在冶金級Si襯底上基於外延晶體矽薄膜的太陽能異質結電池設計的製作方法

2024-03-23 13:49:05 2

專利名稱：在冶金級Si襯底上基於外延晶體矽薄膜的太陽能異質結電池設計的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能電池。更具體而言，本發明涉及在冶金級矽(MG-Si)襯底上使用外延沉積晶體矽薄膜製造的異質結太陽能電池。
背景技術：
由使用礦物燃料導致的負面環境影響和其上升的成本已導致對更為潔淨、廉價替代能源的急切需求。在不同形式的替代能源中，太陽能因其潔淨和廣泛可用性而受到欣賞。太陽能電池利用光電效應將光轉換成電。有一些基本的太陽能電池結構，包括單 p-n結、p-i-n/n-i-p以及多結。典型的單p_n結結構包括ρ型摻雜層和η型摻雜層。單 ρ-η結太陽能電池有同質結和異質結兩種結構。如果ρ型摻雜層和η型摻雜層都由相似材料(材料的帶隙相等)構成，則該太陽能電池稱為同質結太陽能電池。相反，異質結太陽能電池包括具有不同帶隙的至少兩層材料。p-i-n/n-i-p結構包括ρ型摻雜層、η型摻雜層和夾於P層和η層之間的本徵(未摻雜)半導體層(i層)。多結結構包括具有不同帶隙的堆疊於彼此頂上的多個單結結構。在太陽能電池中，光在p-n結附近被吸收產生載流子。載流子擴散進入所述p-n 結並被內建電場分開，從而生成穿過所述器件和外部電路系統的電流。確定太陽能電池質量的一個重要標準是其能量轉換效率，能量轉換效率定義為當太陽能電池連接至電路時在轉換的功率(從吸收的光轉換成電能)和收集的功率之間的比率。對於同質結太陽能電池，由於存在懸掛鍵，少數載流子在電池表面複合，會顯著降低太陽能電池的效率，因此，需要好的表面鈍化工藝。除此之外，由雜質擴散形成的重摻發射極層，厚度相對較厚，會顯著減少對短波長的光的吸收。相比之下，異質結太陽能電池，比如Si異質結(SHJ)太陽能電池具有優勢。圖1示出了示例性的SHJ太陽能電池(現有技術)。SHJ太陽能電池100包括前電極102、n+非晶矽(nVSi)發射極層104、本徵a-Si層 106、ρ型摻雜晶體Si襯底108和Al背側電極110。圖1中的箭頭表示入射太陽光。由於 a-Si層106和晶體Si層108之間固有的帶隙差異，a-Si層106通過對少數載流子產生勢壘來降低表面複合速率。a-Si層106通過修復既存的Si懸掛鍵來鈍化晶體Si層108表面。除此之外，與同質結太陽能電池相比，n+a-Si發射極層104的厚度可以非常薄。因此， SHJ太陽能電池可以具有更高的開路電壓(V。。)和更大的短路電流(Js。)，從而提供更高的效率。Fuhs等在1974年首次報導了產生光電流的基於a_Si和晶體Si的異質結構(參見W. Fuhs等，Heterojunctions of amorphous silicon&silicon single crystal" , Int. Conf. , Tetrahedrally Bonded Amorphous Semiconductors, Yorktown Hts. , NY, (1974), PP. 345-350)。美國專利第4，496，788號描述了一種基於堆疊a_Si和晶體Si晶圓的異質型太陽能電池。美國專利第5，213，6 號公開了一種所謂的HIT(本徵薄層異質結)太陽能電池，包括了一個介於a-Si層和晶體Si層之間的本徵a-Si層。但是，所有這些SHJ太陽能電池都基於200 300微米厚的晶體Si襯底。由於高漲的矽材料價格，如此厚的晶體 Si襯底的存在顯著增加了現有SHJ太陽能電池的生產成本。為解決晶體Si晶圓帶來的高成本問題，本公開提供一種基於長在低成本的MG-Si晶圓上的外延單晶Si薄膜的方案。

發明內容
本發明的一種實施方式提供了一種異質結太陽能電池。這種太陽能電池包含冶金級矽(MG-Si)襯底，位於MG-Si襯底之上的重摻雜晶體Si層，位於重摻雜晶體Si層之上的輕摻雜晶體Si層以及位於MG-Si襯底背側上的背側歐姆接觸層，位於重摻雜晶體Si層之上的鈍化層，位於鈍化層之上的重摻雜非晶矽(a-Si)層，位於重摻雜a-Si層之上的透明導電氧化物(TCO)層，和位於TCO層之上的前歐姆接觸電極。在本實施方式的一種變體中，MG-Si襯底的純度至少在99. 9%，並且MG-Si襯底的摻雜類型與重摻雜晶體Si層的摻雜類型相同。在另一變體中，MG-Si襯底表面會進一步在高溫下在吐和HCl氣氛中純化。在本實施方式的一種變體中，重摻雜晶體Si層作為背面電場(BSF)層。重摻雜晶體Si層使用化學氣相沉積(CVD)技術沉積。重摻雜晶體Si層的厚度在1微米到10微米之間，重摻雜晶體Si層的摻雜濃度在1 X IO17原子/cm3和1 X IO20原子/cm3之間。在本實施方式的一種變體中，輕摻雜晶體Si層使用CVD技術沉積。輕摻雜晶體Si 層的厚度介於5微米到100微米之間，並且其中輕摻雜晶體Si層的摻雜濃度在1 X IO16原子/cm3和1 X IO17原子/cm3之間。在本實施方式的一種變體中，鈍化層的厚度在5納米到15納米之間，而且鈍化層至少包括未摻雜a-Si和氧化矽的一種。在本實施方式的一種變體中，重摻雜a-Si層使用CVD技術沉積。重摻雜a_Si層的厚度在介於10納米到50納米之間。重摻雜a-Si層摻雜濃度在1 X IO17原子/cm3和1 X IO20 原子/cm3之間。在本實施方式的一種變體中，重摻雜晶體Si層和輕摻雜晶體Si層是ρ型摻雜的， 重摻雜a-Si層是η型摻雜的。在本實施方式的一種變體中，輕摻雜晶體矽層和重摻雜晶體Si層是η型摻雜的， 而重摻雜a-Si層是ρ型摻雜的。


圖1呈現了圖示出了示例性的SHJ太陽能電池(現有技術)的圖。圖2呈現了圖示出了依據本發明一種實施方式製備異質結太陽能電池的工藝的圖。在附圖中，相似的參考標號指代相同的附圖元素。 具體實施例呈現下面的描述以使得本領域任何技術人員能夠實現並使用本實施方式，並且在具體應用和其要求的情況下提供下面的描述。在不偏離本公開的精神和範圍的前提下，對公開的實施方式的各種修改是本領域技術人員容易明白的，並且本文中限定的一般原則可應用至其他實施方式和應用。因此，本發明不限於示出的實施方式，而是與這裡公開的原理和特徵的最寬泛的範圍相一致。腿本發明的實施方式提供一種在MG-Si襯底上外延沉積晶體Si薄膜的SHJ來製造的太陽能電池。一層薄的重摻雜晶體Si沉積在MG-Si襯底表面形成背面電場(BSF)層，並且一層薄的輕摻雜晶體Si沉積在重摻雜晶體矽層頂上以形成基本層。一層薄的本徵a-Si 沉積在基本層上作為鈍化層。發射極層通過沉積重摻雜a-Si層形成。在形成前金屬電極以前，沉積透明導電氧化物(TCO)以形成前電極層和抗反射層。製造工藝圖2呈現圖示出了依據本發明一種實施方式製備異質結太陽能電池的工藝的圖。在操作2A中，準備了一個MG-Si襯底200。因為MG-Si的價格遠比太陽能級矽或半導體級晶體Si的價格低廉，基於MG-Si襯底的太陽能電池有顯著低的生產成本。MG-Si的純度一般介於98%和99. 99%之間。為了保證隨後製造的太陽能電池高的效率，起始MG-Si 襯底的理想的純度在99. 9%或以上。另外，MG-Si襯底的表面需要進一步被純化。在一個實施方式中，為了去除襯底上的自然氧化矽，MG-Si襯底200在充滿氫氣(H2)的化學氣相沉積(CVD)室烘焙，烘焙溫度在1100°C和1250°C之間。在此之後，在近似相同的溫度下，將氯化氫(HCl)氣體引入CVD室內部以從MG-Si襯底200中浙出任何殘餘金屬雜質，從而進一步阻止雜質擴散進入後續生長的多道晶體Si薄膜中。由於諸如鐵之類的金屬雜質在這個溫度下具有高擴散係數的事實，金屬雜質傾向於遷移至襯底200的表面，並且與HCl氣體反應形成易揮發的氯化物。使用滌除氣體，例如H2,室中的易揮發的氯化物可被有效地滌除。 注意，金屬雜質浙濾工藝既可在隨後用於生長晶體Si薄膜的CVD室中執行，此反應室隨後被用於多道晶體Si薄膜的生長，或者可在另一獨立的爐內執行。所述金屬雜質浙濾工藝可耗用1分鐘至120分鐘。MG-Si襯底可以是ρ型摻雜的也可以是η型摻雜的。在一種實施方式中，MG-Si襯底是ρ型摻雜的。在操作2Β中，一層薄的重摻雜(摻雜濃度大於IX IO17原子/cm3)晶體Si薄膜202 外延生長在MG-Si襯底200表面上。多種不同的方法可被用於在MG-Si襯底200上外延生長晶體Si薄膜202。在一種實施方式中，使用熱CVD工藝生長晶體Si薄膜202。各種類型的Si化合物，例如SiH4、SiH2Cl2和SiHCl3可在CVD工藝中用作前驅物以形成晶體Si薄膜 202。在一種實施方式中，因為SiHCl3(TCS)的豐度和低成本而使用SiHCl3。晶體Si薄膜 202可以是ρ型摻雜的也可以是η型摻雜的。在一種實施方式中，硼被加入使薄膜202被ρ 型摻雜。薄膜202摻雜濃度在1 X IO17原子/cm3和1 X IO20原子/cm3之間，薄膜202的厚度在1微米到10微米之間。摻雜水平不應高於此限制，否則會在薄膜中引起錯配位錯。晶體 Si薄膜202是重摻雜的，用作背面電場(BSF)以及障礙以減少在後續生長的基本膜表面的電子和空穴的複合。在操作2C中，一層輕摻雜(摻雜濃度小於1 X IO17原子/cm3)晶體Si基本膜204 外延生長在薄膜202頂上。基本膜204的生長工藝可以與用於薄膜202的相同。類似地， 基本膜204可以是ρ型摻雜的或者是η型摻雜的。在一種實施方式中，基本膜204是輕摻雜的，摻入P型雜質，例如硼。基本膜204摻雜濃度在1 X IO16原子/cm3和1 X IO17原子/ cm3之間，基本膜204的厚度在5微米到100微米之間。注意，與使用晶體Si晶圓作為基本層的傳統SHJ太陽能電池相比，本發明的實施方式使用外延沉積的晶體Si膜作為基本層， 所述晶體Si膜可以比晶體Si晶圓薄很多。作為結果，SHJ太陽能電池的生產成本可顯著降低。在沉積後，基本膜204表面可以進一步植絨以最大化光在太陽能電池內部的光吸收， 從而進一步提高效率。表面植絨可以通過使用多種蝕刻技術實施，包括等離子幹法蝕刻和溼法蝕刻。用於等離子幹法蝕刻的蝕刻劑包括但不限於5&12和順3。溼法蝕刻劑可以是鹼性溶劑。表面植絨形狀呈稜錐型或倒稜錐型，規則或任意分布在基本膜204表面上。在操作2D中，一個背側電極206形成在MG-Si襯底200的背側。在一種實施方式中，電極206是這樣形成的首先在MG-Si襯底200背側上塗覆一層鋁漿，然後在500度以上燒結以在在電極206和襯底200之間形成歐姆接觸。在操作2E中，鈍化層208沉積在基本膜204頂上。鈍化層208可以顯著減少表面載流子複合密度，因此增加了太陽能電池的效率。鈍化層208可以由不同材料形成，例如本徵a-Si或氧化矽(SiOx)。用於形成鈍化層208的工藝可以包括但不局限於PECVD，濺射和電子束(e-beam)蒸鍍。鈍化層208的厚度在5納米到15納米之間。在操作2F中，重摻雜a-Si層沉積在鈍化層208上以形成發射極層210。根據基本膜204的摻雜類型，發射極層的可以是ρ型摻雜的也可以是η型摻雜的。在一種實施方式中，發射極層210是η型雜質重摻雜的。發射極層210的摻雜濃度可以在1 X IO17原子/ cm3和IXlO^1原子/cm3之間。發射極層210的厚度可以在10納米到50納米之間。用於沉積發射極層210的技術包括PECVD。因為與同質結太陽能電池的發射極層相比，發射極層 210的厚度可以很薄，所以大幅減少了對短波長光的吸收，因此導致了更高的太陽能電池的效率。在操作2G中，一層透明導電氧化物(TCO)沉積在發射極層210頂上以形成抗反射層212。TCO的示例包括但不限於銦錫氧化物(ITO)、鋁摻雜氧化鋅(Ζη0:Α1)或鎵摻雜氧化鋅(ZnO = Ga)。用於形成抗反射層212的技術包括但不限於PECVD，濺射和電子束 (e-beam)蒸鍍。在操作2H中，金屬前電極214形成在抗反射層212頂上。金屬前電極214可以用各種金屬沉積技術在400度以下的低溫形成。在一種實施方式中，前電極214使用絲網印刷Ag漿形成。在金屬前電極214形成以後，各種不同的技術例如雷射劃片被用於隔離電池使太陽能電池的串行互連成為可能。提供各種實施方式的之前內容的描述僅用於說明和描述。它們無意於窮盡或將本發明限制為所公開的形式。因此，對於本領域技術人員而言，許多修改和變化是顯然的。因此，上面的公開無意於限制本發明。
權利要求
1.一種製造異質結太陽能電池的方法，包括在冶金級矽(MG-Si)襯底的表面上沉積重摻雜晶體矽層； 沉積輕摻雜晶體矽層； 形成背側歐姆接觸層； 沉積鈍化層；沉積重摻雜非晶矽(a-Si)層； 沉積透明導電氧化物(TCO)層；以及形成前歐姆接觸電極。
2.根據權利要求1的方法，其中所述MG-Si襯底的純度至少為99.9%，並且其中所述 MG-Si襯底的摻雜類型與重摻雜晶體矽層的摻雜類型相同。
3.根據權利要求2的方法，其中所述MG-Si襯底的表面進一步在高溫下在壓和HCl氣氛中純化。
4.根據權利要求1的方法，其中所述重摻雜的晶體矽層用作背面電場(BSF)層，其中所述重摻雜的晶體矽層用化學氣相沉積(CVD)工藝沉積，其中所述重摻雜的晶體矽層的厚度介於1微米到10微米之間，並且其中所述重摻雜的晶體矽層的摻雜濃度在1X IO17原子/cm3和 IX Kf1原子/cm3之間。
5.根據權利要求1的方法，其中所述輕摻雜晶體矽層用CVD工藝沉積，其中所述輕摻雜晶體矽層的厚度介於5微米到100微米之間，並且其中所述輕摻雜晶體矽層的摻雜濃度在 1父1016原子/0113和IX IO17原子/cm3之間。
6.根據權利要求1的方法，其中所述鈍化層的厚度介於5納米到15納米之間，並且其中所述鈍化層至少包含未摻雜非晶矽和氧化矽中的至少一種。
7.根據權利要求1的方法，其中所述重摻雜的非晶矽層用CVD工藝沉積，其中所述重摻雜的非晶矽層的厚度介於10納米到50納米之間，並且其中所述重摻雜的非晶矽層的摻雜濃度在1 X IO17原子/cm3和1 X IO20原子/cm3之間。
8.根據權利要求1的方法，其中所述重摻雜的晶體矽層和所述輕摻雜的晶體矽層是ρ 型摻雜的，並且其中所述重摻雜的非晶矽層是η型摻雜的。
9.根據權利要求1的方法，其中所述重摻雜的晶體矽層和所述輕摻雜的晶體矽層是η 型摻雜的，並且其中所述重摻雜的非晶矽層是P型摻雜的。
10.一種異質結太陽能電池，包含 冶金級矽(MG-Si)襯底；位於所述冶金級矽(MG-Si)襯底之上的重摻雜晶體矽層； 位於所述重摻雜晶體矽層之上的輕摻雜晶體矽層； 位於所述冶金級矽(MG-Si)襯底的背側上的背側歐姆接觸層； 位於所述重摻雜晶體矽層之上的鈍化層； 位於所述鈍化層之上的重摻雜非晶矽(a-Si)層； 位於所述重摻雜非晶矽層之上的透明導電氧化物(TCO)層；以及位於所述TCO層之上的前歐姆接觸電極。
11.權利要求10的方法中的異質結太陽能電池，其中所述MG-Si襯底的純度至少為 99. 9%，並且其中所述MG-Si襯底的摻雜類型與所述重摻雜晶體矽層的摻雜類型相同。
12.權利要求11的方法中的異質結太陽能電池，其中所述MG-Si襯底的表面進一步在高溫下在吐和HCl氣氛中純化。
13.權利要求10的方法中的異質結太陽能電池，其中所述重摻雜的晶體矽層用作背面電場(BSF)層，其中所述重摻雜的晶體矽層用化學氣相沉積(CVD)工藝沉積，其中所述重摻雜的晶體矽層的厚度介於1微米到10微米之間，並且其中所述重摻雜的晶體矽層的摻雜濃度在1 X IO17原子/cm3和1 X IO20原子/cm3之間。
14.權利要求10的方法中的異質結太陽能電池，其中所述輕摻雜晶體矽層用CVD工藝沉積，其中所述輕摻雜晶體矽層的厚度介於5微米到100微米之間，並且其中所述輕摻雜晶體矽層的摻雜濃度在1 X IO16原子/cm3和1 X IO17原子/cm3之間。
15.權利要求10的方法中的異質結太陽能電池，其中所述鈍化層的厚度介於5納米到 15納米之間，並且其中所述鈍化層至少包含未摻雜非晶矽和氧化矽中的至少一種。
16.權利要求10的方法中的異質結太陽能電池，其中所述重摻雜的非晶矽層用CVD工藝沉積，其中所述重摻雜的非晶矽層的厚度介於10納米到50納米之間，並且其中所述重摻雜的非晶矽層的摻雜濃度在1 X IO17原子/cm3和1 X IO20原子/cm3之間。
17.權利要求10的方法中的異質結太陽能電池，其中所述重摻雜的晶體矽層和所述輕摻雜的晶體矽層是P型摻雜的，並且其中所述重摻雜的非晶矽層是η型摻雜的。
18.權利要求10的方法中的異質結太陽能電池，其中所述重摻雜的晶體矽層和所述輕摻雜的晶體矽層是η型摻雜的，並且其中所述重摻雜的非晶矽層是ρ型摻雜的。
全文摘要
本發明的一種實施方式提供一種異質結太陽能電池。所述太陽能電池包括冶金級矽(MG-Si)襯底；位於冶金級矽(MG-Si)襯底之上的重摻雜晶體矽層；位於重摻雜晶體矽層之上的輕摻雜晶體矽層；位於MG-Si襯底背側上的背側歐姆接觸層；位於重摻雜晶體矽層之上的鈍化層；位於鈍化層之上的重摻雜非晶矽(a-Si)層；位於重摻雜a-Si層之上的透明導電氧化物(TCO)層；以及位於TCO層之上的前歐姆接觸電極。
文檔編號H01L31/04GK102334194SQ201080009441
公開日2012年1月25日 申請日期2010年3月4日 優先權日2009年3月10日
發明者J·B·亨, 傅建明, 徐徵, 梁建軍, 遊晨濤 申請人:杭州賽昂電力有限公司