專利名稱：一種硅基異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏發(fā)電領(lǐng)域的雙面異質(zhì)結(jié)電池，特別是一種非晶硅鍺/微晶硅鍺/晶體硅異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
薄膜硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池是一種綜合了第一代晶體硅電池與第二代薄膜電池的各自優(yōu)點的一種光伏太陽能電池，它主要靠晶體硅作為吸收層，薄膜層只是為了形成異質(zhì)PN結(jié)以收集光生載流子，因而薄膜層的厚度不高，使該種電池的光照穩(wěn)定性高；同時電池制備過程主要就是薄膜的沉積過程，制程工藝溫度低，約18(T220°C，避免了晶體硅電池的高溫過程，從而有利于控制工藝的成本；此外，由于結(jié)合兩代電池的各自優(yōu)勢，從而光伏效率介于兩代電池之間，且更接近于第一代晶體硅電池，最高效率已經(jīng)達(dá)到了 21%左右，為日本三洋公司生產(chǎn)的“HIT”電池所保持。這種電池產(chǎn)品，包括國際上眾多的研究機(jī) 構(gòu)所進(jìn)行的設(shè)計，是用非晶硅薄膜作為電池的發(fā)射極以形成異質(zhì)PN結(jié)，收集光生載流子而產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，但是這種設(shè)計的缺點在于，發(fā)射極非晶硅與基極晶體硅之間能帶失配較大，產(chǎn)生的能隙勢壘對于光生少數(shù)載流子的收集起到阻礙的作用，不利于收集，從而影響了其光伏性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非晶硅鍺/微晶硅鍺/晶體硅異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池，實現(xiàn)薄膜發(fā)射極與晶體硅基極之間的能帶失配減小，對載流子的收集阻礙作用減弱，從而有利于改善電池的光伏性能。本發(fā)明同時提供一種非晶硅鍺/微晶硅鍺/晶體硅異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池的制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的，一種非晶硅鍺/微晶硅鍺/晶體硅異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池，構(gòu)成異質(zhì)PN結(jié)的材料為P型非晶硅鍺薄膜和N型單晶硅，按由上到下的疊層順序，依次為正電極鈦、鈀、銀復(fù)合柵極，透明導(dǎo)電膜AZO，P型摻雜的非晶硅鍺薄膜P-a-SiGe，本征微晶硅鍺薄膜I-mc-SiGe，N型雙面拋光單晶硅片N_c_Si，本征非晶硅薄膜l-a-Si，N+重?fù)诫s的非晶硅薄膜N+-a-Si，背面透明導(dǎo)電膜ΑΖ0，鋁背電極，其中P型摻雜的非晶硅鍺薄膜P-a-SiGe、本征微晶硅鍺薄膜I-mc-SiGe和N型雙面拋光單晶硅片N-c-Si形成太陽能電池器件的正面異質(zhì)PN結(jié)，N型雙面拋光單晶硅片N-c-Si、本征非晶硅薄膜I-a-Si和N+重?fù)诫s的非晶硅薄膜N+-a_Si形成太陽能電池器件的背表面電場層，形成 P (a-SiGe) -I (mc-SiGe) -N(c_Si) -I (a_Si) -N+ (a_Si)結(jié)構(gòu)，其中 a-SiGe 代表非晶硅鍺，mc-SiGe代表微晶硅鍺，C-Si代表單晶硅，a_Si代表非晶硅；其中所述鈦、鈀、銀復(fù)合柵極厚度為O. 012 O. 015mm，柵線寬度為O. 02(T0. 025mm，柵線之間的間距為4 5mm，所述透明導(dǎo)電膜AZO的厚度為125 150nm，所述P型摻雜的非晶硅鍺薄膜厚度為16 20nm，所述本征微晶硅鍺薄膜厚度為l(Tl2nm，所述N型雙面拋光單晶硅片厚度為O. 20(T0. 220mm,電導(dǎo)率為f2S/cm，所述本征非晶硅薄膜厚度為5lnm，所述N+重?fù)诫s的非晶硅薄膜厚度為2(T25nm，所述背面透明導(dǎo)電膜AZO厚度為125 150nm，所述鋁背電極，厚度為O. 015 O. 025mm。構(gòu)成異質(zhì)PN結(jié)的發(fā)射極為P型摻雜的非晶硅鍺薄膜P-a-SiGe，其能帶寬度為
I.3 I. 4eV0采用本征微晶硅鍺薄膜I-mc-SiGe作為異質(zhì)結(jié)界面緩沖層來鈍化異質(zhì)結(jié)界面，減小界面缺陷態(tài)，所述本征微晶硅鍺薄膜(2)的能帶寬度為I. Γ1. 2eV。所述N+重?fù)诫s的非晶硅薄膜N+-a_Si的能帶寬度為I. 8^1. 9eV。非晶硅鍺/微晶硅鍺/晶體硅異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池的制備方法，該方法的工藝路線如下 (O正面異質(zhì)PN結(jié)的制備
Ca)以硅烷SiH4、氫氣H2、鍺烷GeH4為反應(yīng)氣體，采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝RF-PECVD，在N型雙面拋光單晶硅片的一面首先沉積制備一層厚度為l(Tl2nm的本征微晶娃鍺薄膜I-mc-SiGe ；
(b)以硅烷SiH4、氫氣H2、鍺烷GeH4、三甲基硼烷TMB為反應(yīng)氣體，采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝RF-PECVD，在上述本征非晶硅鍺薄膜上，再沉積制備一層厚度為16 20nm的P型摻雜的非晶硅鍺薄膜P-SiGe,即形成異質(zhì)結(jié)P (a-SiGe) -I (mc-SiGe) -N(c-Si)；
(2)反面背表面電場層N-I-N+的制備
Ca)以硅烷SiH4、氫氣H2為反應(yīng)氣體，采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝RF-PECVD，在N型雙面拋光單晶硅片的另一面首先沉積一層厚度為5 8nm的本征非晶硅薄膜 I-a-Si ；
(b)以硅烷SiH4、氫氣H2、磷烷PH3、甲烷CH4為反應(yīng)氣體，采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝RF-PECVD，在上述本征非晶硅薄膜4上再沉積制備一層厚度為2(T25nm的N+型重?fù)诫s的非晶硅薄膜N+-a_Si，形成背表面電場N (c-Si)-I (a-Si)-N+ (a_Si);
(3)透明導(dǎo)電膜AZO的制備
采用磁控濺射工藝，在上述異質(zhì)結(jié)表面、背表面電場層表面分別鍍透明導(dǎo)電膜和背面透明導(dǎo)電膜，其厚度為125 150nm，透過率為88% 90%，方塊電阻為60 80歐姆每方塊；
(4)鈦、鈀、銀復(fù)合柵極的制備
反應(yīng)蒸發(fā)工藝，制備鈦、鈀、銀復(fù)合柵極9，厚度為O. 012、. 015mm，柵線寬度為
0.02(T0. 025mm，柵線之間的間距為4 5mm ；
(5)上述制備好的雙面異質(zhì)結(jié)電池器件進(jìn)行邊緣切割處理，以消除邊緣短路的影響。本發(fā)明的有益效果
I、相比于常規(guī)硅異質(zhì)結(jié)電池中使用較多的非晶硅薄膜為發(fā)射極，本發(fā)明使用摻鍺的非晶硅薄膜來代替，同時以微晶硅鍺薄膜代替非晶硅薄膜作為界面的緩沖層鈍化異質(zhì)結(jié)界面，即以微晶硅鍺合金+非晶硅鍺合金作異質(zhì)結(jié)電池的界面緩沖層和發(fā)射極，由于非晶硅鍺薄膜能帶寬度為I. 3^1. 4eV,微晶硅鍺薄膜能帶寬度為I. Γ1. 2eV，與晶體硅能帶寬度
1.12 eV較為接近，從圖2發(fā)射極為非晶硅與非晶硅鍺、界面緩沖層為非晶硅與微晶硅鍺兩種不同薄膜層時的能帶圖比較可以看出，由于微晶硅鍺的相對較低的能帶寬度，與單晶硅非常接近，使得薄膜與晶體界面處的價帶帶階DEvi比DEv2要小，也即對光生少數(shù)載流子空穴的阻礙作用減弱，更有利于光生空穴越過勢壘到達(dá)發(fā)射極被收集，有利于電池電流的提高。(2)本發(fā)明中的背表面場制備工藝相比于傳統(tǒng)的高溫?zé)Y(jié)工藝，溫度僅為200°C左右，即通過低溫的薄膜沉積代替高溫擴(kuò)散過程，這對于產(chǎn)業(yè)化的成本控制有積極的作用。(3)本發(fā)明中，正面電極采用的是鈦、鈀、銀復(fù)合電極，這相比于單一的銀電極而H，更有利于和P型慘雜的非晶娃錯之間形成良好的歐姆接觸，減小電池的串聯(lián)電阻，提聞電池轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明提出一種新的異質(zhì)PN結(jié)結(jié)構(gòu)非晶硅鍺+微晶硅鍺/晶體硅。通過非晶硅鍺合金和微晶硅鍺合金，代替非晶硅薄膜，借助微晶硅鍺合金作為界面緩沖層，來達(dá)到窄能隙寬度的目的，并替代傳統(tǒng)的非晶硅，實現(xiàn)薄膜發(fā)射極與晶體硅基極之間的能帶失配減小，對載流子的收集阻礙作用減弱，從而有利于改善電池的光伏性能。采用本發(fā)明工藝在面積為lcm2(邊長為Icm的正方形)的雙面拋光FZ型單晶硅片上，制備了光電轉(zhuǎn)換效率為14. 62%的異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池，本發(fā)明提出的方法均為低溫過程，成本低，操作方便，工藝路線簡單可行。


圖I為本發(fā)明非晶硅鍺/微晶硅鍺/晶體硅異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池的結(jié)構(gòu)簡圖； 圖2為非晶硅鍺/微晶硅鍺/晶體硅與非晶硅/晶體硅電池異質(zhì)PN結(jié)能帶圖比較； 圖3為面積為lcm2 (邊長為Icm的正方形)的非晶娃錯/微晶娃錯/晶體娃異質(zhì)結(jié)雙
面太陽能電池J-V曲線。
具體實施例方式(I)采用硅片標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟，即RCA清洗過程，對FZ法制作的N型雙面拋光單晶硅片I進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗，實驗中，選取N型雙面拋光單晶硅片I的厚度為O. 220mm,電導(dǎo)率為l 2S/cm,面積為4cm2 (邊長為2cm的正方形)；
(2)將清洗好的N型雙面拋光單晶硅片I浸入濃度為2%的氫氟酸水溶液中，保持10秒鐘，以確保單晶硅表面的二氧化硅氧化膜被去除，同時也不會造成氫氟酸對硅表面的過度刻蝕。然后迅速將處理好的N型雙面拋光單晶硅片I放入真空腔體中，抽高真空，將襯底溫度設(shè)定在180°C ；
(3)當(dāng)真空度達(dá)到2.0e-4Pa時，開始正面工藝。先用純氫氣氣氛的等離子體轟擊處理N型雙面拋光單晶硅片I的正面，以去除表面懸掛鍵、降低表面缺陷態(tài)。然后，以氫氣、硅烷、鍺烷為反應(yīng)氣體，利用RF-PECVD技術(shù)在N型雙面拋光單晶硅片I的正面沉積制備一層本征微晶硅鍺薄膜2，厚度為12nm，電導(dǎo)率為5' 10_5S/cm ;然后再以氫氣、硅烷、鍺烷、三甲基硼烷為反應(yīng)氣體，在上述本征微晶硅鍺薄膜2之上，再沉積一層P型摻雜的非晶硅鍺薄膜3，厚度為18 nm,電導(dǎo)率為3. 3' 10_4S/cm，能帶寬度控制為I. 35eV ;至此，完成正面異質(zhì)P-I-N結(jié)的制備；
(4)將上述完成正面異質(zhì)P-I-N結(jié)的制備的電池樣品從真空中取出，并迅速將其反面變?yōu)槌练e面，以繼續(xù)電池背表面場層的制備。此過程要迅速，以盡量減小大氣對單晶硅反面的氧化作用，應(yīng)控制在I分鐘以內(nèi)為最佳。然后迅速抽高真空，以進(jìn)行電池器件的背面工藝；(5)度達(dá)到2.0e-4Pa時，開始背面工藝，先用純氫氣氣氛的等離子體轟擊處理單晶硅的表面(此時為硅片的背面)，以去除表面氧化物、懸掛鍵、降低表面缺陷態(tài)。然后，以氫氣、娃燒為反應(yīng)氣體，利用RF-PECVD技術(shù)在單晶娃表面(此時為娃片的背面)沉積制備一層本征非晶娃薄膜4,厚度為6nm,電導(dǎo)率為l(T6S/cm ;然后再以氫氣、娃燒、磷燒、甲燒為反應(yīng)氣體，在上述本征非晶硅薄膜4之上，再沉積一層N+重?fù)诫s的非晶硅薄膜5，厚度為20 nm,電導(dǎo)率為10_2S/cm，能帶寬度控制為I. 85eV ;至此，完成了反面電池背表面電場層的制備；
(6)完成好電池正、反面工藝的樣品上，采用磁控濺射工藝，在電池正、反面分別鍍透明導(dǎo)電膜AZO，其中正面透明導(dǎo)電膜6的厚度為130 nm，方塊電阻為60歐姆每方塊，透過率為90% ;背面透明導(dǎo)電膜7的厚度為140 nm，方塊電阻為50歐姆每方塊，透過率為80% ;接著在背面的透明導(dǎo)電膜7之上再用磁控濺射工藝鍍上一層鋁背電極8，厚度為O. 020mm ；
(7)反應(yīng)蒸發(fā)工藝，制備鈦、鈀、銀復(fù)合柵極9，厚度為O.013mm，柵線間距為4mm。(8)上述制備好的雙面異質(zhì)結(jié)電池器件進(jìn)行邊緣切割處理，以消除邊緣短路的影響，切割成的電池器件面積為Γ I Cm2；
(9)工藝制備得到的非晶硅鍺/晶體硅異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池的光伏J-V曲線如圖3所示，其中短路電流密度Jsc=38. 32mA/cm2 ;開路電壓VQC=568. 5mV ;填充因子FF=O. 671 ;電池轉(zhuǎn)換效率Eff i=14. 62%。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明 技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅基異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池，其特征在于，按由上到下的疊層順序，依次為正電極鈦、鈀、銀復(fù)合柵極(9)，透明導(dǎo)電膜AZO (6)，P型摻雜的非晶硅鍺薄膜(3)，本征微晶硅鍺薄膜(2)，N型雙面拋光單晶硅片(I )，本征非晶硅薄膜(4)，N+重?fù)诫s的非晶硅薄膜(5)，背面透明導(dǎo)電膜AZO (7)，鋁背電極(8); 其中，P型摻雜的非晶硅鍺薄膜(3)、本征微晶硅鍺薄膜(2)和N型雙面拋光單晶硅片(I)形成太陽能電池器件的正面異質(zhì)PN結(jié)，N型雙面拋光單晶硅片(I)、本征非晶硅薄膜(4)和N+重?fù)诫s的非晶硅薄膜(5)形成太陽能電池器件的背表面電場層； 所述鈦、鈀、銀復(fù)合柵極(9)的厚度為0.012、. 015mm，柵線寬度為0. 02(T0. 025mm，柵線之間的間距為r5mm，所述透明導(dǎo)電膜AZO (6)的厚度為125 150nm，所述P型摻雜的非晶硅鍺薄膜(3)的厚度為16 20nm，所述本征微晶硅鍺薄膜(2)的厚度為l(Tl2nm，所述N型雙面拋光單晶硅片(I)厚度為0. 20(T0. 220mm,電導(dǎo)率為f 2S/cm，所述本征非晶硅薄膜(4) 厚度為5lnm，所述N+重?fù)诫s的非晶硅薄膜(5)厚度為2(T25nm，所述背面透明導(dǎo)電膜AZO(7)厚度為125 150nm，所述鋁背電極(8)厚度為0. 015 0. 025mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種硅基異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池，其特征在于，構(gòu)成異質(zhì)PN結(jié)的發(fā)射極為P型摻雜的非晶硅鍺薄膜(3)，其能帶寬度為I. 3^1. 4eV。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種硅基異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池，其特征在于，采用本征微晶硅鍺薄膜(2)作為異質(zhì)結(jié)界面緩沖層來鈍化異質(zhì)結(jié)界面，減小界面缺陷態(tài)，所述本征微晶硅鍺薄膜(2)的能帶寬度為I. ri. 2eV。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種硅基異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池，其特征在于，所述N+重?fù)诫s的非晶硅薄膜(5)的能帶寬度為I. 8^1. 9eV。
5.一種硅基異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池的制備方法，其特征在于，該方法的工藝路線如下 (1)正面異質(zhì)PN結(jié)的制備 (a)以硅烷SiH4、氫(H2、鍺烷GeH4為反應(yīng)氣體，采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝RF-PECVD，在N型雙面拋光單晶硅片(I)的一面首先沉積制備一層厚度為l(Tl2nm的本征微晶娃鍺薄膜(2) (I-mc-SiGe)； (b)以硅烷SiH4、氫氣H2、鍺烷GeH4、三甲基硼烷TMB為反應(yīng)氣體，采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝RF-PECVD，在上述本征微晶硅鍺薄膜(2)上再沉積制備一層厚度為16^20nm的P型摻雜的非晶硅鍺薄膜(3)，形成異質(zhì)結(jié)； (2)反面背表面電場層N-I-N+的制備 Ca)以硅烷SiH4、氫氣H2為反應(yīng)氣體，采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝RF-PECVD，在N型雙面拋光單晶硅片(I)的另一面首先沉積一層厚度為5 8nm的本征非晶硅薄膜 l-a-Si (4)； (b)以硅烷SiH4、氫氣H2、磷烷PH3、甲烷CH4為反應(yīng)氣體，采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝RF-PECVD，在上述本征非晶硅薄膜(4)上再沉積制備一層厚度為2(T25nm的N+型重?fù)诫s的非晶娃薄膜N+-a_Si (6),形成背表面電場層N-I-N+ ； (3)透明導(dǎo)電膜AZO的制備 采用磁控濺射工藝，在上述異質(zhì)結(jié)表面、背表面電場層表面分別鍍透明導(dǎo)電膜AZ0(6)和背面透明導(dǎo)電膜AZO (7)，其厚度為125 150nm，透過率為88% 90%，方塊電阻為60 80歐姆每方塊； (4)鈦、鈀、銀復(fù)合柵極的制備 反應(yīng)蒸發(fā)工藝，制備鈦、鈀、銀復(fù)合柵極9，厚度為0.012、. 015mm，柵線寬度為0.020 0. 025mm，柵線之間的間距為4 5mm ； (5)上述制備好的雙面異質(zhì)結(jié)電池器件進(jìn)行邊緣切割處理，以消除邊緣短路的影響。
全文摘要
本發(fā)明公開一種硅基異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池及其制備方法，用非晶硅鍺合金代替常規(guī)的非晶硅薄膜，作為異質(zhì)結(jié)電池的發(fā)射極，同時用本征微晶硅鍺薄膜作為電池的界面緩沖層，有效降低異質(zhì)結(jié)能帶失配導(dǎo)致的價帶帶階，減小對空穴的阻礙影響，更有利于對光生少數(shù)載流子空穴的收集，從而提高太陽能電池的光伏性能指標(biāo)。利用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在N型單晶硅片的兩面分別沉積制備本征微晶硅鍺薄膜、P型摻雜的非晶硅鍺薄膜、本征非晶硅薄膜及N+型摻雜的非晶硅薄膜，實現(xiàn)有效收集光生載流子的目的。采用此工藝在雙面拋光FZ型單晶硅片上制備了光電轉(zhuǎn)換效率為14.62%的異質(zhì)結(jié)雙面太陽能電池。
文檔編號H01L31/0747GK102738291SQ20121023353
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月7日
發(fā)明者崔介東, 彭壽, 王蕓, 馬立云 申請人:中國建材國際工程集團(tuán)有限公司, 蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院