CN101055900A

CN101055900A - 硅太阳电池

Info

Publication number: CN101055900A
Application number: CN 200610025566
Authority: CN
Inventors: 李涛勇; 袁晓
Original assignee: Shanghai Solar Energy Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Solar Energy Science and Technology Co Ltd
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2007-10-17

Abstract

本发明公开了一种硅太阳电池的结构，包括电池背电极、半导体硅衬底层和费米能级不同于半导体硅衬底层的半导体薄膜层，在半导体硅衬底层的材料受光面的表面制备有具有准一维纳米晶体结构，这层纳米晶体结构的孔隙被半导体薄膜层填充，两者形成具有分离光生载流子作用的异质结。由于在结构上利用了纳米结构的表面效应、体积效应和量子尺寸效应，可以使用较低纯度的硅材料制造硅太阳电池，并获得满意的光电转换效率。

Description

硅太阳电池

技术领域

本发明涉及一种太阳电池，特别是可使用低纯度晶体硅制造的硅太阳电池。

背景技术

太阳电池是直接将光能转换为电能的一类光伏器件。目前这类器件主要是用半导体材料制成。利用半导体材料的PN结或者其它能在半导体材料中产生自建电场的结构，分离入射光激发的载流子，通过外电路在回路中产生电流。为了保证入射光激发的载流子在被自建电场分离以前不至于因复合作用而湮灭，通常要求半导体材料有极高的纯度。目前，公知的硅太阳电池使用最为广泛的半导体硅材料，要求其纯度高于99.9999％。在制造高效单晶硅太阳电池时，甚至采用了非平衡少数载流子寿命长达1ms的高纯材料，其材料的纯度等级要求，甚至高于普通IC产业对硅材料的要求。

在现有技术中，与本发明最接近的硅太阳电池结构，是所谓S1S的结构，即半导体-介质钝化层-半导体结构的硅太阳电池。上述结构的硅太阳电池可以采用如下已知的制造方法，包括：腐蚀清洗硅衬底材料；在硅衬底材料表面制备“织构”结构，该“织构”结构是一些微米数量级的凸起或腐蚀坑；在“织构”表面生长一层几个纳米厚度的SiO₂；印刷烧结和工艺制备P⁺型背反射场和背表面电极；用喷涂法在SiO₂表面制备氧化物透明导电膜SnO₂层；印刷制备正表面电极。现有技术明显的不足表现为：

a.难于以酸洗手段去除杂质原子；

b.半导体“结”面积较小，纵深较薄，使入射光激发的载流子距“结”区的平均距离较远，在载流子向“结”区运动的过程中容易因载流子的复合而降低量子效率；

c.单一不变的半导体禁带宽度，降低了光能转换为电能的效率。

由于以上原因，要保证太阳电池具有一定的光电转换效率，现有技术的做法是必须采用高纯硅材料，结果导致太阳电池的成本居高不下。并且高纯硅材料在制备过程中消耗大量的电力能源和化工原料，还有可能造成环境污染问题。

发明内容

为了解决现有硅太阳电池制造技术对硅材料纯度要求过高，导致成本居高不下，以及在高纯硅制备过程中消耗大量电力能源和化工原料，并存在造成环境污染的风险等问题，本发明的目的是提供一种硅太阳电池，采用这种硅太阳电池的结构可以使用较低纯度的硅材料制造，得到具有较高商业价值的太阳电池。

为了达到上述发明目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种硅太阳电池，该太阳电池的结构包括：电池背电极、半导体硅衬底层和费米能级不同于半导体硅衬底层的半导体薄膜层。所述半导体硅衬底层的材料受光面的表面制备有具有准一维纳米晶体结构的薄层，以这层纳米晶体结构为“模板”，使半导体薄膜层填充其孔隙，两种材料相互交织，形成具有分离光生载流子作用的异质结层。异质结层的厚度在100纳米到3微米之间。上述半导体硅衬底层表面的准一维纳米晶体结构是指附着在半导体硅衬底层表面的在二维方向上为纳米尺度，在近似垂直于光照面的方向为微米尺度的表面微结构。上述的准一维纳米晶体结构是通过化学腐蚀或电化学腐蚀方法在硅晶体表面制备的纳米结构多孔硅，多孔硅的“准孔径”和“准孔壁”的尺寸在2纳米到200纳米之间。

本发明硅太阳电池由于采用上述结构，可以大幅度降低对半导体硅衬底层纯度的要求，达到如下有益效果：

首先，因为硅衬底受光面的准一维纳米晶体结构具有比粗晶粒材料大的多的比表面积，即有更多的原子处于晶体的“表面”状态，从而表现出较强的化学活性。因此，在工艺过程中只需采用常规的“酸洗”工艺便可去除准一维纳米晶体结构中的相当比例的杂质原子，特别是对少数载流子寿命影响较大的金属杂质原子，实际上提高了纳米晶体结构层硅材料的纯度。

第二，利用了纳米材料的体积效应。入射光激发的光生载流子在准一维纳米晶体结构中从一种材料向另一种材料的平均渡越时间比在粗晶粒材料中的渡越时间要短几个数量级，甚至只需要纳秒数量级的时间。当这一时间段与材料的少数载流子寿命相比更短时，则光生载流子来不及复合就已被半导体“结”的自建电场分离，通过外电路形成输出电流。也就是说可以使用少数载流子寿命较短即纯度较低的半导体硅衬底材料制作太阳电池，实现现有技术只有采用少数载流子寿命较长即纯度较高的半导体硅衬底层材料时才能达到的电池光电转换效率。

第三，利用纳米结构的量子尺寸效应，当半导体硅的尺寸达到纳米数量级时，其禁带宽度将会变宽，对于波长较短的光有较高的光电转换效率。通过对纳米晶体结构尺寸、掺杂类型和浓度的设计，可形成需要的能带禁带宽度和梯度结构，达到提高光吸收系数的目的。

第四，本发明硅太阳电池的结构使分离光生载流子的异质结处于与电池受光面近似垂直的位置，在入射光方向有较大的纵深，结面积大大增加，有利于光吸收和减少电池片的厚度。

附图说明

图1是现有技术，具有S1S(半导体-介质钝化层-半导体)结构的晶体硅太阳电池的结构示意图；

图2是本发明硅太阳电池的结构示意图；

图3是本发明硅太阳电池准一维纳米结构层平行于受光面方向的能带结构示意图。

图中：1是电池背电极；2是电池背表面重掺杂层；3是P型或N型的半导体硅衬底层；4是半导体硅衬底层材料表面的织构结构；5是钝化层，6是半导体薄膜层，7是具有准一维纳米晶体结构的半导体表面层和与之相互交织填充的半导体薄膜层形成的具有分离光生载流子作用的异质结；8是半导体硅的导带底，9是半导体SnO₂的导带底，10是系统平衡时统一的费米能级，11是半导体硅的价带顶，12是半导体SnO₂的价带顶。

具体实施方式

为了说明本发明硅太阳电池结构的可实施性，下面结合附图和一个具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1是最接近本发明的现有技术，具有S1S(半导体-介质钝化层-半导体)结构的晶体硅太阳电池的结构示意图。如图1所示，它包括依顺序叠层结合的电池背电极1、电池背表面重掺杂层2、P型或N型的半导体硅衬底层3、半导体硅衬底层材料表面的织构结构4、介质钝化层5和半导体薄膜层6。上述现有技术使用半导体SnO₂和半导体硅衬底层3形成半导体异质结，其中介质钝化层5起钝化硅表面的作用。利用两种半导体材料费米能级的差异，使界面附近电子能带发生弯曲，形成自建电场。入射光在半导体中激发的非平衡载流子在自建电场的作用下分离，通过外电路形成电流输出。在图1中，半导体硅衬底3上的“织构”结构4是一些随机或周期排列的连续突起或凹陷结构，其尺寸范围在微米数量级，其作用是使入射光在这些微结构中发生多次反射和再入射，减少入射光的反射损失。由于入射光激发的光生载流子远离PN结，必须经较长路径的扩散和漂移才能到达“结”区，被自建电场分离。而载流子在漂移和扩散途径中极易通过晶体硅中的杂质引入的深能级复合而湮灭，为了减少这种载流子的复合，现有技术须使用高纯度硅材料，因此导致硅太阳电池的成本居高不下。

图2是本发明硅太阳电池的结构示意图。如图2所示，在半导体硅衬底层3的材料受光面的表面制备有具有准一维纳米晶体结构，以这层纳米晶体结构为模板，使半导体薄膜层6填充其孔隙，形成两种材料的相互交织，经适当热处理形成具有分离光生载流子作用的异质结7。所谓准一维纳米晶体结构，是指附着在材料表面的，在二维方向上为纳米尺度，在近似垂直于光照面的方向为微米尺度的表面微结构。所谓纳米尺度是指尺寸范围在数纳米到数百纳米间的尺度，所谓微米尺度指尺寸范围在一百纳米到数微米间的尺度。由于这种结构的太阳电池表层具有较高的光吸收系数，实际到达远离“结”区的光能量较少，同时由于采用低纯度硅，远离“结”区处的光生载流子寿命较短，扩散或漂移到达“结”区对电流输出贡献较小，为了简化工艺，现有技术中的电池背表面重掺杂层2也可弃之不用。

因此，如图2所示，本发明提供的太阳电池的结构包括：依顺序叠层结合的电池背电极1、半导体硅衬底层3、具有分离光生载流子作用的异质结层7和半导体薄膜层6。其中，异质结层7是由附着于半导体硅衬底层3的准一维纳米晶体结构和与之交织的半导体薄膜层6所组成。作为衬底，半导体硅衬底层3的厚度可以在1微米到500微米之间。半导体薄膜层6的厚度由其禁带宽度、电导率、材料对光的吸收系数等因素确定，当采用SnO₂类导电膜时可以在30纳米到500纳米之间，异质结层7的厚度在100纳米到3微米之间。

上述半导体硅衬底层3的导电类型可以是N型或P型；相应地，上述的费米能级不同于半导体硅衬底层3的半导体薄膜层6的导电类型可以是P型或N型。作为一个实施例，半导体硅衬底层3的导电类型为P型，半导体SnO₂为N型。半导体SnO₂还可以是其它氧化物透明导电膜。上述的费米能级不同于半导体硅衬底层3的半导体薄膜层6也可以用透明导体薄膜层替代。

本发明硅太阳电池利用准一维纳米晶体的微结构的表面效应有效去除微结构中的部分杂质；利用准一维纳米晶体的微结构的体积效应和量子尺寸效应获得满意的电池光电转换效率的目的。

本发明的实施非常方便，采用硅太阳电池工艺中的现有技术，其关键在于，使需要形成准一维纳米晶体的微结构的硅表面接触含有HF的溶液，通过电化学腐蚀或化学腐蚀的方法，在硅材料基片上制备出准一维纳米晶体的微结构，依托这种微结构作“模板”使相邻半导体材料或金属材料填充其孔隙并与之形成具有分离光生载流子作用的“结”。同时这种准一维纳米晶体的微结构带来了材料纯化工艺的便利。

本发明的实施例可以采用以下步骤实现：

步骤1，采用厚度在1微米到500微米之间片状或厚膜状、导电类型为P型的半导体硅衬底，通过清洗、腐蚀、制备洁净的表面；其中如果采用的是厚膜状硅衬底，则背面电极是在淀积厚膜工艺的初期形成的，可以省去步骤2。

步骤2，在上述半导体硅衬底上通过印刷烧结制备背电极；为了后步工艺的实施，背表面可以做适当的掩蔽。

步骤3，使硅片正表面与含HF的腐蚀液相接触，通过电化学腐蚀方法或化学腐蚀方法在硅表面生长一层纳米结构的多孔硅，通过控制溶液浓度、光照条件、电流密度、温度等条件，控制多孔硅的“准孔径”和“准孔壁”的尺寸在2纳米到200纳米之间；多孔硅层的厚度在微米数量级，优选尺寸在100纳米到3微米之间。

步骤4，采用“酸洗”工艺，用硝酸、盐酸等溶液腐蚀清洗多孔硅表面，去除杂质元素，特别是金属元素。

步骤5，采用适当的钝化工艺钝化饱和多孔硅表面悬挂键，比如经卤族元素或氢元素钝化，也可以使用氧化硅钝化，钝化厚度为10^-9m数量级。

步骤6，用CVD(化学气相沉积)工艺在多孔硅表面淀积N型SnO₂透明半导体导电膜。

步骤7，经适当热处理使SnO₂和多孔硅间形成半导体异质结并形成光伏电流的输出电极。

采用上述工艺，本发明硅太阳电池的结构如图2所示，与现有技术不同的是，在半导体硅衬底层3和半导体薄膜层6之间的半导体表面层生成具有准一维纳米晶体结构的具有分离光生载流子作用的异质结7。

图3是本发明硅太阳电池实施例在平行于电池受光面方向“结区”的能带结构示意图，在半导体衬底硅与半导体SnO₂间的异质结具有图3所示的能带结构。图中，8是半导体衬底硅的导带底，9是半导体SnO₂的导带底，10是系统平衡时系统统一的费米能级，11是半导体硅的价带顶，12是半导体SnO₂的价带顶。如图3所示，由于多孔硅微结构在平面方向尺寸的限制，载流子可以很快在平面方向X(Y)从一种材料渡越至另一种材料。由于渡越距离的限制，能带的弯曲较小，可以忽略。当半导体硅衬底层，特别是准一维纳米晶体发生光吸收时，将发生硅价带顶的电子向硅导带底或SnO₂导带底的激发，处于半导体硅导带底的载流子通过漂移和扩散进入SnO₂层，经外电路形成电流输出。

Claims

1、一种硅太阳电池，包括电池背电极、半导体硅衬底层和费米能级不同于半导体硅衬底层的半导体薄膜层，其特征在于：所述半导体硅衬底层的材料受光面的表面制备有具有准一维纳米晶体结构，所述的半导体薄膜层填充于该纳米晶体结构的孔隙，并与之形成具有分离光生载流子作用的异质结层。

2、根据权利要求书1所述的硅太阳电池，其特征在于，所述的异质结层的厚度在100纳米到3微米之间。

3、根据权利要求书1所述的硅太阳电池，其特征在于，所述半导体硅衬底层表面的准一维纳米晶体结构是指附着在半导体硅衬底层表面的在二维方向上为纳米尺度，在近似垂直于光照面的方向为微米尺度的表面微结构。

4、根据权利要求书1所述的硅太阳电池，其特征在于，所述的准一维纳米晶体结构是通过化学腐蚀或电化学腐蚀方法在硅晶体表面制备的纳米结构多孔硅，多孔硅的“准孔径”和“准孔壁”的尺寸在2纳米到200纳米之间。

5、根据权利要求书1或4所述的硅太阳电池，其特征在于，所述的纳米结构的多孔硅表面可以经卤族元素或氢元素钝化，也可以使用氧化硅钝化，钝化厚度为10^-9m数量级。

6、根据权利要求书1所述的硅太阳电池，其特征在于，所述的半导体薄膜层的厚度在30纳米到500纳米之间。

7、根据权利要求书1或6所述的硅太阳电池，其特征在于，所述的半导体薄膜层可以用透明导体薄膜层替代。

8、根据权利要求书1所述的硅太阳电池，其特征在于，所述的半导体硅衬底层的厚度在1微米到500微米之间。

9、根据权利要求书1或8所述的硅太阳电池，其特征在于，所述的半导体硅衬底层的导电类型可以是N型或P型；相应地，所述的费米能级不同于半导体硅衬底层的半导体薄膜层的导电类型可以是P型或N型。