CN101897032A - 用于背面接触太阳能电池的具有高吸光层的防反射涂层 - Google Patents

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Abstract

一种用于背面接触太阳能电池(300)的多层防反射结构(310)。在背面接触太阳能电池(300)的正面上可以形成防反射结构(310)。防反射结构(310)可以包括钝化层(312)、在钝化层上的高吸光层(313)、在高吸光层(313)上的低吸光层(314)。钝化层(312)可包括在太阳能电池基底(102)的有纹理的表面上热生长的二氧化硅，该基底可以是N型硅基底。高吸光层(313)可以被配置来阻挡进入基底的UV辐射的至少10％。高吸光层(313)可以包括高k氮化硅，低吸光层(314)可以包括低k氮化硅。

Description

用于背面接触太阳能电池的具有高吸光层的防反射涂层
交叉引用
本申请要求2007年12月14日提交的美国临时申请No.61/007,758的优先权，其全部内容通过引用整体上结合于此。
技术领域
本发明总地来说涉及太阳能电池，更具体地但并非排他地涉及太阳能电池制造工艺和结构。
背景技术
太阳能电池是众所周知的用于将太阳辐射转化成电能的装置。可以使用半导体处理技术在半导体基底上制造太阳能电池。太阳能电池包括P型和N型扩散区。太阳辐射在太阳能电池上的撞击产生向扩散区迁移的电子和空穴，从而在扩散区之间产生电压差。在背面接触太阳能电池中，扩散区及与其耦接的金属接触条均在太阳能电池的背面上。接触条使得外部电路能够耦接到太阳能电池并由其供电。
现有技术中背面接触太阳能电池通常是公知的。在美国专利No.5,053,083和No.4,927,770中公开了背面接触太阳能电池的例子，两者均通过引用整体上结合于此。图1示意性示出传统背面接触太阳能电池的另一示例。
在图1的示例中，传统背面接触太阳能电池100包括N型硅基底102。太阳能电池100的正面总地标注为120，而与正面相对的背面总地标注为121。太阳能电池的正面在正常操作期间面对太阳以收集太阳辐射。正面被形成随机的纹理以减小反射从而增加基底102中收集的太阳辐射量。在有纹理的硅表面上形成了包括热生长二氧化硅(SiO2)层122和氮化硅层103的多层防反射结构110。
太阳能电池100的背面包括P型扩散区105和N型扩散区106。可通过从背面扩散适当的掺杂剂来形成扩散区105和106。金属条109与P型扩散区105电连接，而金属条110与N型扩散区106电连接。金属条109和110使太阳能电池100中产生的电子能够被外部电路所用。层107提供隔离以防止电短路。
背面接触太阳能电池的性能随着SiO2与Si之间的界面状态密度减小而提高。因此对二氧化硅层122与基底102表面之间的界面进行设计来减小它们之间的界面状态密度。氮化硅层103还可以进一步减小SiO2/Si界面状态对太阳能电池100的性能的影响。减小SiO2/Si界面状态密度及其对太阳能电池性能的影响的工艺也被称为“钝化”。
本发明的实施例有助于防止背面接触太阳能电池的正面钝化发生劣化。
发明内容
在一个实施例中，在太阳能电池的正面形成用于背面接触太阳能电池的防反射结构。该防反射结构包括钝化层、钝化层上的高吸光层、以及高吸光层上的低吸光层。钝化层可以包括在太阳能电池基底的有纹理的表面上热生长的二氧化硅，该太阳能电池基底可以是N型硅基底。高吸光层可以被配置来阻挡至少10％的UV辐射进入基底。高吸光层可以包括高k氮化硅，低吸光层可以包括低k氮化硅。
本领域技术人员在阅读完包括所附附图和权利要求的本公开之后将明了本发明的这些以及其它特征。
附图说明
图1示意性示出传统背面接触太阳能电池。
图2示出传统背面接触太阳能电池的正面的导带(band)的示图，其说明导致正面钝化发生劣化的机制。
图3示意性示出根据本发明一个实施例的背面接触太阳能电池。
图4示意性示出根据本发明一个实施例的背面接触太阳能电池。
图5示出作为光波长的函数的非晶硅消光系数(k)的曲线图。
图6示出作为光波长的函数的氮化硅消光系数(k)的曲线图。
图7示出非晶硅和氮化硅的光特性和对光强的影响的表。
图8示出用于说明当在背面接触太阳能电池的多层防反射结构中使用非晶硅时UV稳定性得到改善的曲线图。
图9示出非晶硅对量子效率的影响的曲线图。
图10示出根据本发明一个实施例的背面接触太阳能电池的示意性示图。
图11示出针对高k和低k氮化硅层的作为光波长的函数的消光系数的曲线图。
图12示出低k和高k氮化硅的光特性和对光强的影响的表。
图13示出说明高k氮化硅的使用对背面接触太阳能电池的效率的影响的实验结果。
图14示出说明高k氮化硅的使用对背面接触太阳能电池的UV可靠性的影响的实验结果。
图15示出在根据本发明一个实施例的太阳能电池上形成多层防反射结构的方法的流程图。
不同附图中使用的相同参考符号表示相同或相似的部件。附图未按照比例绘制。
具体实施方式
在本公开中，提供了许多具体细节，比如材料、工艺参数、工艺步骤和结构的例子以供彻底理解本发明的实施例。然而，本领域技术人员将会理解，可以在没有一个或多个这些具体细节的情况下实施本发明。在另外一些示例中，没有示出或描述公知的细节以避免模糊了本发明的各个方面。
不局限于理论，本发明人认为可以基于以下分析来改进当前可获得的背面接触太阳能电池。
正面有纹理的表面的钝化对于制造高效的背面接触太阳能电池而言十分重要，因为从收集的太阳辐射产生的电子和空穴密度集中在硅基底的正面。光强以及硅基底中的光生电子和空穴密度从基底正面到背面按指数下降。在正面上没有良好的钝化的情况下，大量电子和空穴将会在SiO2/Si界面处重新结合，导致降低太阳能电池效率。
UV辐射会使背面接触太阳能电池的正面钝化劣化，从而降低了效率并产生可靠性问题。图2示出传统背面接触太阳能电池的正面的导带示图，其说明导致正面钝化发生劣化的机制。二氧化硅的导带与硅的导带之间的能量差是3.1eV。这个能量对应于波长为400nm的光子的能量。波长比400nm短的UV辐射将会具有足够能量激励电子从硅导带到达二氧化硅导带，从而提高了SiO2/Si缺陷状态的密度。因此该过程导致电子和空穴在正面的重新结合增加，降低了太阳能电池的效率。参见P.E.Gruenbaum、R.R.King、R.M.Swanson的论文“Photoinjected hot-electron damage in silicon point-contact solarcells”，Journal of Applied Physics，vol.66，p.6110-6114，1989。
图3示意性示出根据本发明一个实施例的背面接触太阳能电池300。太阳能电池300除了使用防反射结构310而不是110以外，都与图1的太阳能电池100相同。太阳能电池100和300相同的部件之前已经参考图1作了描述。
在一个实施例中，防反射结构310包括钝化层312、形成于钝化层312上的高吸光层313、和形成于高吸光层313上的低吸光层314。在一个实施例中，钝化层312包括热生长到大约0.5nm至100nm厚的二氧化硅，低吸光层314包括通过等离子增强化学汽相沉积或反应溅射法沉积到大约5nm至100nm厚的氮化硅。
高吸光层313如此命名的原因是其相对于低吸光层314吸收了大部分穿过它的光线。在一个实施例中，高吸光层313配置来阻挡波长为400nm或更短的光的至少10％。通常，在大多数太阳能电池设计中没有推荐在太阳能电池的正面上使用高吸光层，因此这不是太阳能电池行业中的一般做法，这是因为高吸光层会减小到达太阳能电池基底的光量。换句话说，高吸光层会对太阳能电池效率造成负面影响。这就是在太阳能电池正面上通常优选使用低吸光层的原因。然而，如下文中将会更加明显那样，当用于背面接触太阳能电池时在正面上使用高吸光层具有意想不到的好处，即高吸光层能够提高太阳能电池的稳定性而不会损害其效率。实际上，发明人进行的研究表明在背面接触太阳能电池的正面上的高吸光层在某些情况下反而能够有助于提高效率。
为了提高UV稳定性并实现最小限度的随时间的性能劣化，高吸光层313被配置来以对可见光的最小滤光影响来减小冲击到太阳能电池300的SiO2/Si界面(一般地标为“104”)的UV辐射量。例如，高吸光层313可以包括对可见光相对透明而对UV辐射(即波长在400nm或更短范围内的光)具有高吸收率的材料。高吸光层313减小了UV辐射对二氧化硅钝化层312与硅基底102之间的界面的损伤，在一个实施例中该硅基底102包括N型硅。
图4示意性示出根据本发明一个实施例的背面接触太阳能电池300A。太阳能电池300A是太阳能电池300(见图3)的一个特定实施例，其中高吸光层包括非晶硅层413，低吸光层包括氮化硅层414。太阳能电池300A的多层防反射结构一起被标为“310A”。太阳能电池300A和300其余均相同。
图5和图6分别示出作为光波长的函数的非晶硅和氮化硅的消光系数(k)的曲线图。在太阳能电池的领域，消光系数是一种材料吸收光能力如何的度量。当在防反射涂层310A中使用非晶硅或氮化硅时到达背面接触太阳能电池300A的SiO2/Si界面104的光的强度因此可以通过利用这两种材料的消光系数来进行评价。
图7示出非晶硅和氮化硅的光特性和对光强的影响的表。图7的表具有光波长、消光系数(k)、计算出的吸收系数(α)、每种材料将光强下降64％(即1/e)所需的厚度、以及非晶硅(a-Si)和氮化硅将光强下降10％所需的厚度等条目。
由于非晶硅的消光系数和吸收系数更大，因此非晶硅使光失去大部分强度所需的厚度与氮化硅相比相对更薄。考虑具有400nm波长的光，该波长是UV频谱中显著破坏SiO2/Si界面的最长波长，采用了大约11nm厚的非晶硅滤去10％的光。对于350nm的波长，仅采用大约1nm厚的非晶硅滤去10％的光。这些厚度显著不同于氮化硅的厚度。在400nm，采用大约1545nm的氮化硅滤去10％的光。在太阳能电池的典型防反射结构中，氮化硅的该厚度通常小于该值的十分之一。因此具有小于400nm的波长的UV辐射将会基本不被滤去地通过氮化硅。当在多层防反射结构中的氮化硅和二氧化硅之间形成大于11nm的非晶硅时，如在防反射结构310A中，小于90％的UV辐射将会通过非晶硅。因此，可以使用非晶硅作为用于保护背面接触太阳能电池的SiO2/Si界面的优良UV滤光装置。当采用非晶硅作为背面接触电池的多层防反射结构中的高吸光层时，优选地形成非晶硅来滤去或阻挡从太阳能电池正面进入的太阳辐射的至少25％。
图8示出说明当在背面接触太阳能电池(比如在图4的太阳能电池300A中)的多层防反射结构中使用非晶硅时UV稳定性提高的曲线图。图8的曲线从涉及背面接触太阳能电池的实验中得到。在图8中，垂直轴代表该实验涉及的背面接触太阳能电池的开路电压(Voc)的百分比变化，而水平轴代表太阳能电池处于UV辐射下的以小时计数的时间量。曲线801仅用于参考，并示出当太阳能电池没有暴露于任何UV辐射下时开路电压随时间的百分比变化。曲线802针对的是如具有100nm厚的氮化硅层414和60nm厚的非晶硅层413的太阳能电池300A这样的背面接触太阳能电池，曲线803针对的是如具有100nm厚的氮化硅层414和30nm厚的非晶硅层413的太阳能电池300A这样的背面接触太阳能电池。曲线804针对的是如太阳能电池100(见图1)这样的背面接触太阳能电池。即，曲线804针对的是在其防反射结构上没有非晶硅层的传统背面接触太阳能电池。
从图8可明显地得知，在防反射层结构中仅仅使用氮化硅的情况下(曲线804)，在暴露于UV辐射80小时后，太阳能电池的开路电压降低了超过1.2％。当对防反射结构添加30nm厚(大于11nm)的非晶硅时(曲线803)，太阳能电池变得鲁棒而耐UV损害。采用30nm厚的非晶硅，太阳能电池的开路电压在相同的80小时时间段里下降少于0.1％。当使用60nm厚的非晶硅时，所显示的开路电压下降甚至更少(曲线802)，其具有与太阳能电池没有暴露于UV辐射的曲线(曲线801)相类似的轮廓。因此，对背面接触太阳能电池的防反射结构添加非晶硅是一种提高太阳能电池的UV稳定性、使随时间发生的钝化层劣化最小化的有效方式。
虽然非晶硅提高了背面接触太阳能电池的UV稳定性，但也产生了一个问题，即非晶硅具有可见光范围内的高吸收率。这意味着正面防反射结构中的非晶硅会降低太阳能电池的效率。参考图9来说明这种现象。
图9示出非晶硅对量子效率的影响的曲线。在太阳能电池的领域中，量子效率是撞击太阳能电池表面的光子中将会产生电子-空穴对的百分比。还可参见S.M.Sze的Physics of Semiconductor Devices，2nd Ed.1981。在图9的示例中，水平轴代表光的波长，垂直轴代表以百分比表示的等效量子效率。曲线902针对的是如具有100nm厚的氮化硅层414和60nm厚的非晶硅层413的太阳能电池300A这样的背面接触太阳能电池，曲线903针对的是如具有100nm厚的氮化硅层414和30nm厚的非晶硅层413的太阳能电池300A这样的背面接触太阳能电池。曲线904针对的是如太阳能电池100(见图1)这样在其防反射结构中没有非晶硅层的背面接触太阳能电池。将曲线904与曲线902和903相比较，显然对背面接触太阳能电池的正面添加非晶硅降低了等效量子效率。添加的非晶硅越厚，效率降低得越大。
现在参考图10，其示出了根据本发明一个实施例的背面接触太阳能电池300B的示意图。太阳能电池300B是太阳能电池300(见图3)的一个特定实施例，其中高吸光层包括高k氮化硅层513，低吸光层包括低k氮化硅层514。太阳能电池300B的多层防反射结构总的标注为“310B”。太阳能电池300B和300A其它方面相同。
“高k氮化硅”和“低k氮化硅”分别指的是具有高消光系数和低消光系数的氮化硅。高k氮化硅包括在400nm以及更小波长的光处具有至少为0.03的消光系数的氮化硅。在一个实施例中，高k氮化硅可以通过等离子增强化学汽相沉积或反应溅射来形成。低k氮化硅包括在400nm以及更大波长的光处具有至多为0.03的消光系数的氮化硅。在一个实施例中，低k氮化硅可以通过等离子增强化学汽相沉积或反应溅射来形成。
图11示出针对高k和低k氮化硅层的作为光波长的函数的消光系数的曲线图。在图11的示例中，水平轴代表光的波长，垂直轴代表消光系数。曲线921针对高k氮化硅，曲线922针对低k氮化硅。从图11可以明显看出，在400nm以及更小波长处，高k氮化硅的消光系数比低k氮化硅的消光系数高好几个数量级。
图12示出低k和高k氮化硅的光特性和对光强的影响的表。根据图12，低k氮化硅对UV辐射实质是透明的。另一方面，高k氮化硅在UV范围内具有很大的吸收率(见α)。在400nm时，采用大约10nm厚度的高k氮化硅来去除10％的光。在350nm时，仅采用6nm厚的高k氮化硅就能去除10％的光。因此，高k氮化硅是非常好的UV辐射滤光装置，可以用来提高太阳能电池的UV稳定性。
除了作为良好的UV辐射滤光装置，高k氮化硅在可见光范围内也相对透明。这使得高k氮化硅比非晶硅更适合作为多层防反射结构中的高吸光层。根据图12，在535nm波长处，采用了大约668nm厚的高k氮化硅以去除10％的光，而非晶硅仅需要151nm的厚度(见图7)。因此，高k氮化硅可以在仍允许大多数可见光进入太阳能电池的硅基底以转换成电能的同时被用作相对良好的UV滤光装置。
优选地，使得防反射结构中的高k氮化硅的厚度在提高UV稳定性的同时会至少维持太阳能电池的效率。高k氮化硅的厚度可以根据背面接触太阳能电池的特点而变化。一般而言，可以根据公式1确定高k氮化硅的厚度：
高吸光层的厚度＞In(0.9)λ/(-4πk)(公式1)
这里λ是光的波长并且为400nm或更小，k是消光系数。优选地，高k氮化硅被配置来滤去将太阳能电池暴露于其下的UV辐射(波长为400nm或更小)的至少10％。注意，公式1可以用来一般地确定高吸光层的厚度，而不仅仅是高k氮化硅高吸光层的厚度。
图13示出说明使用高k氮化硅对背面接触太阳能电池的总效率的影响的实验结果。在图13中，标注为“采用高k的SiN”的列针对的是如在背面接触太阳能电池300B(图10)中的那样具有高k氮化硅的背面接触太阳能电池，标注为“仅仅低k的SiN”的列针对的是如在背面接触太阳能电池100(图1)中的那样没有高k氮化硅的背面接触太阳能电池。从图13可以明显看出，高k氮化硅对效率具有最小影响并且在一些采样中甚至导致更高效率。在多层防反射结构中具有高k氮化硅不会对效率造成不利影响。
图14示出说明使用高k氮化硅对背面接触太阳能电池的开路电压的百分比变化的影响的实验结果。在图14中，标注为“采用高k的SiN”的列针对的是如在背面接触太阳能电池300B(图10)中的那样具有高k氮化硅的背面接触太阳能电池，标注为“仅仅低k的SiN”的列针对的是如在背面接触太阳能电池100(图1)中的那样没有高k氮化硅的背面接触太阳能电池。标注为“参考”的列仅用于参考并且针对的是没有暴露于UV辐射的背面接触太阳能电池100。这些列指示太阳能电池暴露于UV辐射下的以小时(零和189.7小时)表示的时间量。根据图14，可以看出在多层防反射结构中具有高k氮化硅可以通过使由于暴露于UV而导致的开路电压下降最小化来使得太阳能电池稳定。因此，高k氮化硅的使用提高了背面接触太阳能电池的UV稳定性而没有对效率造成不利影响。
参考图15，示出了在根据本发明一个实施例的背面接触太阳能电池上形成多层防反射结构的方法500的流程图。背面接触太阳能电池包括在正常操作期间面对太阳的正面和与正面相对的背面。扩散区和与它们接触的金属触点全部形成在太阳能电池的背面上。
在步骤501中，对太阳能电池的正面随机地形成纹理。随机纹理可以形成在N型硅基底的正面表面上。可以使用例如包括氢氧化钾、水和异丙醇的湿式蚀刻工艺来使基底的正面表面形成纹理。湿式蚀刻工艺使正面形成随机角锥形纹理，从而有利地提高了太阳辐射的收集效率。
在步骤502中，在有纹理的正面表面上形成钝化层。在一个实施例中，钝化层包括在有纹理的正面表面上热生长的厚度为大约0.5nm到100nm(优选厚度为大约50nm)的二氧化硅层。
在步骤503中，在钝化层上形成被配置来阻挡UV辐射的高吸光层。优选地，高吸光层被配置来阻挡从正面进入硅基底的波长为400nm以及更小的光的至少10％。高吸光层的厚度可以根据应用而变化。上面针对高k氮化硅讨论的公式1也可以用来计算针对其它材料的高吸光层的厚度。高吸光层可以包括通过等离子增强化学汽相沉积或反应溅射而形成为厚度大约1nm到100nm(优选地厚度大约12nm)的高k氮化硅。
在步骤504中，在高吸光层上形成低吸光层。低吸光层可以包括通过等离子增强化学汽相沉积、反应溅射或其它适当工艺而沉积为厚度20nm到100nm(优选地厚度大约60nm)的低k氮化硅。
已经公开了背面接触太阳能电池的一种改进的多层防反射结构及其制造工艺。虽然提供了本发明的具体实施例，然而要理解的是这些实施例用于说明目的而不是限制。本领域技术人员阅读本公开后将会明了许多其它的实施例。

Claims (25)

1.一种制造背面接触太阳能电池的方法，所述方法包括：
使背面接触太阳能电池的正面上的硅基底的表面形成纹理以产生有纹理的正面表面，所述背面接触太阳能电池具有位于与正面相对的背面上的扩散区和与所述扩散区电耦接的金属触点，所述正面在正常操作期间面对太阳以收集太阳辐射；
在有纹理的正面表面上形成包括二氧化硅的钝化层；
在钝化层上形成高k氮化硅层，所述高k氮化硅层被配置来阻挡从正面进入硅基底的UV辐射的至少10％；和
在高k氮化硅层上形成低k氮化硅层。
2.如权利要求1所述的方法，其中高k氮化硅层对波长为400nm以及更短的光具有至少0.03的消光系数，而低k氮化硅层对波长为400nm以及更长的光具有最大0.03的消光系数。
3.如权利要求1所述的方法，其中硅基底包括N型硅基底。
4.如权利要求1所述的方法，其中钝化层包括热生长的二氧化硅。
5.如权利要求1所述的方法，其中高k氮化硅层具有在从1nm到100nm范围内的厚度。
6.一种背面接触太阳能电池，包括：
在背面接触太阳能电池的正面硅基底上的有纹理的表面，所述正面在正常操作期间面对太阳以收集太阳辐射；
形成在有纹理的表面上的钝化层；
形成在钝化层上的高吸光层，所述高吸光层被配置来阻挡从正面进入硅基底的UV辐射的至少10％；和
形成在高吸光层上的低吸光层。
7.如权利要求6所述的背面接触太阳能电池，其中高吸光层对波长为400nm以及更短的光具有至少0.03的消光系数，而低吸光层对波长为400nm以及更长的光具有最大0.03的消光系数。
8.如权利要求6所述的背面接触太阳能电池，其中高吸光层包括高k氮化硅。
9.如权利要求6所述的背面接触太阳能电池，其中低吸光层包括低k氮化硅并且高吸光层包括高k氮化硅。
10.如权利要求6所述的背面接触太阳能电池，其中钝化层包括二氧化硅。
11.如权利要求6所述的背面接触太阳能电池，其中硅基底包括N型硅。
12.如权利要求6所述的背面接触太阳能电池，其中高吸光层包括对波长为400nm或更短的光具有至少为0.03的消光系数的高k氮化硅。
13.如权利要求6所述的背面接触太阳能电池，其中高吸光层包括形成为厚度在1nm到100nm范围内的高k氮化硅。
14.一种制造背面接触太阳能电池的方法，所述方法包括：
使背面接触太阳能电池的太阳能电池基底的正面的表面形成纹理以产生有纹理的正面表面，所述正面在正常操作期间面对太阳以收集太阳辐射；
在有纹理的正面表面上形成钝化层；
在钝化层上形成高吸光层，所述高吸光层被配置来阻挡从正面进入基底的UV辐射的至少10％；和
在高吸光层上形成低吸光层。
15.如权利要求14所述的方法，其中钝化层包括热生长的二氧化硅。
16.如权利要求14所述的方法，其中低吸光层包括对波长为400nm或更短的光具有最大0.03的消光系数的低k氮化硅。
17.如权利要求14所述的方法，其中高吸光层包括对波长为400nm或更短的光具有至少0.03的消光系数的高k氮化硅。
18.如权利要求14所述的方法，其中基底包括N型硅。
19.如权利要求14所述的方法，其中基底包括N型硅并且钝化层包括在N型硅的表面上热生长的二氧化硅。
20.如权利要求14所述的方法，其中高吸光层包括形成为厚度在1nm到100nm范围内的高k氮化硅。
21.一种背面接触太阳能电池，包括：
形成在背面接触太阳能电池的基底的正面上的钝化层；
形成在钝化层上的高吸光层，所述高吸光层被配置来阻挡从正面进入基底的UV辐射；和
形成在高吸光层上的低吸光层，并以高吸光层和钝化层形成多层防反射结构。
22.如权利要求21所述的背面接触太阳能电池，其中高吸光层对波长为400nm以及更短的光具有至少为0.03的消光系数。
23.如权利要求21所述的背面接触太阳能电池，其中高吸光层包括高k氮化硅。
24.如权利要求21所述的背面接触太阳能电池，其中钝化层形成在基底的有纹理的表面上。
25.如权利要求21所述的背面接触太阳能电池，其中钝化层包括二氧化硅。
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