CN101044630A - 太阳能电池及太阳能电池的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池,其包括形成在硅基板(1)的光接收表面上的钝化膜(2)和形成在该钝化膜(2)上的抗反射膜(3),其中该钝化膜(2)的折射率高于抗反射膜(3)的折射率。还公开了制造这样的太阳能电池的方法。在该太阳能电池中,钝化膜(2)和抗反射膜(3)均可以由氮化硅膜构成。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池和太阳能电池的制造方法。更具体而言,本发明涉及具有改进的最大电功率的太阳能电池及该太阳能电池的制造方法。
背景技术
最近,期望清洁能源的开发来解决例如能源枯竭和空气中的CO2增加的全球性环境问题。具体而言,使用硅基板的太阳能电池(此后称为硅太阳能电池)作为新的能源已经得到开发并投入实际使用,寻求开发道路。
为了提高硅太阳能电池的最大电功率,已经致力于防止硅基板内部和硅基板表面上的少数载流子的损失。具体而言,为了防止硅基板表面上的少数载流子的损失,开发了在硅基板表面上形成氧化硅膜以防止少数载流子复合的钝化技术(例如见非专利文献1)。此外,还开发了在硅基板表面上形成氮化硅膜的钝化技术(例如见非专利文献2)。
非专利文献1:Jianhua Zhao,Aihua Wang,Martin A.Green,“24.7%EFFICIENT PERL SILICON SOLAR CELLS AND OTHER HIGHEFFICIENCY SOLAR CELL AND MODULE RESEARCH AT THEUNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES”,ISES Solar World Congress,Jerusalem,Israel,1999.
非专利文献2:Jan Schmidt,Mark Kerr,Andres Cuevas,“Surfacepassivation of silicon solar cells using plasma-enhancedchemical-vapour-deposited SiN films and thin thermal SiO2/plasma SiN stacks”,Semicond.Sci.Technol.,16(2001),pp 164-170.
发明内容
本发明解决的问题
当如非专利文献1所述,氧化硅膜形成在硅基板表面上作为防止硅基板表面上的少数载流子的复合的钝化膜时,氧化硅膜也用作防止太阳光反射的抗反射膜。然而,由于氧化硅膜在防止太阳光反射方面不是很有效,且对太阳光具有高反射系数,因此不能获得足够的最大电功率。
此外,当如非专利文献2所述,氮化硅膜形成在硅基板表面上作为钝化膜时,该氮化硅膜也用作防止太阳光反射的抗反射膜。虽然随着氮化硅膜的折射率增加,钝化效果(防止硅基板表面上的少数载流子的复合)也提高,但由于具有高折射率的氮化硅膜中的吸收,损失相当多的太阳光。因此,不能获得足够的最大电功率。
本发明的一个目的是提供一种具有提高的最大电功率的太阳能电池和该太阳能电池的制造方法。
解决问题的方法
本发明的太阳能电池包括形成在硅基板的光接收表面上的钝化膜和形成在该钝化膜上的抗反射膜,其中该钝化膜具有高于抗反射膜的折射率。
在本发明的太阳能电池中,钝化膜和抗反射膜均可以由氮化硅膜制成。
此外,在本发明的太阳能电池中,钝化膜优选具有不超过10nm的膜厚。
此外,在本发明的太阳能电池中,钝化膜优选具有不小于2.6的折射率。
此外,制造根据上述任何一个的太阳能电池的本发明的方法包括的步骤为:通过使用第一气体的等离子CVD在硅基板的光接收表面上形成钝化膜;和通过使用具有不同于第一气体的组分的第二气体的等离子CVD在该钝化膜上形成抗反射膜。在制造本发明的太阳能电池的方法中,只要构成第二气体的至少一种成分类型和成分之间的数量关系不同于第一气体即可。
在制造根据本发明的太阳能电池的方法中,形成钝化膜的RF功率密度优选低于形成抗反射膜的RF功率密度。
此外,在制造本发明的太阳能电池的方法中,用于形成钝化膜的膜形成腔不同于用于形成抗反射膜的膜形成腔。
此外,在制造本发明的太阳能电池的方法中,第一气体和第二气体可以包括硅烷气体和氨气。
本发明的效果
根据本发明,可以提供具有提高的最大电功率的太阳能电池及制造该太阳能电池的方法。
附图说明
图1是本发明的示例性太阳能电池的部分的示意性截面图;
图2示出当使用SiH4气体和NH3气体通过等离子体CVD形成氮化硅膜时引入的气体之间的流量比(NH3/SiH4)与形成的氮化硅膜的折射率之间的关系;
图3示出当具有不同折射率的氮化硅膜通过等离子体CVD形成在硅基板表面上时,氮化硅膜的折射率与少数载流子寿命之间的关系;
图4是在本发明的示例中用于形成钝化膜和抗反射膜的示例性设备的示意性截面图;
图5是在本发明的示例1中制造的太阳能电池的后表面的示意性平面图;
图6是沿VI-VI所取的图5所示的太阳能电池的示意性截面图。
附图标记描述
1硅基板,2、6钝化膜,3抗反射膜,4p+层,5n+层,7p电极,8n电极,9膜形成腔,10下电极,11上电极,12气体入口
具体实施方式
此后,将描述本发明的实施例。在本发明的附图中,相同或相应部分将通过相同附图标记表示。
图1是本发明的示例性太阳能电池的部分的示意性截面图。本发明的太阳能电池包括硅基板1、形成在硅基板1的光接收表面(太阳光入射的表面)上的由氮化硅膜制成的钝化膜2、和形成在钝化膜2上的由氮化硅膜制成的抗反射膜3。该太阳能电池具有钝化膜2的折射率高于抗反射膜3的特点。
采用此结构,通过由折射率高于抗反射膜3的氮化硅膜制成的钝化膜2,能够有效防止硅基板1的光接收表面上的少数载流子的复合,同时没有降低由氮化硅膜制成的抗反射膜3防止太阳光反射的效果。结果,可以提高太阳能电池的最大电功率。
图2示出了当使用硅烷(SiH4)气体和氨气(NH3)通过等离子体CVD形成氮化硅膜时引入的气体之间的流量比(NH3/SiH4)与形成的氮化硅膜的折射率之间的关系。纵坐标轴代表形成的氮化硅膜的折射率,且横坐标轴代表NH3气体与SiH4气体的流量比(NH3/SiH4)。
如图2所示,形成的氮化硅膜的折射率倾向于随着气体(NH3/SiH4)之间流量比的增加而降低。因此,通过改变引入等离子体CVD设备中的气体的组分,可以通过等离子体CVD在硅基板的光接收表面上形成由具有高折射率的氮化硅膜制成的钝化膜,并在钝化膜上形成由具有低折射率的氮化硅膜制成的抗反射膜。通过使用以He-Ne激光(波长:632.8nm)作为光源的偏振光椭圆率测量仪的椭圆偏光法测量图2所示的氮化硅膜的折射率。
图3示出通过改变气体组分在硅基板的表面上通过等离子体CVD形成具有不同折射率的氮化硅膜时,氮化硅膜的折射率与少数载流子寿命之间的关系。纵坐标轴代表少数载流子的寿命,且横坐标轴代表氮化硅膜的折射率。
如图3所示,少数载流子的寿命倾向于随着形成在硅基板表面上的氮化硅膜的折射率的增加而增加。具体而言,当氮化硅膜的折射率不小于2.6更优选不小于2.9时,少数载流子的寿命倾向于显著增加。
如此,存在当形成在硅基板的光接收表面上的氮化硅膜具有高折射率时,能够进一步防止少数载流子的复合的趋势。然而,由于具有高折射率的氮化硅膜容易吸收太阳光,所以优选形成在硅基板的光接收表面上的氮化硅膜具有不超过10nm的膜厚,以减少由吸收导致的太阳光损耗。此外,为了减小由反射导致的太阳光损耗,更优选形成具有不小于1.8且不超过2.3的折射率和不小于50nm且不超过100nm的膜厚的氮化硅膜作为钝化膜上的抗反射膜。
通过使用以He-Ne激光(波长:632.8nm)作为光源的偏振光椭圆率测量仪的椭圆偏光法测量图3所示的氮化硅膜的折射率。通过使用具有904nm波长的激光的寿命测量设备的微波反射计测量图3所示的少数载流子的寿命。
此外,优选将通过等离子体CVD在硅基板的光接收表面上形成钝化膜的RF(射频)功率设置得尽可能低。这样,当在其上形成钝化膜时,硅基板可以被较少地损坏,且因此可以形成具有优异的钝化效果的氮化硅膜。
示例
示例1
首先,为了从切割为具有250μm厚度的12.5cm×12.5cm的方形n型单晶硅基板消除切割损伤,用NaOH溶液蚀刻硅基板表面直到硅基板具有200μm厚度。然后,在硅基板的光发射表面和后表面的每个上形成氧化硅膜用作扩散掩模(diffusion mask)。接着,在硅基板后表面上的氧化硅膜上通过光刻而构图抗酸性的抗蚀剂,并用氢氟酸蚀刻暴露的氧化硅膜。接着,在970℃的气氛中进行BBr3的气相扩散50分钟,以在硅基板的被蚀刻的后表面上形成梳状p+层。
此后,在硅基板的前表面和后表面的每个上再次形成氧化硅膜,且蚀刻硅基板后表面上的氧化硅膜到期望的形状,方式与形成p+层相同。接着,在970℃的气氛中进行POCl3的气相扩散20分钟,以在硅基板的被蚀刻的后表面上形成梳状n+层,该梳状n+层面对p+层从而彼此不交叠。
接着,为了在与硅基板的后表面相对的前表面(光接收表面)上形成织构(texturing),通过APCVD(大气压力化学气相沉积)在硅基板的后表面上形成具有800nm厚度的氧化硅膜作为保护膜,且硅基板被浸入80℃的具有2.5%质量浓度的KOH的KOH溶液中45分钟,从而在硅基板的光接收表面上形成织构。此后,用具有10%质量浓度的HF的HF溶液除去硅基板后表面上的保护膜。
接着,硅基板放置在800℃的氧气氛中30分钟以在硅基板的光接收表面和后表面的每个上形成10nm厚度的氧化硅膜,作为钝化膜。然后,通过APCVD在硅基板的后表面上的钝化膜上形成400nm厚度的氧化硅膜作为保护膜。此后,为了在硅基板的光接收表面上形成氮化硅膜,硅基板被浸入具有10%质量浓度的HF的HF溶液中一分钟,以除去硅基板的光接收表面上的氧化硅膜。
接着,使用图4的示意截面图中所示的设备通过等离子体CVD在与其上形成有p+层和n+层的后表面相对的硅结构的前表面(光接收表面)上形成由氮化硅膜制成的钝化膜。图4所示的设备包括膜形成腔9和设置在膜形成腔9内部的下电极10和上电极11。其上形成有p+层和n+层的硅基板1放置在膜形成腔9内部的下电极10上,且SiH4和NH3气体以0.2的流量比(NH3/SiH4)从气体入口12引入。然后,射频电压在350W/m2的RF功率密度施加到下电极10和上电极11上。因此,在硅基板1的光接收表面上形成5nm膜厚的氮化硅膜(折射率:3.3)作为钝化膜。
此后,膜形成腔9被一次排空,然后SiH4气体和NH3气体以3的流量比(NH3/SiH4)从气体入口12再次引入。然后,射频电压在350W/m2的RF功率密度施加到下电极10和上电极11上。因此,具有73nm膜厚的氮化硅膜(折射率:2.2)形成为钝化膜上的抗反射膜。
在其上形成有上述钝化膜的硅基板的后表面上通过光刻构图抗酸性抗蚀剂,且该抗酸性抗蚀剂和钝化膜被氢氟酸蚀刻以形成暴露其中形成p+层和n+层的部分的接触孔。接着,Ti(钛)薄膜、Pd(钯)薄膜和Ag(银)薄膜从硅基板的后表面依次沉积在硅基板的整个后表面上,然后除去该抗酸性抗蚀剂。结果,通过提升(lift-off)形成图5的示意性平面图所示的梳状p电极7和n电极8。
此后,沿电极将硅基板切割为12.5cm×12.5cm的方形。如此完成太阳能电池。
图6是沿VI-VI所取的图5所示的太阳能电池的示意性截面图。如图6所示,在示例1的太阳能电池中,钝化膜2和抗反射膜3依次形成在n型硅基板1的光接收表面上,且p+层4和n+层5形成在硅基板1的后表面上。此外,钝化膜6形成在硅基板1的后表面上,且p电极7和n电极8分别形成在p+层4和n+层5上。应该注意在图6中示意性地示出了部分太阳能电池。
表1示出了太阳能电池的测试性质结果。太阳能电池具有37.50mA/cm2的短路电流密度(Jsc),0.650V的开路电压(Voc),0.770的占空因数(fill factor,F.F),和1.694W的最大电功率(Pmax)。
示例2
太阳能电池在与示例1相同的条件下制造,除了在硅基板的光接收表面上形成钝化膜的RF功率密度设为140W/m2以外。太阳能电池的测试性质的结果也在表1中示出。太阳能电池具有37.80mA/cm2的短路电流密度(Jsc),0.651V的开路电压(Voc),0.776的占空因数(F.F),和1.725W的最大电功率(Pmax)。
对比例1
SiH4气体和NH3气体以3的流量比(NH3/SiH4)引入从而形成具有37nm膜厚和2.2折射率的氮化硅膜,作为硅基板的光接收表面上的钝化膜。此后,具有37nm膜厚和2.2折射率的氮化硅膜形成为钝化膜上的抗反射膜,而不改变SiH4气体与NH3气体的流量比(NH3/SiH4)。除了上述之外,太阳能电池在与示例1相同的条件下制造。太阳能电池的测试性质的结果在表1中示出。太阳能电池具有37.50mA/cm2的短路电流密度(Jsc),0.648V的开路电压(Voc),0.770的占空因数(F.F),和1.689W的最大电功率(Pmax)。
表1
钝化膜 | 抗反射膜 | 太阳能电池性质 | ||||||||
折射率 | 膜厚(nm) | RF功率密度(W/m2) | 折射率 | 膜厚(nm) | RF功率密度(W/m2) | Jsc(mA/cm2) | Voc(V) | F.F | Pmax(W) | |
示例1 | 3.3 | 5 | 350 | 2.2 | 73 | 350 | 37.50 | 0.650 | 0.770 | 1.694 |
示例2 | 3.3 | 5 | 140 | 2.2 | 73 | 350 | 37.80 | 0.651 | 0.776 | 1.725 |
对比例1 | 2.2 | 37 | 350 | 2.2 | 37 | 350 | 37.50 | 0.648 | 0.770 | 1.689 |
如表1所示,在其中作为硅基板的光接收表面上的钝化膜的氮化硅膜的折射率(3.3)高于作为形成在钝化膜上的抗反射膜的氮化硅膜的折射率(2.2)的示例1和2的太阳能电池中,最大电功率与对比例1的太阳能电池相比提高了,在对比例1中,形成为钝化膜的氮化硅膜和形成为抗反射膜的氮化硅膜具有相同的折射率(2.2)。因为具有高折射率的氮化硅膜形成在硅基板的光接收表面上,且能够防止硅基板的光接收表面上的少数载流子的复合,所以可以获得这一改进。
此外,如表1所示,在其中形成作为钝化膜的氮化硅膜的RF功率密度设为低于形成作为抗反射膜的氮化硅膜的RF功率密度的示例2中的太阳能电池中,最大电功率与示例1的太阳能电池相比提高了,在示例1中钝化膜和抗反射膜均在相同的RF功率密度下形成。因为形成钝化膜的RF功率密度低且因此硅基板在形成钝化膜时较不易损伤,所以可以获得这一改进。
虽然在上述示例中NaOH溶液用于蚀刻的硅基板,但HF溶液和HNO3溶液的混合酸可以用于蚀刻。
此外,虽然在上述示例中通过光刻构图抗酸性抗蚀剂,但抗酸性蚀刻剂可以通过印刷而构图。
此外,虽然在上述示例中进行BBr3的气相扩散以形成p+层,p+层也可以通过在硅基板上通过旋涂施加含硼化合物的医学溶液然后在700℃到1000℃退火该硅基板而形成。此外,p+层也可以通过图案印刷铝浆料和焙烧该浆料而形成。
此外,虽然在上述示例中进行POCl3的气相扩散以形成n+层,但n+层也可以通过旋涂在硅基板的表面上施加含磷化合物的医学溶液然后在700℃到1000℃退火该硅基板而形成。
此外,虽然在上述示例中p+层和n+层均形成为梳形,但p+层和n+层可以形成为点或线的形状。此外,p+层和n+层可以具有不同形状。
此外,虽然在上述示例中n+层在p+层形成之后形成,但形成这些层的顺序不限于此顺序,且p+层可以在n+层形成之后形成。
此外,虽然在上述示例中沉积Ti薄膜、Pd薄膜和Ag薄膜然后除去抗酸性抗蚀剂以通过提升形成梳状p电极和n电极,但p电极和n电极也可以通过在p+层和n+层上印刷银浆料、干燥该浆料,然后在400℃到750℃焙烧该浆料1到100分钟而形成。
此外,虽然在上述示例中使用单晶硅基板,但也可以使用多晶硅基板。
此外,虽然在上述示例中使用n型硅基板,但也可以使用p型硅基板。
此外,虽然在上述示例中使用相同的膜形成腔形成钝化膜和抗反射膜,但用于形成钝化膜的膜形成腔可以不同于用于形成抗反射膜的膜形成腔。
此外,虽然在上述示例中氮化硅膜形成为硅基板的光接收表面上的钝化膜,但氧化硅膜也可以形成为硅基板的光接收表面上的钝化膜。
此外,在上述示例中,可以通过提高形成在硅基板的后表面上的钝化膜的折射率来提高硅基板的后表面上的钝化效果。
应该理解,上述公开的实施例和示例从任何意义上来说都仅是示例性的且不是用于限制。本发明的范围由权利要求设定而不是上述描述,且本发明旨在覆盖权利要求和等同物的精神和范围内的所有变化。
工业适用性
本发明的太阳能电池包括形成在硅基板的光接收表面上的钝化膜和形成在钝化膜上的抗反射膜,且钝化膜具有高于抗反射膜的折射率。因此,可以提高最大电功率。
Claims (8)
1、一种太阳能电池,包括:
形成在硅基板(1)的光接收表面上的钝化膜(2);和
形成在所述钝化膜(2)上的抗反射膜(3),
其中所述钝化膜(2)具有高于所述抗反射膜(3)的折射率。
2、根据权利要求1所述的太阳能电池,其中所述钝化膜(2)和所述抗反射膜(3)均由氮化硅膜制成。
3、根据权利要求1所述的太阳能电池,其中所述钝化膜(2)具有不超过10nm的膜厚。
4、根据权利要求1所述的太阳能电池,其中所述钝化膜(2)具有不小于2.6的折射率。
5、一种制造根据权利要求1所述的太阳能电池的方法,包括的步骤为:
通过使用第一气体的等离子体CVD在所述硅基板(1)的光接收表面上形成所述钝化膜;和
通过使用具有不同于所述第一气体的组分的第二气体的等离子体CVD在所述钝化膜(2)上形成所述抗反射膜(3)。
6、根据权利要求5所述的太阳能电池的制造方法,其中形成所述钝化膜(2)的RF功率密度低于形成所述抗反射膜(3)的RF功率密度。
7、根据权利要求5所述的太阳能电池的制造方法,其中用于形成所述钝化膜(2)的膜形成腔不同于用于形成所述抗反射膜(3)的膜形成腔。
8、根据权利要求5所述的制造太阳能电池的方法,其中所述第一气体和所述第二气体包括硅烷气体和氨气。
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Pasanen | Pasanen, Toni; Vähänissi, Ville; Wolny, Franziska; Oehlke, Alexander; Wagner, Matthias; Juntunen, Mikko A.; Heikkinen, Ismo TS; Salmi, Emma; Sneck, Sami; Vahlman, Henri; Tolvanen, Antti; Hyvärinen, Jaakko; Savin, Hele Industrial Applicability of Antireflection-Coating-Free Black Silicon on PERC Solar Cells and Modules |
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