專利名稱：太陽能電池及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及硅太陽能電池及其制造方法，并且更具體地，涉及高效的多晶硅太陽
能電池及其制造方法。
背景技術：
太陽能電池是在將太陽光直接轉化為電能的光電技術中的關鍵元件，并且廣泛地 應用于從宇宙到家庭的各種應用中。 太陽能電池基本上是具有P-N結的二極管，并且其操作原理如下。當具有能量高 于半導體帶隙能量的太陽光入射到太陽能電池的P-N結上時，產生電子空穴對。通過在P-N 結上生成的電場，將電子轉移到N層，同時將空穴轉移到P層，由此在P層和N層之間產生 光電效應。當太陽能電池的兩端均被連接到負載或系統(tǒng)上時，產生電流形式的電能。
根據用于形成本征層(即光吸收層)的材料將太陽能電池分為多種類型。 一般而 言，具有由硅制成的本征層的硅太陽能電池是最普遍的一種?，F有兩種類型的硅太陽能電 池襯底型(單晶的或多晶的)太陽能電池和薄膜型(非晶的或多晶的)太陽能電池。除 了這兩種類型的 太陽能電池，還有碲化鎘或銅銦硒(CIS，CuInSe》化合物薄膜太陽能電池、 基于III-V族材料的太陽能電池、染料敏化(dye-sensitized)太陽能電池、有機太陽能電 池等等。 單晶硅襯底型太陽能電池與其它類型的太陽能電池 相比具有顯著的高轉換效率，但是其致命的缺點在于，由于使用單晶硅片而導致 制造成本很高。并且，多晶硅襯底型太陽能電池能夠以相對較低的制造成本生產，但是多晶 硅襯底型太陽能電池與單晶硅襯底型太陽能電池沒有很大的區(qū)別，因為這兩種太陽能電池 都是用大量原材料制成。因此，它們的原材料價格高并且它們的制造過程復雜，從而難以降 低制造成本。 作為解決這些襯底類太陽能電池的缺陷的一個方案，薄膜型硅太陽能電池已經引 起廣泛的注意，主要因為其通過在諸如玻璃上沉積硅薄膜作為本征層而使得生產成本非常 低。實際上，可以將薄膜型硅太陽能電池制造成比襯底型太陽能電池薄大約100倍。
非晶硅太陽能電池首先從薄膜硅太陽能電池發(fā)展起來，并且開始用于家庭中。由 于非晶硅可以通過化學氣相沉積(CVD)形成，這對大規(guī)模生產非晶硅太陽能電池并且降低 生產成本有很大的幫助。然而，存在一個問題是非晶硅薄膜太陽能電池在轉換效率上與襯 底型硅太陽能電池相比太低。非晶硅太陽能電池效率低的一個可能的原因是因為非晶硅中 的大部分硅原子以未成鍵(non-bonded)的狀態(tài)存在，也就是說，非晶硅具有許多帶有懸掛 鍵的硅原子。為了減少這些懸掛鍵，可以在氫中處理非晶硅以形成氫化非晶硅(a-Si:H)，所 述氫化非晶硅中的氫原子附接到帶有懸掛鍵的硅原子，以便降低定域態(tài)密度來提高效率。 然而，氫化多晶硅對光線高度敏感，因此由這種材料制成的太陽能電池易老化并且其效率 也下降(即光致衰退效應(Staebler-Wronski效應))，由此，暴露出其用在大型太陽能發(fā)電 系統(tǒng)中的限制。
同時，已經發(fā)展了多晶硅薄膜太陽能電池以克服如上所述的非晶硅薄膜太陽能電 池的缺點。由于多晶硅用作本征層，因此多晶硅薄膜太陽能電池比使用非晶硅作為本征層 的非晶硅薄膜太陽能電池展現出更優(yōu)異的性能。

發(fā)明內容
技術問題 然而，這種多晶硅薄膜太陽能電池的一個問題是不容易制備多晶硅。更具體的，多
晶硅通常通過非晶硅的固相結晶過程來獲得。非晶硅的固相結晶包括10個小時的高溫(例
如60(TC或更高)退火，不適合太陽能電池的大規(guī)模生產。特別是，必須使用昂貴的石英襯
底而非普通的玻璃襯底以便在固相結晶過程中承受60(TC或更高的高溫，但是這會增加太
陽能電池的制造成本。而且，眾所周知，因為多晶硅顆粒的生成取向常常沒有規(guī)律并且是尺
寸不一，所以固相結晶過程降低了太陽能電池的特性和性能。 技術方案 因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種具有高轉換效率的多晶硅薄膜太陽能電池及 其制造方法。 本發(fā)明的另一個目的是提供一種可以大規(guī)模生產的多晶硅薄膜太陽能電池及其
制造方法。 有益效果 因為使用了多晶硅層，根據本發(fā)明的太陽能電池能夠提高轉換效率。 此外，由于多晶硅層形成于普通玻璃襯底上，根據本發(fā)明的太陽能電池能夠以較
低制造成本來生產。 而且，根據本發(fā)明的太陽能電池的制造方法易于應用到大型太陽能電池的大規(guī)模 生產中。 最優(yōu)實施方式 根據本發(fā)明的一個方面，提供一種包括多層硅層的太陽能電池，其中多層硅層中 的至少一層包含金屬成分。 根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種太陽能電池，包括襯底；形成于所述襯底上 的第一傳導類型的硅層I ;形成于所述硅層I上的第二傳導類型的硅層II ;以及形成于所 述硅層II上的第二傳導類型的硅層III，其中，所述硅層I、II和III中的至少一層包含金 屬成分。 根據本發(fā)明的又一個方面，提供一種太陽能電池，包括襯底；形成于所述襯底上 的第一傳導類型的硅層I ;形成于所述硅層I上的第一傳導類型的硅層II ;以及形成于所 述硅層II上的第二傳導類型的硅層III，其中所述硅層I、 II和III中的至少一層包含金 屬成分。
所述襯底可包括玻璃、塑料、硅和金屬。 如果所述第一傳導類型為n-型，則所述第二傳導類型可以為p-型；而如果所述第
一傳導類型為P-型，則第二傳導類型可以為n-型。 所述硅層I、 II和III中的至少一層可以為晶體硅層。 所述金屬成分可以包括鎳、鋁、鈦、銀、金、鈷、銻、鈀、銅或其組合。
所述太陽能電池還可以包括在襯底和硅層I之間的增透(antireflective)層。
根據本發(fā)明的再一個方面，提供一種包含多層硅層的太陽能電池的制造方法，其 中，所述多層硅層中的至少一層在存在金屬成分時結晶。 根據本發(fā)明的再一個方面，提供一種太陽能電池的制造方法，包括以下步驟制備 襯底；在所述襯底上形成第一傳導類型的硅層I ;在所述硅層I上形成第二傳導類型的硅層 II ;以及在所述硅層II上形成第二傳導類型的硅層III，其中，在所述硅層I、 II和III中 的至少一層上形成金屬層，并且所述方法還包括對所述硅層I、 II和III進行退火的步驟。
根據本發(fā)明的再一個方面，提供一種太陽能電池的制造方法，包括以下步驟制備 襯底；在所述襯底上形成第一傳導類型的硅層I ;在所述硅層I上形成第一傳導類型的硅層 II ;以及在所述硅層II上形成第二傳導類型的硅層III，其中，在所述硅層I、 II和III中 的至少一層上形成金屬層，并且所述方法還包括對所述硅層I、 II和III進行退火的步驟。
所述襯底可包含玻璃、塑料、硅和金屬。 如果所述第一傳導類型為n-型，則所述第二傳導類型可以為p-型；而如果所述第
一傳導類型為P-型，則第二傳導類型可以為n_型。 所述硅層I、 II和III中的至少一層可以通過退火過程結晶。 所述金屬層可以包括鎳、鋁、鈦、銀、金、鈷、銻、鈀、銅或其組合。 所述方法還可包括在所述襯底和所述硅層I之間形成增透層的步驟。 所述硅層I、 II和III可通過選自低壓化學氣相沉積(LPCVD)、等離子體增強化學
氣相沉積(PECVD)和熱絲化學氣相沉積(HWCVD)中的一種方法形成。 所述金屬層可通過選自LPCVD、 PECVD、原子層沉積(ALD)以及濺射法中的一種方 法來形成。 可以調節(jié)所述金屬層的厚度以便控制所述硅層I II和III中至少一層中的殘余 金屬的量。


通過下面結合附圖給出的優(yōu)選實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其他目的和特征 將變得顯而易見，附圖中 圖1示出了根據本發(fā)明的一個實施例的太陽能電池的結構。
具體實施例方式
下文中，將參考附圖詳細說明本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。 根據本發(fā)明的多晶硅薄膜太陽能電池的特征在于通過使用金屬催化劑以降低結 晶溫度的方式來形成多晶硅層。在很長一段時間內，使用金屬催化劑將非多晶硅結晶的方 法(稱作金屬誘導結晶(MIC)方法)已經被用于多晶硅薄膜晶體管(TFT)上，所述多晶硅 TFT充當諸如LCD等平板顯示器的驅動元件。換句話說，在多晶硅TFT制造中，最關鍵的過 程是和非晶硅在低溫下的結晶聯系在一起的，其中，尤其是需要降低結晶溫度。盡管已經提 出了多種在低溫下短時間內形成多晶硅的過程的建議，但是MIC方法在其通過降低結晶溫 度而適用于大規(guī)模生產為人知曉之后受到了廣泛關注。雖然使用金屬催化劑的結晶過程可 以在低溫下進行，但是由于大量的金屬存在于TFT的有源區(qū)，導致泄漏電流的顯著增長。因此，實際上不可能將MIC方法直接應用于多晶硅TFT的制造。 鑒于前面所述，本發(fā)明的發(fā)明人注意到如果將使用金屬催化劑制備多晶硅的MIC 方法用于太陽能電池的多晶硅層的制造中，由金屬污染造成的泄漏電流在太陽能電池中可 能不如在TFT中嚴重。也就是，太陽能電池中的多晶硅層并不真正需要和應用于TFT有源 區(qū)中的多晶硅層同樣程度的電氣性能的高精度控制。因此，即使可能存在金屬污染，也不會 造成重大問題。 圖！示出了根據本發(fā)明的一個實施例的太陽能電池100的結構。如圖1所示，太 陽能電池100包括增透層20，透明傳導層30， p+型硅層40， n-型硅層50， n+型硅層60，以 及電極70，所述層以多層方式順序地堆疊在襯底10上。 對于該實施例的太陽能電池100來說，為了吸收太陽光，襯底10優(yōu)選地由諸如玻 璃或塑料的透明材料制成。增透層20通過保證透過襯底10的入射太陽光被立即反射到外 面而沒有被硅層吸收來防止太陽能電池的效率降低。用于增透層20的材料的例子可以包 括但不僅限于氧化硅和氮化硅。透明傳導層30滲透太陽光并且用于將p+型硅層40電耦 合到電極70。為此，透明傳導層30可包括，例如，ITO(Indium Tin Oxide，氧化銦錫)。
在透明傳導層30上是由p+型硅層40、 n-型硅層50和n+型硅層60組成的三層 硅結構，這三層被順序地層合(laminate)來形成用于薄膜硅太陽能電池的基本p_i-n結 構。p-i-n結構通過在高摻雜p+型硅層40和高摻雜n+型硅層60之間以低密度摻雜雜質 形成，由此獲得與P+型硅層40和n+型硅層60相比更絕緣的n-型硅層50。標準的太陽能 電池設計為讓入射的太陽光從P側進入。 如上所說，盡管根據本發(fā)明的太陽能電池將p-i-n結構作為其基本結構時，但是 本發(fā)明不僅限于此，而是可以使用諸如n-i-p結構(S卩，由n+硅層、p-硅層、p+硅層組成的 層合結構)的其它結構。對于n-i-p結構來說，由于太陽光從p側，S卩，與襯底相反的一側 入射，因此襯底不是必需用玻璃之類的透明材料制成，也可以用其它材料制成，例如硅或金屬。 而且，根據如前所述的本發(fā)明的太陽能電池的結構，i傳導類型的硅層與和襯底相 接觸的傳導類型的硅層相對，但是本發(fā)明不僅限于此。也就是，可以通過將i側硅層設置成 與和襯底相接觸的硅層相同的傳導類型來設置太陽能電池。 總的來說，根據本發(fā)明的太陽能電池可以采用可以從襯底向上看到的以下任意結 構P+硅層/n-硅層/n+硅層、!1+硅層/p-硅層/p+硅層、p—硅層/p-硅層/n+硅層，以及 n+硅層/n-硅層/p+硅層。下文中，將重點描述圖l所示的結構，即，p+硅層40/n-硅層 50/n+硅層60。 同時，太陽能電池100的另一個特征是，p+硅層40/n-硅層50/n+硅層60中的至 少一層為多晶硅層。優(yōu)選的是P+硅層40/n-硅層50/n+硅層60均由多晶硅制成。簡言之， 多晶硅薄膜太陽能電池是有利的，因為它可以通過使用儲量高的硅作為原料的薄膜太陽能 電池制造過程，以非常低的成本進行大規(guī)模生產，同時因為多晶硅其自身具有比非晶硅更 高的電子遷移率，所述多晶硅薄膜太陽能電池展現出提高的效率。 下面是關于根據本發(fā)明一個實施例的太陽能電池100的制造方法的詳細說明。
在第一步驟中，制備襯底10。如前所述，理想的是襯底10由諸如玻璃的透明材料 制成。而且，襯底10可經受表面紋理化過程以提高太陽能電池100的效率。進行紋理化過
7程用以防止由于入射光的反射導致的光損耗的太陽能電池的襯底表面性能的損害。因此， 紋理化過程主要涉及制造用在未經加工的太陽能電池的目標襯底的表面，即，在襯底的表 面形成不規(guī)則圖案。 一旦襯底的表面通過紋理化而變得粗糙，反射過一次的光被再次反射 并且降低了入射光的反射率，以便獲取更多的光線來減少光損耗。 在下一步驟中，在襯底10上形成增透層20。如前所述，增透層20可包括氧化硅或 氮化硅，并且可以通過LPCVD、 PECVD或類似的方法形成。 在下面的步驟中，在增透層20上形成透明傳導層30。如上所述，透明傳導層30可 包括ITO，并且可以通過濺射法或類似的方法形成。 在隨后的步驟中，p+型硅層40、 n-型硅層50、 n+型硅層60順序地形成在透明傳 導層30上。這種三層硅層合薄片通過LPCVD、 PECVD、 HWCVD或類似的方法在非晶狀態(tài)下形 成或生長。這種三層硅層合薄片優(yōu)選為在非晶硅的形成中經過原位摻雜的n-型摻雜的或 p-型摻雜的。 一般說來，磷(P)被用作為n-型摻雜的雜質，而硼(B)或砷(As)被用作為 P-型摻雜的雜質。優(yōu)選地，三層硅層合薄片的厚度和摻雜濃度沿用在多晶硅薄膜太陽能電 池中采用的標準p-i-n結構的厚度和摻雜濃度。 在下一步驟中，處于非晶體狀態(tài)的p+型硅層40/n-型硅層50/n+型硅層60結晶 以形成多晶的P+型硅層40/n-型硅層50/n+型硅層60。 本發(fā)明使用MIC方法使非晶硅結晶成多晶硅。為此，首先將金屬層沉積在非晶硅 層上，然后進行結晶_退火過程。金屬層形成于P+型硅層40/n-型硅層50/n+型硅層60 結構中的至少一層上。用于金屬層的材料可以選自鎳、鋁、鈦、銀、金、鈷、銻、鈀以及銅，可以 單獨使用或以其中兩種或更多的組合來使用。金屬層通過LPCVD、 PECVD、 ALD、濺射法或類 似的方法形成。結晶-退火過程在標準的退火爐中進行，優(yōu)選地在40(TC _7001:的條件下 進行1至10小時。 同時，使用MIC的結晶-退火過程之后殘留在多晶硅層中的金屬的量可以通過調
節(jié)沉積在非晶硅層的金屬的量來控制。 一種調節(jié)金屬量的方法是調節(jié)沉積在非晶硅層上的
金屬層的厚度，但是本發(fā)明不僅限于此。在一些情況下，需要將金屬層做得比一層原子層還
要薄以便保持多晶硅層中殘留金屬的量最小。這里，使金屬層的厚度比一層原子層薄指的
是，假如非晶硅層的全部面積沒有被所沉積的金屬層完全覆蓋，那么金屬層稀疏地沉積在
非晶硅層上(覆蓋率< l)，而不是連續(xù)地沉積。換句話說，在將金屬層以小于l的覆蓋率沉
積的情況下，更多的金屬原子可沉積在已經沉積在非晶硅層上的金屬原子之間。 最后，電極70分別形成于透明傳導層30和n+型硅層60上，因此獲得多晶硅薄膜
太陽能電池100的完整形式。電極70由如鋁的傳導材料制成，并且可以通過熱蒸發(fā)、濺射
或類似的方法形成。 雖然前面已經將單結太陽能電池作為本發(fā)明的一個實施例來進行說明，但是本發(fā) 明不僅限于此，可以還包括作為其它實施例的雙結(稱為所謂的串聯結構)太陽能電池、三 結太陽能電池等等。也就是說，對于雙結和三結太陽能電池或任何其它太陽能電池及其制 造方法，只要構成太陽能電池的多晶硅層中的至少一層包括金屬成分，就應該被視為屬于 本發(fā)明的范圍。 綜上所述，根據本發(fā)明的多晶硅薄膜太陽能電池IOO及其制造方法的優(yōu)勢在于， 通過使用MIC方法使非晶硅在低溫下結晶成多晶硅，借此使其能夠使用普通的玻璃作為襯底。因此，通過多晶硅提高了太陽能電池的轉換效率，同時能夠降低制造成本。 雖然已經參考優(yōu)選實施例顯示并描述了本發(fā)明，但是本領域的技術人員應該明
白，在不脫離所附的權利要求所限定的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以進行各種改變
和變型。
權利要求
一種太陽能電池，其包括多層硅層，其中，所述多層硅層中的至少一層包含金屬成分。
2. —種太陽能電池，包括襯底；形成于所述襯底上的第一傳導類型的硅層I ;形成于所述硅層I上的第二傳導類型的硅層II ;以及形成于所述硅層II上的第二傳導類型的硅層III，其中，所述硅層I、 II和III中的至少一層包含金屬成分。
3. —種太陽能電池，包括襯底；形成于所述襯底上的第一傳導類型的硅層I ;形成于所述硅層I上的第一傳導類型的硅層II ;以及形成于所述硅層II上的第二傳導類型的硅層III，其中，所述硅層I、 II和III中的至少一層包含金屬成分。
4. 如權利要求2或3所述的太陽能電池，其中，所述襯底包括玻璃、塑料、硅和金屬。
5. 如權利要求2或3所述的太陽能電池，其中，如果所述第一傳導類型為n-型，則所述第二傳導類型為P-型；而如果所述第一傳導類型為P-型，則所述第二傳導類型為n-型。
6. 如權利要求2或3所述的太陽能電池，其中，所述硅層1、11和III中的至少一層為晶體硅層。
7. 如權利要求2或3所述的太陽能電池，其中，所述金屬成分包括鎳、鋁、鈦、銀、金、鈷、銻、硼、銅或其組合。
8. 如權利要求2或3所述的太陽能電池，進一步包括位于所述襯底和所述硅層I之間的增透層。
9. 一種太陽能電池的制造方法，所述太陽能電池包括多層硅層，其中所述多層硅層中的至少一層在存在金屬成分時結晶。
10. —種太陽能電池的制造方法，包括以下步驟制備襯底；在所述襯底上形成第一傳導類型的硅層I ;在所述硅層I上形成第二傳導類型的硅層II ;以及在所述硅層II上形成第二傳導類型的硅層III，其中，在所述硅層I、 II和III中的至少一層上形成金屬層，并且所述方法還包括將所述硅層I、II和III退火的步驟。
11. 一種太陽能電池的制造方法，包括以下步驟制備襯底；在所述襯底上形成第一傳導類型的硅層I ;在所述硅層I上形成第一傳導類型的硅層II ;以及在所述硅層II上形成第二傳導類型的硅層III，其中，在所述硅層I、 II和III中的至少一層上形成金屬層，并且所述方法還包括對所述硅層I、 II和III進行退火的步驟。
12. 如權利要求10或11所述的方法，其中，所述襯底包含玻璃、塑料、硅和金屬。
13. 如權利要求10或11所述的方法，其中，如果所述第一傳導類型為n-型，則所述第 二傳導類型為P-型；而如果所述第一傳導類型為P-型，則所述第二傳導類型為n-型。
14. 如權利要求10或11所述的方法，其中，所述硅層I、 II和III中的至少一層通過 退火過程結晶。
15. 如權利要求10或11所述的方法，其中，所述金屬層包括鎳、鋁、鈦、銀、金、鈷、銻、 硼、銅或其組合。
16. 如權利要求10或11所述的方法，進一步包括步驟 在所述襯底和所述硅層I之間形成增透層。
17. 如權利要求10或11所述的方法，其中，所述硅層I、 II和III通過選自低壓化學 氣相沉積、等離子體化學氣相沉積和熱絲化學氣相沉積中的一種方法形成。
18. 如權利要求10或11所述的方法，其中，所述金屬層通過選自低壓化學氣相沉積、等 離子體化學氣相沉積、原子層沉積和濺射中的一種方法形成。
19. 如權利要求10或11所述的方法，其中，調節(jié)所述金屬層的厚度以便控制所述硅層 I、 II和III中的至少一層中的殘余金屬的量。
全文摘要
本發(fā)明公開一種多晶硅太陽能電池及其制造方法。根據本發(fā)明的多晶硅太陽能電池通過使非晶硅結晶而形成，其中，使用金屬催化劑來降低結晶溫度。根據本發(fā)明的太陽能電池的特征在于包括多層多晶硅層，其中，所述多晶硅層中的至少一層包含金屬成分。
文檔編號H01L31/042GK101765919SQ200880101074
公開日2010年6月30日 申請日期2008年7月31日 優(yōu)先權日2007年7月31日
發(fā)明者張澤龍 申請人:Tg太陽能株式會社