CN101882650B

CN101882650B - 带有电荷埋层的太阳电池的制备方法

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Publication number: CN101882650B
Application number: CN2010102132295A
Authority: CN
Inventors: 丁建宁; 袁宁一
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Nantong Donghu International Travel Agency Co., Ltd
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: CN101882650A

Abstract

本发明涉及一种单晶硅太阳电池及其制备方法，特指利用在钝化介质层中引入电荷埋层的单晶硅太阳电池，属于太阳能电池器件制备技术领域。本发明是基于通常单晶硅太阳电池的制备方案，太阳电池的结构是采用局部背接触结构，其特征在于：在太阳电池背面利用热氧化或原子层沉积技术生长一层SiO₂层，再利用PECVD生长一层SiNx薄膜，利用激光刻槽技术，刻出背电极接触区域，然后利用电晕方式注入电子，最后利用真空蒸镀方式沉积Al电极。本发明能有效提高太阳电池效率。

Description

带有电荷埋层的太阳电池的制备方法

技术领域

本发明涉及一种单晶硅太阳电池及其制备方法，特指利用在钝化介质层中引入电荷埋层的单晶硅太阳电池。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。太阳能电池的效率较低是影响其应用的关键因素之一，也是全世界科学家迫切期待解决的一道难题。制约晶体硅太阳电池光电转化效率进一步提高的主要障碍有：(1)电池表面栅线遮光影响；(2)电池表面光反射损失；(3)光传导损失；(4)内部复合损失；(5)表面复合损失等。针对这些障碍，近些年来研究开发了许多新技术、新工艺，主要有：(1)双层减反射膜；(2)激光或机械刻槽埋栅技术；(3)绒面技术；(4)背电接触电极克服技术；(5)高效反射器技术；(6)光吸收技术等。

太阳电池的短路电流、开路电压和填充因子都达到最大值时，可以得到最高的转换效率。但由于他们互相影响和制约，并受到材料内在质量的影响，同时提高三者是很困难的，一般情况下只能单独改善其中的某一项。如提高短路电流可从光吸收和光谱响应两方面努力。通过制备浅结、密栅及“死层”薄的紫光电池，并利用双层减反膜，绒面结构来进一步提高短路电流。而有背场的电池，开路电压、短路电流和填充影子都可得到提高。

目前研究比较多的高效率的太阳电池有：(1)发射极钝化及背面局部扩散太阳电池(PERL)，该电池正反两面都进行氧钝化，并采用光刻技术将电池表面的氧化硅层制作成倒金字塔。两面的金属接触面都进行减小，其接触点进行了硼与磷的重掺杂；(2)埋栅太阳电池(BCSC)，其采用激光刻槽或机械刻槽，然后进行化学镀铜，形成电极；(3)高效背表面反射器太阳电池(BSR)，该太阳电池的特点是在背面和背面接触之间真空蒸镀一层高反射率的金属表面(一般为铝)。该反射层一方面可以增加电池对长波光的吸收，使短路电流增加；另一方面它还能把到达背面的波长大于电池光谱响应截止波长的红光反射出去，从而降低电池的吸收系数；(4)高效背面场和背表面反射器太阳电池(BSFR)，也称为漂移场太阳电池。此电池是在BSR电池结构基础上再做一层P⁺层。这有助于光生电子-空穴的分离和少数载流子的收集。但这种P⁺场容易受空间高能粒子辐射的影响而衰减，相对于BSR电池，其抗高能粒子损伤的能力差；(5)高效低阻硅太阳电池(RESC)，是一种利用0.2Ωcm和0.3Ωcm的p型区熔硅制成的电池，其特点是在电池的发射区制备一层钝化层。这种结构的电池，减少了表面密度，抑制了表面复合速率。

本发明提出一种新的提高单晶硅太阳电池效率的方法，太阳电池采用局部背接触结构，即在背电极和p型硅衬底之间生长一层较厚的钝化介质层，在钝化层中引入电荷埋层，从而在电池自身的P-N结电场上再增加一个外场，来提高载流子的收集效率，以达到进一步提高太阳电池的目的。

驻极体是一类具有长期存储极化和空间电荷能力的功能电介质材料。二氧化硅(SiO₂)驻极体的电荷存储寿命可长达300年，而氮化硅/二氧化硅(SiN_x/SiO₂)双层膜驻极体的电荷存储寿命更长。本发明正是利用(SiN_x/SiO₂)双层膜良好的空间电荷存储能力，利用电晕方法在(SiN_x/SiO₂)双层膜中注入电荷，从而达到提高太阳电池效率的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高单晶硅太阳电池的方法，在通常的单晶硅太阳电池的结构基础上，采用热氧化方法或原子层沉积技术在P型单晶硅衬底上生长一层致密的氧化硅(SiO₂)薄膜，再利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在SiO₂薄膜上生长一层氮化硅(SiNx)薄膜，利用电晕注入电子的方法引入负电荷层。SiO₂/SiNx双层膜即可以对单晶硅太阳电池的背面起到很好的钝化作用，同时又是电荷层的存储介质。

实现本发明的技术方案为：

基于通常单晶硅太阳电池的制备方案，太阳电池的结构是采用局部背接触结构，在太阳电池背面利用热氧化或原子层沉积技术生长一层SiO₂层，再利用PECVD生长一层SiNx薄膜，利用激光刻槽技术，刻出背电极接触区域，然后利用电晕方式注入电子，最后利用真空蒸镀方式沉积Al电极。

太阳电池芯片选用P型Si片，电阻率在1～3Ωcm，厚度在180～220μm。

1、干氧：生长一层氧化硅层，氧化时会在Si片正面和背面都生长上氧化硅层；

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Si片正面形成金字塔结构，碱液的温度80～90℃，浓度1～2％，腐蚀时间15-20min；

3、扩散制结：扩散的目的在于形成PN结，采用磷做n型掺杂，扩散温度在800～900℃；

4、背结和边缘刻蚀：扩散过程中，在硅片的周边表面和背面也形成了扩散层。用等离子干法腐蚀，在辉光放电条件下通过氟和氧交替对硅作用，去除周边和背面的扩散层；或用化学腐蚀的方法去除背结和边缘刻蚀。

5、在硅片的背面性制备SiO₂薄膜

利用原子层沉积技术在硅片背面生长一层500～1000nm致密的SiO₂薄膜；或利用干-湿-干热氧化在硅片背面生长一层厚度800～1100nm的SiO₂薄膜。氧化时会在Si片正面和背面都生长上氧化硅层，氧化完成后利用等离子体刻蚀或湿法腐蚀方法去除正面氧化硅层。

6、利用PECVD在太阳电池正面(制过绒的一面)上生长一层厚度在60～80nm的SiNx层，形成减反膜；

7、利用PECVD在太阳电池背面SiO₂薄膜生长一层40～100nm的SiNx层，用来提高电荷的存储寿命；

8、激光刻出背电极区域；

9、上电极制作：利用溅射方法沉积ITO透明上电极，ITO膜的方块电阻在10～50Ω，透过率在85～92％；

10、利用电晕法在电池背面的SiO₂/SiNx薄膜中注入电子；

11、背面真空蒸镀铝。

本发明的特点是在电池的背面设计了SiO₂/SiNx双层介质膜，利用电晕的方法埋入电荷，形成一外加电池。由光照射产生的电子-空穴对在该外场作用下加速分离，提高了电子和空穴的迁移速率，也即提高了电池的短路电流。为了保证实现电荷在介质层中存储的稳定性，在SiO₂层上沉积了SiNx层，同时在电池的制作中要特别注意工艺流程顺序，以防止注入的电荷在制作过程中流失或复合掉。另外电池背面较厚的SiO₂层，对单晶硅太阳电池也起到了很好的钝化作用。

附图说明

图1实施例中太阳电池的结构示意图

具体实施方式

实施例1

一.太阳电池的结构设计见图1。

二、太阳电池的制备

选用(100)p型硅片，电阻率为3Ωcm，厚度200μm。

1、干氧：

通氧气，气体流量1L/min，氧化温度1050℃，20分钟，生长一层45～50nm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的方法腐蚀制绒，碱液的温度约80℃，浓度1～2％，腐蚀时间15min。

3、扩散制结：

将扩散炉预先升温至扩散温度(850～900℃)。先通入氮气(800ml/min)，硅片推入恒温区，预热5分钟。然后，氮气流量调至60ml/min、同时通入流量为40ml/min氧气和流量为50ml/min三氯氧磷液态源。通源时间15min。失源后，继续通大流量的氮气5min，以赶走残存在管道内的源蒸气。

4、背结和周边的扩散层刻蚀、清洗：

利用KOH化学腐蚀同时除去背结和周边的扩散层，前结的掩蔽用涂黑胶的方法，黑胶是用真空封蜡溶于甲苯制成。硅片腐蚀去背结后用溶剂溶去真空封蜡，再经过浓硫酸清洗。

5、在硅片的背面制备SiO₂薄膜

利用干-湿-干热氧化方法生长形成SiO₂薄膜：

生长温度1150℃，先通氧气30min，然后通氧气/水汽混合气体3h，再通氧气30min，生长厚度为1μm的SiO₂薄膜；

由于氧化时，在硅片的正面同时也生长了氧化层，所以需要去除正面的氧化层：利用5％稀释的HF溶液去除正面的氧化层；

6、利用PECVD在正面生长一层80nm厚度的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PECVD在背面SiO₂上生长一层100nm厚的SiNx层：

8、激光刻槽，制作背面电接触点：

槽宽40μm。槽深1.5μm，槽间距是0.1cm。

9、利用溅射方法制备氧化铟锡(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80nm左右。随后在270℃，氧气气氛下进行10min退火处理，ITO膜的方块电阻在30Ω，透过率在91％；

10、利用恒栅压电晕法在氧化硅层中注入电荷：

充电温度是室温，栅压值-500V，针尖电压-20KV，充电时间15min。

11、背面真空蒸镀铝：

本底真空4×10^-4Pa，99.999％的铝丝作为蒸发源，蒸镀膜厚1μm的铝膜。

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0.63V，短路电流41.5mA，填充因子0.78，效率为20.4％。

实施例2

方案二与方案一不同之处只是在二氧化硅的形成工艺上，也即具体实施方案中的第5个步骤。其余步骤相同。

利用原子层沉积技术在硅片背面形成氧化硅薄膜：

采用H₂N(CH₂)₃Si(OEt)₃作为硅源，水(H₂O)和O₃作为氧源，H₂N(CH₂)₃Si(OEt)₃脉冲时间是1s，H₂O脉冲时间是400ms，O₃脉冲时间是300ms，清洗气体为氮气，脉冲时间为2s，衬底温度100-200℃，工作气压0.08～0.10Torr，前驱体注射总脉冲2400次，清扫脉冲2400次。

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0.64V，短路电流42.1mA，填充因子0.787，效率为21.2％。

Claims

1.带有电荷埋层的太阳电池的制备方法，太阳电池的结构采用局部背接触结构，包括干氧步骤、制绒步骤、扩散制结步骤和背结和边缘刻蚀步骤四个步骤，其特征在于：背结和边缘刻蚀后，在太阳电池背面利用热氧化生长一层厚度为800～1100nm的SiO₂层或利用原子层沉积技术沉积一层500～1000nm SiO₂层；利用PECVD在太阳电池制绒一面上生长一层厚度在60～80nm的SiNx层，形成减反膜；再利用PECVD在背面的SiO₂层上生长一层40～100nm的SiNx薄膜，利用激光刻槽技术，刻出背电极接触区域，利用溅射方法沉积ITO透明上电极，然后利用电晕方式在电池背面的SiO₂/SiNx薄膜中注入电子，最后利用真空蒸镀方式在SiO₂/SiNx薄膜上沉积Al电极。

2.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述太阳电池的芯片选用P型Si片，电阻率在1～3Ωcm，厚度在180～220μm。

3.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：利用干-湿-干热氧化在硅片背面生长一层厚度800～1100nm的SiO₂薄膜，氧化时会在Si片正面和背面都生长上氧化硅层，氧化完成后利用等离子体刻蚀或湿法腐蚀方法去除正面氧化硅层。

4.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：利用溅射方法沉积ITO透明上电极，ITO膜的方块电阻在10～50Ω，透过率在85～92％。