新型sinp矽藍紫光電池及其製備方法
2023-09-17 22:31:30 1
專利名稱：新型sinp矽藍紫光電池及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種新型SINP結構矽光電池的製備方法，屬新型矽太陽能電池製備方法方 法技術領域。
背景技術：
在能源逐漸匱乏的當今社會，人們急需找到一種可再生能源來代替非可再生能源。眾所 周知，太陽給了地球無窮無盡地熱量，因此人們把目標指向了太陽。
藍紫光增強型矽光伏器件在太陽電池、光度、色度及光學精密測量等方面都有重要的應 用。近年來,從防止地球溫室效應、保護環境和替代石油能源出發,利用太陽能發電受到極大的 重視。目前，單晶矽太陽電池產量位居各種光伏電池之首,但是由於在紫光以及波長小於紫光的 部分,常規晶矽的光譜響應比太陽光其他波長的低,嚴重限制了晶矽電池的光電轉換效率和晶 矽材料的利用率。因此,提高晶矽在波長小於0.4微米部分的光譜響應是光伏電池產業待以解 決的重要問題。太陽光譜峰值波長為480nm，提高矽光電池的藍紫光響應將可顯著提升太陽 能電池的短路電流及光電轉換效率。由於晶矽對短波長光的吸收係數很大，平均透入深度小； 並且光生載流子的產生率隨光進入器件表面的距離呈指數式衰減，大多數光生載流子產生在 矽的表面附近。而用傳統擴散方法製作的n+p結矽光電池，發射區近表面存在一高磷濃度的"死 層"；該區域晶格畸變大,位錯密度高，嚴重影響了短波長光生載流子的收集效率，造成常規晶 矽光電池藍紫光響應的迅速下降。
1981年Green等人在第15屆IEEE光伏專家會議上首次提出MINP (金屬一薄絕緣膜 ^NP)矽太陽電池結構，從此之後，對該結構電池的研究開始受到重視。MINP結構光電池 是一種改進型pn結太陽電池，它綜合了MIS和pn結太陽電池的優點，從而使其開路電壓以 及光電轉換效率有了明顯的突破。
發明內容
本發明的目的在於針對己有技術存在的缺陷，提供一種新型矽基SINP結構藍紫光電池 及其製備方法。
不增加複雜工藝的基礎上，有效地提高矽光電池400 600nm藍紫光波段的量子效率。 為上述目的，本發明根據半導體能帶工程，原創性地設計並研製出晶矽pn結與寬帶隙ITO
透明導電薄膜相結合的一種新型SINP異質面光電池(SINP是semiconductor/insulator/叩結構
的縮寫，即半導體-絕緣體-NP)。
本發明為達到上述目的，採用下述技術方案一種新型矽基SINP結構藍紫光電池，包括一片P-型矽單晶片襯底，其特徵在於所述襯 底的正面上依次有一層n-型區、 一層超薄Si02層和一層ITO減反射/收集電極膜，所述ITO 減反射/收集電膜的表面上有Cu柵指電極；所述襯底的背面有一層Al層。
上述襯底的晶向為(100)，電阻率為1 2.0Gcm，厚度為220pm士30nm，所述超薄Si02 層厚度為15 20A，所述ITO減反射/收集電膜厚度為70nm士7nm，所述Cu柵指電極的厚度 為l|_im±0.1nm。
一種新型矽基SINP結構藍紫光電池製備方法，用於製備上述電池，其特徵在於具體制 備步驟如下
a. 選用P型、晶向為(100)、電阻率為2Q.cm、厚度220^im±30|im的矽單晶片為襯底；
b. 經常規化學清洗及制絨後，用P0Cl3液態源熱擴散形成n—型區；
c. 去除正面的磷矽玻璃(HF:H2O=l:10);
d. 然後在矽片背面蒸A1層；
e. 將襯底在400 500°C， N2:02=4:l條件下熱氧化15 30分鐘生長一層15 20A超薄 Si02層，背面Al合金化同時進行；
f. 繼而射頻磁控濺射高透光率、高導電率的ITO減反射/收集電極膜；
g. 通過金屬掩模版直流磁控濺射Ol柵指電極；
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點
本新型SINP矽藍紫光電池採用淺pn結、鋁背場、超薄Si02鈍化層及ITO透明導電薄膜 等先進技術。其中淺結減少了普通光電池發射區由於重摻雜帶來的影響，如禁帶寬度收縮效 應，重摻雜後Auger複合及近表面高濃度磷固溶區"死層"的影響以提高藍紫光響應。採用低 溫熱氧化技術生長的超薄Si02層不僅有效地鈍化矽表面，飽和矽表面懸掛鍵，降低表面複合 中心濃度，減小表面複合速率(高表面複合速率是制約光伏器件短波響應的另一重要因素)； 而且作為緩衝層，減小ITO與晶矽的晶格失配，降低ITO薄膜的內應力。同時允許載流子(電 子)在如此之薄的Si02層中，通過隧道效應，實現電輸運，收集光生載流子。超薄Si02層
對載流子電子和空穴的傳輸阻礙各不相同。由量子力學，對電子隧道係數為e—"2，而對空穴
隧道係數為e— 2。超薄Si02層對電子勢壘高度Z"-3'1^，而對空穴勢壘高度^=3'8^。 所以其可以單向抑制空穴的傳輸，又因為其超薄(厚度僅為15 20A)對光生載流子電子基
本無阻礙作用。從而減小器件反向暗電流，改善光伏特性。ITO是重摻簡併寬帶隙半導體， 採用射頻磁控濺射的方法把高透光率(可見光波段丁>95%)，高電導率(p-9xlO-5Q，cm)的
4ITO薄膜沉積在光電池正面。ITO寬帶隙約3.9eV,成為窄帶隙晶矽的異質面光學窗口。同時 該減發射膜在矽太陽響應光譜，尤其在短波範圍內，具有良好的透光性能。它不僅密封超薄 Si02層，提高電池穩定性；而且兼作大面積收集電極，克服淺結帶來的大方塊電阻的弊端。 在光電池的背表面建立一個摻雜區，形成鋁背表面場高低結對p區少子有阻擋和反射作用。 這樣， 一方面使背表面的複合作用減少，同時還可以將射向背表面的光反射回正面,增加長波 長光的吸收路程，提高p-n結對光生載流子的收集效率，從而提高光電池的長波響應。
對所制新型SINP光電池在AM1.5 100mW/cn^、25'C條件下進行測試，藍紫光及常規SINP 光電池開路電壓Voc分別為570及550mW，短路電流密度Jsc高達49.73 mA/cn^及41.43 mA/cm2，光電轉換效率T]則為13.66%及11.06%。
圖1是本發明新型矽基SINP結構藍紫光電池一個實施例結構圖。 圖2是圖1示例電池的外形尺寸圖。 圖3是圖1示例電池中詳細尺寸圖。
圖4是圖1示例電池AM1.5 100mW/cn^光照下J-V曲線。
圖5是圖4相對應的AM1.5光照下SINP藍紫光電池轉換效率J-V曲線。
圖6是圖1示例電池內、外量子效率。
圖7是圖1示例電池響應率。 具體實施方法
現將本發明的具體實施例敘述於後。 實施例l
本發明一個優選實施例結合
如下
參見圖l，本新型矽基SINP結構藍紫光電池，包括一片P-型矽單晶片襯底1，其特徵在 於所述襯底1的正面上依次有一層n-型區2、 一層超薄Si02層3和一層ITO減反射/收集電極 膜4，所述ITO減反射/收集電膜4的表面上有Cu柵指電極5;所述襯底1的背面有一層Al 層(6)。
參見圖1、圖2和圖3，上述襯底1的晶向為(100)，電阻率為1 2.0acm，厚度為 220pm±3(Vm，所述超薄Si02層3厚度為15 20A，所述ITO減反射/收集電膜4厚度為 70nm±7nm，所述Cu柵指電極5的厚度為lnm士0.1(am。
參見圖l、圖2和圖3，本新型矽基SINP結構藍紫光電池製備方法，具體製備步驟如下 fl)選用P型、晶向為(100)、電阻率為2Q'cm、厚度22(Him的矽單晶片為襯底。(2) 由標準RCA清洗技術，先將矽片在75。CNH40H:H202:H20混合比1: 1: 5混合溶液 中超聲波清洗10分鐘。去離子水清洗後，然後在75'C HC1:H202:氏0混合比1:1:6，混合溶 液中超聲波清洗10分鐘。
(3) 絨面製備。對於(100)的p型直拉襯底(1)，在85X: NaOH:H20=1.4% (質量比) 溶液中化學腐蝕40分鐘。由於NaOH對單晶矽片腐蝕具有各向異性，可以製備金字塔形絨面 結構。如果是第1次配液制絨，需在NaOH:H20-1.4。/。(質量比)溶液中加入0.2% (質量比) 的Na2Si03，可提高絨面製作效果。用去離子水衝洗。
(4) 將襯底l在稀鹽酸(HC1:H20=1:6)清洗，然後去離子水清洗後，用普通N2氣吹乾。
(5) 在開管擴散爐中用POCl3液態源熱擴散磷形成n發射區2，擴散源流量範圍為 40ml/min-45ml/min,擴散源溫度控制在0'C，擴散溫度控制在845'C-854'C之間，大N2流量 1L/min,擴散時間25min。可獲得發射區薄層電阻40Q/口,結深0.35微米。另夕卜，還可減小擴散 時間或用低溫磷擴散工藝、離子注入等方法製備更淺的pn結。
(6) 將矽片在HF:H2C^1:10溶液中浸泡7分鐘，去除正面的磷矽玻璃及矽表面自然氧化 層。然後用去離子水清洗，普通N2氣吹乾。
(7) 在矽片背面用真空蒸發2微米厚的A1金屬電極膜6。
(8) 將襯底1在400 500°C， N2:02=4:l條件下熱氧化15 30分鐘生長一層15 20A超 薄Si02層，背面A1合金化同時進行。另外還可用以下兩種方法製備超薄SixOyNz層3:
① 在450—50(TC的N2/02 (流量比4: 1;常壓)氣氛中微熱氧化10 15分鐘生長超薄 I層。隨後對I層進行低溫(480°C)、低壓(50Pa) NHs退火；時間10 15分鐘，NH3流量 為2L/min。
② 在NH3中直接製備超薄I層。低溫(480°C)、低壓(50Pa)氨處理時間 20分鐘， NH3流量為2L/min。
(9) 用JGP450型雙室超高真空多功能磁控濺射設備射頻磁控濺射高透光率、高導電率的 ITO減反射/收集電極膜(4)。本底真空度2xl0，a，濺射功率100W;工作氣體純Ar，工作 壓強lPa;襯底溫度300。C,靶基距7cm，濺射時間25分鐘。
(10) 用JGP450型雙室超高真空多功能磁控濺射設備通過金屬掩模版直流磁控濺射1微 米厚的Cu柵指電極5。本底真空度2xlO^Pa，濺射功率100W;工作氣體純Ar，工作壓強1Pa; 襯底溫度室溫，靶基距7cm,濺射時間60分鐘。
Cll)用WXQH160型金剛石外圓下切割/劃片機切去電池片邊緣部分，防止光電池邊緣短 路，增大並聯電阻。
6本發明用熱擴散磷形成淺結、低溫熱氧化生長超薄Si02層及射頻磁控濺射ITO減反射/ 收集電極膜，在2"cm的晶矽襯底上成功製備了高量子效率的藍紫光增強型SINP光電池。 磁控濺射沉積的ITO薄膜結晶度高，並且具有高紫外一可見光透過率及優異的電學性能(見 圖4 圖7)。室溫下士1V時，SINP藍紫光電池整流比為324.7， 二極體理想因子n=1.84， AM1.5 100mW/cn^光照下，光電轉換效率11=13.66%。由於在SINP結構中，光電流可以通過高結晶 度、高載流子遷移率的ITO薄膜橫向輸運，避免了高磷濃度n發射區中橫向輸運的複合，降 低了發射區橫向電阻影響引起的功率損耗，新型SINP藍紫光電池短路電流密度高達 JSC-49.73 mA/cm2，顯示出良好的電學及光伏特性(見圖4和圖5)。在500nm波長，藍紫光 增強型SINP光電池外量子效率及響應率高達70%及285 mA/W (見圖6和圖7);在800nm 波長，峰值響應率為487 mA/W (見圖7)。器件光譜響應擬和計算結果表明新型SINP藍紫光 電池的高量子效率得益於淺結以及高導電率、對藍紫光具有良好減反射效果的ITO薄膜的應 用與結合。新型ITO/Si02/np晶矽SINP結構藍紫光電池具有許多獨特的優點，有一定的發展 前途，並有推廣應用之美景。
權利要求
1、一種新型矽基SINP結構藍紫光電池，包括一片P-型矽單晶片襯底(1)，其特徵在於所述襯底(1)的正面上依次有一層n-型區(2)、一層超薄SiO2層(3)和一層ITO減反射/收集電極膜(4)，所述ITO減反射/收集電膜(4)的表面上有Cu柵指電極(5)；所述襯底(1)的背面有一層Al層(6)。
2、 根據權利要求1所述的新型矽基SINP結構藍紫光電池，其特徵在於所述襯底(1)的晶 向為(100)，電阻率為1 2.0Q cm，厚度為220nm土3(Vm，所述超薄Si02層(3)厚度為15 20A，所述ITO減反射/收集電膜(4)厚度為70nm士7nm，所述Cu柵指電極(5)的厚度為lf_im±0.1^imo
3、 一種新型矽基SINP結構藍紫光電池製備方法，用於製備根據權利要求1所述的新型矽基 SINP結構藍紫光電池，其特徵在於具體製備步驟如下a. 選用P型、晶向為(100)、電阻率為2Q'cm、厚度220^m土30^im的矽單晶片為襯底 (1);b. 經常規化學清洗及制絨後，用POCl3液態源熱擴散形成n—型區(2);c. 去除正面的磷矽玻璃(HF:H2O=l:10);d. 然後在矽片背面蒸A1層(6);e. 將襯底(1)在400 500。C, N2:02=4:l條件下熱氧化15 30分鐘生長一層15 20A 超薄Si02層(3)，背面A1合金化同時進行；f. 繼而射頻磁控濺射高透光率、高導電率的ITO減反射/收集電極膜(4);g. 通過金屬掩模版直流磁控濺射Cu柵指電極(5);
全文摘要
本發明涉及一種新型SINP結構矽藍紫光電池及其製備方法。本發明採用熱擴散磷形成淺結、低溫熱氧化生長超薄SiO2層、射頻磁控濺射ITO減反射/收集電極膜製備了一種新型ITO/SiO2/np藍紫光增強型SINP矽光電池。本發明的製備方法是選用P型、晶向為(100)、電阻率為2Ω·cm、厚度220μm的矽單晶片為襯底。經常規化學清洗及制絨後，用POCl3液態源熱擴散形成n區(本文採用不同熱擴散工藝製作兩塊新型SINP光電池，其中一塊是發射區方塊電阻10Ω/□，結深1μm的(深結)常規SINP光電池；另一塊為發射區方塊電阻37Ω/□，結深0.4μm的(淺結)SINP矽藍紫光電池)。去除正面的磷矽玻璃(HF∶H2O＝1∶10)；然後在矽片背面蒸Al；將矽片在400～500℃，N2∶O2＝4∶1條件下熱氧化15～30分鐘生長一層15～20超薄SiO2層，背面Al合金化同時進行。繼而射頻磁控濺射高透光率、高導電率的ITO減反射/收集電極膜(ITO薄膜也被沉積在玻璃上以研究其光電特性)，通過金屬掩模版直流磁控濺射Cu柵指電極。最後用金剛石外圓下切割/劃片機切去電池片邊緣部分，防止光電池邊緣短路。
文檔編號H01L31/068GK101587913SQ20091005387
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者波 何, 磊 趙, 馬忠權 申請人:上海大學