專利名稱：透明導(dǎo)電膜前電極晶體硅太陽(yáng)能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新結(jié)構(gòu)的光伏電池。
為了減少太陽(yáng)光在硅表面的反射，通常使用了光學(xué)減反射層(F)。它們是折射率在2.0～2.2之間的一氧化硅(SiO)、氮化硅(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(yáng)電池表層(D)的橫向運(yùn)動(dòng)，被柵狀前電極收集而形成。對(duì)n-p型晶體硅太陽(yáng)能電池而言，光生載流子之所以能作較長(zhǎng)距離的橫向運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)樗鼈冊(cè)趎-Si表層有較長(zhǎng)的擴(kuò)散長(zhǎng)度。當(dāng)然，也要求表層有足夠的厚度，以盡可能降低表層的電阻。這樣，在采用柵狀前電極的情況下，還要處理好另一對(duì)矛盾一方面，希望表層薄，即結(jié)淺，這對(duì)提高太陽(yáng)能電池的短波響應(yīng)、短路電流，以及對(duì)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。晶體硅太陽(yáng)能電池的現(xiàn)有技術(shù)是將表層控制在1微米左右。因此，現(xiàn)在晶體硅太陽(yáng)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。
晶體硅太陽(yáng)能電池中，還有一種結(jié)構(gòu)稱為MIS的太陽(yáng)電池。MIS太陽(yáng)電池的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是以金屬和半導(dǎo)體形成的肖特基結(jié)(J)來(lái)驅(qū)動(dòng)光生載流子而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。在金屬和半導(dǎo)體之間，還須有一層很薄的(約幾十埃)、品質(zhì)很好的氧化物絕緣層(I)，如SiO2、Al2O3等。
由于肖特基結(jié)很淺，而表層很薄，還由于需要金屬電極和半導(dǎo)體形成的肖特基結(jié)復(fù)蓋整個(gè)半導(dǎo)體表面，因此就要求各條柵狀電極(E)間的距離必須相當(dāng)小，即柵的密度相當(dāng)高，形狀必須很精確。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在如下問(wèn)題采用的柵狀前電極大約要覆蓋6～10％的表面積，使太陽(yáng)電池的有效面積減小，從而使轉(zhuǎn)換效率降低。
(1)使用柵狀前電極的結(jié)果是，光生載流子必須在表層作橫向運(yùn)動(dòng)。這帶來(lái)了額外的串聯(lián)電阻，使短路電流和填充因子下降。計(jì)算表明當(dāng)表層電阻為245Ω.cm2時(shí)，等效于太陽(yáng)電池的有效面積下降為40％；表層電阻為4.6Ω.cm2時(shí)，有效面積下降為60％；表層電阻為1Ω.cm2時(shí)，有效面積也僅有80％左右。另一方面，為改善光譜響應(yīng)，要制作淺結(jié)。隨之而來(lái)的，就得制作密柵。計(jì)算表明當(dāng)表層厚度為0.15μ時(shí)，便需要30條/cm的密柵，這只有用光刻技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。于是使得太陽(yáng)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的硅可吸收9％的太陽(yáng)光；2μ厚時(shí)太陽(yáng)光幾乎完全被吸收)，但又不能轉(zhuǎn)換為電力。它還有大量的結(jié)構(gòu)缺陷，會(huì)捕獲光生載流子，使之不能對(duì)光生電流作出貢獻(xiàn)。因此，厚的表層，也是對(duì)提高太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)換效率的不可忽視的限制。
綜合上述因素，粗略的計(jì)算表明現(xiàn)有的晶體硅太陽(yáng)能電池即使采用一個(gè)恰當(dāng)?shù)臇艤\密度和與之匹配的表層厚度，仍會(huì)使太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率損失30％左右。
本發(fā)明采用的技術(shù)手段是，對(duì)結(jié)構(gòu)為背電極/制有n-p結(jié)的晶體硅/前電極的太陽(yáng)能電池，采用的前電極為透明導(dǎo)電膜前電極，以取代柵狀前電極。恰當(dāng)?shù)倪x擇透明導(dǎo)電膜的種類和制備方法，能使其折射率為1.8～2.0，再加上制備到恰當(dāng)?shù)暮穸染蛯⒕哂袦p反射作用。所以，本發(fā)明采用的透明導(dǎo)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(fā)明取得的更好的效果，考慮到透明導(dǎo)電膜如果采用高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜，它是一種摻雜濃度很高的寬帶隙簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，它和高摻雜硅之間會(huì)產(chǎn)生大量界面態(tài)。因此，本發(fā)明在高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜和n-型硅之間引入一個(gè)阻擋層，即是以一層足夠厚的高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層和一層足夠薄的高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層構(gòu)成透明導(dǎo)電膜前電極，來(lái)取代柵狀前電極和減反射層。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，根據(jù)現(xiàn)有的制備技術(shù)，透明導(dǎo)電膜前電極中的高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層可以采用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(dǎo)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(gè)作用，并帶來(lái)顯著的效果(1)讓入射光通過(guò)。在現(xiàn)有技術(shù)中，透明導(dǎo)電膜的光吸收系數(shù)很??；500～600nm厚的透明導(dǎo)電膜的透過(guò)率為95％左右。
(2)作為減反射層，增加光的入射。計(jì)算表明，在硅表面復(fù)蓋折射率為1.95左右的透明介質(zhì)，當(dāng)透明介質(zhì)層的光學(xué)厚度滿足關(guān)系nL＝K(λ0/4)時(shí)，對(duì)波長(zhǎng)為λ0的光有增透作用。式中，n為透明介質(zhì)折射率，L為其厚度，λ0為選定的光波波長(zhǎng)，K為正整數(shù)。當(dāng)n取2時(shí)，λ0取為600nm，那么透明導(dǎo)電膜厚度為L(zhǎng)＝75、150、225、300、375、525、600……nm時(shí)具有最佳的減反射效果。這是在本發(fā)明中，選擇透明導(dǎo)電膜厚度的基本原則。
(3)作為導(dǎo)電電極，收集光生電流。對(duì)600nm厚的透明導(dǎo)電膜，其膜層電阻約6Ω.cm2，不足淺結(jié)硅表層電阻的十分之一，小于深結(jié)硅表層電阻的三分之一。因此，能大大改善了對(duì)光生電流的收集。
透明導(dǎo)電膜前電極中的高電阻透明導(dǎo)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(tài)薄膜(在制作過(guò)程中允許有《1016/cm3的雜質(zhì)濃度》。隨制備工藝、組份及微結(jié)構(gòu)的改變，其電阻率為1～1000Ω.cm。它對(duì)高摻雜硅表面起鈍化作用，會(huì)大大減小高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜/高摻雜硅界面上的界面態(tài)，也會(huì)對(duì)這個(gè)界面的能帶結(jié)構(gòu)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(lái)確定?；镜目紤]是，既要起鈍化和能帶修飾作用，又不會(huì)帶來(lái)額外的串聯(lián)電阻。如，電阻率為1-10Ω.cm時(shí)，厚度以100nm為宜。當(dāng)體電阻率為100-1000Ω.nm時(shí)，厚度減少為10nm或更薄。
本發(fā)明使晶體硅太陽(yáng)電池的性能有如下改善(a)提高了入射光的量約5％；(b)通過(guò)改善橫向的電導(dǎo)，等效于增加太陽(yáng)電池的有效面積約15～20％；(c)可以使晶體硅太陽(yáng)電池制作成淺結(jié)，改善短波光譜響應(yīng)，使輸出功率有5～10％的提高。
以上三點(diǎn)作用綜合起來(lái)，可使轉(zhuǎn)換效率提高35～40％?？梢韵嘈?，隨著透明導(dǎo)電膜性能的改進(jìn)，它的作用還會(huì)更加顯著。此外，實(shí)施本發(fā)明使晶體硅太陽(yáng)電池的成本下降。由于制作透明導(dǎo)電膜的成本與制作減反射膜的成本相當(dāng)，而前電極的制備成本比用光刻技術(shù)制作密柵低得多，也比絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作普通柵狀電極低。因此，成本將降低10％以上。
根據(jù)圖3所示的太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)背電極(A)/制有n-p結(jié)(C)的晶體硅(B)/高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層(G)/高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層(H)/金屬電極(K)，制作晶體硅太陽(yáng)電池透明導(dǎo)電膜前電極的順序?yàn)樵谝研纬蒼-p結(jié)的晶體硅基片上，先沉積10-100nm的高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層，然后沉積300--900nm厚的高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層，最后制作金屬電極。根據(jù)硅片的大小，可以制作一條或幾條并聯(lián)的金屬電極，條形金屬電極間的寬度可以等于或大于10mm。
下述實(shí)施過(guò)程均在已形成n-p結(jié)(C)的硅基底(B)上進(jìn)行。
實(shí)施例1高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層采用非晶態(tài)SnO2，用PECVD制備，可獲得很高的電阻率。一般為電阻率≥104Ω.cm。高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層采用摻雜的SnO2。具體實(shí)施如下先用PECVD技術(shù)制備5～10nm厚的阻擋層(G)。再用濺射方法、低壓CVD方法或常壓CVD方法制備高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層(H)。厚度按減反射條件，控制為150～750nm，或者更厚。最后用絲網(wǎng)印刷、濺射或真空蒸發(fā)制作金屬前電極(K)。一般前電極條的密度為0.5-2條/cm。
當(dāng)非晶態(tài)SnO2阻擋層的電阻率為104Ω.cm，厚度為5nm；摻雜的SnO2透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層的電導(dǎo)率為104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率比使用柵狀前電極高30％左右。
實(shí)施例2高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層采用非晶態(tài)SnO2，高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層采用ITO薄膜，也可以用摻雜的ZnO薄膜或Cd2SnO4薄膜。先用PECVD技術(shù)制備5～10nm的阻擋層(G)。再用濺射方法或APCVD方法制備高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層(H)，厚度為150～750nm或者更厚。最后，制備金屬前電極(K)，方法如例1所述。
當(dāng)非晶態(tài)SnO2阻擋層的電阻率為104Ω.cm，厚度為5nm；ITO透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層的電導(dǎo)率為1.5×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率比使用柵狀前電極高35％左右。
實(shí)施例3高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層SnO2采用多晶薄膜，高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層采用摻雜的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方法制備不摻雜的高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層(G)。由于其電阻率在5～10Ω.cm之間，其厚度控制在100nm左右。然后按例1或例2所述的技術(shù)，制作高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)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方法制備SnO2多晶薄膜透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層；或用濺射方法，常壓CVD方法制備ITO膜；或用其它方法制備摻雜的ZnO薄膜、Cd2SnO4薄膜。最后，按例1的方法制作金屬前電極(K)。
當(dāng)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(dǎo)率為1.5×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率比使用柵狀電極高25％左右。
實(shí)施例4高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層采用Zn2SnO4薄膜，高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層采用的材料可與實(shí)施例3相同。先用濺射法或其它方法制備阻擋層(G)。由于其電阻率在10～1000Ω.nm之間，阻擋層厚度控制在20～50nm之間。然后，按例1或例2的技術(shù)制作150～750nm或更厚的透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層(H)。最后，按例1的技術(shù)制作金屬前電極(K)。
當(dāng)Zn2SnO4阻擋層的電阻率為1000Ω.cm，厚度為10nm；Cd2SnO4層的電導(dǎo)率為1.5×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率比使用柵狀電極高35％左右。
實(shí)施例5高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層采用不摻雜的ZnO非晶態(tài)薄膜，高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層可以是摻雜的ZnO薄膜，或上述實(shí)施例中的ITO、摻雜SnO2或Cd2SnO4等。先用PECVD或其它方法制備作阻擋層(G)。由于電阻率在1～100Ω.nm之間，ZnO阻擋層厚度控制在5～50nm之間，然后制作150～750nm或更厚的透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層(H)。最后，按例1制作金屬前電極(K)。
當(dāng)ZnO阻擋層的電阻率為1000Ω.cm，厚度為10nm；摻雜的ZnO層的電導(dǎo)率為0.8×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率比使用柵狀電極高25％左右。
實(shí)施例6高電阻透明導(dǎo)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(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層可以用上述實(shí)施例采用的ITO或其他材料。先制作透明導(dǎo)電膜阻擋層(G)，厚度控制為2～10nm。然后再按上述實(shí)施例采用的方法，制作150～750nm或更厚的透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層(H)。最后按例1制作金屬前電極(K)。
當(dāng)TiO2阻擋層的電阻率高于1000Ω.cm，厚度為2nm；ITO層的電導(dǎo)率為0.8×104(Ω.cm)-1，厚度為600nm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率比使用柵狀電極高35％左右。
權(quán)利要求
1.一種晶體硅太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)為背電極/制有n-p結(jié)的晶體硅/前電極，其特征是前電極為透明導(dǎo)電膜前電極。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征是透明導(dǎo)電膜前電極由高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層和高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)能電池，其特征是高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電層采用摻雜濃度為1019-1021/cm3的ITO或ZnO或SnO2或Cd2SaO4多晶薄膜；高電阻透明導(dǎo)電膜阻擋層采用不摻雜的SnO2或ZnO或Zn2SnO4多晶薄膜或者SnO2態(tài)薄膜或者TiO2或Al2O3或SiO2薄膜。
全文摘要
透明導(dǎo)電膜前電極晶體硅太陽(yáng)電池屬于一種的新結(jié)構(gòu)的光伏電池。其要點(diǎn)是用透明導(dǎo)電薄膜作前電極，來(lái)代替柵狀前電極及減反射層。本發(fā)明的透明導(dǎo)電膜前電極是迭層結(jié)構(gòu)，即先在已形成n－p結(jié)的硅基底上，制作厚度小于100nm的高電阻透明導(dǎo)電膜，然后按電導(dǎo)和減反射的要求制作厚度大于150nm的高電導(dǎo)透明導(dǎo)電膜?？墒罐D(zhuǎn)換效率提高25－35％。制作成本比現(xiàn)有技術(shù)有所降低。
文檔編號(hào)H01L31/06GK1416179SQ0112901
公開(kāi)日2003年5月7日 申請(qǐng)日期2001年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月31日
發(fā)明者馮良桓, 蔡亞平 申請(qǐng)人:四川大學(xué)