專(zhuān)利名稱(chēng)：一種異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法，特指利用帶隙變化的納米硅和單 晶硅制備異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。屬于太陽(yáng)能電池器件制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
能源緊缺、環(huán)境破壞使得清潔能源的太陽(yáng)能電池在全球范圍內(nèi)受到極大的關(guān)注， 很多國(guó)家政府及民間組織投入了大量人力及財(cái)力開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)屬清潔能源的太陽(yáng)能電池。一 直以來(lái)，太陽(yáng)電池研究的兩個(gè)任務(wù)就是降低成本和提高轉(zhuǎn)化效率。降低成本的主要途徑是 電池薄膜化，以減少硅的使用，降低材料消耗，以及降低電池制造過(guò)程中的能源消耗。現(xiàn)在 圍繞著提高效率的研究正在深入進(jìn)行，提高效率的方法多種多樣，這些方法主要包括蒸鍍 良好的減反射膜以增大光透過(guò)率，促進(jìn)光的吸收；制作異質(zhì)結(jié)電池并且插入本征層來(lái)鈍化 異質(zhì)結(jié)的界面，來(lái)提高光生電流；利用氧化硅、氮化硅、氧化鋁鈍化電池表面，或者在電池背 表面增加一背場(chǎng)，以減少少子復(fù)合，進(jìn)而提高電池效率。所謂背場(chǎng)指的是可對(duì)光生少子產(chǎn)生 勢(shì)壘效果的區(qū)域，從而減少光生少子在背表面的復(fù)合。背場(chǎng)的一種實(shí)現(xiàn)方法是利用具有合 適功函數(shù)的金屬與襯底直接接觸，靠肖特基勢(shì)壘在半導(dǎo)體中所引起的能帶彎曲起到背場(chǎng)效 果。另外的方法是靠一層與吸收區(qū)摻雜類(lèi)型相同，但摻雜濃度更高的摻雜層來(lái)實(shí)現(xiàn)。硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池是單晶硅襯底上沉積硅基薄膜，包括非晶硅，微晶硅，納米 硅，其好處是可以避免單晶硅電池制造過(guò)程中的高溫?cái)U(kuò)散工藝，以此來(lái)降低能耗。以往報(bào) 道的硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池所用的薄膜硅都是單一帶隙的，本發(fā)明提出利用帶隙變化的納米 晶-非晶兩相硅薄膜來(lái)制造異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，通過(guò)帶隙的調(diào)整，可以進(jìn)一步提高電池的效 率。同時(shí)利用原子層沉積技術(shù)生長(zhǎng)氧化鋁薄膜作為P型單晶硅的鈍化層，也有利于太陽(yáng)電 池效率的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種變帶隙納米晶_非晶兩相硅薄膜/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電 池的設(shè)計(jì)及其制備方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為太陽(yáng)電池芯片選用P型Si片，電阻率在0. 05 3 Ω cm,厚度在180 220 μ m。1、干氧生長(zhǎng)一層氧化硅層，氧化時(shí)在硅片的正面和背面同時(shí)都會(huì)沉積一層氧化 層；2、制絨利用5%稀釋的HF溶液去除正表面氧化層，采用KOH或NaOH加醇的方 法腐蝕，利用單晶硅的各向異性腐蝕，在表面形成金字塔結(jié)構(gòu)，堿液的溫度80 90°C，濃度 1 2%，腐蝕時(shí)間15-20min ；3、利用5%稀釋的HF溶液去除背面氧化層4、利用離子束增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法在硅片正面(制過(guò)絨的一面)生長(zhǎng) 變帶隙的本征納米晶_非晶兩相硅薄膜；帶隙變化范圍1. 3 1. 8eV，厚度30 lOOnm。
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4、利用PECVD方法在本征硅基薄膜上生長(zhǎng)η型納米晶-非晶兩相硅薄膜，厚度5 20nm，方塊電阻1 IOkQ。5、利用PECVD方法在正面(長(zhǎng)有硅基薄膜的一面)生長(zhǎng)一層折射率為2. 0 2. 2， 厚60 80nm的SiNx減反膜；6、利用原子層沉積技術(shù)在硅片背面生長(zhǎng)一層5 20nm厚的氧化鋁(Al2O3)薄膜；7、上電極制作利用濺射方法在電池的正面沉積50 SOnm厚的ITO透明上電極， ITO膜的方塊電阻在10 50 Ω，透過(guò)率在85 92%左右；8、背面真空蒸鍍鋁。9、快速退火處理退火溫度400 500°C，氮?dú)夥毡Ｗo(hù)，退火時(shí)間10 30min。本發(fā)明的特點(diǎn)是利用納米晶-非晶兩相硅薄膜(包含帶隙逐漸變化的本征納米 晶_非晶兩相硅和重?fù)降摩切图{米晶-非晶兩相硅)和P型體硅制造硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。 納米晶_非晶兩相硅的帶隙高于體硅的帶隙(1. 12eV)，所以異質(zhì)結(jié)的開(kāi)路電壓得到提高， 另一方面，納米晶_非晶兩相硅的帶隙從1. 3eV變化到1. 8eV,由于帶隙是漸變的，ρ型體 硅和納米晶_非晶兩相硅之間的能帶緩慢變化，提高了短路電流和填充因子。硅基薄膜層 利用了較厚本征納米晶_非晶兩相硅和極薄的η型納米晶-非晶兩相硅的組合，進(jìn)一步降 低了電子-空穴在納米晶_非晶兩相硅層中的復(fù)合概率，從而提高短路電流。另外，在實(shí)驗(yàn) 方案中，利用Al2O3做鈍化層，除了可以降低界面態(tài)密度，另一方面最新的研究顯示在Al2O3/ Si界面處有一層固定的負(fù)電荷，可以提高載流子的收集效率，從而進(jìn)一步提高帶隙逐漸變 化的納米晶_非晶兩相硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的效率。


圖1異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式一 .納米晶-非晶兩相硅/單晶硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。二、太陽(yáng)電池的制備選用(100)重?fù)诫s的ρ型硅片，電阻率為0. 1 Ω cm，厚度200 μ m。1、干氧通氧氣，氣體流量lL/min，氧化溫度950°C，20分鐘，生長(zhǎng)一層50nm厚的氧化硅 層；2、制絨利用稀釋5%的HF溶液去除正表面氧化層，采用NaOH加C2H5OH的方法腐蝕，堿液 的溫度80°C，濃度1 2%，腐蝕時(shí)間IOmin。3、利用稀釋5%的HF溶液去除背面氧化層。4、利用PECVD在硅片正面(制過(guò)絨的一面)生長(zhǎng)50nm厚的本征納米晶-非晶兩 相硅生長(zhǎng)條件氫稀釋比為95%的硅烷，生長(zhǎng)溫度280°C。第一層硅烷流量lOsccm，氫流量200sccm，射頻功率180W，直流偏壓200V，生長(zhǎng)的 薄膜厚度10nm，帶隙1. 40eV ；
第二層硅烷流量lOsccm，氫流量150sccm，射頻功率160W，直流偏壓150V，生長(zhǎng)的 薄膜厚度10nm，帶隙1. 46eV ；第三層硅烷流量lOsccm，氫流量lOOsccm，射頻功率140W，直流偏壓100V，生長(zhǎng)的 薄膜厚度10nm，帶隙1. 55eV ；第四層硅烷流量lOsccm，氫流量60sCCm，射頻功率120W，生長(zhǎng)的薄膜厚度lOnm， 帶隙 1. 70eV ；第五層硅烷流量lOsccm，氫流量30sCCm，射頻功率120W，生長(zhǎng)的薄膜厚度lOnm， 帶隙 1. SOeV ；5、利用PECVD在本征硅基薄膜上生長(zhǎng)η型納米晶-非晶兩相硅生長(zhǎng)條件氫稀釋比為95%的硅烷，磷烷的的稀釋比[ΡΗ3]/[ΡΗ3+Η2]是0. 5%。生 長(zhǎng)溫度280°C，硅烷流量lOsccm，磷烷流量2sCCm，氫流量30sCCm，射頻功率120W。生長(zhǎng)的薄 膜厚度10nm，帶隙1.78eV。6、利用PECVD在正面硅基薄膜上生長(zhǎng)一層SOnm厚的SiNx層硅烷/氮?dú)饣旌蠚怏w (3讓4與隊(duì)的體積比例為2.5/97.5)，氨氣作為反應(yīng)氣體，硅烷和氨氣的流量比例是1 10， 工作壓強(qiáng)為150Pa，襯底溫度為250°C ；射頻功率180W。7、利用原子層沉積技術(shù)在單晶硅片背面生長(zhǎng)一層IOnm厚的Al2O3薄膜沉積條件 在反應(yīng)腔室先通水70ms，氮?dú)馇逑?00ms，通入三甲基鋁(TMA) 100ms，氮?dú)馇逑?00ms，重復(fù) 上述過(guò)程50次。反應(yīng)溫度200°C。8、利用濺射方法在正面(氮化硅表面)制備氧化銦錫(ITO)透明上電極系統(tǒng)的本 底真空3X10_4Pa，用ITO陶瓷靶作為濺射靶，工作氣體是高純氬氣，濺射功率為200W，沉積 時(shí)間lOmin，膜厚50nm。ITO膜的方塊電阻在30 Ω，透過(guò)率90% ；8、背面(沉積有氧化鋁的一面)真空蒸鍍鋁本底真空4Χ 10_4Pa，99. 999%的鋁絲作為蒸發(fā)源，蒸膜厚1 μ m的鋁膜。9、快速退火處理利用快速退火爐，在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在450°C下退火20min。實(shí)施效果最后進(jìn)行電池的性能測(cè)試，在AMI. 5，100mff/cm2標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)的照射下， 4. OcmX 4. Ocm單晶硅太陽(yáng)電池樣品的開(kāi)路電壓0. 71V，短路電流33. 5mA，填充因子0. 76，效 率為18. 1% ο
權(quán)利要求
一種異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于所述異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)從上至下依次為ITO上電極、SiNx減反膜、n型納米晶-非晶兩相硅薄膜、本征納米晶-非晶兩相硅薄膜、p型單晶硅、氧化鋁薄膜和Al電極；代替單一帶隙硅基薄膜的本征納米晶-非晶兩相硅薄膜的帶隙變化范圍為1.3～1.8eV；本征納米晶-非晶兩相硅薄膜、n型納米晶-非晶兩相硅薄膜與單晶硅形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)；本征納米晶-非晶兩相硅薄膜厚度30～100nm，n型納米晶-非晶兩相硅薄膜厚度5～20nm。
2.權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于所述的氧化鋁薄膜的厚度為5 20nm,并經(jīng)快速退火處理，能改善Al電極與P型單晶硅的電接觸。
3.權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于所述太陽(yáng)電池的芯片選用P型Si 片，電阻率在0. 05 3 Ω cm,厚度在180 220 μ m。
4.權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于所述SiNx減反膜的折射率為 2. 0 2. 2，厚度為60 80nm。
5.權(quán)利要求1所述的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，其特征在于所述ITO上電極的方塊電阻為 10 50 Ω，透過(guò)率為85 92 %，厚度為50 80nm。
6.權(quán)利要求1所述的的異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池的制備方法，包括干氧、制絨和除背面氧化層 三個(gè)步驟，其特征在于除背面氧化層后，利用PECVD在硅片制絨一面生長(zhǎng)變帶隙的本征納 米晶-非晶兩相硅薄膜；利用PECVD在本征納米晶-非晶兩相硅薄膜上生長(zhǎng)η型納米晶-非 晶兩相硅薄膜，再利用PECVD在η型納米晶-非晶兩相硅薄膜上生長(zhǎng)一層折射率為2. 0 2. 2，厚60 SOnm的SiNx減反膜；利用原子層沉積技術(shù)在硅片背面生長(zhǎng)一層5 20nm厚 的氧化鋁薄膜；利用濺射方法在電池的正面沉積50 SOnm厚的ITO透明上電極，ITO膜的 方塊電阻在10 50 Ω，透過(guò)率在85 92%左右；氧化鋁薄膜上真空蒸鍍鋁，最后快速退火 處理退火溫度400 500°C，氮?dú)夥毡Ｗo(hù)，退火時(shí)間10 30min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池及其制備方法，特指利用帶隙變化的納米晶-非晶兩相薄膜材料和單晶硅制備異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。屬于太陽(yáng)能電池器件制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的特點(diǎn)是利用納米晶-非晶兩相硅薄膜和P型體硅制造硅基異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池。納米晶-非晶兩相硅的帶隙高于體硅的帶隙(1.12eV)，所以異質(zhì)結(jié)的開(kāi)路電壓得到提高，另一方面，納米晶-非晶兩相硅的帶隙從1.3eV變化到1.8eV，由于帶隙是漸變的，p型體硅和納米晶-非晶兩相硅之間的能帶緩慢變化，提高了短路電流和填充因子。硅基薄膜層利用了較厚本征納米晶-非晶兩相硅和極薄的n型納米晶-非晶兩相硅的組合，進(jìn)一步降低了電子-空穴在納米晶-非晶兩相硅層中的復(fù)合概率，從而提高短路電流。
文檔編號(hào)H01L31/20GK101882642SQ20101021323
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者丁建寧, 袁寧一 申請(qǐng)人:常州大學(xué)