試，反射光譜如圖3，與裸硅的反射率(＞25%)相比，硅納米線結構具有較低的反射率(＜5%)，特別在400～700 nm光波長范圍，硅納米線陣列的反射率可以降到2%以下。這主要歸因于入射光在納米線陣列中的多次散射增加了光在其中的傳播路徑和光被吸收的機會。

圖3 硅納米線陣列的反射率曲線

圖4為硅納米線陣列太陽電池的光電特性，電池的開路電壓、短路電流密度、填充因子、效率、串聯電阻等電學參數如表1所示，其中A為激光刻蝕硅納米線太陽電池，B為常規硅納米線太陽電池，電池A的性能明顯優于電池B，激光刻蝕后，串聯電阻明顯降低，并且相對于未進行激光刻蝕的常規硅納米線太陽電池B，激光刻蝕的硅納米線太陽電池A的效率和填充因子明顯提高。激光刻蝕的引入為銀漿料和電池的接觸形成了平滑的接觸區域，這使得電極燒結后形成好的歐姆接觸，并且有利于電極對光生電流的收集。通過測試結果可知，激光刻蝕的引入能夠有效改善電極的接觸性能，降低了電池的串聯電阻，從而提高了電池的轉化效率。

圖4 硅納米線陣列太陽電池的光電特性

表1 硅納米線太陽電池的電學特性

3 結論

本文采用銀誘導濕法化學腐蝕的方法在硅襯底上制備了垂直硅納米線陣列，結果顯示硅納米線結構具有很好的陷光作用。為了解決硅納米線間隙不能被漿料完全填充、電池電極接觸面積小、接觸電阻較大的缺點，用激光刻蝕的方法選擇性地刻蝕掉電極區域下的納米線陣列，制備出電極接觸的平坦接觸區域，再通過對準絲網印刷的方法，將銀漿料印刷在平坦區域上。通過測試結果可知，激光刻蝕的引入有效提高了電極與納米線的接觸性能，降低了接觸電阻，提高了電池的效率。

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