CN101882642B - 一种异质结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异质结太阳电池及其制备方法，特指利用带隙变化的纳米晶-非晶两相薄膜材料和单晶硅制备异质结太阳电池。属于太阳能电池器件制备技术领域。本发明的特点是利用纳米晶-非晶两相硅薄膜和P型体硅制造硅基异质结太阳电池。纳米晶-非晶两相硅的带隙高于体硅的带隙(1.12eV)，所以异质结的开路电压得到提高，另一方面，纳米晶-非晶两相硅的带隙从1.3eV变化到1.8eV，由于带隙是渐变的，p型体硅和纳米晶-非晶两相硅之间的能带缓慢变化，提高了短路电流和填充因子。硅基薄膜层利用了较厚本征纳米晶-非晶两相硅和极薄的n型纳米晶-非晶两相硅的组合，进一步降低了电子-空穴在纳米晶-非晶两相硅层中的复合概率，从而提高短路电流。

Description

一种异质结太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种异质结太阳电池及其制备方法，特指利用带隙变化的纳米硅和单晶硅制备异质结太阳电池。属于太阳能电池器件制备技术领域。
背景技术
能源紧缺、环境破坏使得清洁能源的太阳能电池在全球范围内受到极大的关注，很多国家政府及民间组织投入了大量人力及财力开发和生产属清洁能源的太阳能电池。一直以来，太阳电池研究的两个任务就是降低成本和提高转化效率。降低成本的主要途径是电池薄膜化，以减少硅的使用，降低材料消耗，以及降低电池制造过程中的能源消耗。现在围绕着提高效率的研究正在深入进行，提高效率的方法多种多样，这些方法主要包括：蒸镀良好的减反射膜以增大光透过率，促进光的吸收；制作异质结电池并且插入本征层来钝化异质结的界面，来提高光生电流；利用氧化硅、氮化硅、氧化铝钝化电池表面，或者在电池背表面增加一背场，以减少少子复合，进而提高电池效率。所谓背场指的是可对光生少子产生势垒效果的区域，从而减少光生少子在背表面的复合。背场的一种实现方法是利用具有合适功函数的金属与衬底直接接触，靠肖特基势垒在半导体中所引起的能带弯曲起到背场效果。另外的方法是靠一层与吸收区掺杂类型相同，但掺杂浓度更高的掺杂层来实现。
硅基异质结太阳电池是单晶硅衬底上沉积硅基薄膜，包括非晶硅，微晶硅，纳米硅，其好处是可以避免单晶硅电池制造过程中的高温扩散工艺，以此来降低能耗。以往报道的硅基异质结太阳电池所用的薄膜硅都是单一带隙的，本发明提出利用带隙变化的纳米晶-非晶两相硅薄膜来制造异质结太阳电池，通过带隙的调整，可以进一步提高电池的效率。同时利用原子层沉积技术生长氧化铝薄膜作为P型单晶硅的钝化层，也有利于太阳电池效率的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种变带隙纳米晶-非晶两相硅薄膜/单晶硅异质结太阳电池的设计及其制备方法。
实现本发明的技术方案为：
太阳电池芯片选用P型Si片，电阻率在0.05～3Ωcm，厚度在180～220μm。
1、干氧：生长一层氧化硅层，氧化时在硅片的正面和背面同时都会沉积一层氧化层；
2、制绒：利用5％稀释的HF溶液去除正表面氧化层，采用KOH或NaOH加醇的方法腐蚀，利用单晶硅的各向异性腐蚀，在表面形成金字塔结构，碱液的温度80～90℃，浓度1～2％，腐蚀时间15-20min；
3、利用5％稀释的HF溶液去除背面氧化层
4、利用离子束增强化学气相沉积(PECVD)方法在硅片正面(制过绒的一面)生长变带隙的本征纳米晶-非晶两相硅薄膜；带隙变化范围1.3～1.8eV，厚度30～100nm。
4、利用PECVD方法在本征硅基薄膜上生长n型纳米晶-非晶两相硅薄膜，厚度5～20nm，方块电阻1～10kΩ。
5、利用PECVD方法在正面(长有硅基薄膜的一面)生长一层折射率为2.0～2.2，厚60～80nm的SiNx减反膜；
6、利用原子层沉积技术在硅片背面生长一层5～20nm厚的氧化铝(Al2O3)薄膜；
7、上电极制作：利用溅射方法在电池的正面沉积50～80nm厚的ITO透明上电极，ITO膜的方块电阻在10～50Ω，透过率在85～92％左右；
8、背面真空蒸镀铝。
9、快速退火处理：退火温度400～500℃，氮气氛保护，退火时间10～30min。
本发明的特点是利用纳米晶-非晶两相硅薄膜(包含带隙逐渐变化的本征纳米晶-非晶两相硅和重掺的n型纳米晶-非晶两相硅)和P型体硅制造硅基异质结太阳电池。纳米晶-非晶两相硅的带隙高于体硅的带隙(1.12eV)，所以异质结的开路电压得到提高，另一方面，纳米晶-非晶两相硅的带隙从1.3eV变化到1.8eV，由于带隙是渐变的，p型体硅和纳米晶-非晶两相硅之间的能带缓慢变化，提高了短路电流和填充因子。硅基薄膜层利用了较厚本征纳米晶-非晶两相硅和极薄的n型纳米晶-非晶两相硅的组合，进一步降低了电子-空穴在纳米晶-非晶两相硅层中的复合概率，从而提高短路电流。另外，在实验方案中，利用Al2O3做钝化层，除了可以降低界面态密度，另一方面最新的研究显示在Al2O3/Si界面处有一层固定的负电荷，可以提高载流子的收集效率，从而进一步提高带隙逐渐变化的纳米晶-非晶两相硅/单晶硅异质结太阳电池的效率。
附图说明
图1异质结太阳电池的结构示意图
具体实施方式
一.纳米晶-非晶两相硅/单晶硅异质结太阳电池的结构设计见图1。
二、太阳电池的制备
选用(100)重掺杂的p型硅片，电阻率为0.1Ωcm，厚度200μm。
1、干氧：
通氧气，气体流量1L/min，氧化温度950℃，20分钟，生长一层50nm厚的氧化硅层；
2、制绒：
利用稀释5％的HF溶液去除正表面氧化层，采用NaOH加C2H5OH的方法腐蚀，碱液的温度80℃，浓度1～2％，腐蚀时间10min。
3、利用稀释5％的HF溶液去除背面氧化层。
4、利用PECVD在硅片正面(制过绒的一面)生长50nm厚的本征纳米晶-非晶两相硅
生长条件：氢稀释比为95％的硅烷，生长温度280℃。
第一层：硅烷流量10sccm，氢流量200sccm，射频功率180W，直流偏压200V，生长的薄膜厚度10nm，带隙1.40eV；
第二层：硅烷流量10sccm，氢流量150sccm，射频功率160W，直流偏压150V，生长的薄膜厚度10nm，带隙1.46eV；
第三层：硅烷流量10sccm，氢流量100sccm，射频功率140W，直流偏压100V，生长的薄膜厚度10nm，带隙1.55eV；
第四层：硅烷流量10sccm，氢流量60sccm，射频功率120W，生长的薄膜厚度10nm，带隙1.70eV；
第五层：硅烷流量10sccm，氢流量30sccm，射频功率120W，生长的薄膜厚度10nm，带隙1.80eV；
5、利用PECVD在本征硅基薄膜上生长n型纳米晶-非晶两相硅
生长条件：氢稀释比为95％的硅烷，磷烷的的稀释比[PH3]/[PH3+H2]是0.5％。生长温度280℃，硅烷流量10sccm，磷烷流量2sccm，氢流量30sccm，射频功率120W。生长的薄膜厚度10nm，带隙1.78eV。
6、利用PECVD在正面硅基薄膜上生长一层80nm厚的SiNx层硅烷/氮气混合气体(SiH4与N2的体积比例为2.5/97.5)，氨气作为反应气体，硅烷和氨气的流量比例是1∶10，工作压强为150Pa，衬底温度为250℃；射频功率180W。
7、利用原子层沉积技术在单晶硅片背面生长一层10nm厚的Al2O3薄膜沉积条件：在反应腔室先通水70ms，氮气清洗800ms，通入三甲基铝(TMA)100ms，氮气清洗800ms，重复上述过程50次。反应温度200℃。
8、利用溅射方法在正面(氮化硅表面)制备氧化铟锡(ITO)透明上电极系统的本底真空3×10-4Pa，用ITO陶瓷靶作为溅射靶，工作气体是高纯氩气，溅射功率为200W，沉积时间10min，膜厚50nm。ITO膜的方块电阻在30Ω，透过率90％；
8、背面(沉积有氧化铝的一面)真空蒸镀铝
本底真空4×10-4Pa，99.999％的铝丝作为蒸发源，蒸膜厚1μm的铝膜。
9、快速退火处理
利用快速退火炉，在高纯氮气保护下，在450℃下退火20min。
实施效果：最后进行电池的性能测试，在AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，4.0cm×4.0cm单晶硅太阳电池样品的开路电压0.71V，短路电流33.5mA，填充因子0.76，效率为18.1％。

Claims (6)

1.一种异质结太阳电池，其特征在于：所述异质结太阳电池结构从上至下依次为：ITO上电极、SiNx减反膜、n型纳米晶-非晶两相硅薄膜、本征纳米晶-非晶两相硅薄膜、p型单晶硅、氧化铝薄膜和Al电极；代替单一带隙硅基薄膜的本征纳米晶-非晶两相硅薄膜的带隙变化范围为1.3～1.8eV；本征纳米晶-非晶两相硅薄膜、n型纳米晶-非晶两相硅薄膜与单晶硅形成异质结构；本征纳米晶-非晶两相硅薄膜厚度30～100nm，n型纳米晶-非晶两相硅薄膜厚度5～20nm。
2.权利要求1所述的异质结太阳电池，其特征在于：所述的氧化铝薄膜的厚度为5～20nm，并经快速退火处理，能改善Al电极与P型单晶硅的电接触。
3.权利要求1所述的异质结太阳电池，其特征在于：所述太阳电池的芯片选用P型Si片，电阻率在0.05～3Ωcm，厚度在180～220μm。
4.权利要求1所述的异质结太阳电池，其特征在于：所述SiNx减反膜的折射率为2.0～2.2，厚度为60～80nm。
5.权利要求1所述的异质结太阳电池，其特征在于：所述ITO上电极的方块电阻为10～50Ω，透过率为85～92％，厚度为50～80nm。
6.权利要求1所述的的异质结太阳电池的制备方法，包括干氧、制绒和除背面氧化层三个步骤，其特征在于：除背面氧化层后，利用PECVD在硅片制绒一面生长变带隙的本征纳米晶-非晶两相硅薄膜；利用PECVD在本征纳米晶-非晶两相硅薄膜上生长n型纳米晶-非晶两相硅薄膜，再利用PECVD在n型纳米晶-非晶两相硅薄膜上生长一层折射率为2.0～2.2，厚60～80nm的SiNx减反膜；利用原子层沉积技术在硅片背面生长一层5～20nm厚的氧化铝薄膜；利用溅射方法在电池的正面沉积50～80nm厚的ITO透明上电极，ITO膜的方块电阻在10～50Ω，透过率在85～92％；氧化铝薄膜上真空蒸镀铝，最后快速退火处理：退火温度400～500℃，氮气氛保护，退火时间10～30min。
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