CN101882636B - 背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以掺杂广谱吸收层作为太阳能电池背光面的结构。该掺杂广谱吸收层，包括凹凸不平的晶锥掺杂黑硅、熔融凝固后的掺杂准平面硅，以及离子注入掺杂退火后的平面硅。本发明同时公开了一种制作背光面广谱吸收硅基太阳能电池结构的方法。本发明能有效提高硅基太阳能电池的光电转换效率。

Description

背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及硅基太阳能电池技术领域，特别涉及一种背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构及其制作方法。
背景技术
太阳能是取之不尽用之不竭最具开发潜力的无污染可再生清洁能源，地球上含量丰富的硅材料是制作太阳能电池的最佳物质，但目前硅基电池的发电成本还较高，普及民用难度大。降低硅基太阳能电池发电价格的重要途径是提高电池的光电转换效率。目前所采用的主要技术手段，一是减少光在电池表面的反射率，如采用透明减反电极膜、金字塔织构表面、多孔硅陷光表面结构等；二是提高光在电池内部的吸收率，如背反射结构、多结结构、聚光透镜等；三是减少光生载流子在体内和表面的复合，如进行分区域掺杂、表面钝化等等。这些措施使硅基太阳能电池的光电转换效率提高到了24.7％的新水平[Prog.Photovolt：Res.Appl.7，471-474(1999)]。
要进一步提高硅基电池的效率，从光谱上可以看出，一条重要的可循途径是提高电池材料对太阳光谱的吸收率，尤其是近红外光的吸收率。因为硅基电池受到红外吸收限的限制，只有能量大于硅禁带宽度、波长短于1.1μm的光子才能将硅介带电子激发到导带被吸收，而波长大于1.1μm的近红外光子则基本不被吸收，如同透过玻璃一样泄露走了。穿过电池的这部分近红外光约占太阳光谱的1/4。
1998年美国哈佛大学教授艾瑞克·马兹尔和他的研究团队利用超强飞秒激光扫描置于六氟化硫气体中的硅片表面，获得了一种森林状微结构锥体表面材料，其在0.25μm至2.5μm的几乎整个太阳光谱范围内具有＞90％的光吸收率，极大地拓展了硅基材料的光谱吸收范围[Appl.Phys.Lett.73，1673(1998)]。即这种新材料对太阳光具有几乎黑体吸收的效果，所以亦称之为“黑硅”。经深入研究发现，这种微结构广谱吸收有两大特点，一是入射光进入锥体面会不断地向锥体底部折射，具有很强的减反射陷光效果；二是这种微结构广谱吸收表面的硫杂质浓度远远超过了其在硅晶体中的饱和浓度，使得硅禁带中产生大量的杂质能级，简并成局域能带，从而可扩展黑硅的光谱吸收范围。在硅禁带中的这些杂质能级和能带简称中间能级和中间能带。
人们自然想到利用这种黑硅材料来制作太阳能电池。但十多年过去了，这种利用黑硅广谱吸收特点制作的太阳能电池还只仅仅获得2.20％的光电转换效率[PhD thesis，Harvard University，2007]，远远低于预期。利用所谓多孔黑硅陷光结构制作的太阳能电池虽然获得了16.8％的转换效率
[Appl.Phys.Lett.95，123501(2009)]，但还不及成熟的化学织构电池，因为该电池并没有利用黑硅的宽光谱吸收特性。
造成这一现象的原因认为是黑硅材料迁移率低、载流子寿命短、重掺杂表层俄歇复合严重、深能级导致开路电压降低等缘故，而目前的研究都将黑硅材料作为电池的迎光面，导致这些问题尤为突出，从而极大地制约了黑硅太阳能电池效率的改善。
中国专利201010113745.0和201010113777.0提出了背光面黑硅太阳能电池的新结构，成为解决上述问题的关键技术。本发明在这两个专利技术的基础上，提出利用掺杂广谱吸收层作为太阳能电池背光面的结构，作为上述专利的补充和发展。掺杂广谱吸收层为带有晶锥凹凸不平表面的掺杂黑硅(black-silicon)，包括熔融凝固后的掺杂准平面硅(pink-silicon)，包括离子注入掺杂退火后的平面硅。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的为提出一种背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构及其制作方法，以解决传统硅基电池受红外吸收限制不能吸收和转化1.1μm以上波长太阳光谱的问题，提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提出了一种背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构，该结构包括：
硅基衬底；
在硅基衬底正面制作的陷光层；以及
在硅基衬底背面制作的掺杂广谱吸收层；
其中，所述背光面掺杂广谱吸收层为凹凸不平的晶锥掺杂黑硅。
上述方案中，所述硅基衬底为单晶硅或多晶硅衬底，其导电类型为n型或p型，厚度为50μm至500μm。
上述方案中，所述背光面掺杂广谱吸收层为硅基掺杂材料，所掺杂质包括硫、硒、碲中的任何一种、以及它们之中任何两种或三种的混合杂质，这种掺杂广谱吸收层对0.25μm至2.5μm波长范围内的太阳光具有＞85％的光吸收率。
上述方案中，所述背光面掺杂广谱吸收层的厚度为10nm至10μm，是直接作在电池背光面的硅基衬底上或作在电池背光面的n型梯度层上。
上述方案中，所述n型梯度层是由包括磷或砷扩散形成的由表及里、浓度递减的掺杂硅层，n型梯度层厚度为50nm至50μm。
上述方案中，所述陷光层的厚度为20nm至20μm，是直接制作在硅基衬底正面，或制作在硅基衬底正面的p型梯度层上。
上述方案中，所述p型梯度层是由包括硼或镓扩散所形成的由表及里、浓度递减的掺杂硅层，p型梯度层厚度为50nm至50μm。
本发明还提供了一种制作背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构的方法，该方法包括：
步骤1：在硅基衬底的正面制作陷光层，以该陷光层作为电池的迎光面；并在硅基衬底的背面制作掺杂广谱吸收层，以该掺杂广谱吸收层作为电池的背光面，该背光面掺杂广谱吸收层为凹凸不平的晶锥掺杂黑硅；
步骤2：在电池迎光面和背光面分别进行硅氧化物或硅氮化物介质钝化，形成钝化层，然后在钝化层上分别制作正面接触栅电极和背面接触电极与背反电极金属层。
上述方案中，步骤1中所述陷光层为类金字塔、多孔硅或硅锥减反射表层。
上述方案中，步骤1中所述掺杂广谱吸收层对0.25μm至2.5μm波长范围内的太阳光具有＞85％的光吸收率。
上述方案中，步骤2中的迎光面硅氧化物或硅氮化物介质同时兼作减反射膜。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将掺杂广谱吸收层应用于硅基太阳能电池的背光面，可以减少在迎光面所受表面俄歇复合影响而导致的光生载流子复合现象，增加光生电流。
2、本发明电池结构在硅基衬底的背面引入磷或砷掺杂，电池的pn结由扩散形成，处于电池内部，所以，这些结构的电池开路电压不受背光面掺杂广谱吸收层的影响，避免了黑硅迎光面电池由于低能光子转化而降低太阳能电池开路电压的问题；
3、本发明电池结构的背光面掺杂广谱吸收层与磷或砷梯度掺杂层，能构建起将光生电子和空穴分开的内建电场，有利于掺杂广谱吸收层中产生的光生载流子的分离和收集，部分抵消掺杂广谱吸收层迁移率低和载流子寿命短的影响；
4、本发明背光面掺杂广谱吸收层能吸收透过电池的几乎所有光子，尤其是绝大部分近红外光子，通过吸收产生的光生载流子被电极收集而转化为光生电流，能解决传统硅基电池受红外吸收限制，不能吸收和转化1.1μm以上近红外太阳光谱的限制问题，有效提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为以掺杂广谱吸收层作为背光面的硅基太阳能电池结构示意图；
图2为以晶锥黑硅作为背光面掺杂广谱吸收层的太阳能电池结构示意图；
图3为以熔融凝固的准平面硅作为掺杂广谱吸收层的太阳能电池结构示意图；
图4为以离子注入退火后的平面硅作为掺杂广谱吸收层的太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明以掺杂广谱吸收层作为背光面构建太阳能电池，利用背光面掺杂广谱吸收层吸收穿过电池的红外光，并对光电流作贡献。背光面掺杂广谱吸收层硅基太阳能电池可以解决传统硅基电池不能吸收和转化1.1μm以上近红外太阳光谱限制的问题，提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
下面通过附图1至4阐述本发明的背光面掺杂广谱吸收层硅基太阳能电池结构及其具体实施例。参照图1，背光面掺杂广谱吸收层硅基太阳能电池的制作方法如下：
步骤1：在硅基衬底材料1的正面作陷光层材料2，以其作为电池的迎光面。该陷光层2为类金字塔织构硅或多孔硅或硅锥减反射表层，其厚度d2为20nm至20μm；
步骤2：在硅基衬底材料1的背面作掺杂广谱吸收层3，以其作为电池的背光面。该掺杂广谱吸收层3为包括凹凸不平的晶锥黑硅或熔融凝固后的准平面硅或离子注入退火后的平面硅，其厚度d3为10nm至10μm；
其中，步骤1和步骤2没有先后顺序，此处仅为本发明的一种实施例而已，也可先执行步骤2，再执行步骤1。
步骤3：按常规工艺在电池迎光面和背光面作硅氧化物或硅氮化物介质钝化、分别制作正面接触栅电极和背面接触电极与背反电极金属层，即可完成背光面掺杂广谱吸收层硅基太阳能电池的制作。
上述步骤1中的硅基衬底为单晶硅或多晶硅，其导电类型为n型或p型(即n-Si和p-Si)，其厚度d1为50μm至500μm。
上述步骤1中的迎光面陷光层2是直接作在硅基衬底1的正面或作在衬底1的p型梯度层4上。p型梯度层4为掺硼或掺镓扩散所形成，其厚度d4为50nm至50μm。
上述步骤2中的背光面掺杂广谱吸收层3是直接作在硅基衬底1的背面或作在衬底1的n型梯度层5上。n型梯度层5为掺磷或掺砷扩散所形成，其厚度d5为50nm至50μm。
上述步骤2中掺杂广谱吸收层3包括凹凸不平的晶锥黑硅，包括熔融凝固后的准平面硅，包括离子注入掺杂退火后的平面硅。
上述步骤2中掺杂广谱吸收层3中所掺杂质包括硫、硒、碲中任何一种、以及它们之中任何两种或三种的混合杂质，这种掺杂广谱吸收层对0.25μm至2.5μm波长范围内的太阳光具有＞85％的光吸收率
上述步骤3中的迎光面硅氧化物或硅氮化物介质同时兼作减反射膜。
上述方案中，步骤1和步骤2的次序可以对调。
实施例1
参照图2，为以晶锥黑硅作为背光面掺杂广谱吸收层的太阳能电池结构图，实施过程如下：在硅基衬底的背面，利用磷或砷的热氧扩散，形成由表及里的浓度递减的n型梯度层；在正面，利用硼或镓的热氧扩散，形成由表及里的p型梯度层；在p型梯度层上通过碱性或酸性化学腐蚀形成类金字塔或多孔硅织构表面，或通过反应离子刻蚀或激光辐照形成硅锥减反射表层，构成迎光面陷光层；将背面的n型梯度层表面置于硫系杂质气氛中，利用飞秒或皮秒激光辐照扫描，形成晶锥掺杂黑硅(black-silicon)，广谱吸收层；退火处理后按常规工艺在电池迎光面和背光面作硅氧化物或硅氮化物介质钝化、分别制作正面接触栅电极和背面接触电极及背反电极金属层，即完成了这种以晶锥黑硅作为背光面掺杂广谱吸收层的太阳能电池结构的制作。
实施例2
参照图3，为以熔融凝固的准平面硅作为背光面掺杂广谱吸收层的太阳能电池结构图，其实施过程与实施例1类似：在硅基衬底的正面，利用硼或镓的热氧扩散，形成由表及里的p型梯度层；在p型梯度层上通过碱性或酸性化学腐蚀形成类金字塔或多孔硅织构表面，或通过反应离子刻蚀或激光辐照形成硅锥减反射表层，构成迎光面陷光层；在电池的背面利用磷或砷的热氧扩散，形成由表及里的浓度递减的n型梯度层；将背面的n型梯度层表面置于硫系杂质气氛中，控制飞秒或皮秒激光辐照扫描的能流密度处于熔融阈值与烧灼阈值之间，使硅表面实现熔融掺杂而不会出现凹凸不平的晶锥，形成熔融凝固的掺杂准平面硅(pink-silicon)广谱吸收层。然后按常规工艺在电池迎光面和背光面作硅氧化物或硅氮化物介质钝化、分别制作正面接触栅电极和背面接触电极及背反电极金属层，即完成了这种以熔融凝固的准平面硅作为背光面掺杂广谱吸收层的太阳能电池结构的制作。
实施例3
参照图4，为以离子注入掺杂退火平面硅作为掺杂广谱吸收层的太阳能电池结构图，其实施过程与上述实施例类似，主要差别为在n型梯度层上制作掺杂广谱吸收层的方法不同：在n型梯度层上通过离子注入掺杂的方法，注入硫系元素离子，之后在氮/氢混合气氛中快速退火恢复晶格损伤，这就实现了离子注入掺杂退火平面硅的制作。然后按常规工艺完成后续电池结构的制作。
在实施例2和3中，掺杂广谱吸收层实现了平面化，有利于后续介质膜的生长和电极的制作。
上述各实施例中，在迎光面由硼或镓扩散形成的p型梯度层，其厚度范围为50nm至50μm，表面浓度范围为1017/cm3至1020/cm3；在p型梯度层表面所作的迎光面陷光层的厚度范围为20nm至20μm；在背光面由磷或砷扩散形成的n型梯度层，其厚度范围为50nm至50μm，表面浓度范围为1017/cm3至1020/cm3；在n型梯度层表面所作的背光面掺杂广谱吸收层的厚度范围为10nm至10μm。所述实施例中的掺杂广谱吸收层中所掺硫系杂质为硫、硒、碲中任何一种、以及它们之中任何两种或三种的混合杂质。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构，其特征在于，该结构包括：
硅基衬底；
在硅基衬底正面制作的陷光层；以及
在硅基衬底背面制作的掺杂广谱吸收层；
其中，所述背光面掺杂广谱吸收层为凹凸不平的晶锥掺杂黑硅。
2.根据权利要求1所述的背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构，其特征在于，所述硅基衬底为单晶硅或多晶硅衬底，其导电类型为n型或p型，厚度为50μm至500μm。
3.根据权利要求1所述的背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构，其特征在于，所述背光面掺杂广谱吸收层为硅基掺杂材料，所掺杂质包括硫、硒、碲中的任何一种、以及它们之中任何两种或三种的混合杂质，这种掺杂广谱吸收层对0.25μm至2.5μm波长范围内的太阳光具有＞85％的光吸收率。
4.根据权利要求1或3所述的背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构，其特征在于，所述背光面掺杂广谱吸收层的厚度为10nm至10μm，是直接作在电池背光面的硅基衬底上或作在电池背光面的n型梯度层上。
5.根据权利要求4所述的背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构，其特征在于，所述n型梯度层是由包括磷或砷扩散形成的由表及里、浓度递减的掺杂硅层，n型梯度层厚度为50nm至50μm。
6.根据权利要求1所述的背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构，其特征在于，所述陷光层的厚度为20nm至20μm，是直接制作在硅基衬底正面，或制作在硅基衬底正面的p型梯度层上。
7.根据权利要求6所述的背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构，其特征在于，所述p型梯度层是由包括硼或镓扩散所形成的由表及里、浓度递减的掺杂硅层，p型梯度层厚度为50nm至50μm。
8.一种制作背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：在硅基衬底的正面制作陷光层，以该陷光层作为电池的迎光面；并在硅基衬底的背面制作掺杂广谱吸收层，以该掺杂广谱吸收层作为电池的背光面，该背光面掺杂广谱吸收层为凹凸不平的晶锥掺杂黑硅；
步骤2：在电池迎光面和背光面分别进行硅氧化物或硅氮化物介质钝化，形成钝化层，然后在钝化层上分别制作正面接触栅电极和背面接触电极与背反电极金属层。
9.根据权利要求8所述的制作背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构的方法，其特征在于，步骤1中所述陷光层为类金字塔、多孔硅或硅锥减反射表层。
10.根据权利要求8所述的制作背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构的方法，其特征在于，步骤1中所述掺杂广谱吸收层对0.25μm至2.5μm波长范围内的太阳光具有＞85％的光吸收率。
11.根据权利要求8所述的制作背光面为广谱吸收层的硅基太阳能电池结构的方法，其特征在于，步骤2中的迎光面硅氧化物或硅氮化物介质同时兼作减反射膜。
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