一種選擇性摻雜異質結太陽能電池的製作方法
2023-05-22 03:53:51 1
專利名稱：一種選擇性摻雜異質結太陽能電池的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種選擇性摻雜異質結太陽能電池，屬於太陽能電池技術領域。
背景技術：
太陽能電池是一種光電能量轉換器件，可以將光能轉變為電能並且在轉換過程中沒有任何的汙染物的排放，是最重要的清潔能源之一。隨著人們環保意識的提高，地球上石油能源的日益衰竭，對於清潔能源的需求越來越旺盛。相比於其它清潔能源，利用半導體的光伏特性進行太陽能的能量轉換，具有不受地域限制的優點，地球上有陽光的地方，就能利用太陽能電池轉換太陽的直接能量和漫射能量。目前，太陽能電池主要有單晶矽電池、多晶矽電池和薄膜電池，其中單晶矽電池的量產轉換效率最高，可以達到18-19%。但是，太陽能電池的轉換效率還不能滿足人們對於太陽能電池轉換效率的需求。因此，人們在電池上進行了相應的結構設計來進一步提高電池的轉換效率。其中，HIT電池、選擇性摻雜電池、同型異質結電池等都可以有效的提高電池的轉換效率。HIT電池利用異質結的「窗口效應」可以將太陽能電池的轉換效率提高到19-20%，但是，由於非晶矽薄膜中的缺陷密度高，電池製備要求高，成本較高；選擇性摻雜電池可以降低電池的串聯電阻，提高電池的短波響應，來提高電池的轉換效率，但工藝步驟較為複雜，且對轉換效率的提高有限。同型異質結電池在普通PN結電池上澱積一層非晶矽薄膜，形成同型異質結，可在電池表面形成低阻層，從而降低電池的串聯電阻，提高電池的光生電流。但該結構電池的頂電極引出困難，易使得異質結短路，不易形成異質結低阻層。在製備過程中無法保證非晶矽薄膜與電池的良好接觸，不易形成有效的異質結結構。因此，需要對以上的電池結構進行改進，通過新型工藝方法克服以上困難實現太陽能電池性能的提聞。
發明內容
本發明的目的在於:克服上述現有技術的缺陷，提出一種同時具有異質結和選擇性摻雜頂電極區的選擇性摻雜異質結太陽能電池，該電池的工藝實現簡單，生產成本低，獲得的太陽能電池性能良好。為了達到上述目的，本發明提出的選擇性摻雜異質結太陽能電池，包括P型晶矽層、N型晶矽層、頂電極、底電極，其特徵在於:所述N型晶矽層的上表面依次澱積有非晶矽層、氮化矽抗反射層，所述非晶矽層內含有從所述N型晶矽層擴散入的磷元素，非晶矽層與N型晶矽層之間形成同型異質結，所述非晶矽層具有容頂電極穿過的槽，所述氮化矽抗反射層嵌入所述槽內，非晶矽層與頂電極之間通過所述氮化矽抗反射層絕緣，所述N型晶矽層的頂電極區為重摻雜區。本發明選擇性摻雜異質結太陽能電池，進一步的改進在於:
1、底電極位於P型晶矽層的下表面，所述頂電極與位於N型晶矽層的上表面。2、同型異質結和頂電極重摻雜區通過逆向擴散工藝一步製得，所述逆向擴散工藝步驟包括:在具有PN結的矽片上表面澱積本徵非晶矽層，並在幹氧環境下高溫擴散，使矽片上表面頂電極區以外區域的磷元素被擴散入非晶矽層，形成同型異質結，同時頂電極區進行了二次磷摻雜，完成頂電極區重摻雜。此外，本發明還提供了一種同型異質結太陽能電池的製造工藝，其特徵是包括如下步驟:
第I步、使用磁控濺射的方法在制絨後的P型晶矽上表面澱積一層厚度約為0.05微米的含有磷元素的二氧化矽薄膜；
第2步、將澱積後的矽片進行高溫擴散，使二氧化矽薄膜中的磷元素擴散入矽片，形成PN結；
第3步、除去矽片上表面頂電極區以外的二氧化矽薄膜；
第4步、在矽片上表面澱積本徵非晶矽層；
第5步、將矽片置於幹氧環境中進行高溫擴散，使矽片表面非頂電極區的磷元素被擴散入非晶矽層，使非晶矽層與N型晶矽層之間形成同型異質結，頂電極區二氧化矽薄膜中的磷元素進一步向頂電極區擴散，完成頂電極區二次磷摻雜，同時非晶矽層表面被氧化；
第6步、去除非晶矽層表面的氧化物和頂電極區的二氧化矽薄膜；
第7步、娃片上表面澱積氮化娃抗反射薄膜；
第8步、製備頂電極及背電極。本發明同型異質結太陽能電池的製造工藝進一步改進在於:
1、第I步中，二氧化矽薄膜中的磷元素的濃度為lel9/cm3。2、第2步中，高溫擴散的溫度為900°C，高溫擴散的時間為5分鐘。3、所述第3步中，採用絲網印刷的方法保留頂電極區域的二氧化矽，將矽片上其它區域的二氧化矽利用氫氟酸緩衝液去除掉。4、第4步中，澱積的本徵非晶矽層厚度約為40_50nm。5、第5步中，幹氧環境下的高溫擴散工藝溫度為900°C -1100°C，持續時間為30_2分鐘。6、第6步中，採用氫氟酸緩衝液去除非晶矽層表面的氧化層和頂電極區的二氧化
矽薄膜。本發明提出了一種具備異質結和選擇性摻雜電極的太陽能電池結構及其工藝製備方法。通過澱積非晶矽薄膜吸收非頂電極區的雜質，使非頂電極區的摻雜濃度降低，形成同型異質結，同時頂電極區進行了二次摻雜，導致頂電極區與非頂電極區的摻雜濃度差進一步增大，提高了選擇性摻雜的效果；並且逆向擴散工藝在幹氧環境下進行，僅對非晶矽表層進行氧化，形成二氧化矽薄膜有利於去除非晶矽薄膜表面的雜質。與HIT電池相比該電池結構更簡單易行；與選擇性摻雜電池相比異質結的存在可以進一步提高光生電流的強度，提高電池的效率；與同型異質結電池相比，雜質逆向擴散過程使得非晶矽薄膜與電池上表面的結合更緊密，提高了異質結的質量，同時選擇性摻雜頂電極區的存在可以進一步減小電池的串聯電阻，提高電池的性能。由於電池中的異質結和選擇性頂電極區同步形成，減少了電池的製備工藝步驟，電池中雜質濃度的分布更均勻。該結構電池的製備工藝與現有的太陽能電池製備工藝相兼容，實用性更強。本發明該工藝方法的特點在於: 1、不同於傳統的選擇性摻雜工藝，採用的是先全片重摻雜，後逆向擴散出受光面雜質，降低受光面的雜質摻雜濃度的方法。2、應用本徵非晶矽薄膜吸收電池表面已摻雜區域的雜質，使得電池表面不會被其他不同元素汙染。3、保留頂電極區的磷矽玻璃作為高溫雜質逆向擴散工藝的頂電極雜質保護層，保證了頂電極區的重摻雜。4、在雜質逆向擴散過程中採用幹氧環境，應用氫氟酸緩衝液去除氧化層，保留非晶矽層作為異質結。5、太陽能電池的頂電極與非晶矽層利用氮化矽進行嚴格電學隔離，避免了非晶矽/晶矽異質結的短路。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。圖1是本發明選擇性摻雜異質結太陽能電池結構示意圖。圖2是本發明選擇性摻雜異質結太陽能電池的仿真圖。圖3是本發明具有同型異質結選擇性摻雜結構電池與普通選擇性摻雜太陽能電池的光譜響應比較曲線圖。圖4是本發明選擇性摻雜異質結太陽能電池的製造工藝流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。產品實施例
如圖1所示為本發明選擇性摻雜異質結太陽能電池結構示意圖，包括:p型晶矽層6、N型晶娃層7、頂電極4、底電極5,底電極5位於P型晶娃層6的下表面,頂電極4與位於N型晶矽層7的上表面#型晶矽層7的上表面依次澱積有非晶矽層2、氮化矽抗反射層3，非晶矽層2內含有從所述N型晶矽層7逆向擴散入的磷元素，非晶矽層2與N型晶矽層7之間形成同型異質結，非晶矽層2具有容頂電極4穿過的槽8，氮化矽抗反射層3嵌入槽8內，非晶矽層2與頂電極4之間通過所述氮化矽抗反射層3絕緣，N型晶矽層7的頂電極區C為重摻雜區。同型異質結和頂電極重摻雜區通過逆向擴散工藝一步製得，所述逆向擴散工藝步驟包括:在具有PN結的矽片上表面澱積本徵非晶矽層，並在幹氧環境下高溫擴散，使矽片上表面頂電極區以外區域的磷元素被逆向擴散入非晶矽層，形成同型異質結，同時頂電極區進行了二次磷摻雜，完成頂電極區重摻雜。如圖2所示，為本實施例選擇性摻雜異質結太陽能電池的仿真圖。從圖2中可以看出去除氧化層後，非晶矽薄膜被保留下來，同時，在頂電極區域形成了重摻雜的選擇性頂電極區。選擇性摻雜區域(頂電極區)的雜質濃度達到了 lel8.8/cm3，而單晶與非晶矽界面處的雜質濃度為lel8.1/cm3，濃度差達到近一個數量級，很好的實現了選擇性摻雜；並且電池的頂電極與非晶矽層之間被氮化矽層嚴格電學隔離，很好的保證了同型異質結的電學絕緣。
如圖3所示，為本發明具有同型異質結選擇性摻雜結構電池與普通選擇性摻雜太陽能電池的光譜響應比較曲線圖，圖中深色曲線為本發明電池光譜響應曲線，淺色曲線為普通選擇性摻雜電池的光譜響應比較曲線。從圖3中可以看出，同型異質結選擇性摻雜電池的光譜響應優於普通電池，其長波響應更佳，這是因為異質結的窗口效應導致晶矽電池對光的吸收增加。由於同型異質結和選擇性摻雜頂電極區是同步形成的，未增加電池的生產步驟，因此基於逆向擴散工藝的同型異質結選擇性摻雜太陽能電池生產工藝是一種高效低成本生產工藝。下面對本發明工藝實施例進行說明。工藝實施例一
如圖4所示，為本發明實施例同型異質結太陽能電池的製造工藝流程示意圖，具體包括如下步驟:
la、使用磁控濺射的方法在制絨後的P型晶矽上表面澱積一層厚度約為0.05微米的含有磷元素的二氧化矽薄膜1，二氧化矽薄膜I中的磷元素的濃度為lel9/cm3 ；
2a、將澱積後的矽片進行高溫擴散，使二氧化矽薄膜中的磷元素擴散入矽片，形成PN結，高溫擴散的溫度為900°C，高溫擴散的時間為5分鐘；
3a、除去矽片上表面頂電極區以外的二氧化矽薄膜，本步中，採用絲網印刷的方法保留頂電極區域的二氧化矽，將矽片上其它區域的二氧化矽利用氫氟酸緩衝液去除掉；
4a、在娃片上表面澱積本徵非晶娃層2,澱積的本徵非晶娃層厚度約為40-50nm ；
5a、將矽片置於幹氧環境中進行高溫擴散，使矽片表面非頂電極區的磷元素被逆向擴散入非晶矽層2，，使非晶矽層與N型晶矽層之間形成同型異質結，頂電極區二氧化矽薄膜I中的磷元素進一步向頂電極區C擴散，完成頂電極區二次磷摻雜，頂電極區C形成重摻雜，同時非晶矽層2的表面被氧化；本實施例步驟5a (第五步)為逆向擴散工藝步驟，其幹氧環境下的高溫擴散工藝溫度為900°C，持續時間範圍為30分鐘
6a、採用氫氟酸緩衝液去除非晶矽層2表面的氧化層和頂電極區的二氧化矽薄膜I ;
7a、矽片上表面澱積氮化矽抗反射薄膜3 ；
8a、製備頂電極4及背電極5。工藝實施例二
本實施例的步驟與工藝實施例一相同，區別在於步驟5a (第五步)中幹氧環境下高溫擴散的工藝參數，本實施例中，高溫擴散的工藝溫度為1000°C，持續時間為5分鐘。工藝實施例三
本實施例的步驟與工藝實施例一相同，區別在於步驟5a (第五步)中幹氧環境下高溫擴散的工藝參數，本實施例中，高溫擴散的工藝溫度為1100°C，持續時間為2分鐘。對上述三個實施例進行仿真後，經比較發現，隨著步驟5a (第五步)中擴散溫度的升高，電池的PN結在不斷的加深。電池的表面的雜質濃度先增加後減小，但頂電極區的雜質濃度隨著溫度的增加而逐步增加。頂電極區的重摻雜雜質主要向電池體內進行擴散，橫向擴散較小，這與在電池表面澱積本徵非晶娃層有關，過多的橫向擴散雜質被非晶娃層吸收。這說明應用非晶矽層作為電池的逆擴散層，可以起到限制重摻雜區雜質橫向擴散作用。輕摻雜區域的雜質濃度比較接近，較低的擴散溫度可以有效地形成淺結，提高電池短波光譜響應。本發明實施例部分以P型晶矽為例對本發明工藝進行了詳細說明，利用對N型晶矽製造本發明同型異質結太陽能電池的工藝及條件與之類似，區別僅在於摻雜元素由磷換成了硼，本領域技術人員完全可以通過了解本實施例部分，舉一反三來製造出P型襯底的並聯雙結晶矽太陽能電池。因此本文不再贅述。除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍。
權利要求
1.一種選擇性摻雜異質結太陽能電池，包括P型晶矽層、N型晶矽層、頂電極、底電極，其特徵在於:所述N型晶矽層的上表面依次澱積有非晶矽層、氮化矽抗反射層，所述非晶矽層內含有從所述N型晶矽層擴散入的磷元素，非晶矽層與N型晶矽層之間形成同型異質結，所述非晶矽層具有容頂電極穿過的槽，所述氮化矽抗反射層嵌入所述槽內，非晶矽層與頂電極之間通過所述氮化矽抗反射層絕緣，所述N型晶矽層的頂電極區為重摻雜區。
2.根據權利要求1所述的選擇性摻雜異質結太陽能電池，其特徵在於:底電極位於P型晶矽層的下表面，所述頂電極與位於N型晶矽層的上表面。
3.根據權利要求1所述的選擇性摻雜異質結太陽能電池，其特徵在於:所述同型異質結和頂電極重摻雜區通過逆向擴散工藝一步製得，所述逆向擴散工藝步驟包括:在具有PN結的矽片上表面澱積本徵非晶矽層，並在幹氧環境下高溫擴散，使矽片上表面頂電極區以外區域的磷元素被擴散入非晶矽層，形成同型異質結，同時頂電極區進行了二次磷摻雜，完成頂電極區重摻雜。
4.同型異質結太陽能電池的製造工藝，其特徵是包括如下步驟: 第I步、使用磁控濺射的方法在制絨後的P型晶矽上表面澱積一層厚度約為0.05微米的含有磷元素的二氧化矽薄膜； 第2步、將澱積後的矽片進行高溫擴散，使二氧化矽薄膜中的磷元素擴散入矽片，形成PN結； 第3步、除去矽片上表面頂電極區以外的二氧化矽薄膜； 第4步、在矽片上表面澱積本徵非晶矽層； 第5步、將矽片置於幹氧環境中進行高溫擴散，使矽片表面非頂電極區的磷元素被擴散入非晶矽層，使非晶矽層與N型晶矽層之間形成同型異質結，頂電極區二氧化矽薄膜中的磷元素進一步向頂電極區擴散，完成頂電極區二次磷摻雜，同時非晶矽層表面被氧化； 第6步、去除非晶矽層表面的氧化物和頂電極區的二氧化矽薄膜； 第7步、娃片上表面澱積氮化娃抗反射薄膜； 第8步、製備頂電極及背電極。
5.根據權利要求4所述的選擇性摻雜異質結太陽能電池的製造工藝，其特徵在於 第I步中，二氧化矽薄膜中的磷元素的濃度為lel9/cm3。
6.根據權利要求4所述的選擇性摻雜異質結太陽能電池的製造工藝，其特徵在於:第2步中，高溫擴散的溫度為900°C，高溫擴散的時間為5分鐘。
7.根據權利要求4所述的選擇性摻雜異質結太陽能電池的製造工藝，其特徵在於:所述第3步中，採用絲網印刷的方法保留頂電極區域的二氧化矽，將矽片上其它區域的二氧化矽利用氫氟酸緩衝液去除掉。
8.根據權利要求4所述的選擇性摻雜異質結太陽能電池的製造工藝，其特徵在於 第4步中，澱積的本徵非晶娃層厚度約為40-50nm。
9.根據權利要求4所述的選擇性摻雜異質結太陽能電池的製造工藝，其特徵在於 第5步中，幹氧環境下的高溫擴散工藝溫度為900°C -1100°C，持續時間為30-2分鐘。
10.根據權利要求4所述的選擇性摻雜異質結太陽能電池的製造工藝，其特徵在於:所述第6步中，採用氫氟酸緩衝液去除非晶矽層表面的氧化層和頂電極區的二氧化矽薄膜。
全文摘要
本發明涉及一種選擇性摻雜異質結太陽能電池，包括P型晶矽層、N型晶矽層、頂電極、底電極，N型晶矽層的上表面依次澱積有非晶矽層、氮化矽抗反射層，非晶矽層內含有從N型晶矽層擴散入的磷元素，非晶矽層與N型晶矽層之間形成同型異質結，非晶矽層具有容頂電極穿過的槽，氮化矽抗反射層嵌入槽內，非晶矽層與頂電極之間通過所述氮化矽抗反射層絕緣，N型晶矽層的頂電極區為重摻雜區。本結構電池的非晶矽薄膜與電池上表面的結合更緊密，提高了異質結的質量，同時選擇性摻雜頂電極區的存在可以進一步減小電池的串聯電阻，提高電池的性能。電池中的異質結和選擇性頂電極區同步形成，減少了電池的製備工藝步驟，電池中雜質濃度的分布更均勻。
文檔編號H01L31/18GK103165697SQ20131011055
公開日2013年6月19日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者花國然, 王強, 孫樹葉, 朱海峰 申請人:南通大學