一種太陽(yáng)能電池及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能電池包括設(shè)置于第一發(fā)射層上部的載流子放大單元，用于增大入射光產(chǎn)生的載流子數(shù)量；所述載流子放大單元包含至少一層再晶化硅層，所述再晶化硅層具有濃度為1018～1020cm?3的缺陷態(tài)，所述缺陷態(tài)的能級(jí)在導(dǎo)帶低之下0.2～0.4eV。在保持單結(jié)電池基本結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可以獲得超高的效率，其最高理論效率可以高達(dá)60％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中單結(jié)電池結(jié)構(gòu)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種太陽(yáng)能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體物理、光伏、光電子及新能源等領(lǐng)域，涉及一種太陽(yáng)能電池及其制備方法，進(jìn)一步涉及一種具有高效光電轉(zhuǎn)化效率的太陽(yáng)能電池及其制備方法，特別涉及一種理論效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破單結(jié)太陽(yáng)能電池最高理論極限效率(32%)的新型單結(jié)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，該電池的最高理論效率可以達(dá)到60%。
【背景技術(shù)】
[0002]如何提高太陽(yáng)能電池(或其它光電轉(zhuǎn)換器件)的光電轉(zhuǎn)換效率是這一領(lǐng)域研究工作持續(xù)不斷的目標(biāo)。然而，對(duì)于只有一個(gè)PN結(jié)(單結(jié))的太陽(yáng)能電池而言，其最高理論效率為32% ;而對(duì)于單結(jié)硅太陽(yáng)能電池，其最高理論效率則為29%。目前，實(shí)驗(yàn)室獲得的硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到25%，商業(yè)化量產(chǎn)硅太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)達(dá)到24.2%。無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室效率還是商業(yè)化量產(chǎn)的太陽(yáng)能電池效率都已接近硅太陽(yáng)能電池的最高理論效率極限。
[0003]為了突破單結(jié)太陽(yáng)能電池的最高理論效率極限，人們提出了不同的技術(shù)方案。
[0004]比如包含多個(gè)PN結(jié)的多結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)。多結(jié)太陽(yáng)能電池可分為兩種:橫向結(jié)構(gòu)和縱向結(jié)構(gòu)。
[0005]所謂橫向多結(jié)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)就是把不同材料(因此具有不同的帶隙Eg)制成的單結(jié)太陽(yáng)能電池橫向排列，并與一個(gè)光學(xué)分光器集成。光學(xué)分光器把入射的太陽(yáng)光按照波長(zhǎng)分成不同的光線(xiàn)，分別照射到與之相匹配的太陽(yáng)能電池上，完成光電轉(zhuǎn)換。這種太陽(yáng)能電池的最高理論效率可以達(dá)到54%。
[0006]所謂的縱向多結(jié)太陽(yáng)能電池(多結(jié)疊層太陽(yáng)能電池)就是把不同材料制成的多個(gè)太陽(yáng)能電池沿著縱向疊在一起，分別響應(yīng)不同波長(zhǎng)的入射光。一般地，響應(yīng)短波長(zhǎng)的電池排在上部，而響應(yīng)長(zhǎng)波長(zhǎng)的電池排在底部。這種太陽(yáng)能電池的理論效率可以達(dá)到50%以上，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要充分考慮各個(gè)電池之間的電流匹配。
[0007]無(wú)論是橫向結(jié)構(gòu)還是縱向結(jié)構(gòu)，其制造工藝都是非常復(fù)雜的，因此成本也非常高(比如3結(jié)疊層化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的制造成本是現(xiàn)有商業(yè)太陽(yáng)能電池的100倍以上)。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，上述多結(jié)電池結(jié)構(gòu)不適合大規(guī)模的商業(yè)化量產(chǎn)。
[0008]因此，太陽(yáng)能電池如何在單結(jié)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效率就成為一個(gè)重要的目標(biāo)。為了在單結(jié)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上突破32 %最高效率的理論限制，有人曾經(jīng)提出來(lái)通過(guò)材料改性增加其光吸收的范圍。
[0009]有人提出在硅中注入氫，從而在硅的禁帶之中產(chǎn)生一系列能級(jí)，使得硅可以吸收1100納米以外的紅外光，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率也可以提高到35 %。也有人提出，通過(guò)材料改性改善硅對(duì)于短波長(zhǎng)光的響應(yīng)特性，利用一個(gè)高能光子激發(fā)出多個(gè)載流子，從而提高太陽(yáng)能電池的效率(理論上可以達(dá)到60 % )。
[0010]但是，上述方案存在著一些關(guān)鍵的問(wèn)題還沒(méi)有解決:一是高離子注入導(dǎo)致材料的吸收系數(shù)激增，造成所謂的“光暈”現(xiàn)象。由于光暈發(fā)生在太陽(yáng)能電池上表面的“死區(qū)”，造成很大一部分光吸收不能產(chǎn)生有用的電子-空穴對(duì)；另一個(gè)問(wèn)題是載流子不能被及時(shí)有效的收集，因此也就不能最終形成有用的電流。
[0011]如何通過(guò)有效的手段產(chǎn)生有用的“材料改性”、如何消除材料改性帶來(lái)的負(fù)面影響、以及如何使載流子被電極有效收集從而形成電流是最終實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的超高效率需要解決關(guān)鍵問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種太陽(yáng)能電池及其制備方法，其光電轉(zhuǎn)化效率最高能夠達(dá)到60%。
[0013]本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的:
[0014]—種太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能電池包括設(shè)置于第一發(fā)射層上部的載流子放大(Multiplicat1n of Photo-generated Carriers)單元，用于增大入射光產(chǎn)生的載流子數(shù)量；
[0015]所述載流子放大單元包含至少一層再晶化硅層，所述再晶化硅層具有缺陷態(tài)，所述缺陷態(tài)的能級(jí)在導(dǎo)帶低之下0.2?0.4eV，所述再晶化硅層中缺陷態(tài)的密度為118?1020cm-3。
[0016]本發(fā)明制備的太陽(yáng)能電池為改良的太陽(yáng)能電池，以0SJS(0ptimized Single-Junct1n Structure)記。
[0017]單結(jié)太陽(yáng)能電池的主要損失機(jī)理包括:高能量光子激發(fā)的高動(dòng)能載流子的熱弛豫所損失的能量(熱弛豫損失)、長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子由于其能量小于材料的禁帶寬度Eg從而不能被電池吸收所產(chǎn)生的能量損失(不吸收損失)、載流子的復(fù)合損失等以及其它的能量損失機(jī)理，其中熱弛豫損失和不吸收損失造成的能量損失分別高達(dá)33%和19%，成為限制單結(jié)太陽(yáng)能電池理論效率的最主要因素。
[0018]本發(fā)明通過(guò)在發(fā)射層之上設(shè)置載流子放大單元，來(lái)解決熱弛豫損失的問(wèn)題。
[0019]本發(fā)明所述再晶化層是指在發(fā)射層的硅材料的上部注入離子，使得硅材料內(nèi)部的晶體無(wú)序化，產(chǎn)生非晶化硅層，之后經(jīng)過(guò)退火，得到由于固相晶化(固相外延)而產(chǎn)生的緊鄰非晶化硅層的再晶化硅層，以及形成于再晶化硅層和非晶化硅層兩者之間的界面層。
[0020]所述非晶化硅層是因?yàn)殡x子注入造成的硅材料的無(wú)序化引起的，其結(jié)構(gòu)上高度無(wú)序，因此載流子的迀移率很低(0.1?lOcm/Vs)，當(dāng)從太陽(yáng)能電池其它區(qū)域產(chǎn)生的電子運(yùn)動(dòng)到該非晶化硅層時(shí)，電子會(huì)在該非晶層形成積累，使得該層實(shí)際上成為一個(gè)載流子的阻擋層。同時(shí)，由于非晶化硅層是通過(guò)高濃度摻雜劑注入(比如P原子或B原子)所產(chǎn)生的，所以其本身電子濃度也很高。上述兩個(gè)原因會(huì)導(dǎo)致該層的電子濃度非常高，高電子濃度造成了很高的光吸收系數(shù)，其吸收系數(shù)可以高達(dá)16Cnf1,因此造成所謂的“光暈”現(xiàn)象，也就是說(shuō)，入射光很大一部分被這一很薄的非晶化硅層吸收；因此需要通過(guò)有效的手段，如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、或施加外電場(chǎng)，把電子迅速抽取到上表面電極，被電極收集。
[0021]本發(fā)明抽取電子至金屬電極的的方案之一為:
[0022]通過(guò)離子刻蝕或者化學(xué)刻蝕等方法去除非晶化硅層，只保留再晶化硅層，起到放大入射光產(chǎn)生載流子的數(shù)量，作為載流子放大單元的必要部件。
[0023]刻蝕去除非晶化硅層使得電池上表面的電極(柵線(xiàn))直接和非晶話(huà)硅層下面的再結(jié)晶話(huà)硅層相接觸，載流子不必經(jīng)過(guò)非晶層就可以被電極收集。
[0024]本發(fā)明通過(guò)離子刻蝕或者化學(xué)刻蝕等方法去除上表面的非晶層(去除阻擋層)，從而使得光生載流子很容易被電極收集。在該種設(shè)計(jì)中，再結(jié)晶的薄層將成為發(fā)射區(qū)的表面層，為了減小該層的表面復(fù)合和增加電子的收集效率，該層的上面可以增加一層TC0(TC0，Transparent Conduct1n Oxide)薄膜，此時(shí)電子由再結(jié)晶化娃層首先進(jìn)入TCO，再在TCO層中橫向傳輸達(dá)到電極柵線(xiàn)。也可以在所述再結(jié)晶化硅層上面增加一層鈍化膜(如Si02、SiNx、A1203、或者它們的復(fù)合膜以及其它材料組成的鈍化膜)，此時(shí)載流子將在該再結(jié)晶層中橫向運(yùn)動(dòng)，然后再被上表面的電極(柵線(xiàn))收集。
[0025]但是，對(duì)于再晶化硅層的形成過(guò)程中，非晶化硅層是必然形成的，如若不刻蝕除去非晶化硅層，則本發(fā)明所述載流子放大單元還包含非晶化硅層。對(duì)于再晶化硅層和非晶化硅層的形成過(guò)程中，離子注入的位置和濃度不同，導(dǎo)致了載流子放大單元結(jié)構(gòu)的不同。
[0026]情況之一為:所述載流子放大單元還包含設(shè)置于再晶化硅層入射光一側(cè)的非晶化娃層。
[0027]當(dāng)所述載流子放大單元包含設(shè)置于再晶化硅層入射光一側(cè)的非晶化硅層時(shí)，本發(fā)明抽取電子至金屬電極的的方案之一為:
[0028]當(dāng)所述載流子放大單元包含設(shè)置于再晶化硅層入射光一側(cè)的非晶化硅層時(shí)，在載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置透明導(dǎo)電層，用于將載流子導(dǎo)出至金屬電極。
[0029]為了解決光生載流子被電極有效收集的問(wèn)題，本發(fā)明在非晶層上面增加一層透明導(dǎo)電氧化膜(TCO，Transparent Conduct1n Oxide)，在T⑶膜的上面，再制備梳狀電極柵線(xiàn)。這樣，光生載流子不需要在非晶層中橫向運(yùn)動(dòng)，只需要縱向穿越該非晶層即可到達(dá)TC0，從而很容易被電極收集。由于該非晶層較薄(其厚度5?50nm)，所以電子可以通過(guò)隧穿的機(jī)理穿過(guò)該薄層;另外，由于非晶化硅層摻雜濃度明顯高于其下面各層，所以該界面處存在一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)也有助于電子縱向穿越非晶化薄層達(dá)到TCO電極。
[0030]當(dāng)所述載流子放大單元包含設(shè)置于再晶化硅層入射光一側(cè)的非晶化硅層時(shí)，本發(fā)明抽取電子至金屬電極的的方案之二為:
[0031]當(dāng)所述載流子放大單元包含設(shè)置于再晶化硅層入射光一側(cè)的非晶化硅層時(shí)，將所述太陽(yáng)能電池的金屬電極深入至與再晶化層接觸，這種情況下，在所述載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置鈍化膜。
[0032]為了解決光生載流子被電極有效收集的問(wèn)題，本發(fā)明利用刻蝕技術(shù)(包括各種干法或濕法刻蝕)把上表面的非晶化硅層進(jìn)行定位刻蝕，從而使得電池上表面的電極(柵線(xiàn))直接和非晶化硅層下面的再結(jié)晶化硅層相接觸，載流子不必經(jīng)過(guò)非晶層就可以被電極收集。
[0033]情況之二為:所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層。
[0034]當(dāng)所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層時(shí)，本發(fā)明抽取電子至金屬電極的的方案之一為:
[0035]當(dāng)所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層時(shí)，在載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置透明導(dǎo)電層，用于將載流子導(dǎo)出至金屬電極。
[0036]當(dāng)所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層時(shí)，本發(fā)明抽取電子至金屬電極的的方案之二為:
[0037]當(dāng)所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層時(shí)，將所述太陽(yáng)能電池的金屬電極深入至與第二再晶化層接觸，這種情況下，在所述載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置鈍化膜。
[0038]情況之三為:所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層;且在所述載流子放大單元上方設(shè)有第二發(fā)射層;且所述第一發(fā)射層和第二發(fā)射層材質(zhì)相同。
[0039]當(dāng)存在第二發(fā)射層時(shí)，本發(fā)明抽取電子至金屬電極的的方案之一為:
[0040]當(dāng)設(shè)有第二發(fā)射層時(shí)，在第二發(fā)射層的入射光一側(cè)設(shè)置透明導(dǎo)電層，用于將載流子導(dǎo)出至金屬電極；
[0041]當(dāng)存在第二發(fā)射層時(shí)，本發(fā)明抽取電子至金屬電極的的方案之二為:
[0042]當(dāng)設(shè)有第二發(fā)射層時(shí)，將所述太陽(yáng)能電池的金屬電極深入至與第二再晶化層接觸，這種情況下，在所述載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置鈍化膜。
[0043]本發(fā)明所述載流子放大單元通過(guò)向第一發(fā)射層的晶體硅進(jìn)行離子注入后，退火處理得到。
[0044]優(yōu)選地，所述載流子放大單元的厚度為5?100應(yīng)，例如811111、2511111、3711111、5611111、75nm、82nm、95nm 等。
[0045]優(yōu)選地，所述非晶化娃層的每層厚度0?50應(yīng)，例如211111、511111、811111、1811111、2511111、37nm、46nm 等。
[0046]優(yōu)選地，所述再晶化娃層的厚度為5?50nm，例如7nm、llnm、15nm、18nm、25nm、37nm、46nm 等。
[0047]優(yōu)選地，所述離子注入的離子優(yōu)選磷和/或硼。
[0048]優(yōu)選地，所述離子注入的劑量為114?1015cm—2，例如2X1014cm—2、3X1014cm—2、4X1014cm-2、5 X 1014cm-2、6 X 1014cm-2、7 X 1014cm-2、8 X 1014cm-2、9 X 1014cm—2 等 ο
[0049]優(yōu)選地，所述離子注入的能量為10?250keV，例如15keV、18keV、24keV、50keV、88keV、135keV、167keV、188keV、200keV、234keV、248keV等。
[0050]優(yōu)選地，所述退火溫度為400?6000C，例如420 V、450 °C、480 V、530 V、570 V、590
。。等。
[0051 ]優(yōu)選地，所述退火時(shí)間為5?10min，例如6min、1min、15min、23min、45min、60min、85min、93min 等。
[0052]優(yōu)選地，所述透明導(dǎo)電膜選自摻雜的二氧化錫、二氧化鋅和氧化銦錫中的任意I種或至少2種的組合。
[0053 ] 優(yōu)選地，所述透明導(dǎo)電膜厚度為5?I OOnm，例如8nm、25nm、37nm、56nm、75nm、82nm、95nm 等。
[0054]優(yōu)選地，所述鈍化膜選自二氧化硅、氮化硅和氧化鋁中的任意I種或至少2種的組入口 ο
[0055]優(yōu)選地，所述鈍化膜厚度為10?200nm，例如 18nm、25nm、37nm、56nm、75nm、82nm、95nm、108nm、125nm、137nm、156nm、175nm、182nm、195nn^o
[0056]所述第一發(fā)射層和第二發(fā)射層為P型硅或N型硅。
[0057]本發(fā)明目的之二是提供一種如目的之一所述的太陽(yáng)能電池的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0058](I)對(duì)具有太陽(yáng)能電池的發(fā)射層進(jìn)行離子注入，之后退火處理，在發(fā)射層的上部形成載流子放大單元;所述載流子單元包括至少一層再晶化層；
[0059](2)形成載流子導(dǎo)出結(jié)構(gòu)；
[0060](3)可選地形成鈍化膜，并必選地形成金屬電極；
[0061]其中，所述步驟(2)任選自步驟(2a)、步驟(2b)或步驟(2c)中的任意I個(gè):
[0062]步驟(2a)在所述載流子放大單元入射光一側(cè)沉積透明導(dǎo)電層；
[0063]步驟(2b)刻蝕完全除去步驟(I)經(jīng)過(guò)離子注入和退火形成的非晶硅層；
[0064]步驟(2c)刻蝕除去預(yù)沉積金屬電極區(qū)域的由步驟(I)經(jīng)過(guò)離子注入和退火形成的非晶硅層。
[0065]本發(fā)明通過(guò)在常規(guī)商用太陽(yáng)能電池制造工藝中，插入幾道簡(jiǎn)單的成熟的半導(dǎo)體制造工序(離子注入、熱退火、以及TCO沉積)，就可以獲得超高效率單結(jié)太陽(yáng)能電池。
[0066]優(yōu)選地，當(dāng)步驟(2)為步驟(2a)時(shí)，步驟(3)不形成鈍化膜。
[0067]當(dāng)步驟(2)為步驟(2b)時(shí)，步驟(3)在形成鈍化膜之后形成金屬電極，且所述金屬電極與再晶化硅層接觸。
[0068]當(dāng)步驟(2)為步驟(2c)時(shí)，步驟(3)在形成鈍化膜之后形成金屬電極，且所述金屬電極與再晶化硅層接觸。
[0069]優(yōu)選地，所述離子注入的離子優(yōu)選磷和/或硼。
[0070]優(yōu)選地，所述離子注入的劑量為114?1015cm—2。
[0071]優(yōu)選地，所述離子注入的能量為10?250keV。
[0072]優(yōu)選地，所述退火溫度為400?600°C。
[0073]優(yōu)選地，所述退火時(shí)間為5?lOOmin。
[0074]本發(fā)明所述載流子放大單元的具體結(jié)構(gòu)根據(jù)離子注入的深度有所不同，離子注入深度淺，則非晶化硅層形成于第一發(fā)射層的表面，再晶化硅層形成于非晶化硅層的下表面，典型但非限制性地，此時(shí)的離子注入深度< 50nm，甚至< 20nm，此時(shí)可以選擇通過(guò)刻蝕除去非晶化硅層，得到只含有再晶化硅層的載流子放大單元;如果離子注入深度較深，則在非晶化硅層的兩側(cè)形成再晶化硅層(第一再晶化硅層和第二再晶化硅層)，所述載流子放大單元包括第一再晶化硅層、非晶化硅層和第二再晶化硅層，且所述載流子放大單元位于所述第一發(fā)射層的表面，典型但非限制性地，此時(shí)的離子注入深度為50?500nm;甚至于，如果離子注入深度進(jìn)一步加深，則在非晶化硅層的兩側(cè)形成再晶化硅層(第一再晶化硅層和第二再晶化硅層)，且在上層的再晶化硅層之上還有一層未注入離子的硅，成為第二發(fā)射層，此時(shí)載流子放大單元包括第二發(fā)射層、第一再晶化硅層、非晶化硅層和第二再晶化硅層，典型但非限制性地，此時(shí)的離子注入深度為500nm以上。
[0075]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)于離子注入深度對(duì)載流子放大單元的影響并不構(gòu)成對(duì)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)性能的影響，原因在于，無(wú)論是離子注入深還是淺，本領(lǐng)域技術(shù)人員均可以采用本發(fā)明所提供的具體技術(shù)方案獲得具有較高光電轉(zhuǎn)化效率的太陽(yáng)能電池。
[0076]其中，所述再晶化硅層具有缺陷態(tài)，所述缺陷態(tài)的能級(jí)在導(dǎo)帶低之下0.2?0.4eV，缺陷態(tài)的濃度可以高達(dá)118?102()Cm—3。該再晶化層晶格結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)能電池的本體材料(晶體材料)相似，但是其內(nèi)部包含大量的注入雜質(zhì)，存在大量的缺陷態(tài)。這些雜質(zhì)缺陷態(tài)在退火過(guò)程中會(huì)發(fā)生聚集效應(yīng)，形成“雜質(zhì)團(tuán)”。
[0077]所述非晶化硅層為晶格結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)能電池的本體材料(晶體材料)完全不同的材料，其內(nèi)部原子偏離原來(lái)的位置，整個(gè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)不再呈現(xiàn)周期性晶格結(jié)構(gòu)。載流子在這種材料中的迀移率很低。
[0078]本發(fā)明提供的所述OSJS太陽(yáng)能電池除了在所述發(fā)射層的上部發(fā)生材料改性之外，電池其余部分的結(jié)構(gòu)與普通太陽(yáng)能電池相同(比如有一個(gè)PN結(jié)、電池前表面絨面化、電池背面有背面電場(chǎng)區(qū)、有背鈍化層、有背電極等)。
[0079]本發(fā)明所述OSJS電池的工作原理如下:
[0080]離子注入后在太陽(yáng)能電池上表面產(chǎn)生非晶化，在退火過(guò)程中，被注入的離子打亂的晶體結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生固相晶化，從而產(chǎn)生一個(gè)上述所謂的“再晶化硅層”。所述再晶化硅層盡管晶格結(jié)構(gòu)與太陽(yáng)能電池的本體材料(晶體材料)相似，但是由于其內(nèi)部包含大量的注入雜質(zhì)，所以存在大量的缺陷態(tài)。這些雜質(zhì)缺陷態(tài)在退火過(guò)程中會(huì)發(fā)生聚集效應(yīng)，形成“雜質(zhì)團(tuán)”。如果注入的雜質(zhì)為磷(P)，則這些磷“雜質(zhì)團(tuán)”產(chǎn)生被電子占據(jù)的缺陷態(tài)(雜質(zhì)團(tuán)濃度較高時(shí)甚至形成“缺陷帶”)，其能級(jí)位于導(dǎo)帶底以下0.2?0.4eV，缺陷態(tài)的濃度可以高達(dá)118?102()Cm—3。這樣，當(dāng)具有一定能量的載流子撞擊到這樣的一個(gè)缺陷態(tài)時(shí)，缺陷態(tài)上的電子很容易通過(guò)這一碰撞獲得足夠的能量躍迀到導(dǎo)帶成為自由電子，也就是說(shuō)，在該再結(jié)晶層會(huì)發(fā)生電子濃度的碰撞放大效應(yīng)；
[0081]在本發(fā)明所提出的OSJS太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)中，入射光進(jìn)入電池材料，絕大部分被非晶層以下的區(qū)域(發(fā)射區(qū)、基區(qū)、PN結(jié)的空間電荷區(qū)等)吸收從而產(chǎn)生光生載流子(電子空穴對(duì)，光子直接產(chǎn)生的電子稱(chēng)為“一次電子”)，電子與空穴在PN結(jié)電場(chǎng)的作用下分離，分別向N型區(qū)表面和P型區(qū)表面運(yùn)動(dòng)。電子在向N型區(qū)表面運(yùn)動(dòng)中要經(jīng)過(guò)上述所述再結(jié)晶化硅層。如果電子是被短波光子激發(fā)產(chǎn)生的，那么該電子將攜帶很大的動(dòng)能。這些攜帶很高動(dòng)能的自由電子穿過(guò)再結(jié)晶層時(shí)將與該層的缺陷態(tài)(亦即所述“雜質(zhì)團(tuán)”)發(fā)生碰撞從而電離出更多的自由電子(碰撞電離產(chǎn)生的自由電子稱(chēng)為“二次電子”)。無(wú)論是一次電子還是二次電子，都繼續(xù)向N型區(qū)表面運(yùn)動(dòng)，最后被負(fù)電極收集。再結(jié)晶化硅層的缺陷態(tài)所束縛的電子被碰撞電離之后，缺陷態(tài)失去電子，但是它可以捕獲從PN結(jié)方向運(yùn)動(dòng)來(lái)的電子從而重新成為束縛著電子的缺陷態(tài)。
[0082]—次、二次電子等通過(guò)外電路形成電流的回路，產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換。由于此時(shí)一個(gè)高能電子可以以很低的閾能(0.2?0.4eV)產(chǎn)生二次電子(比如，如果本發(fā)明所述太陽(yáng)能電池用娃材料制成，那么，一個(gè)波長(zhǎng)為400nm的入射光子，理論上可以產(chǎn)生I個(gè)一次電子和6個(gè)二次電子)，所以光電轉(zhuǎn)換效率大大提高。
[0083]理論上，本發(fā)明所述太陽(yáng)能電池的理論效率可以高達(dá)60%。因此，本發(fā)明所述太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)雖然保持單結(jié)結(jié)構(gòu)，但是通過(guò)部分區(qū)域的材料改性，獲得的太陽(yáng)能電池的效率遠(yuǎn)大于單結(jié)太陽(yáng)能電池32%的最高理論效率的上限。
[0084]本發(fā)明所提出的4種電池結(jié)構(gòu)，都能很好地克服上述所謂的非晶化硅層的“光暈”現(xiàn)象。這是因?yàn)檫@幾種結(jié)構(gòu)都能快速把非晶化硅層中的電子收集到上表面電極，非晶化硅層中的載流子濃度較低，所以不會(huì)發(fā)生由于高濃度的自由載流子吸收引起的“光暈”現(xiàn)象，當(dāng)然也不會(huì)產(chǎn)生自由載流子的阻擋層。
[0085]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0086](I)在保持單結(jié)電池基本結(jié)構(gòu)的同時(shí)，可以獲得超高的效率，其最高理論效率可以高達(dá)60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中單結(jié)電池結(jié)構(gòu)；
[0087](2)制造成本低廉，由于與常規(guī)商用電池制造工藝相比，只是增加了3道成熟的半導(dǎo)體制造工藝，所以所有設(shè)備和技術(shù)都是成熟的、低廉的，這保證了本發(fā)明所述超高效太陽(yáng)能電池制造成本低廉；
[0088](3)與現(xiàn)有商用太陽(yáng)能電池制造工藝兼容，在現(xiàn)有常規(guī)商用太陽(yáng)能電池制造生產(chǎn)線(xiàn)上，只需要增加(或更換)幾個(gè)簡(jiǎn)單的工藝設(shè)備(離子注入機(jī)、熱退火爐、TCO沉積設(shè)備)，其它設(shè)備都不需要改變，即可成為本發(fā)明所述超高效太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0089]圖1是【具體實(shí)施方式】一提供的OSJS太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0090]圖2是【具體實(shí)施方式】二提供的OSJS太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0091]圖3是【具體實(shí)施方式】三提供的OSJS太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0092]圖4是【具體實(shí)施方式】四提供的OSJS太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0093]圖5是【具體實(shí)施方式】四提供的OSJS太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0094]圖6是【具體實(shí)施方式】一提供的OSJS太陽(yáng)能電池的能帶示意圖，其中位于再結(jié)晶硅區(qū)域?qū)У紫?.2?0.4eV處的高濃度缺陷態(tài)是產(chǎn)生自由電子二次激發(fā)的中心。
[0095]圖7是【具體實(shí)施方式】二提供的OSJS太陽(yáng)能電池的能帶示意圖，其中位于再結(jié)晶硅區(qū)域?qū)У紫?.2?0.4eV處的高濃度缺陷態(tài)是產(chǎn)生自由電子二次激發(fā)的中心。
[0096]圖8【具體實(shí)施方式】三、【具體實(shí)施方式】四、【具體實(shí)施方式】五提供的OSJS太陽(yáng)能電池的能帶示意圖，其中位于再結(jié)晶硅區(qū)域?qū)У紫?.2?0.4eV處的高濃度缺陷態(tài)是產(chǎn)生自由電子二次激發(fā)的中心。
【具體實(shí)施方式】
[0097]為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實(shí)施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實(shí)施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的具體限制。
[0098]實(shí)施例1
[0099]太陽(yáng)能電池的制備方法，包括如下步驟:
[0100](I)采用電阻率P = 0.2?3Ω.cm的P-型(100)單晶硅片，采用堿制絨方式在硅片表面制絨，制絨溶液為Na0H+IPA+Na2Si03+H20的混合溶液，制絨分為“超聲清洗-溢流清洗_各向異性刻蝕-超聲清洗-噴淋清洗-溢流清洗”等幾個(gè)環(huán)節(jié)；
[0101](2)PN結(jié)擴(kuò)散:將制絨-清洗的P-型硅片，插入擴(kuò)散舟上，在擴(kuò)散爐溫度等達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度之后，把插有硅片的擴(kuò)散舟推入擴(kuò)散爐中，利用POCl3擴(kuò)散工藝進(jìn)行N-型雜質(zhì)擴(kuò)散；硅片在擴(kuò)散爐中經(jīng)過(guò)“回溫-穩(wěn)定-預(yù)擴(kuò)散-擴(kuò)散-再分布-冷卻-進(jìn)漿/出舟”各步驟后，在P-型硅片表面形成了一層N-型擴(kuò)散區(qū)(即形成PN結(jié))；提供開(kāi)展擴(kuò)散工藝條件，把擴(kuò)散后硅片表面的方塊電阻控制在80 Ω/□左右；
[0102](3)表面及邊緣刻蝕:采用濕法(酸腐蝕)刻蝕工藝刻蝕掉擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生的表面磷硅玻璃(PSG)以及硅片四周邊緣的N型擴(kuò)散層，去除硅片四周邊緣的短路通道;采用硝酸(HNO3)與氫氟酸(HF)混合溶液刻蝕；
[0103](4)硅片上表面N型區(qū)(即發(fā)射區(qū))的非晶化:利用磷原子的離子注入工藝，在硅片N型區(qū)上表面注入大劑量的磷原子(注入劑量5X 11Vcm2)，采用兩次注入工藝，注入能量分別為25與lOOkeV，提供離子注入，硅片上表面形成一層高摻雜的N-型非晶硅層；
[0104](5)熱退火:在500°C條件下對(duì)上一步非晶化的硅片進(jìn)行熱退火，退火時(shí)間30min，退火進(jìn)行3個(gè)循環(huán);退火過(guò)程在N2+H2保護(hù)氣氛中進(jìn)行(N2與出比例為3:1)，通過(guò)退火，表面非晶化層底部將發(fā)生固相晶化，即非晶化層底部區(qū)域會(huì)沿著下面沒(méi)有的晶體硅的結(jié)晶方向重新結(jié)晶變成所謂的“再結(jié)晶層”(也稱(chēng)為“固相外延”)。同時(shí)，離子注入產(chǎn)生的缺陷態(tài)會(huì)發(fā)生迀移聚集，在再結(jié)晶層形成具有一定濃度的(?1019/cm3)帶間缺陷態(tài)，該條件下形成的非晶層的厚度約為30nm，再結(jié)晶層的厚度約為20nm;
[0105](6)表面氧化層去除:通過(guò)濕法(腐蝕)或干法(等離子刻蝕)去除熱退火過(guò)程中在非晶硅層表面形成的氧化層，得到清潔的非晶硅表面;這一步驟通過(guò)濕法刻蝕完成，刻蝕溶液為HF+HN03溶液，該過(guò)程可以使表面非晶硅層厚度適當(dāng)減薄，將其厚度控制在1nm左右；
[0106](7)表面TCO沉積:利用濺射法在非晶硅表面沉積一層AZ0( ZnO: Al)薄膜，薄膜厚度在150nm左右；
[0107](8)印刷與燒結(jié):首先Al背場(chǎng)的印刷與背電極印刷，其次是上表面電極印刷，該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，目的是在電池片背表面形成Al背場(chǎng)，同時(shí)在上下表面良好的電極接觸。此處工藝與目前商用單晶硅太陽(yáng)能電池所用的“印刷-燒結(jié)”工藝完全相同；
[0108](9)測(cè)試分選:該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，把電池片按照功率、電流等電學(xué)參數(shù)進(jìn)行分檔；
[0109](10)通過(guò)以上各步驟，制備出P-型高效單晶硅電池片(結(jié)構(gòu)如圖1所示)。
[0110]根據(jù)步驟(4)離子注入的深度，本發(fā)明提供的OSJS太陽(yáng)能電池具有不同的結(jié)構(gòu)，圖1給出了OSJS太陽(yáng)能電池【具體實(shí)施方式】一的結(jié)構(gòu):
[0111]所述OSJS太陽(yáng)能電池由下至上(與入射光方向相反)包括P型硅100、PN結(jié)200、N型硅300、再晶化硅層401 (厚度約為20nm)、非晶化硅層402(厚度約為1nm)和透明導(dǎo)電層500(厚度約為150nm)，以及設(shè)置于透明導(dǎo)電層之上的金屬電極600;
[0112]另外，與普通太陽(yáng)能電池一樣，在P型硅的背面具有背電極、制絨等結(jié)構(gòu)，在附圖中未示出。
[0113]在【具體實(shí)施方式】一種，在(N-型)發(fā)射區(qū)上表面，制備出一個(gè)含有非晶硅和再結(jié)晶硅的“微結(jié)構(gòu)層”，即載流子放大單元，在非晶硅上面，制備一層TCO透明導(dǎo)電薄膜，用于載流子的收集。
[0114]圖6是【具體實(shí)施方式】一提供的OSJS太陽(yáng)能電池的能帶示意圖，其中位于再結(jié)晶硅區(qū)域?qū)У紫?.2?0.4eV處的高濃度缺陷態(tài)是產(chǎn)生自由電子二次激發(fā)的中心。
[0115]實(shí)施例2
[0116]太陽(yáng)能電池的制備方法，包括如下步驟:
[0117](I)采用電阻率P = 0.2?3Ω.cm的P-型多晶硅片，采用酸制絨方式在硅片表面制絨，制絨溶液為HN03+HF+H20的混合溶液；
[0118](2)PN結(jié)擴(kuò)散:將制絨-清洗的P-型硅片，插入擴(kuò)散舟上，在擴(kuò)散爐溫度等達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度之后，把插有硅片的擴(kuò)散舟推入擴(kuò)散爐中，利用POCl3擴(kuò)散工藝進(jìn)行N-型雜質(zhì)擴(kuò)散；硅片在擴(kuò)散爐中經(jīng)過(guò)“回溫-穩(wěn)定-預(yù)擴(kuò)散-擴(kuò)散-再分布-冷卻-進(jìn)漿/出舟”各步驟后，在P-型硅片表面形成了一層N-型擴(kuò)散區(qū)(即形成PN結(jié))；提供開(kāi)展擴(kuò)散工藝條件，把擴(kuò)散后硅片表面的方塊電阻控制在70 Ω/□左右；
[0119](3)表面及邊緣刻蝕:采用濕法(酸腐蝕)刻蝕工藝刻蝕掉擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生的表面磷硅玻璃(PSG)以及硅片四周邊緣的N型擴(kuò)散層，去除硅片四周邊緣的短路通道;采用硝酸(HNO3)與氫氟酸(HF)混合溶液刻蝕；
[0120](4)硅片上表面N型區(qū)(即發(fā)射區(qū))的非晶化:利用磷原子的離子注入工藝，在硅片N型區(qū)上表面注入大劑量的磷原子(注入劑量5X 11Vcm2)，采用兩次注入工藝，注入能量分別為25keV與10keV;提供離子注入，硅片上表面形成一層高摻雜的N-型非晶硅層；
[0121](5)熱退火:在500°C條件下對(duì)上一步非晶化的硅片進(jìn)行熱退火，退火時(shí)間30min，退火進(jìn)行3個(gè)循環(huán);退火過(guò)程在N2+H2保護(hù)氣氛中進(jìn)行(他與出比例為3:1);通過(guò)退火，表面非晶化層底部將發(fā)生固相晶化，即非晶化層底部區(qū)域會(huì)沿著下面沒(méi)有的晶體硅的結(jié)晶方向重新結(jié)晶變成所謂的“再結(jié)晶化硅層”(也稱(chēng)為“固相外延”);同時(shí)，離子注入產(chǎn)生的缺陷態(tài)會(huì)發(fā)生迀移聚集，在再結(jié)晶層形成具有一定濃度的(1018?12tVcm3)帶間缺陷態(tài);熱退火之后非晶層的厚度控制在30nm，再結(jié)晶層的厚度應(yīng)控制在20nm;
[0122](6)表面氧化層及非晶化硅層的去除:通過(guò)濕法(腐蝕)或干法(等離子刻蝕)去除熱退火過(guò)程中在非晶化硅層表面形成的氧化層，進(jìn)而進(jìn)一步去除非晶化硅層，得到清潔的再晶化硅表面;這一步驟通過(guò)濕法刻蝕完成，刻蝕溶液為HF+HN03溶液，通過(guò)調(diào)整刻蝕液的濃度、溫度、刻蝕時(shí)間可以保證把表面非晶硅層完全去除，同時(shí)保留適當(dāng)厚度的再結(jié)晶層(厚度2Onm左右)；
[0123](7)表面TCO沉積:利用濺射法在再結(jié)晶硅表面沉積一層ΑΖ0(Ζη0: Al)薄膜，薄膜厚度在150nm左右；
[0124](8)印刷與燒結(jié):首先Al背場(chǎng)的印刷與背電極印刷，其次是上表面電極印刷;該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，目的是在電池片背表面形成Al背場(chǎng)，同時(shí)在上下表面良好的電極接觸;此處工藝與目前商用單晶硅太陽(yáng)能電池所用的“印刷-燒結(jié)”工藝完全相同；
[0125](9)測(cè)試分選:該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，把電池片按照功率、電流等電學(xué)參數(shù)進(jìn)行分檔；
[0126](10)通過(guò)以上各步驟，制備出P-型高效多晶硅電池片(結(jié)構(gòu)如圖2所示)。
[0127]根據(jù)步驟(4)離子注入的深度，本發(fā)明提供的OSJS太陽(yáng)能電池具有不同的結(jié)構(gòu)，圖2給出了OSJS太陽(yáng)能電池【具體實(shí)施方式】二的結(jié)構(gòu):
[0128]所述OSJS太陽(yáng)能電池由下至上(與入射光方向相反)包括P型硅100、PN結(jié)200、N型娃300、再晶化娃層401和透明導(dǎo)電層500，以及設(shè)置于透明導(dǎo)電層之上的金屬電極600;
[0129]另外，與普通太陽(yáng)能電池一樣，在P型硅的背面具有背電極、制絨等結(jié)構(gòu)，在附圖中未示出。
[0130]在【具體實(shí)施方式】二的OSJS太陽(yáng)能電池中，在(N-型)發(fā)射區(qū)上表面，制備出一個(gè)含有再結(jié)晶硅的“微結(jié)構(gòu)層”，即載流子放大單元，該再結(jié)晶化硅層是通過(guò)離子注入非晶化，然后再熱退火固相外延再結(jié)晶的方法獲得，在該再結(jié)晶化硅上面，制備一層TCO透明導(dǎo)電薄膜，用于載流子的收集。
[0131]圖7是【具體實(shí)施方式】二提供的OSJS太陽(yáng)能電池的能帶示意圖，其中位于再結(jié)晶硅區(qū)域?qū)У紫?.2?0.4eV處的高濃度缺陷態(tài)是產(chǎn)生自由電子二次激發(fā)的中心。
[0132]實(shí)施例3
[0133]太陽(yáng)能電池的制備方法，包括如下步驟:
[0134](I)采用電阻率p = 0.2?3Ω.cm的P-型多晶硅片，采用酸制絨方式在硅片表面制絨，制絨溶液為HN03+HF+H20的混合溶液；
[0135](2)PN結(jié)擴(kuò)散:將制絨-清洗的P-型硅片，插入擴(kuò)散舟上，在擴(kuò)散爐溫度等達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度之后，把插有硅片的擴(kuò)散舟推入擴(kuò)散爐中，利用POCl3擴(kuò)散工藝進(jìn)行N-型雜質(zhì)擴(kuò)散；硅片在擴(kuò)散爐中經(jīng)過(guò)“回溫-穩(wěn)定-預(yù)擴(kuò)散-擴(kuò)散-再分布-冷卻-進(jìn)漿/出舟”各步驟后，在P-型硅片表面形成了一層N-型擴(kuò)散區(qū)(即形成PN結(jié))；提供開(kāi)展擴(kuò)散工藝條件，把擴(kuò)散后硅片表面的方塊電阻控制在70 Ω/□左右；
[0136](3)表面及邊緣刻蝕:采用濕法(酸腐蝕)刻蝕工藝刻蝕掉擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生的表面磷硅玻璃(PSG)以及硅片四周邊緣的N型擴(kuò)散層，去除硅片四周邊緣的短路通道;采用硝酸(HNO3)與氫氟酸(HF)混合溶液刻蝕；
[0137](4)硅片上表面N型區(qū)(即發(fā)射區(qū))的非晶化:利用磷原子的離子注入工藝，在硅片N型區(qū)上表面注入大劑量的磷原子(注入劑量5X 11Vcm2)，采用兩次注入工藝，注入能量分別為25keV與10keV;提供離子注入，硅片上表面形成一層高摻雜的N-型非晶硅層；
[0138](5)熱退火:在500°C條件下對(duì)上一步非晶化的硅片進(jìn)行熱退火，退火時(shí)間30min，退火進(jìn)行3個(gè)循環(huán);退火過(guò)程在N2+H2保護(hù)氣氛中進(jìn)行(他與出比例為3:1);通過(guò)退火，表面非晶化層底部將發(fā)生固相晶化，即非晶化層底部區(qū)域會(huì)沿著下面沒(méi)有的晶體硅的結(jié)晶方向重新結(jié)晶變成所謂的“再結(jié)晶化硅層”(也稱(chēng)為“固相外延”);同時(shí)，離子注入產(chǎn)生的缺陷態(tài)會(huì)發(fā)生迀移聚集，在再結(jié)晶層形成具有一定濃度的(1018?12tVcm3)帶間缺陷態(tài);熱退火之后非晶層的厚度控制在30nm，再結(jié)晶層的厚度應(yīng)控制在20nm;
[0139](6)表面氧化層及非晶化硅層的去除:通過(guò)濕法(腐蝕)或干法(等離子刻蝕)去除熱退火過(guò)程中在非晶化硅層表面形成的氧化層，進(jìn)而進(jìn)一步去除非晶化硅層，得到清潔的再晶化硅表面;這一步驟通過(guò)濕法刻蝕完成，刻蝕溶液為HF+HN03溶液，通過(guò)調(diào)整刻蝕液的濃度、溫度、刻蝕時(shí)間可以保證把表面非晶硅層完全去除，同時(shí)保留適當(dāng)厚度的再結(jié)晶層(厚度2Onm左右)；
[0140](7)表面沉積鈍化層:利用PECVD技術(shù)再結(jié)晶硅層表面沉積一層Si3N4鈍化/減反層，該薄膜層厚度在10nm左右；
[0141](8)定位刻蝕鈍化層:通過(guò)濕法(腐蝕)或干法(等離子刻蝕)在預(yù)形成電極(柵線(xiàn))的位置進(jìn)行定位刻蝕，刻蝕深度為I OOnm(保證刻蝕透表面的Si3N4鈍化層)。
[0142](8)印刷與燒結(jié):首先Al背場(chǎng)的印刷與背電極印刷，其次是上表面電極印刷;該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，目的是在電池片背表面形成Al背場(chǎng)，同時(shí)在上下表面良好的電極接觸;此處工藝與目前商用單晶硅太陽(yáng)能電池所用的“印刷-燒結(jié)”工藝完全相同；
[0143](9)測(cè)試分選:該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，把電池片按照功率、電流等電學(xué)參數(shù)進(jìn)行分檔；
[0144](10)通過(guò)以上各步驟，可以制備出P-型高效晶硅電池片，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其能帶圖如圖8所示。
[0145]根據(jù)步驟(4)離子注入的深度，本發(fā)明提供的OSJS太陽(yáng)能電池具有不同的結(jié)構(gòu)，圖3給出了OSJS太陽(yáng)能電池【具體實(shí)施方式】三的結(jié)構(gòu):
[0146]所述OSJS太陽(yáng)能電池由下至上(與入射光方向相反)包括P型硅100、PN結(jié)200、N型硅300、再晶化硅層401和鈍化層700，以及金屬電極600，所述金屬電極600穿過(guò)鈍化層700與再晶化硅層401接觸；
[0147]另外，與普通太陽(yáng)能電池一樣，在P型硅的背面具有背電極、制絨等結(jié)構(gòu)，在附圖中未示出。
[0148]在【具體實(shí)施方式】三提供的OSJS太陽(yáng)能電池中，在N-型發(fā)射區(qū)上表面，制備出一個(gè)含有再結(jié)晶化硅的“微結(jié)構(gòu)層”，即載流子放大單元，該再結(jié)晶化硅層是通過(guò)離子注入非晶化，然后再熱退火固相外延再結(jié)晶的方法獲得。在該再結(jié)晶硅上面，制備一層鈍化層(可以是Si02、Si3N4、Al203等，或者它們組成的多層膜復(fù)合層)，在該鈍化層上面制備金屬柵線(xiàn)電極，金屬電極通過(guò)燒結(jié)透過(guò)鈍化層直接與再結(jié)晶硅層接觸，形成良好的歐姆接觸。
[0149]圖8【具體實(shí)施方式】四提供的OSJS太陽(yáng)能電池的能帶示意圖，其中位于再結(jié)晶硅區(qū)域?qū)У紫?.2?0.4eV處的高濃度缺陷態(tài)是產(chǎn)生自由電子二次激發(fā)的中心。
[0150]實(shí)施例4
[0151 ]太陽(yáng)能電池的制備方法，包括如下步驟:
[0?52] (I)米用電阻率P = 0.2?3 Ω.cm的P-型多晶娃片，米用酸制域方式在娃片表面制絨，制絨溶液為HN03+HF+H20的混合溶液；
[0153](2)PN結(jié)擴(kuò)散:將制絨-清洗的P-型硅片，插入擴(kuò)散舟上，在擴(kuò)散爐溫度等達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度之后，把插有硅片的擴(kuò)散舟推入擴(kuò)散爐中，利用POCl3擴(kuò)散工藝進(jìn)行N-型雜質(zhì)擴(kuò)散。硅片在擴(kuò)散爐中經(jīng)過(guò)“回溫-穩(wěn)定-預(yù)擴(kuò)散-擴(kuò)散-再分布-冷卻-進(jìn)漿/出舟”各步驟后，在P-型硅片表面形成了一層N-型擴(kuò)散區(qū)(即形成PN結(jié))；提供開(kāi)展擴(kuò)散工藝條件，把擴(kuò)散后硅片表面的方塊電阻控制在70 Ω/□左右；
[0154](3)表面及邊緣刻蝕:采用濕法(酸腐蝕)刻蝕工藝刻蝕掉擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生的表面磷硅玻璃(PSG)以及硅片四周邊緣的N型擴(kuò)散層，去除硅片四周邊緣的短路通道;采用硝酸(HNO3)與氫氟酸(HF)混合溶液刻蝕；
[0155](4)硅片上表面N型區(qū)(即發(fā)射區(qū))的非晶化:利用磷原子的離子注入工藝，在硅片N型區(qū)上表面注入大劑量的磷原子(注入劑量5X 11Vcm2)，采用兩次注入工藝，注入能量分別為25keV與10keV;提供離子注入，硅片上表面形成一層高摻雜的N-型非晶硅層；
[0156](5)熱退火:在500°C條件下對(duì)上一步非晶化的硅片進(jìn)行熱退火，退火時(shí)間30min，退火進(jìn)行3個(gè)循環(huán);退火過(guò)程在N2+H2保護(hù)氣氛中進(jìn)行(他與出比例為3:1);通過(guò)退火，表面非晶化層底部將發(fā)生固相晶化，即非晶化層底部區(qū)域會(huì)沿著下面沒(méi)有的晶體硅的結(jié)晶方向重新結(jié)晶變成所謂的“再結(jié)晶化硅層”(也稱(chēng)為“固相外延”);同時(shí)，離子注入產(chǎn)生的缺陷態(tài)會(huì)發(fā)生迀移聚集，在再結(jié)晶層形成具有一定濃度的(?11Vcm3)帶間缺陷態(tài);熱退火之后非晶層的厚度控制在30nm，再結(jié)晶層的厚度應(yīng)控制在20nm;
[0157](6)表面氧化層去除:通過(guò)濕法(腐蝕)或干法(等離子刻蝕)去除熱退火過(guò)程中在非晶硅層表面形成的氧化層，得到清潔的非晶硅表面;這一步驟通過(guò)濕法刻蝕完成，刻蝕溶液為HF+HN03溶液，該過(guò)程可以使表面非晶硅層厚度適當(dāng)減薄，將其厚度控制在1nm左右。
[0158](7)表面沉積鈍化層:利用PECVD技術(shù)非晶硅表面沉積一層Si3N4鈍化/減反層，該薄膜層厚度在10nm左右；
[0159](8)定位刻蝕鈍化層:通過(guò)濕法(腐蝕)或干法(等離子刻蝕)在預(yù)形成電極(柵線(xiàn))的位置進(jìn)行定位刻蝕，刻蝕深度為120nm(保證刻蝕透表面鈍化層和非晶硅層)。
[0160](8)印刷與燒結(jié):首先Al背場(chǎng)的印刷與背電極印刷，其次是上表面電極印刷;該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，目的是在電池片背表面形成Al背場(chǎng)，同時(shí)在上下表面良好的電極接觸;此處工藝與目前商用單晶硅太陽(yáng)能電池所用的“印刷-燒結(jié)”工藝完全相同；
[0161](9)測(cè)試分選:該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，把電池片按照功率、電流等電學(xué)參數(shù)進(jìn)行分檔；
[0162](10)通過(guò)以上各步驟，制備出P-型高效晶硅電池片，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，其能帶圖如圖8所示。
[0163]根據(jù)步驟(4)離子注入的深度，本發(fā)明提供的OSJS太陽(yáng)能電池具有不同的結(jié)構(gòu)，圖4給出了 OS JS太陽(yáng)能電池【具體實(shí)施方式】四的結(jié)構(gòu):
[0164]所述OSJS太陽(yáng)能電池由下至上(與入射光方向相反)包括P型硅100、PN結(jié)200、N型硅300、再晶化硅層401、非晶硅層402和鈍化層700，以及金屬電極600，所述金屬電極600穿過(guò)鈍化層700和非晶硅層402與再晶化硅層401接觸；
[0165]另外，與普通太陽(yáng)能電池一樣，在P型硅的背面具有背電極、制絨等結(jié)構(gòu)，在附圖中未示出。
[0166]在【具體實(shí)施方式】三提供的OSJS太陽(yáng)能電池中，在N-型發(fā)射區(qū)上表面，制備出一個(gè)含有再結(jié)晶化硅的“微結(jié)構(gòu)層”，即載流子放大單元，該再結(jié)晶化硅層是通過(guò)離子注入非晶化，然后再熱退火固相外延再結(jié)晶的方法獲得。在該再結(jié)晶硅上面，制備一層鈍化層(可以是Si02、Si3N4、Al203等，或者它們組成的多層膜復(fù)合層)，在該鈍化層上面制備金屬柵線(xiàn)電極，金屬電極通過(guò)燒結(jié)透過(guò)鈍化層直接與再結(jié)晶硅層接觸，形成良好的歐姆接觸。
[0167]圖8【具體實(shí)施方式】四提供的OSJS太陽(yáng)能電池的能帶示意圖，其中位于再結(jié)晶硅區(qū)域?qū)У紫?.2?0.4eV處的高濃度缺陷態(tài)是產(chǎn)生自由電子二次激發(fā)的中心。
[0168]實(shí)施例5
[0169]太陽(yáng)能電池的制備方法，包括如下步驟:
[0170](I)采用電阻率P = 0.2?3Ω.cm的P-型多晶硅片，采用酸制絨方式在硅片表面制絨，制絨溶液為HN03+HF+H20的混合溶液；
[0171](2)PN結(jié)擴(kuò)散:將制絨-清洗的P-型硅片，插入擴(kuò)散舟上，在擴(kuò)散爐溫度等達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度之后，把插有硅片的擴(kuò)散舟推入擴(kuò)散爐中，利用POCl3擴(kuò)散工藝進(jìn)行N-型雜質(zhì)擴(kuò)散。硅片在擴(kuò)散爐中經(jīng)過(guò)“回溫-穩(wěn)定-預(yù)擴(kuò)散-擴(kuò)散-再分布-冷卻-進(jìn)漿/出舟”各步驟后，在P-型硅片表面形成了一層N-型擴(kuò)散區(qū)(即形成PN結(jié))；提供開(kāi)展擴(kuò)散工藝條件，把擴(kuò)散后硅片表面的方塊電阻控制在70 Ω/□左右；
[0172](3)表面及邊緣刻蝕:采用濕法(酸腐蝕)刻蝕工藝刻蝕掉擴(kuò)散過(guò)程中產(chǎn)生的表面磷硅玻璃(PSG)以及硅片四周邊緣的N型擴(kuò)散層，去除硅片四周邊緣的短路通道;采用硝酸(HNO3)與氫氟酸(HF)混合溶液刻蝕；
[0173](4)硅片上表面N型區(qū)(即發(fā)射區(qū))的非晶化:利用磷原子的離子注入工藝，在硅片N型區(qū)上表面注入大劑量的磷原子(注入劑量2X 11Vcm2)，采用一次注入工藝，注入能量分別為200keV，注入深度約為1.Ομπι左右；提供離子注入，硅片上表面形成一層高摻雜的N-型非晶硅層；
[0174](5)熱退火:在500°C條件下對(duì)上一步非晶化的硅片進(jìn)行熱退火，退火時(shí)間30min，退火進(jìn)行3個(gè)循環(huán);退火過(guò)程在N2+H2保護(hù)氣氛中進(jìn)行(他與出比例為3:1);通過(guò)退火，表面非晶化層頂部和底部將發(fā)生固相晶化，即非晶化層兩邊區(qū)域會(huì)重新結(jié)晶變成所謂的“再結(jié)晶化硅層”(也稱(chēng)為“固相外延”);同時(shí)，離子注入產(chǎn)生的缺陷態(tài)會(huì)發(fā)生迀移聚集，在兩個(gè)再結(jié)晶層形成具有一定濃度的(3 X 1018/cm3)帶間缺陷態(tài)；熱退火之后非晶層的厚度控制在20nm，再結(jié)晶層的厚度應(yīng)控制在I Onm ；
[0175](6)表面氧化層的去除:通過(guò)濕法(腐蝕)或干法(等離子刻蝕)去除熱退火過(guò)程中在非晶化硅層表面形成的氧化層；
[0176](7)表面沉積鈍化層:利用PECVD技術(shù)在第二發(fā)射區(qū)(晶硅)表面沉積一層Si3N4鈍化/減反層，該薄膜層厚度在10nm左右；
[0177](8)定位刻蝕鈍化層:通過(guò)濕法(腐蝕)或干法(等離子刻蝕)在預(yù)形成電極(柵線(xiàn))的位置進(jìn)行定位刻蝕，刻蝕深度為1.1ym(保證刻蝕透表面的Si3N4鈍化層、第二發(fā)射區(qū)、頂部再結(jié)晶層、以及非晶硅層)。
[0178](8)印刷與燒結(jié):首先Al背場(chǎng)的印刷與背電極印刷，其次是上表面電極印刷;該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，目的是在電池片背表面形成Al背場(chǎng)，同時(shí)在上下表面良好的電極接觸;此處工藝與目前商用單晶硅太陽(yáng)能電池所用的“印刷-燒結(jié)”工藝完全相同；
[0179](9)測(cè)試分選:該工序與常規(guī)商用電池片制造工藝相同，把電池片按照功率、電流等電學(xué)參數(shù)進(jìn)行分檔；
[0180](10)通過(guò)以上各步驟，可以制備出P-型高效晶硅電池片，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，其能帶圖如圖8所示
[0181]根據(jù)步驟(4)離子注入的深度，本發(fā)明提供的OSJS太陽(yáng)能電池具有不同的結(jié)構(gòu)，圖5給出了OSJS太陽(yáng)能電池【具體實(shí)施方式】五的結(jié)構(gòu):
[0182]所述OSJS太陽(yáng)能電池由下至上(與入射光方向相反)包括P型硅100、PN結(jié)200、N型硅300、第一再晶化硅層401、非晶化硅層402、第二非晶化硅層403和鈍化層700，以及金屬電極600，所述金屬電極600穿過(guò)鈍化層700、第一非晶化硅層402和第二非晶化硅層403，與再晶化硅層401接觸；
[0183]另外，與普通太陽(yáng)能電池一樣，在P型硅的背面具有背電極、制絨等結(jié)構(gòu)，在附圖中未示出。
[0184]【具體實(shí)施方式】五提供的OSJS太陽(yáng)能電池中，在N-型發(fā)射區(qū)上表面之下(發(fā)射區(qū)上半部)，制備出一個(gè)含有“再結(jié)晶-非晶-再結(jié)晶”的“微結(jié)構(gòu)層”，即載流子放大單元，該微結(jié)構(gòu)層是通過(guò)離子注入非晶化，然后再熱退火固相外延再結(jié)晶的方法獲得。在電池的上表面，制備一層鈍化-減反層(可以是Si02、Si3N4、Al203等，或者它們組成的多層膜復(fù)合層)。利用激光刻蝕或者化學(xué)刻蝕方法，在要制備金屬電極的區(qū)域把鈍化-減反層以及下面的非晶硅層刻蝕掉，然后在該刻蝕區(qū)域制備金屬柵線(xiàn)電極，金屬電極直接與再結(jié)晶硅層接觸，形成良好的歐姆接觸。這樣可以避免非晶硅層造成載流子的阻塞效應(yīng)，提供載流子的收集效率。
[0185]圖8【具體實(shí)施方式】三、【具體實(shí)施方式】四、【具體實(shí)施方式】五提供的OSJS太陽(yáng)能電池的能帶示意圖，其中位于再結(jié)晶硅區(qū)域?qū)У紫?.2?0.4eV處的高濃度缺陷態(tài)是產(chǎn)生自由電子二次激發(fā)的中心。
[0186]
【申請(qǐng)人】聲明，本發(fā)明通過(guò)上述實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴(lài)上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開(kāi)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述太陽(yáng)能電池包括設(shè)置于第一發(fā)射層上部的載流子放大單元，用于增大入射光產(chǎn)生的載流子數(shù)量； 所述載流子放大單元包含至少一層再晶化硅層，所述再晶化硅層具有缺陷態(tài)，所述缺陷態(tài)的能級(jí)在導(dǎo)帶低之下0.2?0.4eV，所述再晶化硅層中缺陷態(tài)的密度為118?ΙΟ'πΓ3。2.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述載流子放大單元還可以包含設(shè)置于再晶化硅層入射光一側(cè)的非晶化硅層； 當(dāng)所述載流子放大單元包含設(shè)置于再晶化硅層入射光一側(cè)的非晶化硅層時(shí)，在載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置透明導(dǎo)電層，用于將載流子導(dǎo)出至金屬電極； 或者， 當(dāng)所述載流子放大單元包含設(shè)置于再晶化硅層入射光一側(cè)的非晶化硅層時(shí)，將所述太陽(yáng)能電池的金屬電極深入至與再晶化層接觸，這種情況下，在所述載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置鈍化膜。3.如權(quán)利要求1或2所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層； 當(dāng)所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層時(shí)，在載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置透明導(dǎo)電層，用于將載流子導(dǎo)出至金屬電極； 或者， 當(dāng)所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層時(shí)，將所述太陽(yáng)能電池的金屬電極深入至與第二再晶化層接觸，這種情況下，在所述載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置鈍化膜。4.如權(quán)利要求1或2所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述載流子放大單元包含一層非晶化硅層和設(shè)置于所述非晶化硅層兩側(cè)的第一再晶化硅層和第二再晶化硅層;且在所述載流子放大單元上方設(shè)有第二發(fā)射層;且所述第一發(fā)射層和第二發(fā)射層材質(zhì)相同； 當(dāng)設(shè)有第二發(fā)射層時(shí)，在第二發(fā)射層的入射光一側(cè)設(shè)置透明導(dǎo)電層，用于將載流子導(dǎo)出至金屬電極； 或者， 當(dāng)設(shè)有第二發(fā)射層時(shí)，將所述太陽(yáng)能電池的金屬電極深入至與第二再晶化層接觸，這種情況下，在所述載流子放大單元的入射光一側(cè)設(shè)置鈍化膜。5.如權(quán)利要求1?4之一所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述載流子放大單元通過(guò)向第一發(fā)射層的晶體硅進(jìn)行離子注入后，退火處理得到； 優(yōu)選地，所述載流子放大單元的厚度為5?10nm; 優(yōu)選地，所述非晶化娃層的每層厚度O?50nm; 優(yōu)選地，所述再晶化娃層的厚度為5?50nm ； 優(yōu)選地，所述離子注入的離子優(yōu)選磷和/或硼； 優(yōu)選地，所述離子注入的劑量為114?115Cnf2; 優(yōu)選地，所述離子注入的能量為10?250keV; 優(yōu)選地，所述退火溫度為400?600 °C ; 優(yōu)選地，所述退火時(shí)間為5?10min。6.如權(quán)利要求1?5之一所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述透明導(dǎo)電膜選自摻雜的二氧化錫、二氧化鋅和氧化銦錫中的任意I種或至少2種的組合； 優(yōu)選地，所述透明導(dǎo)電膜厚度為5?10nm; 優(yōu)選地，所述鈍化膜選自二氧化硅、氮化硅和氧化鋁中的任意I種或至少2種的組合； 優(yōu)選地，所述鈍化膜厚度為10?200nm; 所述第一發(fā)射層和第二發(fā)射層為P型硅或N型硅。7.—種如權(quán)利要求1?6之一所述的太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1)對(duì)具有太陽(yáng)能電池的發(fā)射層進(jìn)行離子注入，之后退火處理，在發(fā)射層的上部形成載流子放大單元;所述載流子單元包括至少一層再晶化層； (2)形成載流子導(dǎo)出結(jié)構(gòu)； (3)可選地形成鈍化膜，并必選地形成金屬電極； 其中，所述步驟(2)任選自步驟(2a)、步驟(2b)或步驟(2c)中的任意I個(gè): 步驟(2a)在所述載流子放大單元入射光一側(cè)沉積透明導(dǎo)電層； 步驟(2b)刻蝕完全除去步驟(I)經(jīng)過(guò)離子注入和退火形成的非晶硅層； 步驟(2c)刻蝕除去預(yù)沉積金屬電極區(qū)域的由步驟(I)經(jīng)過(guò)離子注入和退火形成的非晶娃層。8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，當(dāng)步驟(2)為步驟(2a)時(shí)，步驟(3)不形成鈍化膜； 當(dāng)步驟(2)為步驟(2b)時(shí)，步驟(3)在形成鈍化膜之后形成金屬電極，且所述金屬電極與再晶化硅層接觸； 當(dāng)步驟(2)為步驟(2c)時(shí)，步驟(3)在形成鈍化膜之后形成金屬電極，且所述金屬電極與再晶化硅層接觸。9.如權(quán)利要求7或8所述的制備方法，其特征在于，所述離子注入的離子優(yōu)選磷和/或硼； 優(yōu)選地，所述離子注入的劑量為114?1015cm—2; 優(yōu)選地，所述離子注入的能量為10?250keV; 優(yōu)選地，所述退火溫度為400?600 °C ; 優(yōu)選地，所述退火時(shí)間為5?10min。
【文檔編號(hào)】H01L31/028GK105826412SQ201610180491
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】于振瑞
【申請(qǐng)人】中興能源（天津）有限公司