CN101404301A

CN101404301A - 一种具有多孔硅背反射层的晶体硅太阳电池

Info

Publication number: CN101404301A
Application number: CNA2008102241806A
Authority: CN
Inventors: 周春兰; 王文静
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2009-04-08

Abstract

一种具有多孔硅背反射层的晶体硅太阳电池，其特从受光面起向下排列顺序依次为：前电极(1)、表面钝化层(2)、N型硅层及织构结构(3)、在N型和P型层交界处形成的具有光伏效应的PN结(4)、P型硅衬底(5)、多孔硅背面反射层(6)、背面钝化层及背电极(7)；靠近不受光面一侧的硅材料表面存在由孔隙率交替变化的多孔硅布拉格反射器，提高了太阳电池的光电转换效率。

Description

一种具有多孔硅背反射层的晶体硅太阳电池

技术领域

本发明涉及太阳电池，特别涉及一种带有纳米晶体结构背反射层的晶体硅太阳电池，

背景技术

现有的晶体硅太阳电池的结构，由受光面电极、减反射膜、N型硅层及表面织构、P型硅、N型硅和P型硅交界处形成具有光伏效应的PN结、背场掺杂层、背面电极所组成。一般生产制造所需硅片厚度为300微米。随着世界范围内多晶硅原料的紧张，硅原料价格上涨，成为制约光伏产业发展和扩张的瓶颈，也是光伏发电电价居高不下的原因之一。降低成本和提高效率是太阳电池的两大研究主题，硅片占晶体硅太阳电池成本的主要部分，减少硅片材料用量是降低成本的主要途径之一。据此，晶体硅太阳电池正向薄片化方向发展，从最初使用的300微米到现在的200微米，而且为了解决原材料紧缺以及更进一步的降低成本，低于100微米的硅片也开始在产业化中使用。由于各种波长的光子在电池中的穿透深度不同，例如对于800nm波长的光吸收长度为10微米，而对于1100nm波长的光吸收长度为3毫米，硅属于非直接跃迁型材料，吸收90％的入射光的光子需要几百微米的厚度。因此对太阳电池片的厚度有一定的要求。如果降低硅片的厚度，那么将会使入射的光子没有被材料吸收转换成光电流，而是直接从材料的背面透射出去，从而导致电流的下降，开路电压也会受到影响。研究发现当太阳电池片的厚度小于300微米时，短路电流的下降已经变得非常明显。现在采用的前表面制绒技术能够在一定程度上减少光子从太阳电池中反射出来，增加光子在太阳电池内的光学路径长度。同时在太阳电池的背面存在一层比衬底掺杂更重的相同导电类型的薄层，这层薄层与衬底形成高低结，形成的背电场能够减少光生载流子在背面的复合损失，增加了长波段光子的量子效率。这两种方法在现在的太阳电池结构中得到广泛的应用并且具有较好的效果。但是表面织构技术只是减少了光子从太阳电池受光面逃逸的几率，而背电场对于长波光子的作用只有在光子被晶体硅材料吸收时才能体现。随着太阳电池片变薄，长波吸收得比较少使之转换成光生载流子的几率变小，从而降低了长波的量子效率。另外一个影响太阳电池转换效率的因素在于太阳电池所用晶体硅材料的性能，由于现在一般的太阳电池片所用的硅材料都来源于半导体硅材料的头尾料，体内存在相对较高的金属杂质浓度，这些杂质对太阳电池性能产生影响。在现在的工艺中，制备发射极时的磷扩散、制备背场时的Al吸杂效果有限，而且常用的Al背面反射器的反射率小于80％。文献L.Zeng，Y.Yi，C.Hong，J.Liu，N.Feng，X.Duan，and L.C.Kimerling，Efficiency enhancement in Si solar cells by texturedphotonic crystal back reflector，Appl.Phys.Lett.89(2006)，p.111111-111113中报道，把等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)制备Si/Si₃N₄(n₁/n₂＝3.5/2.0)或者Si/SiO₂(n₁/n₂＝3.5/1.46)多层布拉格反射器与光刻方法制备的光栅相结合形成背反射器，能够使光子的光学传输长度增加10⁴倍。PECVD方法交替生长不同材料方面的工艺比较复杂且难控制，同时光刻工艺比较复杂，成本高，因此在太阳电池产业化中的实现比较困难。文献I.Kuzma-Filipek，F.Duerinckx，K.Van Nieuwenhuysen，G.Beaucarne，J.Poortmans，R.Mertens，Porous silicon as an internalreflector in thin epitaxial solar cells，Physica status solidi(a)204(2007).P.1340-1345中报道，在低成本硅衬底与活性层的界面处插入多孔硅布拉格反射器，结合前表面的等离子体绒面技术，使外延硅薄膜太阳电池的效率提高至14％左右。尽管如此，相比较于晶体硅太阳电池，外延生长高质量的硅薄膜即难又费时，制作成本很高，因此在一定程度上限制了硅外延薄膜的发展和应用。US 6750393 B2使用一维光子晶体作为背反射器，这个背反射器是由3对多孔硅/SiO₂的叠层结构组成。其中在多孔硅层中的孔洞的直径是按照一定的周期变化，然后形成自组装的SiO₂球。控制孔洞直径的周期变化采用等离子体刻蚀工艺，然后在1100℃高温下的H₂气氛下退火的工艺过程。在太阳电池的制备过程中，增加高温处理工艺将会增加热能耗同时也可能导致晶体硅的材料性能发生衰减，多晶硅材料更是如此。

当晶体硅厚度减少后，主要的问题在于对长波光子，尤其是对在晶体硅能隙附近的光子的束缚。晶体硅的能隙为1.1 eV，能够吸收并且产生载流子的光的波长可以到1200nm，这个波长在晶体硅中对应的吸收长度为10cm。因此，假如硅片的厚度减薄到50微米，那么要使1200nm的光在晶体硅体内被吸收，就要求光子在晶体硅体内被来回反射几千次。而在现有的太阳电池结构中，前表面织构和背面Al反射镜最多使光在太阳电池的前后两个表面被反射100次，最后仍有99％的光子从太阳电池中逃逸，并且金属Al层对红外光有较强的吸收。因此，利用现有的太阳电池结构增加在晶体硅能隙附近的长波光子的吸收是非常困难的。

发明内容

本发明的目的是解决现有晶体硅太阳电池中的光束缚问题，提出一种采用多孔硅作为背反射器，具有多孔硅背反射层的的晶体硅太阳电池。本发明增加了长波段光子(＞750nm)在晶体硅中的光学路径长度，能够改善电池的光电转换效率，可在较薄晶体硅层厚度的情况下产生较高的光电子产额，尤其能够提高较薄的、低质量晶体硅太阳电池片的转换效率。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明晶体硅太阳电池的结构从受光面起依次顺序为：前电极、前表面钝化层、N型硅层及表面织构、P型硅衬底层、多孔硅背面背反射层、背面钝化层及背面电极。其中N型硅层和P型硅衬底层交界处形成具有光伏效应的PN结。本发明还可以采用N型硅衬底代替P型硅衬底，即除上述排列顺序外，还可以形成排列顺序为：前电极、前表面钝化层、P型硅层及表面织构、N型硅衬底层、多孔硅背面背反射层、背面钝化层、背面电极的结构。本发明晶体硅太阳电池在不受光面一侧的硅表面上存在一层由孔隙率交替变化的纳米多孔硅层，此多孔硅层表面上有电介质钝化薄膜层以及金属背电极。

本发明有如下优点：

首先，采用在不受光面增加一层孔隙率交替变化的多孔层结构。也就是整个多孔硅背面反射层是由具有不同孔隙率的子多孔硅薄层交替叠加在一起组成，每层子多孔硅的折射系数由所述的孔隙率的大小决定，根据布拉格反射中的四分之一波长定律来设计每个子多孔硅层的厚度，最后使整个多孔硅背反射层具有多重布拉格反射镜的功能。这种反射镜通过布拉格效应反射到达入射界面处的光子，结果这些光子再次被反射回到太阳电池体内，被晶体硅材料吸收，或者一部分到底太阳电池的前表面，将被再次反射。因此总的延长了长波光子在晶体硅中的光学路径长度，提高了太阳电池的效率。

其次，多孔硅中存在的大量的纳米尺寸的空洞型缺陷，在制备太阳电池的高温过程中，纳米空洞内表面的硅悬挂键与金属杂质相互作用，这些被空洞束缚的金属杂质态要比与硅反应形成的硅化物更加稳定，因此多孔硅薄膜中的纳米空洞成为有效的吸杂中心。通过吸杂处理，减少体内的杂质，使太阳电池体内少子扩散长度得以改善，有利于提高电池的转换效率。

第三，作为光反射器的同时，此多孔硅层相对于衬底掺杂更重，使其成为背电场。这样通过电场的作用减少光生载流子在背面的复合。通过此结构，不仅增加了对长波光的吸收，同时由于背场的作用加大了对光生载流子的收集，使太阳电池的转换效率能进一步的提高。

本发明直接在硅太阳电池不受光面制备多孔硅层，通过每个子多孔硅层的孔隙率的交替变化来控制布拉格反射的波段范围，同时这层多孔硅层具有背面电场的作用，工艺简单而且与太阳电池工艺兼容。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的电池结构图；

图2是光在图1太阳电池中传输的过程；

图中，1为前电极，2为减反射薄膜，3为N型硅层及表面织构，4为PN结，5为P型硅衬底层，6为多孔硅背面反射层(同时为背电场)，7为钝化层及背电极。

具体实施方式

本发明太阳电池的结构如图1所示，图中电池朝顶面为受光面。从受光面开始，排列顺序依次为：前电极1，表面钝化层2，N型硅层及织构结构3，PN结4，P型硅衬底5，多孔硅背面反射层6，背面钝化层及背电极7。

多孔硅背面反射层6处于硅衬底5的不受光面，并且导电类型与硅衬底5相同，只是掺杂的原子浓度是硅衬底的10⁵-10⁶倍。可以通过外延、化学沉积得到这层重掺杂硅层，也可以通过先蒸发上3价金属薄膜，然后通过高温烧结得到。可以采用交替电流的电化学法在硅衬底5背面的重掺杂层上形成孔隙率交替变化的多孔硅层。由于电化学腐蚀具有选择性，掺杂越重，多孔硅腐蚀更容易形成，另外由于前表面减反射薄膜的保护，从而使多孔硅主要在P+层形成。所谓交变孔隙率多孔硅层指的是整个多孔硅层至少是由两层具有不同孔隙率大小的多孔硅层组成，多孔硅层的孔隙率在30％和60％之间交替变化，根据在长波范围内的不同波长而设计孔隙率及相应的厚度，例如对于750nm的波长，孔隙率60％的多孔硅的厚度为90nm，800nm的长波，针对这一波长的多孔硅的孔隙率为30％，那么层厚为70nm，依此类推，交替生长孔隙率为30％和60％的多孔硅，根据波长间隔为50nm来设计对应波长的多孔硅层的厚度，在750-1200nm范围内总共有8层交替生长的30％和60％孔隙率的多孔硅，最终得到在750-1200nm波段内反射率达到90％的多孔硅背面反射层6，整个多孔硅背面反射层6的厚度在几百纳米到十个微米之间。

背电极7与前电极1的制备可以采用现有的技术。为了减轻背电极金属直接与多孔硅背面反射层6接触导致的表面复合速率高的影响，可以在局部的地方使背电极金属7与背面多孔硅背面反射层6直接接触，其它区域则是在金属背电极与多孔硅背面反射层6之间引入电介质钝化层，比如采用现有技术中的掩膜的方法蒸发金属电极或者采用现有太阳电池产业化技术中的合适的丝印工艺制备与多孔硅反射层局部接触的背电极结构。

通过这种方法，获得的太阳电池转换效率为16.5％，而采用现有的晶体硅技术，使用相同的硅衬底获得的转换效率为14.5％，也就是本发明能够使薄片太阳电池的转换效率提高2％。

如图2所示，图1的电池结构具有图2所示的光传输效果。图中电池的朝顶面为受光面，从受光面的方向依次往下分别是前电极1、前表面钝化层2、N型硅层及表面织构3、PN结4、P型硅衬底层5、多孔硅背面反射层6、背面钝化层及背面电极7。在入射光经过在体内的散射之后进入背表面，到达具有某一孔隙率的多孔硅层之后由于布拉格反射效应，将会使具有相应波长的光被反射回晶体硅衬底5中。由于因为光已被散射，有一部分反射光子将会到达活性层的上表面，将被在N型硅层3的上表面再次反射到体内。经过这样的多次反射，使长波光子的光学路径长度增加，从而加大了其被太阳电池吸收和产生光生载流子的几率，提高了长波的量子响应，相应的提高了太阳电池的转换效率；多孔硅背面反射层6的导电类型与衬底5相同，但是要比衬底5的掺杂浓度高4-6个量级，形成背面的高低场，增加了光生载流子的收集，导致太阳电池转换效率的提高；由于多孔硅背面反射层6中存在的大量的纳米尺寸的空洞型缺陷，在制备太阳电池的高温过程中，这些纳米空洞将会与金属杂质相互作用进而使纳米空洞束缚的金属杂质态要比与硅反应形成的硅化物更加稳定，从而成为非常有效的吸杂中心，最终使太阳电池体内少子扩散长度得以改善，有利于提高太阳电池的转换效率。

Claims

1.一种具有多孔硅背反射层的晶体硅太阳电池，其特征在于，该太阳电池的结构从受光面起向下排列顺序依次为：前电极(1)、表面钝化层(2)、N型硅层及织构结构(3)、在N型和P型层交界处形成的具有光伏效应的PN结(4)、P型硅衬底(5)、多孔硅背面反射层(6)、背面钝化层及背电极(7)；靠近不受光面一侧的硅材料表面存在由孔隙率交替变化的多孔硅布拉格反射器。

2.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于所述的P型硅衬底(5)可以用N型硅衬底代替。

3.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于多孔硅背面反射层(6)的孔隙率在20％-50％之间交替变化，多孔硅背面反射层(6)的厚度在几百纳米到十个微米之间。

4.根据权利要求1所述的太阳电池，其特征在于，多孔硅背面反射层(6)由具有不同孔隙率的子多孔硅薄层交替叠加在一起组成，子多孔硅层的数目不少于2层，每层子多孔硅的折射系数由所述的孔隙率的大小决定，根据布拉格反射中的四分之一波长定律来设计每个子多孔硅层的厚度。