CN101916787A - 一种黑硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种黑硅太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池器件制造技术领域。所述黑硅太阳能电池包括金属背电极、晶硅、黑硅层、钝化层和金属栅极；金属背电极位于晶硅的背面，黑硅层位于晶硅上，钝化层位于黑硅层上，金属栅极位于钝化层上。所述制备方法包括：对硅片进行预处理；利用等离子体浸没离子注入技术，在预处理后的硅片表面制备黑硅层；在黑硅层上制备发射极，并对发射极进行钝化处理，形成钝化层；分别在单晶硅片的背面和钝化层上制备金属背电极和金属栅极。本发明利用黑硅层作为吸收层，在可见光波段内，电池的平均吸收率较高。

Description

一种黑硅太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池器件制造技术领域，特别涉及一种黑硅太阳能电池及其制备方法。
背景技术
面对当前的能源危机和化石类燃料的大量耗用所引发的温室效应、酸雨等环境问题，迫切需要在世界范围内开发和有效利用新能源。太阳能是一种取材方便、绿色环保的可再生能源，在不远的将来将成为世界能源供应的主体。太阳能电池作为一种清洁高效的绿色可持续能源，将为太阳能的有效利用提供更广阔的前景。因此，针对太阳能电池光电转换效率的探索也必将是一个极具应用意义和发展前景的方向。
目前，太阳能电池由于生产成本太高而无法取代传统能源，因此降低太阳能电池的生产成本就成为这一行业最大的问题，而太阳能电池的生产成本与太阳能电池的效率密切相关。由于硅的高折射率，其反射损失可达40％以上，即硅基太阳能电池的光反射率较高，从而大大降低了硅基太阳能电池的光电转换效率。
黑硅是一种电子产业革命性的新型材料结构，通常是指吸收率很高的硅表面或硅基薄膜(包括硅化合物的表面或薄膜)。与一般的硅材料结构相比，黑硅具有很强的吸光能力。如果将黑硅应用于光学传感器或太阳能电池，那么感光效率会提高上百倍，太阳能电池的转换效率也得以显著提高。
美国哈佛大学的Eric Mazur等人利用飞秒激光方法制备了黑硅材料，并由此制备了黑硅太阳能电池，这种黑硅太阳能电池的光电转换效率为8.8％～13.9％。然而，利用飞秒激光方法制备黑硅材料的成本比较高，这样势必会增加黑硅太阳能电池的生产成本，不利于生产应用。
发明内容
为了降低黑硅太阳能电池的生产成本，本发明提出了一种黑硅太阳能电池及其制备方法。
所述黑硅太阳能电池包括金属背电极、晶硅、黑硅层、钝化层和金属栅极；所述金属背电极位于所述晶硅的背面，所述黑硅层位于所述晶硅上，所述钝化层位于所述黑硅层上，所述金属栅极位于所述钝化层上。
所述晶硅为单晶硅或多晶硅，所述金属背电极由铝、铜、银、金或铂制成，所述金属栅极由铝、铜、银、金或铂制成。
所述金属背电极的厚度为10～15微米；所述单晶硅或多晶硅的厚度为100～300微米；所述黑硅层的厚度为0.1～10微米；所述钝化层的厚度为50～200纳米；所述金属栅极的厚度为2～10微米，栅极宽度为30～150微米，间距为2～3毫米。
所述黑硅太阳能电池制备方法包括：
对硅片进行预处理；
利用等离子体浸没离子注入技术，在预处理后的硅片表面制备黑硅层；
在所述黑硅层上制备发射极，并对所述发射极进行钝化处理，形成钝化层；
分别在所述单晶硅片的背面和钝化层上制备金属背电极和金属栅极。
所述对硅片进行预处理的步骤具体包括：
将硅片浸入到氢氟酸溶液中，之后用去离子水清洗；
将去离子水清洗后的硅片浸入到氢氧化钠溶液中，去除所述硅片表面的损伤层；
用去离子水清洗去除损伤层后的硅片，并用氮气吹干。
所述利用等离子体浸没离子注入技术，在预处理后的硅片表面制备黑硅层的步骤包括：
将所述硅片放置于等离子体浸没离子注入设备的注入腔室内；
调整所述等离子体浸没离子注入设备的工艺参数进入预先设置的数值范围；
所述等离子体浸没离子注入设备产生等离子体，所述等离子体中的反应离子注入至所述硅片内；
所述反应离子与所述硅片发生反应，形成黑硅层。
所述将所述硅片放置于等离子体浸没离子注入设备的注入腔室内的步骤还包括：将所述硅片与可施加偏置电压的电源电气连接；所述工艺参数包括所述注入腔室的本底压强和工作压强，注入至所述注入腔室的混合气体的组成成分和体积比；所述本底压强范围为10-5Pa～10-3Pa，所述工作压强范围为0.1Pa～50Pa；所述混合气体由具有刻蚀作用的气体和具有钝化作用的气体组成，所述具有刻蚀作用的气体包括SF6、CF4、CHF3、C4F8、NF3、SiF4、C2F6、HF、BF3、PF3、Cl2、HCl、SiH2Cl2、SiCl4、BCl3或HBr，所述具有钝化作用的气体包括O2、N2O或N2，所述具有刻蚀作用的气体与所述具有钝化作用的气体之间的体积比范围为0.01～100。
所述在所述黑硅层上制备发射极的步骤具体包括：
把所述硅片放在管式扩散炉的石英容器内；
在高温下使用氮气将三氯氧磷带入所述石英容器；
所述三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子；
所述磷原子向所述硅片内部渗透扩散，形成PN结。
在所述黑硅层上制备发射极和对所述发射极进行钝化处理步骤之间还包括：
将所述硅片放在氢氟酸溶液中浸泡；
对浸泡处理后的硅片进行刻蚀去边处理。
所述钝化处理采用表面氧化生长SiO2钝化方式进行处理，或采用PECVD生长SiNx或SiO2钝化方式进行处理。
与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：
1、本发明提供的黑硅太阳能电池结构简单，利用黑硅层作为吸收层，电池的平均吸收率提高；
2、本发明提供的黑硅太阳能电池的制备方法简单独特、易于掌握，具有操作方便、重复可靠的特点，具有明确的产业化前景。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的黑硅太阳能电池结构示意图；
图2是本发明实施方式提供的黑硅太阳能电池的反射率曲线示意图；
图3是本发明实施方式提供的黑硅太阳能电池的制备方法流程图；
图4是本发明实施方式提供的黑硅少子寿命分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式，对本发明技术方案作进一步描述。
参见图1，本发明实施方式提供了一种黑硅太阳能电池，包括金属背电极1、晶硅2、黑硅层3、钝化层4和金属栅极5。
金属背电极1位于晶硅2的背面，该金属背电极可由铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)等金属制成，也可由多种金属材料混合制成，例如合金材料或表面镀银的铜片，而晶硅2可为p型单晶硅、p型多晶硅、n型单晶硅或n型多晶硅，还可为经过清洗和去损伤预处理后的上述各种晶硅。
黑硅层3位于晶硅2上，黑硅层3可为利用等离子体浸没离子注入工艺对晶硅(包括单晶硅和多晶硅)进行加工而形成的黑硅，还可为利用刻蚀工艺对晶硅(包括单晶硅和多晶硅)进行加工而形成的黑硅，该刻蚀工艺包括干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀包括反应离子刻蚀(RIE)、感应离子耦合等离子体(ICP)刻蚀、高压等离子体刻蚀等等；黑硅层的掺杂类型与晶硅的掺杂类型相对应，例如：若晶硅为p型，则黑硅层为n型；若晶硅为n型，则黑硅层为p型。
钝化层4位于黑硅层3上，钝化层可通过采用表面氧化生长SiO2钝化方式对黑硅层进行处理而形成，也可通过采用PECVD生长SiNx或SiO2钝化方式对黑硅层进行处理而形成。
金属栅极5位于钝化层4上，该金属栅极可由可由铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)或铂(Pt)等金属制成，也可由多种金属材料混合制成，例如合金材料或表面镀金的铜片。
其中，金属背电极1的厚度为1～100微米，优选为10～15微米；晶硅2的厚度为10～1000微米，优选为100～300微米；黑硅层3的厚度为0.01～50微米，优选为0.1～10微米；钝化层4的厚度为1～500纳米，优选为50～200纳米；金属栅极5的厚度为1～50微米，优选为2～10微米，栅极宽度为10～1000微米，优选为30～150微米，间距为1～10毫米，优选为2～3毫米。
本实施方式提供的黑硅太阳能电池结构简单，利用黑硅层作为吸收层，电池的平均吸收率提高，如图2所示，在可见光波段内，电池的平均反射率小于2％，由于电池的平均透射率几乎为零，所以平均吸收率大于97％。
参见图3，本发明实施方式还提供了一种黑硅太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤101：对单晶硅片进行清洗和去损伤处理；
首先，把单晶硅片浸入到氢氟酸溶液中1～10分钟，去离子水清洗；然后，把清洗后的单晶硅片浸入到浓度为1％～30％的氢氧化钠溶液中1～10分钟，温度为50～80℃，去除单晶硅片表面的损伤层；最后，用去离子水清洗单晶硅片，并用氮气吹干；
步骤102：利用等离子体浸没离子注入技术，在单晶硅片表面制备黑硅层；
在本实施方式中，等离子体浸没离子注入所使用的设备，通常也被称为等离子体浸没离子注入机，其一般地包括注入腔室和等离子体源；在注入腔室内，设有其上可放置样品的样品台，在与样品台相对的一侧，设有等离子体源；
等离子体源包括抽真空系统，其可将注入腔室抽真空至预先设置的本底压强范围；供气系统，其可向注入腔室充入所需的气体，并且能够按照一定的控制规则来调整气体的各种参数，例如气体的流量、抽取速度、气体成分比例和浓度等参数，当气体充入注入腔室之后，可使得注入腔室的压强进入预先设置的工作压强范围；以及等离子体电源，其可为射频电源、微波电源或直流电源，这些电源还可以脉冲形式供电，并且这些电源的频率可为固定频率或可变频率；此外，该设备还包括可施加偏置电压的电源，该可施加偏置电压的电源与注入腔室内的样品台电气连接，可施加偏置电压的电源类型与等离子体电源相似，可为射频电源、微波电源或直流电源，这些电源还可以脉冲形式供电，还可以是这些电源的任意组合，进而向样品台提供由多种偏置电压组成的偏置电压；
在本实施方式中，等离子体浸没离子注入工艺为：将单晶硅片放置于注入腔室内；调整等离子体浸没离子注入机的工艺参数进入预先设置的数值范围；等离子体浸没离子注入机产生等离子体，该等离子体中的反应离子注入至单晶硅片内；反应离子与单晶硅片发生反应，形成黑硅；
所需调整的工艺参数包括注入腔室的本底压强和工作压强，注入气体的流量，抽取气体的速度，混合气体组成成分、组成比例和浓度，等离子体电源的输出功率和频率，可施加偏置电压的电源所施加的偏置电压，如果采用脉冲形式，还包括脉宽、占空比和频率；
注入腔室的本底压强范围可为10-7Pa～1000Pa，优选地可为10-5Pa～10Pa，更为优选地可为10-5Pa～10-3Pa；注入腔室的工作压强范围可为10-3Pa～1000Pa，优选为0.01Pa～100Pa，更为优选地可为0.1Pa～50Pa；
注入气体可为由具有刻蚀作用的气体和具有钝化作用的气体组成的混合气体，具有刻蚀作用的气体包括SF6、CF4、CHF3、C4F8、NF3、SiF4、C2F6、HF、BF3、PF3、Cl2、HCl、SiH2Cl2、SiCl4、BCl3或HBr，具有钝化作用的气体包括O2、N2O或N2，优选地可由多种具有刻蚀作用的气体和多种具有钝化作用的气体组成，更为优选地可由一种具有刻蚀作用的气体和一种具有钝化作用的气体组成，例如由SF6和O2组成的混合气体，或者由CF4和N2组成的混合气体，在满足混合气体由具有刻蚀作用的气体和具有钝化作用的气体组成并且具有刻蚀作用的气体与具有钝化作用的气体之间的体积比为0.01～100条件下，这些气体混合方式可以是任意的；具有刻蚀作用的气体与具有钝化作用的气体之间的体积比还可优选为0.1～80，更为优选地可为1～20；混合气体的流量可为1～1000sccm，优选为10～100sccm，更为优选地可为20～80sccm；
等离子体电源的输出功率为1～100000W，优选为10～50000W，更为优选地可为300～5000W；所施加偏置电压为-100000～100000V，优选为-50000～50000V，更为优选地可为-10000～0V；脉宽为1us～1s，优选为1us～0.1s，更为优选地可为1us～1ms；占空比为1％～99％，优选为10％～90％，更为优选地可为20％～80％，等离子体电源的频率为直流～10GHz，优选为1MHz～5GHz，更为优选地可为13.56MHz～5GHz；可施加偏置电压的电源的频率为直流～10GHz；
在本实施方式中，采用的混合气体由SF6和O2组成，由于利用含氧等离子体对单晶硅片表面进行处理，所以降低了单晶硅片的表面态密度，有效地提高了单晶硅片的表面质量，减少了单晶硅片的表面复合；
图4是采用微波光电导衰减法测量得到的黑硅的少子寿命分布图，由图4可以看出，黑硅的平均少子寿命大于10.647微秒；
步骤103：在黑硅层上制备发射极；
把单晶硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850～900℃的高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子；经过一定时间，磷原子从单晶硅片四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，即PN结；
步骤104：采用化学腐蚀法去除单晶硅片表面的磷硅玻璃；
把单晶硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络合物六氟硅酸，以去除扩散制结后在单晶硅片表面形成的一层磷硅玻璃；
步骤105：对单晶硅片进行刻蚀去边处理；
利用CF4气体，采用高频辉光放电反应，使反应气体激活生成活性粒子，这些活性粒子扩散到单晶硅片需要刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料发生化学反应，生成易挥发性物质而被去除；
步骤106：对发射极进行钝化处理，形成钝化层；
在实际应用中，可以采用表面氧化生长SiO2钝化方式进行处理，也可以采用PECVD生长SiNx或SiO2钝化方式进行处理；本实施方式采用表面氧化生长SiO2钝化方式进行处理，包括如下步骤：将单晶硅片放入干氧气氛中进行氧化，温度为800～1000℃，时间为20～40分钟，然后在氮气气氛中同样温度下进行退火，退火时间为5～20分钟；
步骤107：在单晶硅片的背面制备金属Al背电极；
以高纯铝作为蒸发源，在单晶硅片的背面沉积厚度为10～15微米的金属Al；然后在保护气氛下，350～450℃退火20～40分钟，形成欧姆接触的金属Al背电极；在本步骤中，采用350～450℃退火替代高温烧结过程，可避免高温烧结过程诱导的应力对单晶硅片的损伤，有利于降低单晶硅片的厚度；
步骤108：在钝化层上制备Ag栅极；
采用丝网印刷法，即通过特殊的印刷机和模板将银浆印制在钝化层的表面，形成Ag栅极，栅极的厚度为2～10微米，栅极宽度为30～150微米，间距为2～3毫米。
在本制备方法的具体实施方式中，还可以采用多晶硅替换单晶硅，同样可以实现本发明。
本实施方式提供的黑硅太阳能电池的制备方法简单独特、易于掌握，具有操作方便、重复可靠的特点，具有明确的产业化前景。
以上所述的具体实施方式，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方式而已，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 (10)

1.一种黑硅太阳能电池，其特征在于，包括金属背电极、晶硅、黑硅层、钝化层和金属栅极；所述金属背电极位于所述晶硅的背面，所述黑硅层位于所述晶硅上，所述钝化层位于所述黑硅层上，所述金属栅极位于所述钝化层上。
2.如权利要求1所述的黑硅太阳能电池，其特征在于，所述晶硅为单晶硅或多晶硅，所述金属背电极由铝、铜、银、金或铂制成，所述金属栅极由铝、铜、银、金或铂制成。
3.如权利要求2所述的黑硅太阳能电池，其特征在于，所述金属背电极的厚度为10～15微米；所述单晶硅或多晶硅的厚度为100～300微米；所述黑硅层的厚度为0.1～10微米；所述钝化层的厚度为50～200纳米；所述金属栅极的厚度为2～10微米，栅极宽度为30～150微米，间距为2～3毫米。
4.一种黑硅太阳能电池制备方法，其特征在于，所述方法包括：
对硅片进行预处理；
利用等离子体浸没离子注入技术，在预处理后的硅片表面制备黑硅层；
在所述黑硅层上制备发射极，并对所述发射极进行钝化处理，形成钝化层；
分别在所述单晶硅片的背面和钝化层上制备金属背电极和金属栅极。
5.如权利要求4所述的黑硅太阳能电池制备方法，其特征在于，所述对硅片进行预处理的步骤具体包括：
将硅片浸入到氢氟酸溶液中，之后用去离子水清洗；
将去离子水清洗后的硅片浸入到氢氧化钠溶液中，去除所述硅片表面的损伤层；
用去离子水清洗去除损伤层后的硅片，并用氮气吹干。
6.如权利要求4所述的黑硅太阳能电池制备方法，其特征在于，所述利用等离子体浸没离子注入技术，在预处理后的硅片表面制备黑硅层的步骤包括：
将所述硅片放置于等离子体浸没离子注入设备的注入腔室内；
调整所述等离子体浸没离子注入设备的工艺参数进入预先设置的数值范围；
所述等离子体浸没离子注入设备产生等离子体，所述等离子体中的反应离子注入至所述硅片内；
所述反应离子与所述硅片发生反应，形成黑硅层。
7.如权利要求6所述的黑硅太阳能电池制备方法，其特征在于，所述将所述硅片放置于等离子体浸没离子注入设备的注入腔室内的步骤还包括：将所述硅片与可施加偏置电压的电源电气连接；所述工艺参数包括所述注入腔室的本底压强和工作压强，注入至所述注入腔室的混合气体的组成成分和体积比；所述本底压强范围为10-5Pa～10-3Pa，所述工作压强范围为0.1Pa～50Pa；所述混合气体由具有刻蚀作用的气体和具有钝化作用的气体组成，所述具有刻蚀作用的气体包括SF6、CF4、CHF3、C4F8、NF3、SiF4、C2F6、HF、BF3、PF3、Cl2、HCl、SiH2Cl2、SiCl4、BCl3或HBr，所述具有钝化作用的气体包括O2、N2O或N2，所述具有刻蚀作用的气体与所述具有钝化作用的气体之间的体积比范围为0.01～100。
8.如权利要求4所述的黑硅太阳能电池制备方法，其特征在于，所述在所述黑硅层上制备发射极的步骤具体包括：
把所述硅片放在管式扩散炉的石英容器内；
在高温下使用氮气将三氯氧磷带入所述石英容器；
所述三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子；
所述磷原子向所述硅片内部渗透扩散，形成PN结。
9.如权利要求4所述的黑硅太阳能电池制备方法，其特征在于，在所述黑硅层上制备发射极和对所述发射极进行钝化处理步骤之间还包括：
将所述硅片放在氢氟酸溶液中浸泡；
对浸泡处理后的硅片进行刻蚀去边处理。
10.如权利要求4所述的黑硅太阳能电池制备方法，其特征在于，所述钝化处理采用表面氧化生长SiO2钝化方式进行处理，或采用PECVD生长SiNx或SiO2钝化方式进行处理。
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