專利名稱：異質(zhì)太陽能電池及其制造方法
異質(zhì)太陽能電池及其制造方法本發(fā)明涉及異質(zhì)太陽能電池，其含有硅、摻雜的硅層和隧道鈍化層。該電池通過正 面上的銦-錫氧化物層和背面上的鋁層封閉。此外，本發(fā)明還涉及制備異質(zhì)太陽能電池的 方法。可從市場得到具有非晶態(tài)硅發(fā)射層的基于晶片的晶態(tài)硅-太陽能電池(異質(zhì)太陽 能電池)。為此，使用經(jīng)η摻雜或ρ摻雜的單晶硅作為原料(M. Tanaka等人，Jnp. J. Appl. Phys.，Vol. 31，(1992)，S. 3518 ；3522 和 MJchmidt 等人，Thin Solid Films 515(2007)， S. 7475)。在其受照面上首先涂以非常薄(約1 lOnm)的本征(未摻雜的)非晶態(tài)硅層。 然后再涂以也是非常薄(約1 lOnm)的經(jīng)摻雜的非晶態(tài)硅層，其摻雜與基極摻雜相反。最 后設(shè)置一種透明的導(dǎo)電氧化物如銦-錫氧化物(ITO)和薄金屬接觸。在該晶態(tài)晶片的非受 照背面上先涂以非常薄(約1 lOnm)的本征(未摻雜的)非晶態(tài)硅層和接著涂以非常薄 (約1 lOnm)的經(jīng)摻雜的非晶態(tài)硅層，該層適配于基極摻雜。最后涂以金屬層，其作為該 太陽能電池的接觸。該非晶態(tài)的硅層當(dāng)前是借助于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PEOO^i)制備的，該 透明導(dǎo)電氧化物(ITO)是借助于濺射法制備的。該異質(zhì)硅太陽能電池的效率對晶態(tài)硅和非晶態(tài)發(fā)射層(或本征非晶態(tài)硅層)之間 界面的缺陷狀態(tài)非常敏感。該界面的小缺陷密度目前主要是通過晶態(tài)晶片的合適預(yù)處理 (例如、濕化學(xué)予頁處理，如見 H. Angermann, et al. , Material Science and Engineering B, Vol, 73, (2000), S. 178)和通過本征的或摻雜的非晶態(tài)硅層本身來實(shí)現(xiàn)的。使界面鈍化的另一種可能性可通過使固定電荷的定位盡可能靠近待鈍化的界面 層來實(shí)現(xiàn)(A. Aberle et al.，J. Appl. Phys. 71(9), (1992)，S. 4422)。這種可能性在當(dāng)前的 硅異質(zhì)太陽能電池結(jié)構(gòu)中并未被針對性的利用。此外，由現(xiàn)有技術(shù)已知的用于制備異質(zhì)太陽能電池的方法是借助于PECVD沉積非 晶態(tài)層。一旦該表面的分布狀況不均勻，則該待沉積物質(zhì)在紋理狀錐狀面的峰端和谷中會 有非常不同的沉積。這需要對紋理狀錐狀面進(jìn)行預(yù)處理(M.Tanaka，et al.，Jnp. J. Appl. Phys.，Vol. 31，(1992)，S. 3518-3522)。由此，本發(fā)明的目的是排除現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)并提供一種異質(zhì)太陽能電池，其在高 的界面缺陷密度和紋理狀錐狀面的短路方面呈明顯的穩(wěn)定性，并能較快速處理。本發(fā)明的目的是通過具有權(quán)利要求1的特征的異質(zhì)太陽能電池實(shí)現(xiàn)的。權(quán)利要求 17涉及用于制備異質(zhì)太陽能電池的方法。其它有利的實(shí)施方案列于從屬權(quán)利要求中。根據(jù)本發(fā)明，制備一種異質(zhì)太陽能電池，其包含配置在晶態(tài)的、經(jīng)摻雜的硅晶片 (c-Si層)的正面表面上并由非晶態(tài)的、與C-Si層相反摻雜的硅層(a-Si層)組成的發(fā)射 層以及其上配置有正面接觸的ITO層(銦-錫氧化物層)和配置在背面上的金屬化層，其 中至少在c-Si層的正面表面和發(fā)射層之間設(shè)置有一層隧道鈍化層。通過這種結(jié)構(gòu)使達(dá)到的高效率變得明顯更穩(wěn)定。這與層密度和層的均勻性有關(guān)。隧道鈍化層的厚度優(yōu)選選擇為使量子力學(xué)隧道電流流動。這特別對帶隙I ^ 2ev 的鈍化層有效。
異質(zhì)太陽能電池可在正面和背面表面上具有隧道鈍化層。通過使用隧道鈍化層，至今常用的、昂貴的晶片預(yù)凈化方法就變得不重要了。相 反，甚至可完全不用預(yù)凈化，由此能更快制備異質(zhì)太陽能電池，這又附加有低成本的優(yōu)點(diǎn)。異質(zhì)太陽能電池的隧道鈍化層或絕緣層的材料本身宜選自氧化鋁、氧化硅和/或 氮化硅。隧道鈍化層優(yōu)選選用氧化鋁Al2O3，因?yàn)樵摬牧暇哂卸喾N優(yōu)點(diǎn)。該氧化鋁層具有非 常高的所引入的負(fù)電荷密度，因此產(chǎn)生非常好的鈍化質(zhì)量。此外，氧化鋁可借助于原子層沉 積法或類似操作的PECVD法在幾乎任意表面形態(tài)上均勻沉積。由此在垂直側(cè)面上的生長速 率與平面區(qū)上的生長速率相同。在隧道鈍化層或絕緣層中可引入附加的固定電荷(如通過 Cs+離子的離子注入)。在一優(yōu)選實(shí)施方案中，由氧化鋁制成的隧道鈍化層的厚度為0. 1 lOnm，因?yàn)檫@ 種層厚不僅使電荷載流子的量子力學(xué)隧穿成為可能，而且使表面鈍化成為可能。在根據(jù)本發(fā)明的異質(zhì)太陽能電池中，該氧化鋁層Al2O3 (或其它鋁-氧化學(xué)計(jì)量式) 和絕緣層(如SiOx)與隨后的固定電荷的引入(如通過Cs+離子的離子注入)一起不僅直 接沉積在經(jīng)預(yù)凈化的(需要時，弱的預(yù)凈化或不處理)和紋理化的正面上，而且也直接沉積 在經(jīng)反射優(yōu)化的背面表面上。經(jīng)引入的氧化鋁層的負(fù)電荷明顯增強(qiáng)了鈍化效果。因?yàn)檠趸?鋁比晶態(tài)和非晶態(tài)的硅具有更高的帶隙，所以一方面必需盡可能小地選擇層厚，以能夠通 過該層產(chǎn)生電荷載流子的量子力學(xué)隧穿，另一方面具有足夠的層厚，以確保鈍化作用。為滿 足這兩個要求，有利的是層厚保持為幾埃至幾十埃范圍。因?yàn)閷雍窭缈赏ㄟ^使用原子層 沉積法(ALD)(或類似操作的PECVD法)非常精確地調(diào)節(jié)，所以可確保高度的可重復(fù)性。該 層可附加引入體系中或代替本征非晶態(tài)層。通過使用ALD法(或類似操作的PECVD法)也 可同時確保該紋理狀錐狀面的均勻覆蓋。通過引入薄的隧道鈍化層(如Al2O3)的非勻質(zhì)太陽能電池和制備方法的主要優(yōu)點(diǎn) 是 紋理狀錐狀面的均勻覆蓋 可大幅降低對晶態(tài)晶片的預(yù)凈化要求或需要時可完全棄用 需要時可放松對盡可能平緩的等離子體沉積的要求(如Al2O3確保了鈍化作 用)。由此可使用較高的生長率，結(jié)果是加快處理過程 整體上是明顯更穩(wěn)定的方法需要時還可棄用非摻雜(本征的)的非晶態(tài)層，并由此縮短和簡化制備過程。因此，可通過所述隧道層的使用來提高總的η型和/或？型(基極晶片)異質(zhì)太 陰能電池的效率。優(yōu)選地，發(fā)射層由與C-Si層相反摻雜的a-Si層和本征硅層(i_Si層)組成。與c-Si層相反摻雜的a-Si層的厚度優(yōu)選為1 lOnm。由此確保層的均勻。層厚 還可確保異質(zhì)太陽能電池的結(jié)構(gòu)。在一種變化方案中，異質(zhì)太陽能電池的i-Si層的選定厚度為1 lOnm。由此未摻 雜的i-Si層的層厚保持盡可能小。本征硅層和非晶態(tài)硅層也可用于鈍化。優(yōu)選地，在背面表面與金屬化層之間設(shè)置與C-Si層相同摻雜的非晶態(tài)硅層。在異質(zhì)太陽能電池的一種替代實(shí)施方案中，非晶態(tài)硅層的厚度為1 30nm。
在另一種實(shí)施方案中，在金屬化層和設(shè)置于背面表面上且與晶態(tài)硅層相同摻雜的 非晶態(tài)硅層之間設(shè)置有一層本征硅層。該本征硅層的厚度優(yōu)選為1 lOnm。該晶態(tài)硅層優(yōu)選是η摻雜的或ρ摻雜的。該層的厚度優(yōu)選為20 2000 μ m。在該異質(zhì)太陽能電池的另一種實(shí)施方案中，在發(fā)射層中形成的與c-Si層相反摻 雜的非晶態(tài)硅層是η摻雜的或ρ摻雜的。在背面表面和金屬化層之間設(shè)置的且與晶態(tài)硅層相同摻雜的非晶態(tài)硅層可以是η 摻雜的或P摻雜的。此外，本發(fā)明還涉及用于制備該前述異質(zhì)太陽能電池的方法。所述至少一層隧道鈍化層優(yōu)選借助于原子層沉積法或PECVD法沉積。這種原子層 沉積法(或類似操作的PECVD法)產(chǎn)生紋理狀錐狀面均勻覆蓋，從而降低對晶態(tài)晶片的預(yù) 凈化要求或使其成為不必要的。該隧道鈍化層或絕緣層優(yōu)選由氧化鋁、氧化硅和/或氮化硅組成或含氧化鋁、氧 化硅和/或氮化硅。其也可含Cs+離子。接著可將固定電荷(如通過Cs+離子的離子注入) 引入隧道鈍化層或絕緣層中。這類層使該電荷載流子的量子力學(xué)隧穿以及鈍化成為可能。 由于原子層沉積法或類似操作的PECVD法可以非常精密地調(diào)節(jié)，所以可確保該層的精確沉 積。此外，由于這些隧道層提供了鈍化作用，所以可放松對該非晶態(tài)Si層的溫和等離子體 沉積的要求。由此可使用較高的生長速率，并由此可加快處理過程。另一種方法變化方案的特征在于，至少一層隧道鈍化層包含氧化鋁、氧化硅和/ 或氮化硅和/或由其組成。氧化鋁也可具有除Al2O3之外的化學(xué)計(jì)量式。此外，可在絕緣層 (如SiO2)沉積后引入固定電荷(如通過Cs+離子的離子注入)。下面將參考以下附

圖1 3來更詳細(xì)地解釋本發(fā)明的目的，但不應(yīng)將所述目的限 于此處所述的具體實(shí)施方案。本發(fā)明的目的和方法適于晶態(tài)晶片的任意表面(優(yōu)選紋理狀 錐狀面)。圖1示出一種具有正面的隧道鈍化層和發(fā)射層的異質(zhì)太陽能電池的結(jié)構(gòu)；圖2示出一種具有正面的隧道鈍化層和發(fā)射層和包括隧道鈍化層在內(nèi)的附加背 面涂層的異質(zhì)太陽能電池的結(jié)構(gòu)；圖3示出一種具有正面的隧道鈍化層和發(fā)射層和包括隧道鈍化層在內(nèi)的附加背 面涂層的異質(zhì)太陽能電池的結(jié)構(gòu)，該背面涂層包含另一本征層。在圖1中，示出該異質(zhì)太陽能電池1的一種實(shí)施方案，其中在該Si晶片7的晶態(tài) 正面表面上配置有發(fā)射層12。該晶態(tài)硅層7是η摻雜的，且具有約200 μ m的厚度。借助于 ALD或PECVD沉積厚度為0. 1 IOnm的隧道鈍化層(如氧化鋁層(Al2O3)) 6。接著設(shè)置未 摻雜的本征非晶態(tài)硅層5。該層厚度為1 lOnm。朝向正面或受照面的ρ摻雜的非晶態(tài)硅 層4的厚度為1 lOnm。由此層4和5構(gòu)成發(fā)射層12。借助于濺射法在其上設(shè)置透明的 導(dǎo)電氧化物層(ITO) 3，且層厚約為SOnm(與ITO的折射系數(shù)有關(guān))。在該異質(zhì)太陽能電池 的背面上設(shè)置鋁層8。該層以及異質(zhì)太陽能電池的正面接觸2是用作接觸。圖2示出一種平面硅異質(zhì)太陽能電池1的層結(jié)構(gòu)，其具有正面發(fā)射層和附加的背 面涂層。借助于ALD或類似操作的PECVD法在厚度為200 μ m的η摻雜的晶態(tài)硅層7的兩 側(cè)上設(shè)置隧道鈍化層(如氧化鋁層)6或9。該(氧化鋁)層的厚度為0. 1 lOnm。在該
6異質(zhì)太陽能電池的正面上相繼是厚度為1 IOnm的ρ摻雜的非晶態(tài)硅層4和厚度為SOnm 的ITO層3。在正面上為太陽能電池提供有金屬接觸2。該異質(zhì)太陽能電池1的背面形成 封閉的鋁層8。在鋁層8和氧化鋁層9之間插入η摻雜的非晶態(tài)硅層10。所述硅層厚度為 1 30nmo圖3示出一種具有正面發(fā)射層12和附加的背面涂層的異質(zhì)太陽能電池1，該背面 涂層包含另一本征層11。該異質(zhì)太陽能電池由鋁層8構(gòu)成。其鄰接層是1 30nm厚的η 摻雜的非晶態(tài)硅層10。在該層上設(shè)置有厚度為1 IOnm的非晶態(tài)本征硅層11。在η摻雜 的或P摻雜的晶態(tài)硅層7和非晶態(tài)的本征硅層11之間含有隧道鈍化層9。所述隧道鈍化層 厚度為0. 1 lOnm。在厚度為200nm的η摻雜的晶態(tài)硅層7的正面上設(shè)置有厚度為0. 1 IOnm的另一隧道鈍化層6。其上面接著是厚度為1 IOnm的非晶態(tài)的本征硅層5。在厚度 約為SOnm的ITO層3和該非晶態(tài)的本征硅層5之間設(shè)置有層厚度為1 IOnm的ρ摻雜的 非晶態(tài)硅層4。在該異質(zhì)太陽能電池1的正面上設(shè)置有金屬接觸2。實(shí)施方案1該非晶態(tài)硅層借助于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)制備。這里所用的發(fā)電 機(jī)功率和頻率為2 200W和13. 56MHz 2GHz。該氣流為1 IOOsccm的硅烷SiH4、0 IOOsccm的氫H2,借助于乙硼烷KH6摻雜和1 50sCCm的膦PH3(1 5%的H2溶解)。該 基底溫度為100 300°C。在該異質(zhì)太陽能電池的制備過程中，在PECVD-裝置中的通用壓 力為IO1 IO-5Hibar (與所用的等離子體源有關(guān))?；A(chǔ)壓力應(yīng)選擇為小于l(T5mbar。在平 行板反應(yīng)器情況下，電極間距為0. 5 5cm。工藝持續(xù)時間由沉積速率和所需層厚得出，且 為5 60秒。該隧道鈍化層(如Al2O3)借助于原子層沉積(ALD)或類似操作的PECVD法 沉積。該鋁氧化物層以兩循環(huán)制備。環(huán)循1包括沉積經(jīng)激化的三甲基鋁，循環(huán)2中用O2氧 化該層。該經(jīng)沉積的三甲基鋁借助于距基底較遠(yuǎn)(5 50cm)的與所述相當(dāng)?shù)牡入x子體源 激化。這時該基底溫度為室溫至350°C。
權(quán)利要求
1.一種異質(zhì)太陽能電池(1)，其包括配置在晶態(tài)的經(jīng)摻雜的硅晶片(C-Si層)(7)的正 面表面上且由非晶態(tài)的與所述c-Si層相反摻雜的硅層(a-Si層)(4)形成的發(fā)射層(12) 以及配置在其上的具有正面接觸( 的ITO層C3)和配置在背面上的金屬化層(8)，其特征 在于，至少在所述c-Si層(7)的正面表面和發(fā)射層(12)之間設(shè)置有隧道鈍化層(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，在所述正面和背面表面上設(shè)置 有隧道鈍化層(6，9)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，所述隧道鈍化層(6，9) 的厚度選擇使量子力學(xué)隧道電流流動。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，所述隧道鈍化層(6，9) 由氧化鋁、氧化硅和/或氮化硅組成和/或包含氧化鋁、氧化硅和/或氮化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，在所述隧道鈍化層(6，9)中注 入離子，優(yōu)選銫離子。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，由氧化鋁制成的所述隧道 鈍化層(6，9)的厚度為0. 1 10nm。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，所述發(fā)射層(1 由與 所述c-Si層相反摻雜的a-Si層(4)和本征硅層(i-Si層)( 組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，所述a-Si層(4)的厚度為1 IOnm0
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，所述i-Si層(5)的厚度 為1 IOnm0
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，在所述背面表面和所 述金屬化層(8)之間設(shè)置有與所述C-Si層相同摻雜的a-Si層(10)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，所述a-Si層(10)的厚度為 1 30nmo
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，在所述金屬化層(8) 和設(shè)置于所述背面表面上且與c-Si層相同摻雜的所述a-Si層(10)之間設(shè)置有本征硅層 (i-Si 層)(11)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，所述i-Si層(11)的厚度為 1 IOnm0
14.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，所述c-Si層(7)是η 摻雜的或P摻雜的。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，所述c-Si層(7)的厚 度為20 2000 μ m。
16.根據(jù)權(quán)利要求7 15之一的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，在所述發(fā)射層(12) 中包含的且與所述c-Si層相反摻雜的a-Si層(4)是η摻雜的或ρ摻雜的。
17.根據(jù)權(quán)利要求10 16之一的異質(zhì)太陽能電池(1)，其特征在于，在所述背面表面 和金屬化層⑶之間設(shè)置的且與所述c-Si層相同摻雜的所述a-Si層(10)是η摻雜的或 P摻雜的。
18.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求1 17之一的異質(zhì)太陽能電池(1)方法，其特征在于，借助于原子層沉積或類似操作的PECVD法沉積至少一層隧道鈍化層(6，9)。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求的用于制造異質(zhì)太陽能電池(1)的方法，其特征在于，沉積可包 含Cs+離子的氧化鋁層、氧化硅層和/或氮化硅層作為隧道鈍化層(6，9)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種異質(zhì)太陽能電池，其包含硅、經(jīng)摻雜的硅層和隧道鈍化層。該電池通過正面上的銦-錫氧化物層和背面上的鋁層封閉。本發(fā)明還涉及一種制造異質(zhì)太陽能電池的方法。
文檔編號H01L31/072GK102144303SQ200980134388
公開日2011年8月3日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者斯特凡·格隆茨, 達(dá)米安·皮施 申請人:弗蘭霍菲爾運(yùn)輸應(yīng)用研究公司