專利名稱：基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于氫化微晶硅薄 膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法。
背景技術(shù)：
二十一世紀(jì)，能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為全球關(guān)注的問題。開發(fā)綠色能源成為 解決能源危機(jī)的主要方法。其中太陽電池的發(fā)展隨著全球?qū)τ谛履茉撮_發(fā)的重視而有長足 的進(jìn)步，無論是晶體硅電池還是薄膜電池，降低成本、提高效率是其發(fā)展的主流方向。晶體 硅電池的成本受到硅材料的限制，成本降低的空間有限；薄膜電池由于轉(zhuǎn)換效率低并且易 受到S-W效應(yīng)的影響導(dǎo)致其穩(wěn)定性較差。為了在獲得高效率的同時(shí)能夠降低成本，結(jié)合晶 體硅高穩(wěn)定性、高效率與非晶硅的低成本于一體的異質(zhì)結(jié)電池成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，1994年日本Sanyo集團(tuán)開發(fā)出一種新型的電池結(jié) 構(gòu)，即在晶體硅與高摻雜的非晶硅層中加入一層本征非晶硅層，形成HIT(Heterojunction with intrinsic thin layer)結(jié)構(gòu)。由于本征非晶硅中含有一定量的H，沉積到晶體硅表 面時(shí)對晶體硅表面起到一定的鈍化作用，同時(shí)在晶體硅與高摻雜的非晶硅之間起到緩沖層 的作用，有效提高了電池的效率并且制作過程中溫度低。進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，Sanyo集團(tuán)研發(fā)的以N型晶體硅為襯底的HIT電池實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)獲 得23%的轉(zhuǎn)換效率，并且產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)了一定量的HIT電池組件，效率也高達(dá)19%。由于界 面特性是影響異質(zhì)結(jié)電池性能的關(guān)鍵因素，除了 Sanyo集團(tuán)，其它研究單位均未能達(dá)到如 此高的轉(zhuǎn)換效率，即使是在軟件模擬上也還是與Sanyo集團(tuán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定距離。Sanyo 集團(tuán)是以N型晶體硅作襯底獲得很高的效率，然而由于制作高質(zhì)量的P型非晶硅薄膜難度 較大，且以N型晶體硅作襯底時(shí)，背面場不可以使用Al背場，因此考慮到工藝和成本上的因 素，目前很多研究單位還是將研究重點(diǎn)放在以P型晶體硅為襯底的異質(zhì)結(jié)電池上。非晶硅/ 晶體硅異質(zhì)結(jié)電池由于電池發(fā)射區(qū)小于200°C的低沉積溫度，高開路電壓以及低溫度系數(shù) (<-0. 25%)使得該結(jié)構(gòu)電池成為最近幾年研究的熱點(diǎn)。目前晶體硅常用的鈍化薄膜是Si02、SiNx, a-SiC等薄膜，這些薄膜中高密度的正 電荷對高摻雜P-type晶體硅的表面鈍化來說是不利的。這是因?yàn)楦呙芏日姾蓵痣?子的聚集，從而導(dǎo)致表面復(fù)合速率的增強(qiáng)。而對于輕摻雜P-type c-Si來說，這些富含正電 荷的介質(zhì)在P-type晶體硅表面的鈍化對載流子注入水平有著明顯的依賴，且隨著載流子 注入水平的降低其鈍化質(zhì)量也隨之降低，而這對于在低注入水平條件下5 · IO14Cm-3, AMI. 5 工作的電池來說是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異 質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法，結(jié)合了晶體硅與氫化硅基薄膜低溫工藝和物性可調(diào)控的特點(diǎn)， 可實(shí)現(xiàn)P型硅片表面的有效鈍化和PN結(jié)制成，在硅片背表面采用原子層沉積(和等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積)制備Al2O3或Al203/Si0x鈍化膜，由于Al2O3薄膜中負(fù)電荷的密度高 達(dá)IO11cnT2，該鈍化膜能降低光生少數(shù)載流子在背表面復(fù)合的幾率，提高電池的長波光量子 效率，為光生載流子的輸運(yùn)和收集創(chuàng)造條件，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步、采用堿溶液和酸溶液分別對P型單晶硅和多晶硅片進(jìn)行表面預(yù)清洗織構(gòu) 處理，得到位于單晶硅表面的金字塔結(jié)構(gòu)以及位于多晶硅表面的腐蝕坑。所述的堿溶液為NaOH或KOH或其組合；所述的酸溶液為HN03、HF或HCl或其組合。所述的硅片的厚度為200 μ m，該硅片的面積為125 X 125mm2，其電阻率為1Ω .Cm0所述的表面預(yù)清洗織構(gòu)處理是指用1-5%的酸溶液去除硅片表面的SiO2層，對P 型單晶硅片在濃度小于5%的堿溶液在50-100°C左右制備金字塔形狀絨面，然后采用去離 子水超聲清洗并吹干。第二步、用熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)在硅片表面制備氫化微晶硅薄膜并形成PN結(jié)， 具體是指采用熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備，以硅烷、磷烷和氫氣為反應(yīng)氣體，在制絨后的P型 單晶硅片上依次沉積得到本征微晶硅薄膜和摻雜微晶硅薄膜，用以形成PN結(jié)。第三步、采用原子層沉積和等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備背表面的Al2O3 薄膜或Al203/Si0x雙層鈍化膜，形成電池的背表面場，降低少數(shù)載流子的復(fù)合，提高電池開 路電壓。第四步、采用濺射方法在氫化微晶硅薄膜表面沉積透明導(dǎo)電氧化物薄膜，作為表 面電極；所述的濺射方法，是指以ITO作為濺射靶材，在室溫條件下通入體積比為 1/0. 2-1/1的氬氣和氧氣，設(shè)定濺射功率為20-200瓦，本底真空約1 X 10_3pa，通過濺射靶材 將原子沉積到硅片的發(fā)射區(qū)上，制備得到的透明導(dǎo)電氧化物薄膜的厚度為50-100nm。第五步、采用絲網(wǎng)印刷背面電極、絲網(wǎng)印刷正面電極，經(jīng)過合金化過程后，形成太 陽電池。所述的絲網(wǎng)印刷背面Al漿和背電極為采用絲網(wǎng)印刷工藝印刷背表面場和背電 極。所述的絲網(wǎng)印刷正面電極為采用絲網(wǎng)印刷工藝印刷銀漿形成正電極。所述的合金化過程為在100-800°C內(nèi)進(jìn)行金屬電極和硅的合金化過程，目的是 形成歐姆接觸，最終完成太陽電池制備。本發(fā)明涉及上述方法制備得到的基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池， 包括正面電極、ITO透明導(dǎo)電膜、N-type氫化微晶硅層、氫化本征微晶硅層、P型晶體硅、背 面鋁膜層、背表面場和背面電極，其中本征氫化微晶硅層位于P-type硅襯底的正面(即受 光面)，ITO透明導(dǎo)電膜和N-type氫化微晶硅層依次位于氫化本征微晶硅層外側(cè)，背面鋁膜 層和背表面場依次位于P-type硅襯底的背面(即背光面)，正面電極和背面電極分別位于 ITO透明導(dǎo)電膜和背表面場外側(cè)。本發(fā)明由于有物性可調(diào)控的氫化微晶硅薄膜材料作為電池的發(fā)射區(qū)，決定了太陽 電池會有高的開路電壓，電池背表面有優(yōu)質(zhì)的Al2O3薄膜或Al203/Si0x雙層鈍化膜，決定了 電池在長波光范圍有更強(qiáng)的光譜響應(yīng)，意味著同樣光輻照強(qiáng)度下，該結(jié)構(gòu)電池輸出功率將更大。此外，所用的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)設(shè)備成本低，工藝簡單且成膜溫度低，能耗小，工藝窗 口大，氫化微晶硅薄膜的帶隙和晶化度可調(diào)控，光學(xué)禁帶寬度在1.5-2. 3eV范圍，與常規(guī)絲 網(wǎng)印刷工藝結(jié)合的鋁背場，能夠提升電池的熱穩(wěn)定性。本發(fā)明的太陽電池結(jié)構(gòu)為透明導(dǎo)電氧化物薄膜/N型氫化微晶硅/本征氫化微晶 硅/P型晶體硅/Al2O3薄膜或Al203/Si0x雙層鈍化膜，該結(jié)構(gòu)電池工藝制程基本在低溫條件 下完成，有利于產(chǎn)業(yè)化，所增加的成本很低，但電池的輸出性能會有很大提升，同時(shí)本發(fā)明 受到上海市科委-應(yīng)用材料國際科技合作基金課題(No. 08520741400)的資助。


圖1為本發(fā)明流程示意圖。圖2為本發(fā)明太陽電池結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例采用半導(dǎo)體清洗工藝對P型單晶硅片表面預(yù)清洗和表面織 構(gòu)。所用硅片厚度約200 μ m，面積125X 125mm2準(zhǔn)方片，電阻率1 Ω ^m,用約1-5%的氫氟 酸去除硅片表面的SiO2層。接下來對P型單晶硅片在濃度小于3%的NaOH和異丙醇(IPA) 的混合溶液中在80°C左右制備金字塔形狀絨面。然后采用去離子水超聲清洗，并用氮?dú)獯?干。用熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)在P型單晶硅絨面上依次制備本征的氫化微晶硅薄膜 和摻雜的氫化微晶硅薄膜，薄膜厚度在5-50nm之間，摻雜微晶硅薄膜與晶體硅片之間形成
PN結(jié)。采用原子層沉積和等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備背表面的Al2O3薄膜， 厚度約lOOnm，形成電池的背面鈍化層和背場。濺射靶材采用ITO材料，在室溫條件下通入氬氣和氧氣，氬氣和氧氣的比例約為 1/0. 2-1/1，濺射功率約為20-200瓦，本底真空約1 X 10_3pa，通過濺射靶材將原子沉積到硅 片的發(fā)射區(qū)上，透明導(dǎo)電氧化物薄膜的厚度約為80nm作為表面電極；采用絲網(wǎng)印刷背面電極、絲網(wǎng)印刷正面電極，經(jīng)過合金化過程后，形成太陽電池。本實(shí)施例對氫化微晶硅薄膜鈍化晶體硅表面懸掛鍵和缺陷，采用熱絲化學(xué)汽相沉 積(HWCVD)系統(tǒng)在< 250°C低溫條件下制備硅薄膜，通過控制工藝條件(溫度，氣壓，時(shí)間， 功率等)，獲得氫化微晶硅(μ c-Si: H)薄膜材料，依據(jù)氫氣在原料氣體(硅烷，氫氣等)中 的比例不同，氫化微晶硅薄膜的晶粒尺寸為20-100nm，晶態(tài)比為5_50%，薄膜的生長速率 為1-8A/S,光學(xué)禁帶寬度為1. 5-2. 3eV，沉積該混合相薄膜后硅片少子壽命能提高約90%。 這種混合相薄膜制備設(shè)備不昂貴，薄膜沉積速率高，無等離子對硅表面的轟擊損傷，薄膜晶 態(tài)比可調(diào)控范圍大，材料禁帶寬度大，薄膜中氫含量可調(diào)控，因薄膜中不含有大量固定正電 荷，所以非常適合對P型硅表面進(jìn)行鈍化以及N型摻雜的微晶硅薄膜結(jié)合后能形成優(yōu)質(zhì)的 PN結(jié)。
如圖1所示，本實(shí)施例涉及的微晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池結(jié)構(gòu)，即氫化微晶硅 /晶體硅/Al2O3薄膜/鋁背場，采用熱絲化學(xué)氣相沉積(HWCVD)方法制備氫化微晶硅薄膜， 作為太陽電池前表面的發(fā)射區(qū)和緩沖層，從而形成PN異質(zhì)結(jié)，在P型晶體硅背表面采用ALD 方法沉積Al2O3薄膜，作為P型硅的表面鈍化膜，之后通過絲網(wǎng)印刷工藝制作鋁背場，電池的 前電極和背電極采用常規(guī)絲網(wǎng)印刷工藝形成合金。這種結(jié)構(gòu)電池能有效降低光生少數(shù)載流 子在背表面的復(fù)合，并有助于提高太陽電池的開路電壓和短路電流，最終增強(qiáng)太陽電池的 光電轉(zhuǎn)換效率。本實(shí)施例制備高效率微晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池。采用摻雜的氫化微晶硅 薄膜作為發(fā)射區(qū)與晶體硅基底形成PN結(jié)，并將本征氫化微晶硅薄膜應(yīng)用到該P(yáng)N之間來鈍 化晶體硅表面的懸掛鍵和缺陷態(tài)，有利于電池開路電壓的提升。本實(shí)施例采用A1203薄膜 作為背表面鈍化層能有效降低少數(shù)載流子在背面復(fù)合，提高電池的長波光譜響應(yīng)和開路電 壓。電極的制備和背場的形成是低成本的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，這種鈍化技術(shù)對越來越薄的晶體 硅太陽電池非常重要，其工藝流程如圖1所示，能明顯改善電池在長波光部分的光譜響應(yīng) 和開路電壓，從而提高電池的轉(zhuǎn)換效率。首先用化學(xué)試劑(酸溶液，堿溶液)去除硅片表面的損傷層，并對表面進(jìn)行織構(gòu)化 處理，目的是增強(qiáng)硅片表面的光捕獲能力。其次是采用HWCVD系統(tǒng)制備氫化微晶硅薄膜發(fā) 射區(qū)，與晶體硅形成PN結(jié)，通過ALD系統(tǒng)用Al (CH3)和氧氣作為反應(yīng)氣源在低于500°C的溫 度下將Al(CH3)分解，并與氧結(jié)合，從而獲得對P型硅表面有鈍化作用的薄膜。接下來的工 藝步驟是常規(guī)的絲網(wǎng)印刷電極和合金化，最終形成氫化微晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池。如圖2所示，本實(shí)施例制備得到的太陽電池包括正面電極1、ITO透明導(dǎo)電膜2、 N-type氫化微晶硅層3、本征氫化微晶硅層4、背面鋁膜層5、背面電極6、背表面場7和 P-type硅襯底8，其中氫化本征微晶硅層4和背面鋁膜層5分別位于P_type硅襯底8的 正面和背面，ITO透明導(dǎo)電膜2和N-type氫化微晶硅層3依次位于氫化本征微晶硅層4外 側(cè)，背表面場7位于背面鋁膜層5外側(cè)，正面電極1和背面電極6分別位于ITO透明導(dǎo)電膜 2和背表面場7上。本實(shí)施例可以采用P型CZ單晶硅片來制備太陽電池，在沒有背表面Al2O3鈍化膜 和非晶硅薄膜做發(fā)射區(qū)的條件下，實(shí)驗(yàn)室能獲得的太陽電池最高效率為18.4%。采用本發(fā) 明專利的制備方法，通過建立模型和計(jì)算機(jī)模擬，發(fā)現(xiàn)電池的開路電壓可達(dá)到680mV，光電 轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到22. 7%，結(jié)果如表1所示。表lN-type氫化微晶硅/P_type晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
一種基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、采用堿溶液和酸溶液分別對P型單晶硅和多晶硅片進(jìn)行表面預(yù)清洗織構(gòu)處理，得到位于單晶硅表面的金字塔結(jié)構(gòu)以及位于多晶硅表面的腐蝕坑；第二步、用熱絲化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)在硅片表面制備氫化微晶硅薄膜并形成PN結(jié)，具體是指采用熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備，以硅烷、磷烷和氫氣為反應(yīng)氣體，在制絨后的p型單晶硅片上依次沉積得到本征微晶硅薄膜和摻雜微晶硅薄膜，用以形成PN結(jié)；第三步、采用原子層沉積和等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備背表面的Al2O3薄膜或Al2O3/SiOx雙層鈍化膜，形成電池的背表面場，降低少數(shù)載流子的復(fù)合，提高電池開路電壓；第四步、采用濺射方法在氫化微晶硅薄膜表面沉積透明導(dǎo)電氧化物薄膜，作為表面電極；第五步、采用絲網(wǎng)印刷背面電極、絲網(wǎng)印刷正面電極，經(jīng)過合金化過程后，形成太陽電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法， 其特征是，所述的堿溶液為NaOH或KOH或其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法， 其特征是，所述的酸溶液為HN03、HF或HCl或其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方 法，其特征是，所述的硅片的厚度為200μπι，該硅片的面積為125Χ 125mm2，其電阻率為 1 Ω · cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法， 其特征是，所述的表面預(yù)清洗織構(gòu)處理是指用1-5%的酸溶液去除硅片表面的SiO2層，對 P型單晶硅片在濃度小于5%的堿溶液在50-100°C左右制備金字塔形狀絨面，然后采用去 離子水超聲清洗并吹干。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方 法，其特征是，所述的濺射方法，是指以ITO作為濺射靶材，在室溫條件下通入體積比為 1/0. 2-1/1的氬氣和氧氣，設(shè)定濺射功率為20-200瓦，本底真空約1 X 10_3pa，通過濺射靶材 將原子沉積到硅片的發(fā)射區(qū)上，制備得到的透明導(dǎo)電氧化物薄膜的厚度為50-100nm。
全文摘要
一種太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的基于氫化微晶硅薄膜的晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的制備方法，結(jié)合了晶體硅與氫化硅基薄膜低溫工藝和物性可調(diào)控的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)P型硅片表面的有效鈍化和PN結(jié)制成，在硅片背表面采用原子層沉積(和等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積)制備Al2O3或Al2O3/SiOx鈍化膜，由于Al2O3薄膜中負(fù)電荷的密度高達(dá)1011cm-2，該鈍化膜能降低光生少數(shù)載流子在背表面復(fù)合的幾率，提高電池的長波光量子效率，為光生載流子的輸運(yùn)和收集創(chuàng)造條件，從而提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/18GK101976710SQ20101051010
公開日2011年2月16日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者司新文, 孟凡英, 張松, 李翔, 汪建強(qiáng), 程雪梅, 韓濤, 黃建華 申請人:上海交通大學(xué)