CN101969076A - 一种叠层太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叠层太阳能电池及其制造方法，属半导体器件技术领域，用于改善太阳能电池性能。技术方案是：构成中包括衬底(1)以及依次设置于衬底上的底电池、顶电池、透明导电减反膜(8)和金属栅电极(9)，所述底电池为薄膜多晶硅异质结电池，由依次沉积于衬底上的N+型重掺杂硅薄膜(2)、N型多晶硅薄膜(3)和第一P型非晶硅薄膜(4)构成；所述顶电池为非晶硅P-I-N结电池，由依次沉积于底电池上的N型非晶硅薄膜(5)、非晶硅本征吸收层(6)和第二P型非晶硅薄膜(7)组成。本发明提高了电池的稳定性，可大大节省原材料，提高电池的开路电压和短路电流，获得更高的转换效率。

Description

一种叠层太阳能电池及其制造方法
 
所属技术领域：
本发明涉及一种叠层太阳能电池及其制造方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术：
目前，大规模产业化薄膜电池一般为非晶硅薄膜电池，这种太阳能电池组件效率较低（一般在5-7%），仅是单晶硅与多晶硅电池效率的一半，而且非晶硅薄膜电池本身存在光致衰退效应，单结电池的衰退可达20%-30%左右，严重限制了非晶硅薄膜电池的进一步发展。
采用叠层结构可以比较有效地减轻非晶硅电池的光致衰退。公知的叠层电池有两种，一种是将两个非晶硅的P-I-N结串联起来，形成一个非晶/非晶叠层电池，其中每个子电池的厚度小于单结电池，增大了电池的内建电场，降低了载流子的复合几率，从而提高了稳定效率。另一种是以微晶硅电池作为底电池的非晶硅/微晶硅薄膜叠层太阳能电池，这种电池比非晶硅/非晶硅叠层电池稳定得多，其光致衰退可以降低到10-15%左右。此外，非晶硅/微晶硅叠层电池可以把光谱的利用范围由非晶硅电池的800nm扩展到1100nm处，大大提高了光谱的利用率，因而非晶硅/微晶硅薄膜电池的效率比非晶硅单结和非晶硅叠层电池效率有很大的提高，量产化效率通常达到8-9%左右。但由于微晶硅内部存在很多微小晶粒，晶粒之间的晶界缺陷态密度较高，载流子在晶界处的复合几率较大，致使微晶硅电池的开路电压只有0.5V左右，限制了此种结构电池效率的进一步提高。
发明内容： 
本发明目的是提供一种叠层太阳能电池及其制造方法，稳定性好、效率高，解决背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种叠层太阳能电池包括衬底、底电池、顶电池、透明导电减反膜和金属栅电极，底电池、顶电池、透明导电减反膜和金属栅电极依次设置于衬底上，所述底电池为薄膜多晶硅异质结电池，由依次沉积于衬底上的N+型重掺杂硅薄膜 、 N型多晶硅薄膜和第一P型非晶硅薄膜构成，所述顶电池为非晶硅P-I-N结电池，由依次沉积于底电池上的N型非晶硅薄膜、 非晶硅本征吸收层和第二P型非晶硅薄膜组成。
上述叠层太阳能电池，构成中还包括设置于衬底与底电池之间的绒面背反射电极，所述绒面背反射电极由依次沉积于衬底上的金属层和透明导电薄膜组成，透明导电薄膜上沉积底电池的N+型重掺杂硅薄膜。
上述叠层太阳能电池，所述N+型重掺杂硅薄膜的厚度在十几nm到几十nm之间；N型多晶硅薄膜的厚度为2mm～30mm，晶粒尺寸为1mm～1mm。
上述叠层太阳能电池，所述第一P型非晶硅薄膜的厚度为10～90nm。
本发明的顶电池采用非晶硅薄膜电池，而底电池采用薄膜多晶硅异质结电池。
本发明叠层电池的制造方法包含如下步骤：
A、在衬底上溅射金属层；
B、沉积透明导电薄膜；
C、采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）沉积N+型重掺杂硅薄膜；
D、采用PECVD方法沉积N型非晶硅薄膜，然后采用高温退火、激光晶化方式使非晶硅薄膜完全晶化；
E、采用PECVD沉积第一P型非晶硅薄膜，形成非晶/多晶硅异质结底电池；
F、采用PECVD沉积N型非晶硅薄膜；
G、采用PECVD沉积非晶硅本征吸收层；
H、采用PECVD沉积第二P型非晶硅薄膜；
I、沉积透明导电减反膜；
J、制备金属栅电极。
本发明的有益效果：由于减少了非晶硅本征层的厚度，因而有效抑制了非晶硅顶电池的衰退效应，提高了电池的稳定性；薄膜多晶硅的晶化率接近100%，与晶体硅具有相同带隙，但厚度却小得多，故可大大节省原材料；同非晶硅/非晶硅薄膜叠层电池相比，本太阳能电池对太阳光谱的响应范围宽；同非晶/微晶硅薄膜叠层电池相比，薄膜多晶硅晶粒更大，晶界更少，晶粒之间的晶界缺陷态密度较小，加之薄膜多晶硅异质结电池的P型非晶硅薄膜可对N型多晶硅薄膜3表面和晶界起到钝化作用，因而大大减小了载流子在晶界处的复合几率，提高了电池的开路电压和短路电流，转换效率更高。
附图说明：
图1是本发明结构的剖视示意图；
图2是有背反射电极的本发明结构的剖视示意图。
图中各标号为：1、衬底，2、N+型重掺杂硅薄膜，3、N型多晶硅薄膜，4、第一P型非晶硅薄膜，5、N型非晶硅薄膜，6、非晶硅本征吸收层，7、第二P型非晶硅薄膜，8、透明导电减反膜，9、金属栅电极，10、金属层，11、透明导电薄膜。
具体实施方式：
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
本发明顶电池采用非晶硅薄膜电池，底电池采用薄膜多晶硅异质结电池，目的有三个：一是通过叠层电池的结构减少非晶硅本征层的厚度，以抑制非晶硅顶电池的衰退效应，提高叠层电池的稳定性；二是拓宽电池对太阳光谱的响应范围，三是采用高质量薄膜多晶硅异质结电池提高了电池的开路电压和短路电流，最终提高了电池的转换效率。
参看图1，在底电池较厚时，本发明结构自下而上依次为，衬底1、N+型重掺杂硅薄膜2、N型多晶硅薄膜3、第一P型非晶硅薄膜4、N型非晶硅薄膜5、非晶硅本征吸收层6 、第二P型非晶硅薄膜7、（ZnO）透明导电减反膜8、金属栅电极9。由于薄膜多晶硅沉积过程中通常要采用高温，这里衬底1使用耐高温材料，如不锈钢、陶瓷、玻璃等材料。金属栅电极9可以增强电流的传导能力，降低串联电阻损耗。
参看图2，在底电池较薄时，本发明结构自下而上依次为，衬底1 、金属层10、透明导电薄膜11、N+型重掺杂硅薄膜2、N型多晶硅薄膜3、第一P型非晶硅薄膜4、N型非晶硅薄膜5、非晶硅本征吸收层6、第二P型非晶硅薄膜7、（ZnO）透明导电减反膜8 、金属栅电极9。底电池较薄时，增加绒面背反射电极可以增加光线在电池中通过的行程，增加吸收几率。
薄膜多晶硅是指厚度在2mm～30mm的范围内，晶粒尺寸在1mm～1mm之间的多晶硅材料，晶化率接近100%，与晶体硅具有相同带隙，但是与晶体硅200mm的厚度相比，节省了原材料。和微晶硅相比，薄膜多晶硅晶粒更大，晶界更少，电池性能可以做得更高。在N型的薄膜多晶硅上沉积一层十几纳米到几十纳米厚的P型非晶硅薄膜可以形成一个非晶硅/多晶硅的薄膜异质结电池，这种电池结构的优点为：1）、P型非晶硅薄膜对N型多晶硅薄膜3表面和晶界起到钝化的作用，降低了材料的缺陷态密度和载流子的复合几率，提高了电池的开路电压和短路电流，2）、薄膜多晶硅电池对太阳光谱的响应可达到1100nm处，适合用做叠层电池的底电池，3）、异质结多晶硅薄膜电池结构的制备过程和普通的非晶硅电池工艺兼容，不需要扩散等高温过程和相关设备。和普通基于多晶硅硅片的异质结电池相比，本发明结构的非晶硅顶电池对太阳光谱中的短波波段利用率更高，因而带来更高的转换效率。
本发明叠层电池制造方法的具体步骤如下：
A、在不锈钢、陶瓷或玻璃衬底1上溅射AG或AL金属层10；
B、采用磁控溅射或低压化学气相沉积方法沉积透明导电薄膜11；
C、采用PECVD沉积N+型重掺杂硅薄膜2；       
D、采用PECVD方法沉积N型非晶硅薄膜3，然后采用高温退火、激光晶化等方式使非晶硅薄膜完全晶化；
E、采用PECVD沉积第一P型非晶硅薄膜4，形成非晶/多晶硅异质结底电池；
F、采用PECVD沉积N型非晶硅薄膜5；
G、采用PECVD沉积非晶硅本征吸收层6；
H、采用PECVD沉积第二P型非晶硅薄膜7；
I、采用磁控溅射或低压化学气相沉积方法沉积（ZnO）透明导电减反膜8；
J、采用丝网印刷的方法制备金属栅电极9。

Claims (6)

1.一种叠层太阳能电池，其特征在于包括衬底、底电池、顶电池、透明导电减反膜和金属栅电极，底电池、顶电池、透明导电减反膜（8）和金属栅电极（9）依次设置于衬底（1）上，所述底电池为薄膜多晶硅异质结电池，由依次沉积于衬底（1）上的N+型重掺杂硅薄膜（2）、 N型多晶硅薄膜（3）和第一P型非晶硅薄膜（4）构成；所述顶电池为非晶硅P-I-N结电池，由依次沉积于底电池上的N型非晶硅薄膜（5）、 非晶硅本征吸收层（6） 和 第二P型非晶硅薄膜（7）组成。
2.根据权利要求1所述之叠层太阳能电池，其特征在于构成中还包括设置于衬底（1）与底电池之间的绒面背反射电极，所述绒面背反射电极由依次沉积于衬底（1）上的金属层（10）和透明导电薄膜（11）组成，透明导电薄膜（11）上沉积底电池的N+型重掺杂硅薄膜（2）。 
3.根据权利要求1或2所述之叠层太阳能电池，其特征在于所述N+型重掺杂硅薄膜厚度在几nm到几十nm之间；N型多晶硅薄膜（3）的厚度为2mm～30mm，晶粒尺寸为1mm～1mm。 
4.根据权利要求3所述之叠层太阳能电池，其特征在于所述第一P型非晶硅薄膜（4）的厚度为10～90nm。 
5.一种叠层太阳能电池的制造方法，其特征在于包含如下步骤：
A、在衬底上溅射金属层；
B、沉积透明导电薄膜；
C、采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）沉积N+型重掺杂硅薄膜；
D、采用PECVD方法沉积N型非晶硅薄膜，然后采用高温退火、激光晶化方式使非晶硅薄膜完全晶化；
E、采用PECVD沉积第一P型非晶硅薄膜，形成非晶/多晶硅异质结底电池；
F、采用PECVD沉积N型非晶硅薄膜；
G、采用PECVD沉积非晶硅本征吸收层；
H、采用PECVD沉积第二P型非晶硅薄膜；
I、沉积透明导电减反膜；
J、制备金属栅电极。 
6.根据权利要求5所述之叠层太阳能电池的制造方法，其特征在于更具体的步骤是：
A、在不锈钢、陶瓷或玻璃衬底（1）上溅射AG或AL金属层（10）；
B、采用磁控溅射或低压化学气相沉积方法沉积透明导电薄膜（11）；
C、采用PECVD沉积N+型重掺杂硅薄膜（2）；     
D、采用PECVD方法沉积N型非晶硅薄膜（3），然后采用高温退火、激光晶化等方式使非晶硅薄膜完全晶化；
E、采用PECVD沉积第一P型非晶硅薄膜（4），形成非晶/多晶硅异质结底电池；
F、采用PECVD沉积N型非晶硅薄膜（5）；
G、采用PECVD沉积非晶硅本征吸收层（6）；
H、采用PECVD沉积第二P型非晶硅薄膜（7）；
I、采用磁控溅射或低压化学气相沉积方法沉积（ZnO）透明导电减反膜（8）；
J、采用丝网印刷的方法制备金属栅电极（9）。
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