專利名稱：納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法，屬于太陽能電池器件制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅太陽能電池的研究和利用是實(shí)現(xiàn)可再生能源的主要途徑之一，在產(chǎn)業(yè)化的過程中，廉價(jià)、高效、穩(wěn)定是三個(gè)關(guān)鍵問題。具有以薄膜硅[包括非晶薄膜硅(a-Si:H)，納米晶薄膜硅(nc-Si:H)，低溫外延薄膜硅(epi-Si)]為發(fā)射極，單晶硅為吸收層結(jié)構(gòu)的硅太陽電池，兼有單晶硅電池穩(wěn)定與薄膜硅電池廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)采用無高溫?cái)U(kuò)散的低溫制備過程(溫度低于450℃)，能耗?。惠^薄的單晶硅片(硅片厚度小于300μm，通常體硅電池的厚度～350μm)和硅薄膜層(幾十納米)，材料成本低；制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，特別是該類電池具有與單晶硅電池可比擬的高效率，因此，可同時(shí)滿足廉價(jià)、高效、穩(wěn)定的要求。
目前國(guó)際異質(zhì)結(jié)太陽能電池有兩種類型(I)p型a-Si:H/本征a-Si:H/n型c-Si結(jié)構(gòu)，日本Sanyo公司為代表的這類電池(稱HIT電池)的最高實(shí)驗(yàn)室效率為21.5％，市售的200W組件的效率為17％，高于單晶硅電池，該電池具有雙面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，n型單晶硅兩側(cè)2層本征a-Si:H薄膜，正面一層p型a-Si:H，背面采用一層n+型非晶硅作為背電場(chǎng)，之后2層透明電極層和兩層金屬柵極，結(jié)構(gòu)和工藝略顯復(fù)雜，如圖1所示。
(II)n型a-Si:H/本征a-Si:H/p型c-Si結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)太陽能電池。II型結(jié)構(gòu)比I型相對(duì)簡(jiǎn)單，p型單晶硅沉積一層本征非晶硅，一層n型非晶硅，在背面沉積金屬鋁并高溫?zé)Y(jié)(～650℃)形成背場(chǎng)，之后在n型非晶硅上沉積一層透明電極層和一層金屬柵極。該結(jié)構(gòu)電池涉及了大于600度的高溫過程。目前實(shí)驗(yàn)室最高效率17.2％。
這兩類電池結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是均采用非晶硅作為發(fā)射極和埋層，采用等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備。獲得高效率的異質(zhì)結(jié)太陽能電池的關(guān)鍵是高質(zhì)量的界面，對(duì)單晶硅表面處理和薄膜制備工藝有較高的要求。在等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)中如何避免高能量離子對(duì)界面的轟擊損傷亦是關(guān)鍵問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法，以優(yōu)化的納米晶硅薄膜沉積工藝來制備發(fā)射極和埋層，優(yōu)化對(duì)界面的處理，同時(shí)簡(jiǎn)化電池制備工藝，提高載流子收集效率。
本發(fā)明提出的納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，依次為金屬Al背電極、p型單晶硅、本征納米晶硅薄膜、n型納米晶硅薄膜、透明導(dǎo)電膜和Ag柵極；所述的金屬Al背電極的厚度為250～300微米；所述的本征納米晶硅薄膜的厚度為5～10nm；所述的n型摻雜納米晶硅薄膜的厚度為10～15nm；所述的透明導(dǎo)電薄膜的厚度為80～120nm；所述的Ag柵極的厚度為5～10微米，柵線寬度為30～150微米，間距為2～3mm；所述的p型單晶硅厚度為250～300微米。
上述納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備方法，包括以下步驟(1)清洗單面拋光p型單晶硅片，單晶硅片的厚度為250～300微米，電阻率為0.5～1.5Ωcm；(2)以高純鋁作為蒸發(fā)源，在上述單晶硅片的背面沉積厚度為10～15微米的金屬Al，然后在保護(hù)氣氛下，350～450度退火20～40分鐘，形成歐姆接觸的金屬Al背電極；(3)用1％的HF溶液清洗已有鋁背電極的p型單晶硅片拋光面，并迅速將片子裝入真空室，真空室背景真空度為3-6×10-4Pa，用原子氫處理單晶硅的拋光面；(4)在硅片溫度150～250度條件下，以氫氣、硅烷為反應(yīng)氣體，在上述經(jīng)原子氫處理的p型單晶硅片拋光面上，沉積厚度為5～10nm的本征納米晶硅薄膜；(5)以氫氣、硅烷和磷烷為反應(yīng)氣體，在上述的本征納米晶硅薄膜/p型單晶硅上沉積厚度為10～15nm的n型摻雜納米晶硅薄膜；(6)在上述n型摻雜納米晶硅薄膜/本征納米晶硅薄膜/p型單晶硅上沉積厚度為80～120nm，透過率≥90％，方塊電阻為50-100Ω的透明導(dǎo)電薄膜；(7)在上述透明導(dǎo)電薄膜上制備Ag柵極，柵極的厚度為5～10微米，柵線寬度為30～150微米，間距為2～3mm。
本發(fā)明提出的納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法，具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用的電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)射極和埋層采用納米晶硅薄膜，代替了通常的I型和II型結(jié)構(gòu)中的非晶硅薄膜，可有效提高對(duì)電流的收集效率，使電池具有大電流輸出的特點(diǎn)。
2、利用適量的原子氫處理單晶硅表面，降低界面態(tài)密度，可有效提高界面質(zhì)量。
3、本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)與通常的I型a-Si:H薄膜/c-Si電池相比，采用熱蒸發(fā)Al背電極，代替了在背面沉積高摻雜薄膜層，避免了在雙面沉積過程中不同摻雜類型可能帶來的交叉污染和對(duì)界面的破壞，工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，易于操作和實(shí)現(xiàn)。
4、本發(fā)明的背電極制備工藝與II型a-Si:H薄膜/c-Si電池相比，采用350-450度退火替代了650度的高溫?zé)Y(jié)過程，可避免高溫過程誘導(dǎo)的應(yīng)力對(duì)單晶硅片的損傷，有利于減少單晶硅片厚度。
5、目前采用CZ單晶硅，在沒有織構(gòu)情況下，在0.92cm2面積上，獲得最高效率17.18％，見圖3。
6、本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單獨(dú)特、易于掌握，具有操作方便、重復(fù)可靠的特點(diǎn)，具有明確的產(chǎn)業(yè)化前景。


圖1是已有產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的I型電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的電池結(jié)構(gòu)和方法獲得的電池的I-V曲線及電池參數(shù)舉例。
圖4和圖5分別是本發(fā)明方法制造Ag柵極的實(shí)施例示意圖。
圖1和圖2中，1是透明導(dǎo)電膜，2是n+型非晶硅薄膜，3是本征非晶硅薄膜，4是n型單晶硅，5是p型非晶硅薄膜，6是金屬柵極，7是金屬Al背電極，8是p型單晶硅，9是本征納米晶硅薄膜，10是n型納米晶硅薄膜。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，依次為金屬Al背電極7、p型單晶硅8、本征納米晶硅薄膜9、n型納米晶硅薄膜10、透明導(dǎo)電膜1和Ag柵極6。金屬Al背電極的厚度為250～300微米；所述的本征納米晶硅薄膜的厚度為5～10nm；所述的n型摻雜納米晶硅薄膜的厚度為10～15nm；所述的透明導(dǎo)電薄膜的厚度為80～120nm；所述的Ag柵極的厚度為5～10微米，柵線寬度為30～150微米，間距為2～3mm；所述的p型單晶硅厚度為250～300微米。
本發(fā)明的納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備方法，包括以下步驟(1)電池制備前，采用標(biāo)準(zhǔn)的電子級(jí)清洗步驟清洗單面拋光p型單晶硅片，單晶硅片的厚度為250-300微米，電阻率為0.5～1.5Ωcm；(2)以高純鋁作為蒸發(fā)源，采用熱蒸發(fā)技術(shù)，在上述單晶硅片的背面沉積厚度為10～15微米的金屬Al，然后在保護(hù)氣氛下，350～450度退火20～40分鐘形成歐姆接觸的背電極；(3)用1％的HF溶液清洗已有鋁背電極的p型單晶硅片拋光面，并迅速將片子裝入真空室；(4)真空室背景真空度為3～6×10-4Pa，用原子氫處理單晶硅的拋光面；(5)在硅片溫度150～250度條件下，以氫氣、硅烷為反應(yīng)氣體，在上述經(jīng)原子氫處理的p型單晶硅片拋光面上，用化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積厚度5～10nm的本征納米晶硅薄膜，納米晶硅薄膜的電導(dǎo)率為1～3×10-5Ω-1cm-1；(6)以氫氣、硅烷和磷烷為反應(yīng)氣體，在上述的本征納米晶硅薄膜/p型單晶硅上用化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積厚度為10～15nm的n型摻雜納米晶硅薄膜，電導(dǎo)率5～10×10-3Ω-1cm-1；(7)在上述n型摻雜納米晶硅薄膜/本征納米晶硅薄膜/p型單晶硅上沉積厚度為80～120nm，透過率≥90％，方塊電阻為50～100Ω的透明導(dǎo)電薄膜；(8)采用結(jié)合掩膜板的熱蒸發(fā)技術(shù)或光刻技術(shù)，制備Ag柵極，柵極的厚度5～10微米，柵線寬度30～150微米，間距為2-3mm。
以下介紹本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例1、電池制備前，采用標(biāo)準(zhǔn)電子級(jí)清洗步驟清洗單面拋光p型CZ單晶硅片，單晶硅片厚度300微米，電阻率1Ωcm；2、以高純鋁作為蒸發(fā)源，采用熱蒸發(fā)技術(shù)，在上述單晶硅片的背面沉積厚度10微米的金屬Al，然后在氮?dú)夥障?，單晶硅溫?50度下退火30分鐘形成歐姆接觸的背電極；3、用1％的HF溶液清洗已有鋁背電極的p型單晶硅片拋光面，2分鐘內(nèi)迅速將片子裝入真空室；4、真空室背景真空達(dá)到4×10-4Pa，用原子氫處理單晶硅的拋光面；5、在硅片溫度250度條件下，以氫氣、硅烷為反應(yīng)氣體，在上述經(jīng)原子氫處理的p型單晶硅片拋光面上，采用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積厚度6nm的本征納米晶硅薄膜，納米晶硅薄膜的電導(dǎo)率為2.5×10-5Ω-1cm-1；6、以氫氣、硅烷和磷烷為反應(yīng)氣體，在上述沉積納米晶硅薄膜/p型單晶硅上用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積厚度為11nm的n型摻雜納米晶硅薄膜，電導(dǎo)率8.5×10-3Ω-1cm-1；7、在上述n型摻雜納米晶硅薄膜/本征納米晶硅薄膜/p型單晶硅上，采用真空蒸發(fā)技術(shù)沉積厚度100nm，透過率～90％，方塊電阻＜100Ω的透明導(dǎo)電薄膜；8、采用結(jié)合掩膜板的熱蒸發(fā)技術(shù)，制備厚度為10微米的Ag柵極，柵線間距為2mm。
根據(jù)以上的電池結(jié)構(gòu)和技術(shù)路線，采用CZ晶體硅襯底，在沒有織構(gòu)的情況下，0.92cm2面積上，獲得了短路電流Jsc＝35.9mA/cm2，開路電壓Voc＝577mV，填充因子FF＝83.02％，轉(zhuǎn)換效率＝17.18％的電池，見圖3。
本發(fā)明方法中的透明導(dǎo)電膜制備過程舉例如下(以蒸發(fā)InSnOx為例)1、采用InSn(10％)合金作為蒸發(fā)源，氧氣作為反應(yīng)氣體。
2、真空蒸發(fā)室的背景真空＜10-3Pa，加熱襯底溫度為180度，襯底與蒸發(fā)源之間有擋板隔開。
3、向真空室通高純氧氣，流量約8sccm，控制真空室氣壓在3-5Pa。
4、加熱InSn(10％)合金，熔融后，InSn(10％)合金蒸發(fā)出來，在氣相中與氧反應(yīng)后形成InSnOx，立即打開擋板，在制備好的n-nc-Si/i-nc-Si/p-c-Si/Al結(jié)構(gòu)上沉積InSnOx，形成透明導(dǎo)電膜。
5、根據(jù)生長(zhǎng)速率，沉積透明導(dǎo)電膜厚度大約為100nm，關(guān)閉擋板，降溫。
本發(fā)明方法中用掩膜板蒸發(fā)技術(shù)制備Ag柵極，舉例如下1、在制備好的n-nc-Si/i-nc-Si/p-c-Si/Al結(jié)構(gòu)上覆蓋刻有柵極圖形的掩膜板。
2、采用高純Ag作為蒸發(fā)源，以Ta舟或鉬舟作為加熱器。
3、真空蒸發(fā)室的背景真空＜10-3Pa，襯底不加溫，襯底與蒸發(fā)源之間有擋板隔開。
4、達(dá)到背景真空后，Ag被加溫，達(dá)到熔融狀態(tài)后，開始蒸發(fā)，立即打開擋板，蒸發(fā)出的Ag到達(dá)有掩膜板覆蓋的n-nc-Si/i-nc-Si/p-c-Si/Al結(jié)構(gòu)表面，在n-nc-Si/i-nc-Si/p-c-Si/Al結(jié)構(gòu)上形成與掩膜板上的圖形對(duì)應(yīng)的柵線，圖形可根據(jù)需要設(shè)計(jì)。
5、控制柵線厚度在5～10微米，關(guān)閉擋板，降溫。
也可以用光刻技術(shù)制備Ag柵極，舉例如下1、采用高純Ag作為蒸發(fā)源，以Ta舟或鉬舟作為加熱器。
2、真空蒸發(fā)室的背景真空＜10-3Pa，襯底不加溫，襯底與蒸發(fā)源之間有擋板隔開。
3、達(dá)到背景真空后，Ag被加溫，達(dá)到熔融狀態(tài)后，開始蒸發(fā)，立即打開擋板，蒸發(fā)出的Ag到n-nc-Si/i-nc-Si/p-c-Si/Al結(jié)構(gòu)表面。
4、控制柵線厚度在5-10微米，關(guān)閉擋板，降溫。
5、對(duì)Ag/n-nc-Si/i-nc-Si/p-c-Si/Al的Ag光刻，在Ag表面經(jīng)過涂光刻膠、前烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜、腐蝕、去膠等步驟，在Ag/n-nc-Si/i-nc-Si/p-c-Si/Al結(jié)構(gòu)上形成與光刻掩膜板圖形對(duì)應(yīng)的柵線。
掩膜板和柵線結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要設(shè)計(jì)不銹鋼掩膜板上的鏤空?qǐng)D形，如圖4所示，其中比較粗的為主柵，為100微米，細(xì)柵為30微米，線條間隔2.5mm。采用該掩膜板或光刻工藝在制備好的n-nc-Si/i-nc-Si/p-c-Si/Al結(jié)構(gòu)樣品上得到Ag柵線結(jié)構(gòu)，如附圖5所示，其中主柵為120微米，細(xì)柵為50微米，線條間隔2.5mm。
權(quán)利要求
1.一種納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特征在于該電池依次為金屬Al背電極、p型單晶硅、本征納米晶硅薄膜、n型納米晶硅薄膜、透明導(dǎo)電膜和Ag柵極；所述的金屬Al背電極的厚度為250～300微米；所述的本征納米晶硅薄膜的厚度為5～10nm；所述的n型摻雜納米晶硅薄膜的厚度為10～15nm；所述的透明導(dǎo)電薄膜的厚度為80～120nm；所述的Ag柵極的厚度為5～10微米，柵線寬度為30～150微米，間距為2～3mm；所述的p型單晶硅厚度為250～300微米。
2.一種納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)清洗單面拋光p型單晶硅片，單晶硅片的厚度為250～300微米，電阻率為0.5～1.5Ωcm；(2)以高純鋁作為蒸發(fā)源，在上述單晶硅片的背面沉積厚度為10～15微米的金屬Al，然后在保護(hù)氣氛下，350～450度退火20～40分鐘，形成歐姆接觸的金屬Al背電極；(3)用1％的HF溶液清洗已有鋁背電極的p型單晶硅片拋光面，并迅速將片子裝入真空室，真空室背景真空度為3-6×10-4Pa，用原子氫處理單晶硅的拋光面；(4)在硅片溫度150～250度條件下，以氫氣、硅烷為反應(yīng)氣體，在上述經(jīng)原子氫處理的p型單晶硅片拋光面上，沉積厚度為5～10nm的本征納米晶硅薄膜；(5)以氫氣、硅烷和磷烷為反應(yīng)氣體，在上述的本征納米晶硅薄膜/p型單晶硅上，沉積厚度為10～15nm的n型摻雜納米晶硅薄膜；(6)在上述n型摻雜納米晶硅薄膜/本征納米晶硅薄膜/p型單晶硅上沉積厚度為80～120nm，透過率≥90％，方塊電阻為50-100Ω的透明導(dǎo)電薄膜；(7)在上述透明導(dǎo)電薄膜上制備Ag柵極，柵極的厚度為5～10微米，柵線寬度為30～150微米，間距為2～3mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米晶硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法，屬于太陽能電池器件制備技術(shù)領(lǐng)域。該太陽能電池依次由Al背電極、p型單晶硅、本征納米晶硅、n型納米晶硅、透明導(dǎo)電膜和金屬柵極構(gòu)成。本發(fā)明的太陽能電池，采用真空熱蒸發(fā)法制備鋁背電極；采用化學(xué)氣相沉積方法依次生長(zhǎng)本征和n摻雜納米晶硅薄膜形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)；在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)上采用真空蒸發(fā)或?yàn)R射法沉積透明導(dǎo)電膜作為前電極；在透明導(dǎo)電膜上采用蒸發(fā)技術(shù)形成Ag柵極，形成n－nc－Si:H/i－nc－Si:H/c－Si結(jié)構(gòu)的薄膜太陽能電池。采用無織構(gòu)的CZ單晶硅，電池轉(zhuǎn)化效率17.18％(0.92cm
文檔編號(hào)H01L31/18GK1734793SQ20051009852
公開日2006年2月15日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者朱美芳, 張群芳, 劉豐珍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院研究生院