CN101257055A

CN101257055A - 一种具有陷光结构的硅薄膜光电池

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Publication number: CN101257055A
Application number: CNA2007100796270A
Authority: CN
Inventors: 李德杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-03

Abstract

一种具有陷光结构的硅薄膜光电池，属于太阳能利用领域。基本结构由下而上为玻璃基片、二氧化硅层、透明导电薄膜、P型半导体硅层、I型半绝缘硅层、N型半导体硅层、银和抗氧化金属组成的复合薄膜反射电极。在反射电极下面的硅层具有在低熔点金属非连续岛状薄膜保护下刻蚀形成的横向尺寸和厚度方向尺寸都小于300纳米的小岛状的起伏表面。本发明具有结构简单、效果好、适合规模化量产的特点，适合大面积硅薄膜光电池的应用。

Description

一种具有陷光结构的硅薄膜光电池

技术领域：

本发明为一种新型硅薄膜光电池，属于太阳能利用技术领域。

技术背景：

化石能源的逐步枯竭和环保问题使得可再生能源的发展变得越来越重要，成为产业发展的一个重要方向。可再生能源主要包括风能、潮汐能、生物能、水能和太阳能等，其中太阳能的利用包括光热和光电两个方向。光热的利用在中国发展非常快，太阳能热水器随处可见，但光电产业的发展并不十分乐观。当前光电池的主体是晶硅电池，由于需要大量的单晶或多晶硅材料，使得发电成本比当前主流发电技术的成本高数十倍，阻碍了其正常发展。根据粗略统计，中国晶硅电池产量虽然只占世界的10％左右，但在国内销售的也只有其中的10％，90％的产量销售到国外，造成了原料和市场都在国外的现象。目前国际上许多国家为了鼓励发展太阳能发电都采取了巨额政府补贴的方式，使得公司和家庭都有利可图，从而一定程度上刺激了产业发展。即使如此，太阳能发电容量依然很小。

降低成本是发展太阳能光电产业的唯一途径，不少人认为，只有太阳能电池价格降低到每平米30欧元，才能真正成为有实际意义的新能源，而这一价格仅为当前晶硅电池的几十分之一。解决这一问题的根本途径上发展薄膜硅电池，而且必须采用非常简单的工艺技术，具有高速薄膜沉积能力。为此，还必须在电池结构上有重大创新，总的薄膜厚度必须小于1微米，最好是小于500纳米，为提高生产效率打下基础。

当前薄膜硅光电池产品以非晶硅电池为主，效率较低，还存在退化问题。对于非晶硅薄膜电池，由于基本是直接带隙，所以光吸收系数很大，厚度1微米就足够了。非晶硅薄膜电池成本基本为晶硅电池的三分之一，但效率也基本为三分之一，相比没有什么优势。

多晶硅薄膜光电池是发展方向之一，效率可以达到15％以上。由于多晶硅薄膜为间接带隙，因此吸收系数小，需要10微米的厚度才能将入射光基本吸收，这样的厚度无疑将导致成本的提高。解决这一问题的手段是采用所谓的陷光结构，即让光在硅薄膜中来回多发射几次，这样就可以在较小的膜厚条件下达到全部吸收的效果。

当前已经报道的陷光结构大部分是在玻璃衬底上加工出起伏表面，再在其上沉积多晶硅薄膜，形成光电池。也有的报道是先沉积多晶硅薄膜，然后在其上形成起伏表面。起伏表面的形成方法很多，如沉积一层氧化锡薄膜，自然形成起伏表面。也有采用光刻和刻蚀方法形成起伏表面的报道，但由于起伏的横向尺寸太大，陷光作用很小。附图1和2为已有的具有陷光结构的光电池示意图。由于起伏结构的横向尺寸大于波长，因此在起伏面上光表现为反射而不是散射或漫射，相当大一部分没被吸收的光又返回到电池薄膜外面去了。

针对所述的问题，本发明提出一种新型多晶硅薄膜光电池结构，成功的解决了光电转换效率和制作成本间的矛盾，为光电池产业发展提供了可靠的基础。

发明内容：

基于散射、反射、全反射、减反射等光学原理，本发明提出并实现了一种新型结构的多晶硅薄膜光电池。

具有新型陷光结构的硅薄膜光电池，基本结构由下而上为玻璃基片、二氧化硅隔离层、透明导电薄膜、P型半导体硅层、I型半绝缘硅层、N型半导体硅层、银和抗氧化金属组成的复合薄膜反射电极，其区别与已有结构光电池的基本特征在于：在所述的反射电极下面的硅层具有在低熔点金属非连续岛状薄膜保护下刻蚀形成的横向尺寸和厚度方向尺寸都小于300纳米的小岛状的起伏表面，所述的起伏表面是刻蚀N型半导体硅层形成。

本发明中的透明导电薄膜一般采用掺銻氧化锡、掺铝或掺镓氧化锌、氧化铟锡等金属氧化物，它们的折射率一般为2左右，如果将其厚度控制在60纳米左右，还可以起到阳光减反射薄膜的作用。

本发明中的复合薄膜反射电极中的抗氧化金属一般选用铝，这样即廉价效果又好，选用铬、镍等金属也可，效果相同，但成本稍高。

以下详细解释本发明与已有技术相比的突出技术效果。

本发明中，半导体硅层具有横向尺寸和厚度方向尺寸都小于300纳米的小岛结构。由于薄膜硅的折射率达到4，而阳光中能量密度最大的波长为500纳米左右，在薄膜硅中的光波长为125纳米。如果岛状结构的横向尺寸大于500纳米，相当于4个波长大小，则对光的反射与平面发射相差不大，这就是当前已有的陷光结构效果不佳的根本原因。本发明中，这一尺寸小于300纳米，光在到达这一起伏面时，完全达到漫反射的效果，基本均匀分布在2π立体角内。在硅层与二氧化硅层的界面以及玻璃与空气界面上，这些漫反射的光98％被反射回来，进行的二次吸收。由于硅层的吸收，即使往返10次，透出去的光也不可能超过10％，这样本发明的技术效果就突现出来了。对于最好的多晶硅薄膜，当厚度为10微米时，入射的光可基本被吸收，因此一般的薄膜硅光电池厚度应大于10微米，这就导致了制作成本极高，而无法产业化。对于一般的多晶硅薄膜，厚度为5微米时，入射光就基本被吸收，即使这一的厚度，也是产业化所不允许的。采用本发明的结构，硅层的厚度只要达到1微米，就可以实现入射光90％以上被吸收，回到空气中的不到10％，这是已有任何具有陷光结构的光电池所远远不能达到的。

在已有的各类具有陷光结构的薄膜光电池中，陷光结构都放在光的入射面，或者至少在入射面和反射面上都有陷光结构。而本发明恰恰相反，入射面为平面结构，陷光结构只位于反射面上。从严格的意义上讲，只有本发明的结构才能称得上是陷光结构，而已有的陷光结构基本上都是提高了光的入射比例，而不是真正将光陷于硅层中。

已有的制备光电池陷光结构的方法很多，包括传统的光刻胶保护下的刻蚀、酸蚀玻璃、喷沙打毛玻璃等。但这样制备出的结构横向尺寸都远远大于波长，因此技术效果差。采用当前微电子技术中的最高分辨率的光刻和刻蚀方式当然可以制备出最好的陷光结构，但那只能在平方厘米量级的面积上进行制备，完全不可能用于光电池工业中。大面积光刻的最高精度不可能优于1微米，即使这样的精度也是光电池产业所不允许的。

本发明采用了金属薄膜作掩膜进行刻蚀，低熔点金属薄膜沉积中，只要衬底加热到一定程度就可以生成非连续岛状薄膜，以其为掩膜刻蚀硅表面，效果非常好，而且成本极低，完全可以用于规模化生产。以锡薄膜为例，只要衬底加热到100摄氏度就可产生很好的岛状结构，甚至常温下也能产生岛状结构。在生产工艺中，衬底不加温或加温很低是至关重要的。

本发明中的二氧化硅层的作用是阻挡玻璃中的钠离子进入到硅层中，降低其光电转换性能，该层的厚度没有特殊要求，只要大于100纳米就可以了，太厚则需要较长的沉积时间，工艺上不合理。采用二氧化硅而不采用广泛应用的氮化硅，是由于二氧化硅的折射率与玻璃基本相同，因此选择其厚度时不必考虑光学效应。如果采用氮化硅，由于其折射率大于玻璃的折射率，因此必需要考虑光学效应。选择二氧化硅的另一个原因是当采用廉价的溅射方式沉积时，同样的功率条件下，其沉积速率是氮化硅的3倍，这非常有利于规模化生产。

需要说明的是，本发明只对多晶硅薄膜光电池有效，对于非晶硅光电池，由于其吸收系数极大，根本不需要本发明所述的陷光结构。

关于多晶硅薄膜的制备，已经有很多成熟的方法，如金属诱导生长、固相晶化、氢环境下生长子晶再溅射沉积等，其中适合大生产的为金属诱导子晶联合固相晶化方法，本发明中将采用溅射沉积非晶硅薄膜，再用金属诱导和固相晶化的方法，具体步骤可在相关文献中发现。

附图说明：

图1和图2为已有具有陷光结构的光电池结构示意图。

图3为本发明的一种刻蚀N型半导体硅层的光电池结构示意图。

图4为本发明的陷光结构原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施方式。

图3表示本发明之一的具有陷光结构的硅薄膜光电池，基本结构由下而上为玻璃基片10、二氧化硅隔离层11、透明导电薄膜12、P型半导体硅层13、I型半绝缘硅层14、经过刻蚀的N型半导体硅层15、银和抗氧化金属组成的复合薄膜反射电极16，其中在反射电极下面的硅层具有在低熔点金属非连续岛状薄膜保护下刻蚀形成的横向尺寸和厚度方向尺寸都小于300纳米的小岛状的起伏表面。

以下以具体例子进一步阐述本发明。

实施例1：以硼硅玻璃为衬底，用反应溅射方法先沉积一层厚度150纳米的二氧化硅作为隔离层，再沉积一层厚度60纳米的掺铝氧化锌作为透明电极兼阳光减反射层。用磁控溅射沉积非晶硅薄膜，再用金属诱导联合固相晶化方法制备P型硅、I型硅和N型硅，厚度分别是30纳米、400纳米和50纳米。在得到的基片上沉积厚度30纳米的锡薄膜，沉积时衬底加温到100度。以锡膜为掩模，进行等离子刻蚀，刻蚀深度为30纳米，然后在硝酸中腐蚀掉锡膜。在得到的基片上进行常规的N型接触层处理后，沉积50纳米的银反射电极和100纳米的铝保护层。

实施例2：以硼硅玻璃为衬底，用反应溅射方法先沉积一层厚度150纳米的二氧化硅作为隔离层，再沉积一层厚度60纳米的氧化铟锡作为透明电极兼阳光减反射层。用磁控溅射沉积非晶硅薄膜，再用金属诱导联合固相晶化方法制备P型硅、I型硅和N型硅，厚度分别是30纳米、800纳米和50纳米。在得到的基片上沉积厚度30纳米的铋薄膜，沉积时衬底加温到200度。以铋膜为掩模，进行等离子刻蚀，刻蚀深度为25纳米，然后在硝酸中腐蚀掉铋膜。在得到的基片上进行常规的N型接触层处理后，沉积50纳米的银反射电极和100纳米的铝保护层。

实施例3：以硼硅玻璃为衬底，用反应溅射方法先沉积一层厚度150纳米的二氧化硅作为阻挡层，再沉积一层厚度60纳米的氧化铟锡作为透明电极兼阳光减反射层。用磁控溅射沉积非晶硅薄膜，再用金属诱导联合固相晶化方法制备P型硅、I型硅和N型硅，厚度分别是30纳米、800纳米和50纳米。在得到的基片上沉积厚度20纳米的铟薄膜，沉积时衬底加温到200度。以铟膜为掩模，进行等离子刻蚀，刻蚀深度为25纳米，然后在盐酸中腐蚀掉铟膜。在得到的基片上进行常规的N型接触层处理后，沉积50纳米的银反射电极和100纳米的铝保护层。

Claims

1. 一种具有陷光结构的硅薄膜光电池，基本结构由下而上为玻璃基片10、二氧化硅隔离层11、透明导电薄膜12、P型半导体硅层13、I型半绝缘硅层14、N型半导体硅层15、银和抗氧化金属组成的复合薄膜反射电极16，其特征在于：在所述的反射电极下面的硅层具有在低熔点金属非连续岛状薄膜保护下刻蚀形成的横向尺寸和厚度方向尺寸都小于300纳米的小岛状的起伏表面。

2. 一种具有陷光结构的硅薄膜光电池的制备方法，其过程依次包括：制备二氧化硅隔离层、制备透明导电薄膜、制备P型半导体硅层、制备I型半绝缘硅层、制备N型半导体硅层、制备银反射薄膜、制备抗氧化金属薄膜，其特征在于，在制备银反射薄膜之前，对N型半导体硅层进行刻蚀，其步骤为：

1)制备一层金属锡、铅、铟或铋薄膜，制备时控制衬底温度，使之成为非连续岛状薄膜；

2)以该岛状薄膜为掩模，对N型半导体硅层进行干法或湿法刻蚀；

3)在酸中腐蚀掉剩余掩模；

4)继续制备银反射薄膜和抗氧化金属薄膜。