高效率太陽能電池結(jié)構(gòu)及制造方法
【專利說明】高效率太陽能電池結(jié)構(gòu)及制造方法
本申請為于2010年4月21日提交的申請?zhí)枮?01080027881.6的名稱為“高效率太陽能電池結(jié)構(gòu)及制造方法”的申請的分案申請。
相關(guān)申請的信息
本申請要求于2009年4月21日提交的名稱為“High-Efficiency Solar CellStructures and Methods of Manufacture (高效率太陽能電池結(jié)構(gòu)及制造方法)”的美國臨時申請?zhí)?1/171，194的優(yōu)先權(quán)，在此將其申請的整體內(nèi)容援引加入作為參考。本發(fā)明的所有方面可以與上述申請的任何內(nèi)容結(jié)合。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及太陽能電池。更具體而言，本發(fā)明涉及改進(jìn)的具有增加的電池效率的太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
太陽能電池通過將基本上無限量的太陽能轉(zhuǎn)換成可用電能而給社會提供了廣泛的利益。隨著它們用途的增加，某些經(jīng)濟(jì)因素變得重要，如高容量制造和效率。
如果可以最小化制造步驟的數(shù)量、和每個步驟的復(fù)雜性，通常認(rèn)為高容量制造能夠獲得高度的成本效力和效率。
在工業(yè)上非常需要完成的太陽能電池具有20%以上的效率，然而，已知實施這種效率的電池往往遭受電池結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和/或制造的復(fù)雜性。
因此，需要能獲得高運行效率的太陽能電池，并且其可以以成本有效的方式來制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點并且提供了另外的優(yōu)點，在一個方面本發(fā)明提供了以下公開的任何一個太陽能電池結(jié)構(gòu)或其組合，其通常包括中心襯底、導(dǎo)電層、抗反射層、鈍化層和/或電極。多功能層提供了鈍化、透明度、縱向載流子流足夠的導(dǎo)電率、結(jié)(junct1n)、和/或不同程度的抗反射性的綜合功能。本發(fā)明還公開了改進(jìn)的制造方法，其包括單側(cè)CVD沉積過程和用于形成層和/或轉(zhuǎn)化的熱處理。
在一個方面，本發(fā)明包括制造這些結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括:提供晶片作為中心襯底；在所述襯底上沉積或生長界面鈍化層；在所述鈍化層上沉積導(dǎo)電層；提供熱處理；任選沉積抗反射層(可能包括背面鏡面)；和提供金屬化作為電極。
在一個實施方案中，本發(fā)明包括施加熱處理以生產(chǎn)多功能薄膜，所述多功能薄膜被分離成表面鈍化界面層和具有高透明性的高度摻雜的多晶鈍化層。
在一個實施方案中，本發(fā)明包括沉積非晶含硅化合物和利用熱處理引發(fā)結(jié)晶成為多晶膜。
在一個實施方案中，本發(fā)明包括沉積非晶含硅化合物和利用熱處理以使膜結(jié)晶并且增加光學(xué)透射率。 在一個實施方案中，本發(fā)明包括沉積非晶含硅化合物和利用熱處理以便激活該化合物中的摻雜原子。
在一個實施方案中，本發(fā)明包括沉積非晶含硅化合物和利用大于500°C的熱處理以便激活該化合物中的摻雜原子并且使摻雜原子擴(kuò)散到襯底晶片內(nèi)，從而提供高一低結(jié)或p-n結(jié)。
此處還描述并要求保護(hù)與上述方法相應(yīng)的系統(tǒng)和計算機程序產(chǎn)品。
此外，通過本發(fā)明的技術(shù)還實現(xiàn)了其它的特征和優(yōu)點。此處詳細(xì)地描述了本發(fā)明的其它實施方案和方面，并且認(rèn)為這些實施方案和方面是要求保護(hù)的本發(fā)明的一部分。
【附圖說明】
在本申請的權(quán)利要求書中清楚地描述了本發(fā)明的主題。由以下詳細(xì)說明并結(jié)合附圖，能夠清晰可見本發(fā)明的上述及其它目的、特征、和優(yōu)點，其中:
圖1是具有摻雜多晶硅層和鈍化界面的η-型結(jié)晶硅太陽能電池的能帶圖；
圖2是太陽能電池的局部橫截面圖，其描述了用于正面結(jié)、P-型晶片的一種少數(shù)和多數(shù)載流子流；
圖3是太陽能電池的局部橫截面圖，其描述了用于背面結(jié)、P-型晶片的一種少數(shù)和多數(shù)載流子流；
圖4是太陽能電池的局部橫截面圖，其描述了用于正面結(jié)、η-型晶片的一種少數(shù)和多數(shù)載流子流；
圖5是太陽能電池的局部橫截面圖，其描述了用于背面結(jié)、η-型晶片的一種少數(shù)和多數(shù)載流子流；
圖6是太陽能電池的局部橫截面圖，其具有η-型正面、η-或P-型晶片、和P-型背面；圖7是太陽能電池的局部橫截面圖，其在雙面結(jié)構(gòu)中具有η-型正面、η-或P-型晶片、P-型背面；
圖8是太陽能電池的局部橫截面圖，其具有η-型正面、η-型晶片、P-型背面并且包括隔離的抗反射涂層；
圖9是太陽能電池的局部橫截面圖，其具有η型正面、η-型晶片、P-型背面并且包括多功能透明的導(dǎo)電的高度摻雜的硅化合物層；
圖10是太陽能電池的局部橫截面圖，其具有η-或P-型晶片、包括一些正面層的改進(jìn)的η-型正面、和ρ-型背面；
圖11是太陽能電池的局部橫截面圖，其具有P-型正面、η-或P-型晶片、和η-型背面；圖12是太陽能電池的局部橫截面圖，其在雙面結(jié)構(gòu)中具有ρ-型正面、η-或ρ-型晶片、η-型背面；
圖13是太陽能電池的局部橫截面圖，其具有ρ-型正面、ρ-型晶片、η-型背面并且包括隔離的抗反射涂層；
圖14是太陽能電池的局部橫截面圖，其具有P-型正面、P-型晶片、η-型背面并且包括多功能透明的導(dǎo)電的高度摻雜的硅化合物層；
圖15是太陽能電池的局部橫截面圖，其具有η-或ρ-型晶片、包括一些正面層的改進(jìn)的ρ-型正面、和η-型背面； 圖16是太陽能電池的局部橫截面圖，其中埋入電極的玻璃或其它透明膜被壓制或粘合到該電池上；
圖17是太陽能電池的局部橫截面圖，其中埋入電極的玻璃或其它透明膜被壓制或粘合到該電池上，該電池在背面包括局部電極；和
圖18是太陽能電池的局部橫截面圖，在其中形成另外的硅緩沖層；
所有這些圖都是依據(jù)本發(fā)明。
【具體實施方式】
參考圖1-5所示的太陽能電池的能帶圖和局部橫截面圖，假定太陽輻射優(yōu)先照射太陽能電池的一個表面，通常其被稱為正面。為了實現(xiàn)入射光子轉(zhuǎn)換成電能的高能量轉(zhuǎn)換效率，在形成電池的硅襯底材料內(nèi)光子的有效吸收是重要的。這可通過光子在除了襯底本身之外的所有層內(nèi)的低寄生光學(xué)吸收來實現(xiàn)。
為了簡單起見，在這些圖中沒有描繪層表面的幾何表面形狀(例如，在層表面上可以形成表面紋理如金字塔、或其它的表面紋理)，然而，應(yīng)該理解，可以以任何對改進(jìn)太陽能電池效率有好處的形狀來構(gòu)造幾何形狀和/或表面，并且這些形狀和/或表面屬于本發(fā)明的范圍。
高太陽能電池效率的一個重要參數(shù)是表面鈍化。表面鈍化抑制電子和空穴在太陽能電池內(nèi)的某些物理表面上或該表面附近復(fù)合?？梢酝ㄟ^施加介電層來減少表面復(fù)合。這些層減少了界面能態(tài)密度，由此減少了復(fù)合中心的數(shù)量。兩個實例是熱生長的氧化硅和PECVD沉積的氮化硅。表面鈍化層的另一個實例是本征非晶硅。這些層還可以提供電荷，所述電荷減少了相反極性的載流子的數(shù)量并且減少由這個原理復(fù)合的速率。兩個實例是氮化硅和氧化鋁。
減少接近于表面的一類載流子數(shù)量的另一個方法是使與層摻雜類型相同摻雜或相反摻雜的摻雜原子擴(kuò)散。在這種情況下，超過層摻雜的摻雜水平是獲得高-低結(jié)(還通常被稱為背面場或正面場)或p-n結(jié)所必需的。這可以與上述表面鈍化的其它方法結(jié)合。
表面鈍化可以在實現(xiàn)高效率的太陽能電池中起重要作用。在根據(jù)本發(fā)明如下所述的大多數(shù)太陽能電池結(jié)構(gòu)中，多層或多功能層可以提供優(yōu)異的表面鈍化。這可利用具有低界面能態(tài)密度和高帶隙的層通過界面的非常陡的摻雜分布和另外的鈍化來實現(xiàn)，從而產(chǎn)生用于襯底少數(shù)載流子通過的隧道勢皇。在圖1中顯示了相應(yīng)的能帶圖。實線表示具有鈍化界面和摻雜多晶硅鈍化層的η-型晶體硅晶片的情況。虛線表示η-型晶體硅晶片以及本征非晶硅和隨后的摻雜非晶硅層的雙層結(jié)構(gòu)的情況，有時被稱為異質(zhì)結(jié)電池。
這些結(jié)構(gòu)為高效率太陽能電池提供了另一個好處:在觸點下面的區(qū)域中的復(fù)合可以低至沒有觸點的區(qū)域。可以通過鈍化來屏蔽觸點。因而，可以最佳化光學(xué)性質(zhì)的觸點面積，從而最小化電阻的損失，但是載流子的復(fù)合被退耦。
根據(jù)選擇的材料、以及摻雜的類型和濃度，所公開的電池結(jié)構(gòu)可以分類為正面結(jié)或背面結(jié)電池。在正面結(jié)電池中，在照射側(cè)上聚集少數(shù)載流子(在P-型晶片的情況下，這些是電子)。在背面結(jié)電池的情況下，在與照射側(cè)相對的一側(cè)上聚集少數(shù)載流子。在圖2-5的太陽能電池局部橫截面圖中顯示了 P-型和η-型晶片的電流曲線圖。
圖2顯示了太陽能電池20的載流子流，其中少數(shù)載流子(實線)從具有正面結(jié)的ρ-型晶片25流向前電極21。這些電子需要利用在薄η-型發(fā)射極22內(nèi)的橫向流以到達(dá)電極21，而且發(fā)射極22的橫向薄層電阻增加電阻的損失。多數(shù)載流子(虛線)可以利用通向全面積背面電極29的最短幾何路徑。
圖3顯示了來自具有背面結(jié)的ρ-型晶片35的太陽能電池30的載流子流。多數(shù)載流子(虛線)可以利用整個晶片的導(dǎo)電性以到達(dá)前電極31。少數(shù)載流子(實線)可以利用通向背后η-型發(fā)射極38的最短幾何路徑，并且它們在該發(fā)射極內(nèi)的迀移是縱向的，而不是主要的橫向。這個背面結(jié)的結(jié)構(gòu)減少了對發(fā)射極層的橫向?qū)щ娐实囊蟆?br> 圖4顯示了太陽能電池40的載流子流，其中少數(shù)載流子(實線)從具有正面結(jié)的η-型晶片45流向前電極41。這些空穴需要利用在薄ρ-型發(fā)射極42內(nèi)的橫向流以到達(dá)電極41，而且該發(fā)射極的橫向?qū)щ娐蕸Q定了電阻的損失。多數(shù)載流子(虛線)可以利用通向全面積背電極49的最短幾何路徑。
圖5顯示了來自具有背面結(jié)的η-型晶片55的太陽能電池50的載流子流。多數(shù)載流子(虛線)可以利用整個晶片的導(dǎo)電性到達(dá)前電極51。少數(shù)載流子(實線)可以利用到達(dá)背后P-型發(fā)射極58的最短幾何路徑，并且它們在該發(fā)射極內(nèi)的迀移是縱向的，而不是主要的橫向。這個背面結(jié)的結(jié)構(gòu)減少了對發(fā)射極層的橫向?qū)щ娐实囊蟆?br> 具有全面積背接觸的背面結(jié)電池具有的好處是少數(shù)載流子不必通過橫向流過發(fā)射極以到達(dá)觸點，它們在該發(fā)射極內(nèi)的迀移主要是縱向的。這減少了少數(shù)載流子在發(fā)射極內(nèi)的橫向迀移導(dǎo)致的損失。因為全接觸面積的覆蓋度是從該結(jié)構(gòu)的這個性質(zhì)得到好處的一個要求，因此屏蔽接觸是重要的，例如，因為金屬隨處接觸該層(“全面積接觸覆蓋度”)，因此不需要少數(shù)載流子橫向流到最近的觸點，正如它們在例如圖4中的發(fā)射極內(nèi)所顯示的。
示例性電池結(jié)構(gòu):η-型正面、η-或ρ-型晶片、ρ-型背面:
圖6是具有η-型正面、η-或ρ-型晶片、和ρ-型背面的太陽能電池60的局部橫截面圖。
金屬電極61和69分別位于外層62和68上。這具有的好處是金屬在它接觸晶片之前不需要穿過下面的層。此外從接觸界面屏蔽體娃晶片(silicon bulk w