透明導電膜前電極晶體矽太陽能電池的製作方法

2023-06-27 05:41:51

專利名稱：透明導電膜前電極晶體矽太陽能電池的製作方法
技術領域：
本發明屬於新結構的光伏電池。
為了減少太陽光在矽表面的反射，通常使用了光學減反射層(F)。它們是折射率在2.0～2.2之間的一氧化矽(SiO)、氮化矽(SiN)等絕緣薄膜。
由

圖1可以看出柵狀前電極留出大量表面，以接受入射光。而光生電流則依靠光生載流子在太陽電池表層(D)的橫向運動，被柵狀前電極收集而形成。對n-p型晶體矽太陽能電池而言，光生載流子之所以能作較長距離的橫向運動，是因為它們在n-Si表層有較長的擴散長度。當然，也要求表層有足夠的厚度，以儘可能降低表層的電阻。這樣，在採用柵狀前電極的情況下，還要處理好另一對矛盾一方面，希望表層薄，即結淺，這對提高太陽能電池的短波響應、短路電流，以及對提高電池的性能都有利；另一方面，又希望增加表層厚度，以減小表層橫向電阻，從而電增加短路電流和填充因子。晶體矽太陽能電池的現有技術是將表層控制在1微米左右。因此，現在晶體矽太陽能電池所用的柵狀前電極，各條電極間的距離可以比較寬，即柵的密度比較稀，形狀可以不太精確。
晶體矽太陽能電池中，還有一種結構稱為MIS的太陽電池。MIS太陽電池的基本結構如圖2所示。它是以金屬和半導體形成的肖特基結(J)來驅動光生載流子而產生電動勢。在金屬和半導體之間，還須有一層很薄的(約幾十埃)、品質很好的氧化物絕緣層(I)，如SiO2、Al2O3等。
由於肖特基結很淺，而表層很薄，還由於需要金屬電極和半導體形成的肖特基結復蓋整個半導體表面，因此就要求各條柵狀電極(E)間的距離必須相當小，即柵的密度相當高，形狀必須很精確。
綜上所述，現有技術存在如下問題採用的柵狀前電極大約要覆蓋6～10％的表面積，使太陽電池的有效面積減小，從而使轉換效率降低。
(1)使用柵狀前電極的結果是，光生載流子必須在表層作橫向運動。這帶來了額外的串聯電阻，使短路電流和填充因子下降。計算表明當表層電阻為245Ω.cm2時，等效於太陽電池的有效面積下降為40％；表層電阻為4.6Ω.cm2時，有效面積下降為60％；表層電阻為1Ω.cm2時，有效面積也僅有80％左右。另一方面，為改善光譜響應，要製作淺結。隨之而來的，就得製作密柵。計算表明當表層厚度為0.15μ時，便需要30條/cm的密柵，這隻有用光刻技術才能實現。於是使得太陽電池的成本大大增加。
(2)為了使表層的電阻低，表層必須比較厚，一般為1μ左右。這樣厚的高摻雜層，被稱為「死層」。它能吸收不少入射光(例如0.5μ的矽可吸收9％的太陽光；2μ厚時太陽光幾乎完全被吸收)，但又不能轉換為電力。它還有大量的結構缺陷，會捕獲光生載流子，使之不能對光生電流作出貢獻。因此，厚的表層，也是對提高太陽電池轉換效率的不可忽視的限制。
綜合上述因素，粗略的計算表明現有的晶體矽太陽能電池即使採用一個恰當的柵淺密度和與之匹配的表層厚度，仍會使太陽電池的轉換效率損失30％左右。
本發明採用的技術手段是，對結構為背電極/制有n-p結的晶體矽/前電極的太陽能電池，採用的前電極為透明導電膜前電極，以取代柵狀前電極。恰當的選擇透明導電膜的種類和製備方法，能使其折射率為1.8～2.0，再加上製備到恰當的厚度就將具有減反射作用。所以，本發明採用的透明導電膜前電極將起著前電極和減反射的雙重作用。
為了使本發明取得的更好的效果，考慮到透明導電膜如果採用高電導透明導電膜，它是一種摻雜濃度很高的寬帶隙簡併半導體，它和高摻雜矽之間會產生大量界面態。因此，本發明在高電導透明導電膜和n-型矽之間引入一個阻擋層，即是以一層足夠厚的高電導透明導電膜導電層和一層足夠薄的高電阻透明導電膜阻擋層構成透明導電膜前電極，來取代柵狀前電極和減反射層。
為實現本發明，根據現有的製備技術，透明導電膜前電極中的高電導透明導電膜導電層可以採用ITO(In2O3SnO2)，SnO2、ZnO或Cd2SnO4等多晶薄膜，摻雜濃度為1019-1021/cm3。它們的能隙寬度在3.3～4.2eV之間，體電導率為103～104(Ω.cm)-1，折射率為1.8～2.00。薄膜可以做成300--900nm厚。用它作前電極有三個作用，並帶來顯著的效果(1)讓入射光通過。在現有技術中，透明導電膜的光吸收係數很小；500～600nm厚的透明導電膜的透過率為95％左右。
(2)作為減反射層，增加光的入射。計算表明，在矽表面復蓋折射率為1.95左右的透明介質，當透明介質層的光學厚度滿足關係nL＝K(λ0/4)時，對波長為λ0的光有增透作用。式中，n為透明介質折射率，L為其厚度，λ0為選定的光波波長，K為正整數。當n取2時，λ0取為600nm，那麼透明導電膜厚度為L＝75、150、225、300、375、525、600……nm時具有最佳的減反射效果。這是在本發明中，選擇透明導電膜厚度的基本原則。
(3)作為導電電極，收集光生電流。對600nm厚的透明導電膜，其膜層電阻約6Ω.cm2，不足淺結矽表層電阻的十分之一，小於深結矽表層電阻的三分之一。因此，能大大改善了對光生電流的收集。
透明導電膜前電極中的高電阻透明導電膜阻擋層可以是不摻雜的SnO2、ZnO或Zn2SnO4等多晶薄膜或不摻雜的SnO2、ZnO等非晶態薄膜(在製作過程中允許有《1016/cm3的雜質濃度》。隨製備工藝、組份及微結構的改變，其電阻率為1～1000Ω.cm。它對高摻雜矽表面起鈍化作用，會大大減小高電導透明導電膜/高摻雜矽界面上的界面態，也會對這個界面的能帶結構有修飾作用。因此，把它稱之為阻擋層。阻擋層的厚度由它的本身的電阻率來確定。基本的考慮是，既要起鈍化和能帶修飾作用，又不會帶來額外的串聯電阻。如，電阻率為1-10Ω.cm時，厚度以100nm為宜。當體電阻率為100-1000Ω.nm時，厚度減少為10nm或更薄。
本發明使晶體矽太陽電池的性能有如下改善(a)提高了入射光的量約5％；(b)通過改善橫向的電導，等效於增加太陽電池的有效面積約15～20％；(c)可以使晶體矽太陽電池製作成淺結，改善短波光譜響應，使輸出功率有5～10％的提高。
以上三點作用綜合起來，可使轉換效率提高35～40％。可以相信，隨著透明導電膜性能的改進，它的作用還會更加顯著。此外，實施本發明使晶體矽太陽電池的成本下降。由於製作透明導電膜的成本與製作減反射膜的成本相當，而前電極的製備成本比用光刻技術製作密柵低得多，也比絲網印刷技術製作普通柵狀電極低。因此，成本將降低10％以上。
根據圖3所示的太陽電池結構背電極(A)/制有n-p結(C)的晶體矽(B)/高電阻透明導電膜阻擋層(G)/高電導透明導電膜導電層(H)/金屬電極(K)，製作晶體矽太陽電池透明導電膜前電極的順序為在已形成n-p結的晶體矽基片上，先沉積10-100nm的高電阻透明導電膜阻擋層，然後沉積300--900nm厚的高電導透明導電膜導電層，最後製作金屬電極。根據矽片的大小，可以製作一條或幾條並聯的金屬電極，條形金屬電極間的寬度可以等於或大於10mm。
下述實施過程均在已形成n-p結(C)的矽基底(B)上進行。
實施例1高電阻透明導電膜阻擋層採用非晶態SnO2，用PECVD製備，可獲得很高的電阻率。一般為電阻率≥104Ω.cm。高電導透明導電膜導電層採用摻雜的SnO2。具體實施如下先用PECVD技術製備5～10nm厚的阻擋層(G)。再用濺射方法、低壓CVD方法或常壓CVD方法製備高電導透明導電膜導電層(H)。厚度按減反射條件，控制為150～750nm，或者更厚。最後用絲網印刷、濺射或真空蒸發製作金屬前電極(K)。一般前電極條的密度為0.5-2條/cm。
當非晶態SnO2阻擋層的電阻率為104Ω.cm，厚度為5nm；摻雜的SnO2透明導電膜導電層的電導率為104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時，轉換效率比使用柵狀前電極高30％左右。
實施例2高電阻透明導電膜阻擋層採用非晶態SnO2，高電導透明導電膜導電層採用ITO薄膜，也可以用摻雜的ZnO薄膜或Cd2SnO4薄膜。先用PECVD技術製備5～10nm的阻擋層(G)。再用濺射方法或APCVD方法製備高電導透明導電膜導電層(H)，厚度為150～750nm或者更厚。最後，製備金屬前電極(K)，方法如例1所述。
當非晶態SnO2阻擋層的電阻率為104Ω.cm，厚度為5nm；ITO透明導電膜導電層的電導率為1.5×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時，轉換效率比使用柵狀前電極高35％左右。
實施例3高電阻透明導電膜阻擋層SnO2採用多晶薄膜，高電導透明導電膜導電層採用摻雜的SnO2薄膜或ITO膜，或摻雜的ZnO薄膜、Cd2SnO4薄膜。先用低壓CVD或常壓CVD方法製備不摻雜的高電阻透明導電膜阻擋層(G)。由於其電阻率在5～10Ω.cm之間，其厚度控制在100nm左右。然後按例1或例2所述的技術，製作高電導透明導電膜導電層(H)，厚度為150～750nm，也可以更厚。即可用濺射方法、低壓CVD方法或常壓CVD方法製備SnO2多晶薄膜透明導電膜導電層；或用濺射方法，常壓CVD方法製備ITO膜；或用其它方法製備摻雜的ZnO薄膜、Cd2SnO4薄膜。最後，按例1的方法製作金屬前電極(K)。
當不摻雜SnO2阻擋層的電阻率為1～10Ω.cm，厚度為50～100nm；ITO層的電導率為1.5×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時，轉換效率比使用柵狀電極高25％左右。
實施例4高電阻透明導電膜阻擋層採用Zn2SnO4薄膜，高電導透明導電膜導電層採用的材料可與實施例3相同。先用濺射法或其它方法製備阻擋層(G)。由於其電阻率在10～1000Ω.nm之間，阻擋層厚度控制在20～50nm之間。然後，按例1或例2的技術製作150～750nm或更厚的透明導電膜導電層(H)。最後，按例1的技術製作金屬前電極(K)。
當Zn2SnO4阻擋層的電阻率為1000Ω.cm，厚度為10nm；Cd2SnO4層的電導率為1.5×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時，轉換效率比使用柵狀電極高35％左右。
實施例5高電阻透明導電膜阻擋層採用不摻雜的ZnO非晶態薄膜，高電導透明導電膜導電層可以是摻雜的ZnO薄膜，或上述實施例中的ITO、摻雜SnO2或Cd2SnO4等。先用PECVD或其它方法製備作阻擋層(G)。由於電阻率在1～100Ω.nm之間，ZnO阻擋層厚度控制在5～50nm之間，然後製作150～750nm或更厚的透明導電膜導電層(H)。最後，按例1製作金屬前電極(K)。
當ZnO阻擋層的電阻率為1000Ω.cm，厚度為10nm；摻雜的ZnO層的電導率為0.8×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時，轉換效率比使用柵狀電極高25％左右。
實施例6高電阻透明導電膜阻擋層可以是電阻率更高的氧化物薄膜，如TiO2或Al2O3，SiO2薄膜。高電導透明導電膜導電層可以用上述實施例採用的ITO或其他材料。先製作透明導電膜阻擋層(G)，厚度控制為2～10nm。然後再按上述實施例採用的方法，製作150～750nm或更厚的透明導電膜導電層(H)。最後按例1製作金屬前電極(K)。
當TiO2阻擋層的電阻率高於1000Ω.cm，厚度為2nm；ITO層的電導率為0.8×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時，轉換效率比使用柵狀電極高35％左右。
權利要求
1.一種晶體矽太陽能電池，其結構為背電極/制有n-p結的晶體矽/前電極，其特徵是前電極為透明導電膜前電極。
2.如權利要求1所述的太陽能電池，其特徵是透明導電膜前電極由高電導透明導電膜導電層和高電阻透明導電膜阻擋層構成。
3.如權利要求2所述的太陽能電池，其特徵是高電導透明導電膜導電層採用摻雜濃度為1019-1021/cm3的ITO或ZnO或SnO2或Cd2SaO4多晶薄膜；高電阻透明導電膜阻擋層採用不摻雜的SnO2或ZnO或Zn2SnO4多晶薄膜或者SnO2態薄膜或者TiO2或Al2O3或SiO2薄膜。
全文摘要
透明導電膜前電極晶體矽太陽電池屬於一種的新結構的光伏電池。其要點是用透明導電薄膜作前電極，來代替柵狀前電極及減反射層。本發明的透明導電膜前電極是迭層結構，即先在已形成n－p結的矽基底上，製作厚度小於100nm的高電阻透明導電膜，然後按電導和減反射的要求製作厚度大於150nm的高電導透明導電膜。可使轉換效率提高25－35％。製作成本比現有技術有所降低。
文檔編號H01L31/06GK1416179SQ0112901
公開日2003年5月7日 申請日期2001年10月31日 優先權日2001年10月31日
發明者馮良桓, 蔡亞平 申請人:四川大學