一種應用於晶體矽太陽電池的Si/TiOx結構的製作方法
2023-12-10 11:31:07 2
本發明屬於太陽電池領域，也屬於半導體器件領域，涉及矽太陽電池的結構設計。
背景技術：
隨著光伏發電技術的日益普及，全球太陽電池的產量不斷上升。當前太陽電池的產量中，晶體矽太陽電池佔據了絕大部分份額。雖然晶體矽為間接帶隙半導體，用其製備太陽電池需要消耗較多的材料。但矽材料在地球上儲量豐富，製備技術成熟，製造成本也不斷下降。因此，人們仍然願意用矽來製備太陽電池並投入大量的研發，希望能提高矽太陽電池的轉換效率並降低其成本。
晶體矽太陽電池按其結構可分為同質結和異質結結構。目前工業上生產的晶體矽電池多數基於同質結結構。隨著工藝的進步，同質結晶體矽太陽電池的光電轉換效率已經逐漸接近極限。與同質結太陽電池相比，異質結太陽電池可在電池內建電場之外形成額外的有效勢場，最終可提高電池的開路電壓及光電轉換效率。可以預見，未來異質結將取代同質結成為矽太陽電池中主要採用的結構。
目前技術上比較成熟的晶體矽異質結太陽電池是基於非晶矽/晶體矽異質結的hit電池（典型結構為ito/α-si(p)/α-si(i)/c-si/α-si(i)/α-si(n)/ito）。然而，hit電池也存在由於非晶矽層的吸收而導致的電池短路電流密度偏低的問題。本發明提出一種可應用於晶體矽太陽電池的新型si/tiox異質結結構，希望在提高晶體矽太陽電池開路電壓前提下，減小電池短路電流的損失，提高其光電轉換效率。
tiox（x≈2）是一種寬帶隙（>3ev）的過渡金屬氧化物半導體，其導帶位置稍高於矽的導帶（2.0ev）。如果tiox與si形成異質結，其界面處的導帶偏移可有助於增強si/tiox異質結的內建電場，而價帶偏移可抑制暗電流或反向飽和電流。因此si/tiox異質結擁有能帶結構上的天然優勢，理論上可製備得到高效的si/tiox異質結太陽電池。
要想得到高效的晶體矽太陽電池，矽片表面必須要進行良好的鈍化。目前使用原子層沉積等方法製備的非晶態tiox薄膜，可對矽表面形成良好的鈍化（矽片表面複合速率1ms）。雖然非晶態的tiox對矽表面的鈍化效果良好，但其電學性能往往較差，摻雜水平僅為本徵型或弱n型。若僅僅使用tiox鈍化層與矽形成異質結，其內部的內建電場將較弱，這將導致電池的開路電壓偏低。若採用其它製備工藝如濺射來沉積tiox薄膜，雖然可以提高其n型摻雜濃度以增強內建電場的強度，然而所製備的tiox層並不能對矽表面形成良好的鈍化，這將會導致較高的表面複合而減小開路電壓。綜上可知，目前的工藝水平無法製備同時具有良好鈍化效果且具有較高n型摻雜水平的tiox薄膜，使得si/tiox異質結能帶結構上的優勢無法完全發揮，這限制了si/tiox異質結在矽太陽電池中的應用。
技術實現要素：
本發明的目的是提出一種應用於晶體矽太陽電池的si/tiox結構，該結構使用雙層tiox與晶體矽形成異質結（結構示意圖如附圖1所示）。其中內層tiox一般為非晶態，其主要作用是對si表面提供良好鈍化，該tiox層厚度為1-20nm，導電類型為本徵或弱n型。外層tiox主要作用是增強該異質結結構中內建電場的強度，該層tiox為n型摻雜，摻雜濃度為1×1016-1×1020cm-3，厚度為10-300nm。
本發明所述的一種應用於晶體矽太陽電池的si/tiox結構，其特徵是在晶體矽表面製備一層對矽表面具有良好鈍化效果的鈍化tiox層，鈍化tiox層之上再製備一層n型摻雜且摻雜濃度較高的n-tiox層，形成晶體矽-鈍化tiox層-n-tiox層結構。
本發明所述結構可以通過以下工藝製備：首先在清洗乾淨的矽片表面使用原子層沉積工藝或化學氣相沉積工藝等製備一層非晶態tiox層，該tiox層對矽片表面提供良好的鈍化；隨後，在鈍化tiox層之上使用蒸發或濺射工藝等沉積一層10-300nm厚的tiox層，沉積過程中通過調整製備參數使得所製備的tiox具有適當的n型摻雜濃度等。
本發明所述的對矽片形成具有良好鈍化的tiox層（鈍化tiox層）為非晶態半導體，導電類型為本徵型或弱n型。
本發明所述的n型摻雜的tiox層（n-tiox層）為結晶態半導體，其摻雜濃度為1×1016-1×1020cm-3。
本發明借鑑hit電池的中的p-i-n結構，使用雙層tiox與晶體矽形成異質結。其中靠近矽片表面的內層tiox主要作用是對矽片表面進行鈍化，而外層tiox主要作用是增強si/tiox結構中內建電場的強度。採用這種結構，既能使矽片表面得到良好鈍化，又能在異質結內部形成較強的內建電場，加上矽與tiox異質結能帶結構本身具有的抑制反向飽和電流等優勢，可實現較高的開路電壓。另外，由於tiox帶隙較寬（>3ev），其對太陽光的吸收較弱。製備太陽電池時可使光從tiox一側入射，這樣就可使絕大多數入射光進入電池內部並被有效利用。因此採用這種結構的太陽電池可同時實現較高的開路電壓和短路電流。
本發明所提出的矽與雙層tiox形成的異質結，既能使矽片表面得到良好鈍化，又能在異質結內部形成較強的內建電場。此外，矽與tiox形成的異質結其能帶結構具有可抑制反向飽和電流等優勢，因此採用本發明所提出的si/tiox結構的太陽電池可實現較高的開路電壓。另外由於tiox帶隙較寬，如太陽光從tiox一面入射，其對太陽光的吸收較弱，因此電池的短路電流也將較高。綜合以上，本發明所提出的si/tiox結構將使矽太陽電池具有較高的光電轉換效率。
附圖說明
附圖1為本發明所提及的si/tiox結構示意圖。圖中，1為矽片；2為鈍化tiox層，其對矽片表面提供良好鈍化作用；3為n-tiox層，其為n型摻雜且具有一定摻雜濃度。
具體實施方式
本發明將通過以下實施例作進一步說明。
實施例1。
（1）對矽片表面進行清洗、制絨等預處理。
（2）在處理好的矽片表面沉積一層非晶態tiox層，該tiox層為矽材料表面提供良好的鈍化效果。鈍化tiox層的製備使用原子層沉積工藝，其厚度控制在1nm。
（3）在非晶態的鈍化tiox層上沉積一層結晶態tiox層，其摻雜類型為n型。該n型tiox層的製備使用濺射工藝，其厚度為100nm，摻雜濃度控制在1×1018cm-3。
實施例2。
（1）對矽片表面進行清洗、制絨等預處理。
（2）在處理好的矽片表面沉積一層非晶態tiox層，該tiox層為矽材料表面提供良好的鈍化效果。鈍化tiox層的製備使用化學氣相沉積工藝，其厚度控制在3nm。
（3）在非晶態的鈍化tiox層上沉積一層結晶態tiox層，其摻雜類型為n型。該n型tiox層的製備使用蒸發工藝，其厚度為50nm，摻雜濃度控制在5×1017cm-3。