專利名稱：一種具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Si光電子材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光 伏電池的制備方法。
背景技術(shù)：
硅太陽電池是當今光伏市場上的主體，而晶體硅太陽電池又是轉(zhuǎn)化效率最高的， 它的世界紀錄為24. 7%。它在600 900nm波段具有很高的量子效率，而在llOOnm以上則 因禁帶寬度而不能吸收，在300以下則無法充分利用單一光子的能量。因此，要繼續(xù)提高電 池效率，就必需在長波和短波段下功夫。多能級光吸收是一種寬譜的光吸收方法[1]，能否在Si材料中實現(xiàn)多能級光吸收 一直是光伏界非常感興趣的。1959年Fan和RamdaS[2]報道經(jīng)離子輻照的硅能在禁帶中的 形成深能級，這種深能級能對波長達4000nm的紅外光產(chǎn)生光吸收和光電流，經(jīng)快中子幅照 的硅在1800nm和3900nm有兩個明顯的吸收峰，其中1800nm吸收峰可以延伸至1550nm產(chǎn) 生光吸收。2001年Marzur在超快激光與Si表面作用的研究中首次制備出了表面微米級晶錐 結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以廣譜減反太陽光，并且它的硫摻雜層可以寬譜吸收太陽光[3]。用其制備 的Si探測器，其室溫下紅外光電響應(yīng)達到1300nm。另一方面，Si也被用于熱光伏電池的制備[4]，但因其較寬的禁帶寬度而導(dǎo)致光電 轉(zhuǎn)換效率低下。本專利所涉及的雜質(zhì)深能級無疑會增加Si對紅外光的吸收，因此，可大大 提高Si熱光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，使之被廣泛應(yīng)用。參考文獻[l]Martin A.Green, Solar Cells :0perating Principles, Technology, andSystem Applications, University of New South Wales(1986).[2]Fan H Y, Ramdas A K, Infrared Absorption and Photoconductivity inlrradiated Silicon. J. Appl. Phys 30 1127-1134 (1959).[3]C. ffu,et. al. ,"Near-unity below-band-gap absorption bymicrostructured silicon”，Applied Physics Letters, 78(13) 1850-52,2001.[4] R. N. Bracewel 1, R. M. Swanson, Silicon photovoltaic cells in TPVconversion, Interim EPRI ER-633, Electric Power Research Institute,1978.

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的 制備方法，以實現(xiàn)Si對紅外光的更多吸收，實現(xiàn)對電池內(nèi)建電場的調(diào)節(jié)，使其覆蓋具有雜 質(zhì)深能級的n型Si層，從而分離該區(qū)域的光生電子--空穴對，以及實現(xiàn)在雜質(zhì)深能級上光 生載流子的輸出問題。
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(二)技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的 一種具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，該方法包括步驟1 在弱η型(IT)Si襯底表面制絨，形成絨面；步驟2 在該絨面上制備具有雜質(zhì)深能級的η型Si層；步驟3 在具有雜質(zhì)深能級的η型Si層上覆蓋ρ型半導(dǎo)體薄膜，與η型Si層形成 Pn結(jié)；步驟4 對形成ρη結(jié)的摻雜Si片進行高溫退火處理，以激活雜質(zhì)；步驟5 在ρ型半導(dǎo)體薄膜上制備ρ電極，在η型Si層上制備第一 η電極，在弱η 型Si襯底下表面制備第二 η電極。上述方案中，所述步驟1包括在弱η型Si襯底表面采用化學(xué)腐蝕的方式或者采用超短脈沖激光輻照掃描VI族 元素氛圍中Si襯底表面的方式，在Si襯底表面制絨，形成絨面。上述方案中，所述化學(xué)腐蝕是在50至100攝氏度的溫度中采用NaOH和C2H5OH混 合堿性腐蝕液腐蝕Si襯底表面。上述方案中，所述采用超短脈沖激光輻照掃描VI族元素氛圍中Si襯底表面，是使 用激光脈沖寬度小于100皮秒，脈沖頻率小于5kHz，脈沖能量密度約1至10kJ/m2，使Si襯 底表面形成微米量級的晶錐，對入射光達到廣譜減反的目的。上述方案中，所述VI族元素是指硫S、硒Se或碲Te。上述方案中，所述步驟2是采用離子注入、激光摻雜或熱擴散方式引入VI族元素， 這些VI族元素在Si中成為雜質(zhì)，并在Si禁帶中產(chǎn)生深能級，當雜質(zhì)濃度高到一預(yù)定值時 則形成雜質(zhì)深能級子帶。上述方案中，所述離子注入是通過質(zhì)譜儀將離化元素分離出來，再經(jīng)過縱向高壓 加速、橫向加壓偏置掃描，從而達到單一元素在Si襯底表層橫向均勻分布、縱向非平衡態(tài) 輸運。上述方案中，所述激光摻雜是在激光輻照下雜質(zhì)氣體分子的擴散，達到單一元素 在Si襯底表層橫向均勻分布、縱向非平衡態(tài)輸運。上述方案中，所述熱擴散是通過均勻高溫的爐體、以及不斷輸入的雜質(zhì)氣氛，達到 單一元素在Si襯底表層橫向均勻分布、縱向平衡態(tài)輸運。上述方案中，步驟3中所述覆蓋ρ型半導(dǎo)體薄膜，是使用高真空系統(tǒng)沉積P型微晶 硅μ c-Si、納晶硅nc-Si、非晶硅a-Si:H的組份漸變薄膜，其帶隙在1. 1至1. 6eV之間。上述方案中，所述高真空系統(tǒng)是等離子增強型化學(xué)氣相沉積設(shè)備。上述方案中，步驟4中所述高溫退火處理，是在300至1000攝氏度之間對摻雜后 的Si襯底表面加熱1至60分鐘，對Si中VI族雜質(zhì)退火，形成η型導(dǎo)電介質(zhì)層。上述方案中，步驟5中所述在η型Si層上制備第一 η電極，是將該η型Si層通過 溝槽方式暴露出來，并在其上制備第一 η電極；P電極和η電極采用叉指形結(jié)構(gòu)，P電極與η 電極間隔放置，如同兩只手的手指交替放置且互不接觸。上述方案中，步驟5中所述ρ電極和η電極，是采用金屬材料鋁Al、鉻Cr、金Au、鎢 W或鈦Ti的電阻熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)來制備的。
上述方案中，步驟5中所述溝槽的方式，是通過化學(xué)腐蝕或等離子刻蝕來實現(xiàn)的。上述方案中，該方法制備的晶體硅光伏電池采用正反兩種放置的方式，當pn結(jié)在 迎光面時，盡量減小P電極和第一n電極面積，減小其占空比，以防止其對入射光的阻擋；而 當pn結(jié)在背光面時，盡量增大p電極和第一 n電極面積，提高其占空比，以增強其對載流子 的俘獲和輸出，同時減小第二 n電極面積。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、利用本發(fā)明，以增強Si對紅外光的吸收；2、利用本發(fā)明，以實現(xiàn)對電池內(nèi)建電場的調(diào)節(jié)，使其覆蓋具有雜質(zhì)深能級的n型 Si層，從而解決了該區(qū)域光生電子一空穴對的分離問題；3、利用本發(fā)明，解決了在雜質(zhì)深能級上光生載流子的輸出問題；基于以上三點，本發(fā)明可以提高電池整體的光伏效率。


圖1是本發(fā)明提供的制備具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的方法流程圖；圖2是當pn結(jié)在迎光面時本發(fā)明制備的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的結(jié) 構(gòu)示意圖；圖3是當pn結(jié)在背光面時本發(fā)明制備的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的結(jié) 構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明是基于雜質(zhì)光吸收和內(nèi)建電場調(diào)控來實現(xiàn)的。其中，雜質(zhì)光吸收是由于晶 體硅摻雜后在Si禁帶中引入深能級，因此形成了三級或多級光吸收；又由于該深能級密度 的增加，有可能形成深能級子帶，從而將深能級子帶上的光生載流子輸出。內(nèi)建電場調(diào)控是 由于雜質(zhì)深能級需要高濃度的摻雜，因此由摻雜層與襯底組成的pn結(jié)，其內(nèi)建電場偏離摻 雜層而朝向濃度低的襯底。為了使內(nèi)建電場覆蓋高濃度摻雜層，必須外加一層反型層，其組 份漸變，從而在其界面形成無尖峰的pn結(jié)?；谏鲜鰧崿F(xiàn)原理，本發(fā)明提供了一種具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備 方法，如圖1所示，該方法包括步驟1 在弱n型(iT) Si襯底表面制絨，形成絨面；步驟2 在該絨面上制備具有雜質(zhì)深能級的n型Si層；步驟3 在具有雜質(zhì)深能級的n型Si層上覆蓋p型半導(dǎo)體薄膜，與n型Si層形成 pn結(jié)；步驟4 對形成pn結(jié)的摻雜Si片進行高溫退火處理，以激活雜質(zhì)；步驟5 在p型半導(dǎo)體薄膜上制備p電極，在n型Si層上制備n電極，在弱n型Si 襯底下表面制備n電極。其中，所述步驟1包括在n型Si襯底表面采用化學(xué)腐蝕的方式或者采用超短脈
6沖激光輻照掃描VI族元素氛圍中Si襯底表面的方式，在Si襯底表面制絨，形成絨面?；?學(xué)腐蝕采用NaOH和C2H5OH混合堿性腐蝕液在50至100攝氏度中腐蝕Si表面。采用超短 脈沖激光輻照掃描VI族元素氛圍中Si襯底表面，是使用激光脈沖寬度小于100皮秒，脈沖 頻率小于5kHz，脈沖能量密度約1至10kJ/m2，使Si表面形成微米量級 的晶錐，對入射光達 到廣譜減反的目的。VI族元素是指硫S、硒Se或碲Te。步驟2是采用離子注入、激光摻雜或熱擴散方式摻入VI族元素，這些VI族元素在 Si中成為雜質(zhì)，并在Si禁帶中產(chǎn)生深能級，當雜質(zhì)濃度高到一預(yù)定值時則有可能形成雜質(zhì) 深能級子帶。離子注入是通過質(zhì)譜儀將離化元素分離出來，再經(jīng)過縱向高壓加速、橫向加壓 偏置掃描，從而達到單一元素在Si表層橫向的均勻分布、縱向的非平衡態(tài)輸運。激光摻雜 是在激光輻照下雜質(zhì)氣體分子的擴散，達到單一元素在Si表層橫向的均勻分布、縱向的非 平衡態(tài)輸運。熱擴散是通過均勻高溫的爐體、以及不斷輸入的雜質(zhì)氣氛，達到單一元素在Si 表層橫向的均勻分布、縱向的平衡態(tài)輸運。步驟3中所述覆蓋ρ型半導(dǎo)體薄膜，是使用高真空系統(tǒng)(如等離子增強型化學(xué)氣 相沉積設(shè)備)沉積P型微晶硅μ c-Si、納晶硅nC-Si、非晶硅a-Si :H的組份漸變薄膜，帶隙 寬度在1. 1至1.6eV之間。步驟4中所述高溫退火處理，是在300至1000攝氏度對摻雜后的Si表面加熱1 至60分鐘，對Si中VI族雜質(zhì)退火，形成η型導(dǎo)電介質(zhì)層。步驟5中所述Si中η電極可以在η型Si層、也可以在弱η型Si襯底下表面、也 可以上下表面同時都有。在上表面，是將該η型Si層通過溝槽方式暴露出來，并在其上制 備第一 η電極。ρ電極和η電極采用叉指形結(jié)構(gòu)，ρ電極與η電極間隔放置，如同兩只手的 手指交替放置且互不接觸。P電極和η電極是采用金屬材料鋁Al、鉻Cr、金Au、鎢W或鈦Ti 的電阻熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)來制備的。步驟5中所述溝槽的方式，是通過化學(xué)腐蝕或等離子刻蝕來實現(xiàn)的。利用本發(fā)明制備的晶體硅光伏電池采用正反兩種放置的方式，當ρη結(jié)在迎光面 時，盡量減小P電極和η電極面積，減小其占空比，以防止其對入射光的阻擋；而當ρη結(jié)在 背光面時，盡量增大P電極和第一 η電極面積，提高其占空比，以增強其對載流子的俘獲和 輸出，同時減小第二 η電極面積。如圖2和圖3所示。其中，圖2是當ρη結(jié)在迎光面時本 發(fā)明制備的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的結(jié)構(gòu)和能級示意圖，圖3是當ρη結(jié)在背光 面時本發(fā)明制備的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的結(jié)構(gòu)和能級示意圖。實施例用NaOH和C2H5OH混合堿性溶劑腐蝕Si表面，由于它對Si各個(hkl)晶面具有 不同的腐蝕速率，因而可形成金字塔表面結(jié)構(gòu)的絨面；或用脈寬小于100皮秒、頻率小于 5kHz、能量密度約為4kJ/m2的超快激光掃描硫(S)、硒(Se)、碲(Te)元素氛圍中的Si表面， 使其形成微米級晶錐的絨面；采用離子注入方式，即通過質(zhì)譜儀將離化元素分離、經(jīng)過縱向高壓加速、橫向偏壓 掃描，將單一的硫(S)、硒(Se)、碲(Te)元素均勻地注入到Si表層中；或采用熱擴散，即通 過均勻高溫的爐體、以及不斷輸入的雜質(zhì)氣氛，將以上單一元素均勻地摻雜到Si表層中， 形成雜質(zhì)深能級。在300至1000攝氏度對摻雜后的Si表面加熱1至60分鐘，對VI族元素退火，可形成n型導(dǎo)電介質(zhì)層。使用高真空系統(tǒng)，如等離子增強型化學(xué)氣相沉積(PECVD)設(shè)備來沉積p型微晶硅 (yc-Si)、納晶硅nc-Si、非晶硅(a-Si:H)的組份漸變薄膜，其帶隙寬度在1. 1至1. 6eV之 間。Si中n電極可以在n型Si層上、也可以在弱n型Si襯底下表面、也可以上下表 面同 時都有。在上表面，是將該n型Si層通過溝槽方式暴露出來，并在其上制備第一 n電 極。P電極與n電極間隔放置，如同兩支手的手指交替放置、且互不接觸，制備叉指形電極； P電極和n電極主要是鋁(A1)、鉻(Cr)、金(Au)、鎢(W)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、銀(Ag)金屬材料 的電阻熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)來制備；n電極采用溝槽方式與n型層連接，溝槽則是由化學(xué)腐 蝕、或等離子刻蝕來制備。電池有正反兩種放置方式，當pn結(jié)在迎光面時，盡量減小p電極和第一 n電極面 積，盡量減小其占空比，以防止對入射光的阻擋；而當pn結(jié)在背光面時，盡量增大p和n電 極面積，盡量提高其占空比，以增強對載流子的俘獲和輸出，同時減小第二 n電極面積。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在于，該方法包括步驟1在弱n型Si襯底表面制絨，形成絨面；步驟2在該絨面上制備具有雜質(zhì)深能級的n型Si層；步驟3在具有雜質(zhì)深能級的n型Si層上覆蓋p型半導(dǎo)體薄膜，與n型Si層形成pn結(jié)；步驟4對形成pn結(jié)的摻雜Si片進行高溫退火處理，以激活雜質(zhì)；步驟5在p型半導(dǎo)體薄膜上制備p電極，在n型Si層上制備第一n電極，在弱n型Si襯底上下表面制備第二n電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，所述步驟1包括在弱n型Si襯底表面采用化學(xué)腐蝕的方式或者采用超短脈沖激光輻照掃描VI族元素 氛圍中Si襯底表面的方式，在Si襯底表面制絨，形成絨面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，所述化學(xué)腐蝕是在50至100攝氏度的溫度中采用NaOH和C2H50H混合堿性腐蝕液腐蝕 Si襯底表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，所述采用超短脈沖激光輻照掃描VI族元素氛圍中Si襯底表面，是使用激光脈沖寬度小 于100皮秒，脈沖頻率小于5kHz，脈沖能量密度約1至10kJ/m2，使Si襯底表面形成微米量 級的晶錐，對入射光達到廣譜減反的目的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，所述VI族元素是指硫S、硒Se或碲Te。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，所述步驟2是采用離子注入、激光摻雜或熱擴散方式引入VI族元素，這些VI族元素在 Si中成為雜質(zhì)，并在Si禁帶中產(chǎn)生深能級，當雜質(zhì)濃度高到一預(yù)定值時則形成雜質(zhì)深能級 子帶。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，所述離子注入是通過質(zhì)譜儀將離化元素分離出來，再經(jīng)過縱向高壓加速、橫向加壓偏置 掃描，從而達到單一元素在Si襯底表層橫向均勻分布、縱向非平衡態(tài)輸運。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，所述激光摻雜是在激光輻照下雜質(zhì)氣體分子的擴散，達到單一元素在Si襯底表層橫向 均勻分布、縱向非平衡態(tài)輸運。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，所述熱擴散是通過均勻高溫的爐體、以及不斷輸入的雜質(zhì)氣氛，達到單一元素在Si襯 底表層橫向均勻分布、縱向平衡態(tài)輸運。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，步驟3中所述覆蓋P型半導(dǎo)體薄膜，是使用高真空系統(tǒng)沉積p型微晶硅y C-Si、納晶硅 nc-Si、非晶硅a-Si:H的組份漸變薄膜，其帶隙在1. 1至1. 6eV之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，所述高真空系統(tǒng)是等離子增強型化學(xué)氣相沉積設(shè)備。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，步驟4中所述高溫退火處理，是在300至1000攝氏度之間對摻雜后的Si襯底表面加熱 1至60分鐘，對Si中VI族雜質(zhì)退火，形成n型導(dǎo)電介質(zhì)層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，步驟5中所述在n型Si層上制備第一 n電極，是將該n型Si層通過溝槽方式暴露出 來，并在其上制備第一 n電極；P電極和n電極采用叉指形結(jié)構(gòu)，P電極與n電極間隔放置， 如同兩只手的手指交替放置且互不接觸。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，步驟5中所述p電極和n電極，是采用金屬材料鋁A1、鉻Cr、金Au、鎢W或鈦Ti的電阻 熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)來制備的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，步驟5中所述溝槽的方式，是通過化學(xué)腐蝕或等離子刻蝕來實現(xiàn)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，其特征在 于，該方法制備的晶體硅光伏電池采用正反兩種放置的方式，當pn結(jié)在迎光面時，盡量減 小P電極和第一n電極面積，減小其占空比，以防止其對入射光的阻擋；而當pn結(jié)在背光面 時，盡量增大P電極和第一n電極面積，提高其占空比，以增強其對載流子的俘獲和輸出，同 時減小第二n電極面積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具備雜質(zhì)深能級的晶體硅光伏電池的制備方法，包括步驟1在弱n型Si襯底表面制絨，形成絨面；步驟2在該絨面上制備具有雜質(zhì)深能級的n型Si層；步驟3在具有雜質(zhì)深能級的n型Si層上覆蓋p型半導(dǎo)體薄膜，與n型Si層形成pn結(jié)；步驟4對形成pn結(jié)的摻雜Si片進行高溫退火處理，以激活雜質(zhì)；步驟5在p型半導(dǎo)體薄膜上制備p電極，在n型Si層上制備第一n電極，在弱n型Si襯底下表面制備第二n電極。利用本發(fā)明，以實現(xiàn)Si對紅外光的更多吸收；以實現(xiàn)對電池內(nèi)建電場的調(diào)節(jié)，使其覆蓋具有雜質(zhì)深能級的n型Si層，從而分離該區(qū)域的光生電子—空穴對；以實現(xiàn)在雜質(zhì)深能級上光生載流子的輸出問題。從而提高了電池整體的光伏效率。
文檔編號H01L31/18GK101872805SQ20101018344
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者韓培德 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所