一種矽基異質結太陽電池的製作方法

2023-05-28 23:59:11 1

專利名稱：一種矽基異質結太陽電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及太陽電池光伏發電技術領域，特別是涉及一種矽基異質結太陽電 池。
背景技術：
太陽能作為一種可持續利用的清潔能源，有著巨大的開發應用潛力。現今光伏發 電領域發展較快的太陽電池產業主要有晶體矽太陽電池與薄膜太陽電池。晶體矽太陽電 池的發展已有較為成熟的技術工藝，但由於原材料價格、生產工藝複雜、能耗高、汙染等因 素使得該類型的電池生產成本較高，並且從提高光電轉換效率的角度來說，尚須進一步改 進技術。薄膜太陽電池原材料來源廣泛、生產成本低、質量輕、可柔性，因而具有廣闊的市 場前景。與晶體矽太陽電池相比，非晶矽薄膜太陽電池的優點體現在(1)原材料成本低， 所用矽材料少，厚度為微米級，只有晶體矽電池厚度的1/100 ； (2)可採用玻璃、不鏽鋼和塑 料等廉價襯底材料，生長薄膜的主要原材料SiH4和H2，來源豐富，無毒，材料與器件同步完 成，採用低溫製造工藝，因此耗能比晶體矽電池低得多，便於大面積連續化生產；(3)外形 美觀，使用可靠，特別適合建築一體化(BIPV) ； (4)矽薄膜電池產品尺寸可達1.4 5. 7平 方米，容易做成透明的，因此更容易與建築結合在一起使用；(5)矽基薄膜電池的高溫性能 好(非晶矽的電池效率溫度係數較低，約為-0. 1% /K，因此環境溫度升高所引起的電池效 率降低不明顯。而晶體矽太陽電池的溫度係數為-0. 4% /K，隨著組件的野外溫度升高，電 池效率會出現較大降低)；(6)弱光性能好，在弱光下也能發電。非晶矽薄膜材料在可見光 頻率範圍內，對可見光的吸收係數比晶體矽要大一個量級，並且非晶矽太陽電池的製造溫 度較低(200 300°C )、易於實現大面積生產，因而其在薄膜太陽電池的研發領域中佔據重 要地位。目前，非晶矽太陽電池的製作主要包括電子迴旋共振，等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD)，直流輝光放電(GD)，射頻輝光放電，濺射和熱絲化學氣相沉積(HW-CVD)等方法。 非晶矽太陽電池製作的基本原理，是將含有矽的烷氣(主要是SiH4)採用化學方式沉積到 非矽基板(如玻璃、不鏽鋼等材料)上，通過使用SiH4等離子體分解法，摻入乙硼烷B2H6 和磷化氫PH3等氣體而實現摻雜工藝，形成ρ型和η型導電類型的薄膜材料。不同類型的異質結太陽電池在實驗室研發已有多年歷史，從晶體矽表面織構、緩 衝層材料沉積、導電薄膜的沉積製備與優化到太陽電池器件的製造和工藝優化等方面都進 行了廣泛深入的研究。因此，提出規模生產的高效異質結太陽電池就顯得尤為重要和緊 迫。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種矽基異質結太陽電池，結合了晶體矽 太陽電池與矽基薄膜太陽電池的特點，可以充分有效的利用太陽光譜的短波光，提高電池 的短波光譜響應，為光生載流子的產生、分離、輸運和收集創造條件。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種矽基異質結太陽電池，包括η型非晶矽碳薄膜層、η型非晶矽薄膜層、η型微晶矽薄膜層、晶體矽材料層，所述 的η型非晶矽碳薄膜層、η型非晶矽薄膜層、η型微晶矽薄膜層、晶體矽材料層依序自上而 下疊層結合；所述的η型非晶矽碳薄膜層、η型非晶矽薄膜層、η型微晶矽薄膜層摻雜濃度 依次控制為η++、η+與η ；所述的晶體矽材料層為P型矽基底層或進行了 η型摻雜擴散處理 的ρ型矽基底層；所述的η型非晶矽碳薄膜層與所述的η型非晶矽薄膜層之間形成一個異 質結結構，所述的η型非晶矽薄膜層與所述的η型微晶矽薄膜層之間形成一個異質結結構； 所述的η型非晶矽碳薄膜層上有接觸受光面電極；所述的晶體矽材料層的下表面有背表面 場；所述的晶體矽材料層下有背光面電極。所述的矽基異質結太陽電池的分層導電類型還可以採用整體對應以反型的方式 實現，即採用P型非晶矽碳薄膜層、P型非晶矽薄膜層和P型微晶矽薄膜層，其摻雜濃度可 依次控制為ρ++、ρ+與P，採用的晶體矽材料層為η型矽基底層或進行了 P型摻雜擴散處理的 η型矽基底層。所述的矽基異質結太陽電池的非晶矽碳薄膜層、非晶矽薄膜層和微晶矽薄膜層的 禁帶寬度依次遞減，形成窗口效應；所述的非晶矽碳薄膜層、非晶矽薄膜層和微晶矽薄膜層 的厚度為納米量級並可調節。所述的矽基異質結太陽電池的晶體矽材料層的迎入射光的一面進行表面織構處 理，包括各向異性或各向同性腐蝕工藝，形成凹陷循環結構。所述的矽基異質結太陽電池的非晶矽碳薄膜層上表面還可以附加有一層包括鈍 化膜和/或透明導電薄膜的上疊層；所述的鈍化膜由氮化矽或二氧化矽製成；所述的透明 導電薄膜由ITO或ZnO製成。所述的矽基異質結太陽電池的電極採用高電導率金屬材料Ag製成。有益效果由於採用了上述的技術方案，本實用新型與現有技術相比，具有以下的優點和積 極效果由於有非晶矽薄膜材料，決定了電池在弱光條件下輸出特性較好，意味著同樣光 輻照強度下，相同額定功率的光伏電池，異質結太陽電池的輸出功率會高於晶體矽電池。由 於採用寬帶隙的矽基薄膜材料，溫度升高對輸出電壓和輸出功率的影響較小，使得異質結 電池的溫度效應弱，衰減率是晶體矽電池的一半左右，在環境溫度較高的情況下異質結電 池輸出特性優越於晶體矽太陽電池。本實用新型的太陽電池結構為非晶矽碳-非晶矽-微 晶矽_晶體矽異質結，矽基薄膜的禁帶寬度可以調控，從而有效吸收太陽光，提高光生載流 子的產額，降低電池的工作溫度，在技術上發揮了晶體矽太陽電池與薄膜太陽電池的優點。

圖1是本實用新型的異質結太陽電池結構示意圖；圖2是本實用新型的異質結太陽電池的能帶結構示意圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例，進一步闡述本實用新型。應理解，這些實施例僅用於說明本 實用新型而不用於限制本實用新型的範圍。此外應理解，在閱讀了本實用新型講授的內容 之後，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。本實用新型的實施方式涉及一種矽基異質結太陽電池，如圖1所示，包括η型非品 矽碳薄膜層1、η型非晶矽薄膜層2、η型微晶矽薄膜層3、晶體矽材料層4，所述的η型非晶 矽碳薄膜層1、η型非晶矽薄膜層2、η型微晶矽薄膜層3、晶體矽材料層4依序自上而下疊 層結合；為形成有效的高低結電場效應，所述的η型非晶矽碳薄膜層1、η型非晶矽薄膜層 2、η型微晶矽薄膜層3摻雜濃度依次控制為η++、η+與η ；所述的晶體矽材料層4為ρ型矽基 底層或進行了 η型摻雜擴散處理的ρ型矽基底層；所述的η型非晶矽碳薄膜層1與所述的 η型非晶矽薄膜層2之間形成一個異質結結構，所述的η型非晶矽薄膜層2與所述的η型微 晶矽薄膜層3之間形成一個異質結結構。為了實現這一結構，首先在晶體矽材料上沉積一層微晶矽薄膜，主要是考慮到非 晶矽材料密度較大，少子壽命較低的缺陷，而微晶矽的少子壽命相對較高且具有較高的穩 定性，有利於太陽電池光電轉換效率的提高。此外，微晶矽薄膜層也可作為非晶矽與晶體矽 之間界面的一種緩衝過渡層。一般而言，非晶矽薄膜和微晶矽薄膜分別具有對太陽光譜的 短波響應和長波響應高的特點。在微晶矽薄膜層的基礎上再沉積非晶矽薄膜層，增加了光 吸收範圍，以提高電池的光電轉換效率。矽碳屬於IV族化合物半導體，由於具有寬帶隙和 高硬度，被認為是最適合在高溫和高壓下工作的電子器件材料。非晶矽碳薄膜具有優良的 導電性能與透光率，常用做a-Si薄膜電池的窗口層。在非晶矽薄膜層上沉積一層非晶矽碳 薄膜，形成非晶矽碳/非晶矽異質結界面，起到窗口層的作用，使得太陽電池增加了對短波 長光的吸收。矽碳材料可起到一種鈍化的作用，有效避免對矽材料的表面損傷。利用寬帶隙的 非晶碳化矽膜可以明顯改善太陽電池在短波區域的收集效率。利用寬帶隙材料做成異質結 結構，不僅通過窗口作用提高短路電流，還可通過能帶彎曲的增加而有效提高太陽電池的 開路電壓。在採用PECVD方法製作非晶矽碳薄膜時，適當增加合適的氫稀釋可以改善η型 非晶矽碳薄膜層的微結構。通過在異質結太陽電池結構中引入非晶矽碳薄膜層與微晶矽薄膜層、在PECVD澱 積過程中採用H稀釋等方法以增加a-Si :Η薄膜中的氫含量、以及適當減少非晶矽薄膜層的 沉積厚度等措施，都有利於減弱光致衰減效應，增加太陽電池的光電轉換效率與穩定性。在η型非晶矽碳薄膜層1與η型非晶矽薄膜層2界面間，以及在η型非晶矽薄膜 層2與η型微晶矽薄膜層3界面間，分別可形成一近似的三角勢阱，如圖2能帶結構圖所 示，在此勢阱作用下，誘發近界面處存在一層二維電子氣。所謂「二維電子氣」指電子沿垂 直於表面方向的運動受到限制(能量只能取一系列的分立值)，而平行於表面的運動是自 由的(電子運動具有較高的遷移率)。圖2中標明了二維電子氣的位置，其中，Ef為體系平 衡時費米能級的位置。本實用新型的異質結太陽電池結構結合了晶體矽材料與微晶矽、非 晶矽、非晶矽碳薄膜的優點，在不同種類或結構的半導體材料界面形成雙異質結，充分利用 二維電子氣效應，可有效提高載流子產額；並且所形成的高低異質結電場有利於非平衡少 數載流子的遷移，減少複合效應。所述的矽基異質結太陽電池的非晶矽碳薄膜層、非晶矽薄膜層和微晶矽薄膜層的 禁帶寬度依次遞減，形成窗口效應；所述的非晶矽碳薄膜層、非晶矽薄膜層和微晶矽薄膜層 的厚度為納米量級並可調節。[0022]在太陽電池薄膜材料中，ρ型或η型的摻雜很重的區域層，對光生電流沒有貢獻， 被稱為「死區」，為了有效提高太陽電池的光電轉換效率，應儘量降低摻雜層中的光吸收。因 此，一方面在製作方法上可使摻雜層的厚度儘可能降低；另一方面還可採用寬帶隙材料作 為窗口層來減少摻雜區域對光的吸收，實現電池材料對不同頻率波段光的選擇吸收，總體 增加對入射光的有效利用。本實用新型各層結構的光學能隙(禁帶寬度)排列為，非晶矽 碳薄膜層為2. 0 3. Oev，非晶矽薄膜層為1. 5 1. 8eV，微晶矽薄膜層為1. IeV0能帶結構 示意圖如附圖2所示。所述的矽基異質結太陽電池的晶體矽材料層的迎入射光的一面進行表面織構處 理，包括各向異性或各向同性腐蝕工藝，形成凹陷循環結構。對晶體矽材料基底層進行有效 的表面織構，以保證織構後的矽表面具有較低的光反射率，並且表面狀態要適合沉積微晶 矽緩衝層薄膜。所述的矽基異質結太陽電池的非晶矽碳薄膜層上制有一層包括鈍化膜和/或透 明導電薄膜的上疊層；所述的上疊層上有接觸受光面電極，所述的晶體矽材料層的下表面 有背光面電極；所述的鈍化膜由氮化矽或二氧化矽製成，所述的透明導電薄膜由ITO或ZnO 製成；所述的電極採用高電導率金屬材料Ag製成。在非晶矽碳薄膜層的表面既可以製備透明導電薄膜，也可製備絨面的TCO膜，這 樣的結構使得電池具有較低的電阻率與較高的光穿透率。透明導電薄膜可以是由ZnO或 ITO製成的，以此提高頂層的輸出電流，同時透過長波光，保證底層材料的光吸收。在非晶矽 碳薄膜層的表面還可製備由氮化矽或二氧化矽製成的鈍化膜。由於矽碳與氮化物的晶格失 配比較小，是一種很好的用來生長氮化物的基底材料，因此有利於在其上澱積氮化矽等表 面鈍化膜，並且非晶矽碳薄膜層有利於減弱非晶矽薄膜的光致衰減效應。此外，異質結太陽 電池製作前接觸受光面電極與背光面電極，採用高電導率金屬材料(如Ag)製成的電極與 其它材料間形成較好的歐姆接觸，在鈍化膜與各薄膜層間也存在一些隧穿電流機制。下面通過一個具體的實施例來進一步說明本實用新型。本實用新型異質結太陽電池的製作方式主要採用等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD)方法，控制源氣體與摻雜氣體，以沉積η型非晶矽碳薄膜層，η型非晶矽薄膜層，η 型微晶矽薄膜層，摻雜濃度可依次控制為η++，η+與η。晶體矽材料層的準備，分為兩種情況，即只是ρ型矽基底層(不進行η型摻雜擴 散)，或者進行了 η型摻雜擴散處理的ρ型矽基底層。晶體矽材料矽片進行較好的清潔處理 後，採用PECVD方法製作微晶矽薄膜。尤其，當ρ型的晶體矽材料層不進行η型摻雜擴散處 理情況時，在採用PECVD方法製作微晶矽薄膜時，需要控制最佳的沉積條件、樣品準備與制 備工藝，以使得微晶矽薄膜與晶體矽基底之間結合得較為緻密。在晶體矽材料層上沉積微晶矽薄膜層，並進行η型摻雜處理。微晶矽薄膜層可通 過先沉積非晶矽薄膜，之後進行低溫固相晶化的方法而得到；也可採用高壓高功率的甚高 頻等離子體增強化學氣相沉積(VHF-PECVD)技術沉積微晶矽(yC-Si:H)薄膜層。由於在 晶體矽表面需要沉積納米級的薄膜，可採用新清洗技術使晶體矽表面清潔度更高；調整電 池表面微米級凹凸的尺寸以更加充分的利用太陽光；同時進行氣相沉積時控制工藝，抑制 薄膜層形成時對晶體矽材料表面產生的損傷。在微晶矽薄膜層的基礎上再沉積一層η型摻雜處理的非晶矽薄膜層。非晶矽材料一般用PECVD方法澱積製備，源氣體採用SiH4,摻雜氣體採用PH3，摻雜和澱積是同時進行 的，容易實現層內均勻摻雜，薄膜層厚度可控制在nm級的範圍。採用PECVD方法在非晶矽薄膜層之上沉積一層非晶矽碳薄膜層，可以利用PH3作 為η型摻雜劑。反應氣體可採用矽烷和甲烷(或丙烷)，並採用氫稀釋，氫離子有利於飽和 電池材料中的矽懸掛鍵。調節沉積溫度以控制摻碳量的多少。在較低溫度下即可實現微量 摻碳，隨著沉積溫度提高可控制其成份與結構。非晶矽碳薄膜層的厚度不能太厚，以免引入 較多的帶隙間缺陷態，一般可控制在nm量級。在PECVD方法製作薄膜時，優化薄膜的電學、光學性質，提高光子的吸收率和光生 載流子的輸運。實現矽薄膜的可控生長包括薄膜沉積速度，薄膜的光學特性，電學特性和微 結構等都有效地控制，並且找到矽薄膜性質隨試驗工藝條件的變化規律。在晶體矽上沉積 微晶矽薄膜，優化太陽電池pn結和界面特性，提高光生電流輸出。實現薄膜層材料的可控 生長，即可以有效控制薄膜層材料的生長速度，在基底上能均勻分布，光學、電學和微結構 特性能符合太陽電池對該薄膜的要求。在非晶矽碳薄膜層之上可製作氮化矽或二氧化矽鈍化膜，以減少載流子的複合和 光在表面的反射，增加少子壽命。採用濺射工藝，可在電池的前接觸表面沉積透明導電氧化 膜，優化透明導電氧化薄膜和電極圖形，結合太陽電池結構和工藝，從理論模擬方面進行優 化設計，以增強光電輸出，提高電池的穩定性、可靠性。採用掩膜，真空熱蒸發方法形成金屬 Ag前受光面電極和後接觸表面蒸發背光面電極，並且還可進行背反射處理，並採用合理的 背場結構。此外，需要說明的是上述電池設計中，分層的導電類型還可以採用整體對應以反 型的方式實現，即採用P型非晶矽碳薄膜層、P型非晶矽薄膜層和P型微晶矽薄膜層，其摻 雜濃度可依次控制為P++、P+與P，採用的晶體矽材料層為η型矽基底層或進行了 P型摻雜擴 散處理的η型矽基底層。不難發現，本實用新型的太陽電池結構為非晶矽碳-非晶矽-微晶矽_晶體矽異 質結，矽基薄膜的禁帶寬度可以調控，從而有效吸收太陽光，提高光生載流子的產額，降低 電池的工作溫度，在技術上發揮了晶體矽太陽電池與薄膜太陽電池的優點，在優化工藝條 件的基礎上該異質結太陽電池在光電轉換效率方面將會有進一步提高。
權利要求一種矽基異質結太陽電池，包括n型非晶矽碳薄膜層、n型非晶矽薄膜層、n型微晶矽薄膜層、晶體矽材料層，其特徵在於，所述的n型非晶矽碳薄膜層、n型非晶矽薄膜層、n型微晶矽薄膜層、晶體矽材料層依序自上而下疊層結合；所述的n型非晶矽碳薄膜層、n型非晶矽薄膜層、n型微晶矽薄膜層摻雜濃度依次控制為n++、n+與n；所述的晶體矽材料層為p型矽基底層或進行了n型摻雜擴散處理的p型矽基底層；所述的n型非晶矽碳薄膜層與所述的n型非晶矽薄膜層之間形成一個異質結結構，所述的n型非晶矽薄膜層與所述的n型微晶矽薄膜層之間形成一個異質結結構；所述的n型非晶矽碳薄膜層上有接觸受光面電極；所述的晶體矽材料層下有背光面電極。
2.根據權利要求1所述的矽基異質結太陽電池，其特徵在於，所述的太陽電池的分層 導電類型還可以採用整體對應以反型的方式實現，即採用ρ型非晶矽碳薄膜層、P型非晶矽 薄膜層和P型微晶矽薄膜層，其摻雜濃度可依次控制為Ρ++、Ρ+與P，採用的晶體矽材料層為 η型矽基底層或進行了 ρ型摻雜擴散處理的η型矽基底層。
3.根據權利要求1或2所述的矽基異質結太陽電池，其特徵在於，所述的非晶矽碳薄膜 層、非晶矽薄膜層和微晶矽薄膜層的禁帶寬度依次遞減，形成窗口效應；所述的非晶矽碳薄 膜層、非晶矽薄膜層和微晶矽薄膜層的厚度為納米量級並可調節。
4.根據權利要求1或2所述的矽基異質結太陽電池，其特徵在於，所述的晶體矽材料層 的迎入射光的一面進行表面織構處理，包括各向異性或各向同性腐蝕工藝，形成凹陷循環 結構。
5.根據權利要求1或2所述的矽基異質結太陽電池，其特徵在於，所述的非晶矽碳薄膜 層上表面還可以附加有一層包括鈍化膜和/或透明導電薄膜的上疊層；所述的鈍化膜由氮 化矽或二氧化矽製成；所述的透明導電薄膜由ITO或ZnO製成。
6.根據權利要求1所述的矽基異質結太陽電池，其特徵在於，所述的電極採用高電導 率金屬材料Ag製成。
專利摘要本實用新型涉及一種矽基異質結太陽電池，結合了晶體矽與薄膜材料的特點，包括自上而下疊層結合的n型非晶矽碳薄膜層、n型非晶矽薄膜層、n型微晶矽薄膜層、晶體矽材料層，n型非晶矽碳薄膜層與n型非晶矽薄膜層之間形成一個異質結結構，n型非晶矽薄膜層與n型微晶矽薄膜層之間形成一個異質結結構，從而形成一種非晶矽碳/非晶矽/微晶矽/晶體矽太陽電池結構，有利於減弱非晶矽薄膜的光致衰減效應，提高太陽電池的穩定性；利用不同帶隙半導體材料組成的窗口效應，實現了異質結電池結構對不同頻率波段光的選擇吸收，增加了入射光的總體有效利用，以提高太陽能電池的光電轉換效率。
文檔編號H01L31/20GK201699034SQ20102010297
公開日2011年1月5日 申請日期2010年1月28日 優先權日2010年1月28日
發明者倪開祿, 司新文, 周紅芳, 孟凡英, 張劍, 張正權, 彭德香, 彭錚, 李正平, 李長嶺, 沈文忠, 陶然, 高華 申請人:上海超日太陽能科技股份有限公司