CN101976695A - 一种浅结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浅结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。所述浅结太阳能电池包括金属栅电极、钝化层、晶硅和金属背电极；金属背电极位于晶硅的背面，钝化层位于晶硅的上面，金属栅电极位于钝化层的上面，晶硅包括有PN结，PN结的深度为10纳米到200纳米。所述制备方法包括：对晶硅进行预处理；利用等离子体浸没离子注入工艺，在晶硅上制备PN结，并对PN结进行钝化处理，形成钝化层；分别在晶硅的背面和钝化层上制备金属背电极和金属栅电极。本发明提供的浅结太阳能电池，能够缩短载流子的传输路径，使光电转换效率提高，并且制备方法简单可控。

Description

一种浅结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，特别涉及一种浅结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，太阳能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，但是目前的太阳能电池的光电转换效率相当低，一般都在20％以下，因此，如何提高太阳能电池光电转换效率是当前技术人员需要解决的难题之一。
常规制备的太阳能电池是用普通扩散法制造的注入硅太阳能电池，其结深约0.5μm，扩散电阻R约为35Ω/□左右。例如，以n+p结为例，n+磷扩散杂质分布不是典型的余误差函数分布，在表面附近具有几乎恒定的浓度，其数值取决于在磷扩散温度下磷在硅中的固溶度，因而，其表面是重掺杂层。由于重掺杂效应以及严重的晶格缺陷和畸变，此重掺杂层成为载流子的复合中心，使得该层少子寿命极低，所以称该层为“复合层”。由于“复合层”的存在，光生载流子可能会提前在此复合，从而无法到达收集电极，因而使太阳能电池的光电转换效率大大降低。通常一次扩散的PN结越深，则“复合层”越厚，光生载流子复合越严重，太阳能电池的光电转换效率越低。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种浅结太阳能电池及其制备方法，利用此方法制备的浅结太阳能电池，能够缩短载流子的传输路径，减小“复合层”的厚度，有效地防止载流子在n+层或p+层表面附近的复合，提高光生载流子的收集几率，使光电转换效率提高。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种浅结太阳能电池，所述浅结太阳能电池包括金属栅电极、钝化层、晶硅和金属背电极；所述金属背电极位于所述晶硅的背面，所述钝化层位于所述晶硅的上面，所述金属栅电极位于所述钝化层的上面，所述晶硅包括有PN结，所述PN结的深度为10纳米到200纳米。
进一步地，本发明具有如下特点：所述晶硅表面为平面或曲面，所述PN结的界面为与所述晶硅表面相类似的平面或曲面。
可选择地，本发明具有如下特点：所述晶硅表面为由平面和曲面构成的复合面，所述PN结的界面为与所述晶硅表面相类似的复合面。
进一步地，本发明还具有如下特点：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，所述金属栅电极由铝、铜、银、金或铂制成。
进一步地，本发明还具有如下特点：所述金属背电极的厚度为10～15微米；所述晶硅的厚度为100～300微米；所述钝化层的厚度为50～200纳米；所述金属栅电极的厚度为2～10微米，所述金属栅电极的宽度为30～150微米，间距为2～3毫米。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了一种浅结太阳能电池的制备方法，所述方法包括：
对晶硅进行预处理；
利用等离子体浸没离子注入工艺，在所述晶硅上制备PN结，并对所述PN结进行钝化处理，形成钝化层；
分别在所述晶硅的背面和所述钝化层上制备金属背电极和金属栅电极。
进一步地，本发明还具有如下特点，所述对晶硅进行预处理的步骤包括对晶硅进行清洗、去损伤或制绒。
进一步地，本发明还具有如下特点，所述利用等离子体浸没离子注入工艺，在所述晶硅上制备PN结的步骤具体包括：
将所述晶硅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，所述等离子体中的掺杂离子注入至所述晶硅内。
进一步地，本发明还具有如下特点：所述将所述晶硅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晶硅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流量、组成成分和体积比，等离子体电源的输出功率、偏置电压以及等离子体注入时间；所述本底压强范围为10-3Pa～100Pa，所述工作压强范围为0.1Pa～50Pa；所述混合气体由含有P、As或B元素的气体组成，所述含有B、P或As元素的气体包括B2H6、B(OCH3)3、PH3或AsH3。
进一步地，本发明还具有如下特点：通过调节所述偏置电压、所述等离子体注入时间、所述混合气体的流量及组成比例或所述等离子体电源的输出功率来改变所述PN结的深度。
进一步地，本发明还具有如下特点，在所述晶硅上制备PN结和对所述PN结进行钝化处理的步骤之间还包括：
对所述PN结进行热处理；
对热处理后的晶硅进行刻蚀去边处理。
进一步地，本发明还具有如下特点：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，或采用等离子体浸没注入工艺向所述晶硅中注入O或N后，形成SiO2或SiNx。
与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：
1、本发明提供的浅结太阳能电池的结构简单，能够在晶硅上形成很浅的PN结，减少了“复合层”的厚度，缩短了载流子的传输路径；
2、本发明利用等离子体浸没离子注入制备PN结，可在任意形状的界面上制得结深可控且很小的PN结，这样有利于防止载流子在n+层或p+层表面附近的复合，提高了光生载流子的收集几率，提高了转换效率；
3、由于本发明浅结太阳能电池中的PN结的深度浅，所以PN结的界面形状可更加接近于晶硅的表面形状；即当晶硅的表面形状为曲面时，PN结的界面形状为与晶硅表面形状更加接近的曲面，克服了现有技术中因结深大而造成PN结的界面面积小于晶硅的表面面积的问题(当晶硅表面为曲面时)，因此，采用本发明可增大PN结的面积，这样有利于光生载流子的产生和分离，提高了转换效率；
4、本发明提供的浅结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是本发明浅结太阳能电池的第一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明浅结太阳能电池的第二种实施方式的结构示意图；
图3是本发明浅结太阳能电池的第三种实施方式的结构示意图；
图4是本发明浅结太阳能电池的第四种实施方式的结构示意图；
图5是本发明实施方式提供的浅结太阳能电池的制备方法流程图。
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，本发明的第一种实施方式提供了一种浅结太阳能电池，包括金属背电极1、晶硅2、钝化层4和金属栅电极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，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。
PN结3位于晶硅2内，用虚线表示结区，结区中的实线表示PN结的界面。PN结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)进行掺杂而形成，掺杂类型与晶硅的掺杂类型相反，例如：若晶硅为p型，则掺入n型杂质；若晶硅为n型，则掺入p型杂质。PN结3的深度为10纳米到200纳米。在本实施方式中，PN结3的界面为平面。
钝化层4位于晶硅2上，钝化层可通过采用表面氧化生长SiO2钝化方式形成，也可通过采用PECVD生长SiNx或SiO2钝化方式形成，或者采用等离子体浸没注入工艺向晶硅中注入O或N后，形成SiO2或SiNx。
金属栅电极5位于钝化层4上，该金属栅电极可由铝(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。
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；钝化层4的厚度为1～500纳米，优选为50～200纳米；金属栅电极5的厚度为1～50微米，优选为2～10微米，金属栅电极的宽度为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。
本实施方式提供的浅结太阳能电池的结构简单，在此太阳能电池中的PN结为浅结，结深小于200纳米，使得“复合层”厚度减小，防止载流子在n+层或p+层表面附近的复合，提高了光生载流子的收集几率，提高了转换效率。
此外，PN结的深度越浅，PN结的界面形状可更加接近于晶硅的表面形状。当晶硅的表面形状为孔状、针状或类企鹅状等曲面或复合面(这种表面的晶硅具有较高的光吸收特性)时，利用现有技术制备PN结，只能制备结深约0.5μm的PN结，这一深度可能会造成PN结的界面面积与晶硅的表面面积不一致。在这种情况下，结深大的PN结的界面面积通常要小于晶硅的表面面积。因此，采用本发明的浅结结构，可增大PN结的面积，有利于光生载流子的产生和分离，提高转换效率。
图2是本发明浅结太阳能电池的第二种实施方式的结构示意图，与图1的区别在于第二种实施方式的PN结3的界面为曲面，此曲面呈凹凸形。图3是本发明浅结太阳能电池的第三种实施方式的结构示意图，与图1的区别在于第三种实施方式的PN结3的界面为由平面和曲面构成的复合面。图4是本发明浅结太阳能电池的第四种实施方式的结构示意图，与图1的区别在于第四种实施方式的PN结3的界面为由平面和曲面构成的另一种复合面。除此之外，本发明浅结太阳能电池的PN结3的界面还可以为由平面、斜面和/或曲面构成的任意形状。在这些例子中，PN结的界面形状都与晶硅的表面形状相类似或相同，所谓PN结的界面形状与晶硅表面形状相类似是指PN结界面与晶硅表面基本平行，PN结的界面的线性度、曲率半径或弯曲程度与晶硅表面大体相同。
参见图5，本发明实施方式还提供了一种浅结太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤101：对晶硅进行清洗和去损伤处理；
首先，把晶硅浸入到氢氟酸溶液中1～10分钟，去离子水清洗；然后，把清洗后的晶硅浸入到浓度为1％～30％的氢氧化钠溶液中1～10分钟，温度为50～80℃，去除晶硅表面的损伤层；最后，用去离子水清洗晶硅，并用氮气吹干；
步骤102：利用等离子体浸没离子注入工艺，对晶硅进行掺杂，制备PN结；
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：将晶硅放置于注入腔室内；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，该等离子体中的掺杂离子注入至晶硅内，完成对晶硅的掺杂；掺杂离子的类型与晶硅的原有掺杂类型相反，例如：若晶硅为P型，则掺入N型离子；若晶硅为N型，则掺入P型离子，由此形成PN结；所需形成的PN结的深度可通过调整相应的工艺参数来改变，即通过调节偏置电压、等离子体注入时间、混合气体的流量和组成比例或等离子体电源的输出功率，来改变PN结的深度；其中，改变偏置电压对PN结的深度有较大的影响；所制成的PN结的界面形状与晶硅的表面形状相类似，所谓PN结的界面形状与晶硅表面形状相类似是指PN结界面与晶硅表面基本平行，PN结的界面的线性度、曲率半径或弯曲程度与晶硅表面大体相同；
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10-3Pa～100Pa；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；
注入混合气体可由含有P、As或B元素的气体组成，含有B、P或As元素的气体包括B2H6、B(OCH3)3、PH3或AsH3；由这些注入气体所产生的相应掺杂离子包括B离子、P离子或As离子；
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100～800W；所施加偏置电压为-100000～100000V，优选为-50000～50000V，更为优选地可为-500～30000V；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；等离子体注入时间为10～30分钟；
步骤103：对掺杂进行热处理；
把晶硅放入退火炉中进行快速热退火处理，气氛为保护气氛，可以为N2、Ar等，温度为800～1300℃；
步骤104：对晶硅进行刻蚀去边处理；
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晶硅需要刻蚀的部位，在该部位处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105：对PN结进行钝化处理，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，还可以采用等离子体浸没注入工艺向晶硅中注入O或N后，形成SiO2或SiNx；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：将晶硅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106：在晶硅的背面制备金属背电极；
本实施例中的金属背电极为Al电极，还可以为Cu电极、Ag电极、Au电极或Pt电极；
以高纯铝作为蒸发源，在晶硅的背面沉积厚度为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晶硅的损伤，有利于降低晶硅的厚度；
步骤107：在钝化层上制备金属栅电极；
本实施例中的金属栅电极为Ag电极，还可以为Cu电极、Ag电极、Au电极或Pt电极；
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栅电极，栅电极的厚度为2～10微米，栅电极的宽度为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，所述的晶硅可以为单晶晶硅，也可以为多晶晶硅；所述晶硅的表面可为平面、曲面或由平面和曲面构成的复合面，均可以实现本发明。在上述实施例的步骤101中，还可包括对晶硅进行制绒。
本实施方式提供的浅结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 (12)

1.一种浅结太阳能电池，其特征在于：所述浅结太阳能电池包括金属栅电极、钝化层、晶硅和金属背电极；所述金属背电极位于所述晶硅的背面，所述钝化层位于所述晶硅的上面，所述金属栅电极位于所述钝化层的上面，所述晶硅包括有PN结，所述PN结的深度为10纳米到200纳米。
2.根据权利要求1所述的浅结太阳能电池，其特征在于：所述晶硅表面为平面或曲面，所述PN结的界面为与所述晶硅表面相类似的平面或曲面。
3.根据权利要求1所述的浅结太阳能电池，其特征在于：所述晶硅表面为由平面和曲面构成的复合面，所述PN结的界面为与所述晶硅表面相类似的复合面。
4.根据权利要求2或3所述的浅结太阳能电池，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；所述金属栅电极由铝、铜、银、金或铂制成。
5.根据权利要求4所述的浅结太阳能电池，其特征在于：所述金属背电极的厚度为10～15微米；所述晶硅的厚度为100～300微米；所述钝化层的厚度为50～200纳米；所述金属栅电极的厚度为2～10微米，所述金属栅电极的宽度为30～150微米，间距为2～3毫米。
6.一种浅结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
对晶硅进行预处理；
利用等离子体浸没离子注入工艺，在所述晶硅上制备PN结，并对所述PN结进行钝化处理，形成钝化层；
分别在所述晶硅的背面和所述钝化层上制备金属背电极和金属栅电极。
7.根据权利要求6所述的浅结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述对晶硅进行预处理的步骤包括对晶硅进行清洗、去损伤或制绒。
8.根据权利要求6所述的浅结太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述利用等离子体浸没离子注入工艺，在所述晶硅上制备PN结的步骤具体包括：
将所述晶硅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，所述等离子体中的掺杂离子注入至所述晶硅内。
9.根据权利要求8所述的浅结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述将所述晶硅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晶硅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流量、组成成分和体积比，等离子体电源的输出功率、偏置电压以及等离子体注入时间；所述本底压强范围为10-3Pa～100Pa，所述工作压强范围为0.1Pa～50Pa；所述混合气体由含有P、As或B元素的气体组成，所述含有B、P或As元素的气体包括B2H6、B(OCH3)3、PH3或AsH3。
10.根据权利要求9所述的浅结太阳能电池的制备方法，其特征在于：通过调节所述偏置电压、所述等离子体注入时间、所述混合气体的流量及组成比例或所述等离子体电源的输出功率来改变所述PN结的深度。
11.根据权利要求6所述的浅结太阳能电池的制备方法，其特征在于，在所述晶硅上制备PN结和对所述PN结进行钝化处理的步骤之间还包括：
对所述PN结进行热处理；
对热处理后的晶硅进行刻蚀去边处理。
12.根据权利要求6所述的浅结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述钝化处理是采用表面氧化生长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，或采用等离子体浸没注入工艺向所述晶硅中注入O或N后，形成SiO2或SiNx。
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