CN102054890B - 一种单晶薄膜异质结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单晶薄膜异质结太阳电池及其制备方法，该单晶薄膜异质结太阳电池包括：第一导电类型衬底；在该第一导电类型衬底的迎光面上依序形成的迎光面第二导电类型单晶层和钝化介质层，且钝化介质层表面为绒面；在该第一导电类型衬底的背光面上依序形成的背光面第一导电类型单晶层和绝缘介质层；在该迎光面第二导电类型单晶层上形成的第一电极；以及在该背光面第一导电类型单晶层上形成的第二电极。利用本发明，避免了非晶硅薄膜中载流子迁移率低、少子寿命短的不足，从而提高本征薄层异质结太阳电池效率。

Description

一种单晶薄膜异质结太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及Si光电子技术领域，尤其涉及一种单晶薄膜异质结太阳电池及其制备方法。
背景技术
具有本征薄膜的异质结(HIT)太阳电池是日本Sanya公司的产品，它是以晶体硅为衬底，在其上表面制备反型重掺非晶硅，与晶体硅衬底构成迎光面pn结；同时，在晶体硅衬底的下表面制备同型重掺非晶硅。利用晶体硅衬底来吸收光，利用非晶硅的宽带隙来提高电池的开路电压，同时，利用薄膜的遂穿效应来疏导电流。其电池的最高效率达到23％，国内研究室效率达到18％。
然而，非晶体硅的迁移率仅有10V.s/cm2以下，少子寿命估计为纳秒数量级。即便以微晶硅和纳晶硅过渡，也会因它们巨大体表面积所引起的载流子复合，使电池效率降低。
参考文献：
[1]Martin A.Green，Solar Cells：Operating Principles，Technology，andSystem Applications，University of New South Wales(1986).
[2]熊绍珍、朱美芳，《太阳能电池基础与应用》，第五章：硅基薄膜太阳电池，科学出版社，第一版，2009年10月。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种单晶薄膜异质结太阳电池及其制备方法，以消除位错，提高开路电压，提高载流子的遂穿效率，进而提高硅太阳电池效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种单晶薄膜异质结太阳电池，该电池包括：
第一导电类型衬底；
在该第一导电类型衬底的迎光面上依序形成的迎光面第二导电类型单晶层和钝化介质层，且钝化介质层表面为绒面；
在该第一导电类型衬底的背光面上依序形成的背光面第一导电类型单晶层和绝缘介质层；
在该迎光面第二导电类型单晶层上形成的第一电极；以及
在该背光面第一导电类型单晶层上形成的第二电极。
上述方案中，所述第一导电类型衬底为第一导电类型Si衬底；所述迎光面第二导电类型单晶层为掺入第二导电类型杂质的Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种或多种所构成的单晶薄膜，其中0≤x＜1，其能带带隙宽于第一导电类型Si衬底的能带带隙。
上述方案中，所述背光面第一导电类型单晶层为重掺第一导电类型杂质的Si、Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种或多种所构成的单晶薄膜，其中0≤x＜1，其能带带隙带隙宽于或等于第一导电类型Si衬底的能带带隙。
上述方案中，所述迎光面第二导电类型单晶层和所述背光面第一导电类型单晶层的厚度均在200nm以下。
上述方案中，所述钝化介质层和所述绝缘介质层为SiN或SiO2，其厚度均在500nm以下。
一种制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法，该方法包括：
在第一导电类型衬底迎光面上依序制备广谱减反结构和外延生长迎光面第二导电类型单晶层；
在第一导电类型衬底背光面上外延生长背光面第一导电类型单晶层；
对所述各层材料进行退火热处理；
在所述迎光面第二导电类型单晶层上制备钝化介质层；
在所述背光面第一导电类型单晶层上制备绝缘介质层；以及
在所述迎光面第二导电类型单晶层上制备第一电极，在背光面第一导电类型单晶层上制备第二电极，形成所述单晶薄膜异质结太阳电池。
上述方案中，所述第一导电类型衬底为Si，所述外延生长迎光面第二导电类型单晶层，是采用外延生长方法制备重掺第二导电类型杂质的单晶薄膜，该单晶薄膜是由Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种或多种所构成，其中0≤x≤1，其能带带隙宽于第一导电类型Si衬底的能带带隙。
上述方案中，所述外延生长背光面第一导电类型单晶层，是采用外延生长方法制备重掺第一导电类型杂质的单晶薄膜，该单晶薄膜是由Si、Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种或多种所构成，其中0≤x≤1，其能带带隙宽于或等于第一导电类型Si衬底的能带带隙。
上述方案中，所述迎光面第二导电类型单晶层和所述背光面第一导电类型单晶层的厚度均在200nm以下。
上述方案中，所述制备钝化介质层和所述制备绝缘介质层，是采用等离子增强沉积方法分别制备的SiN或SiO2薄膜，其厚度都在500nm以下。
上述方案中，在所述迎光面第二导电类型单晶层上制备第一电极、在背光面第一导电类型单晶层上制备第二电极，包括：采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，在钝化介质层上开口，暴露出迎光面第二导电类型层；在绝缘介质层上开口，暴露出背光面第一导电类型单晶层；在暴露出的迎光面第二导电类型单晶层表面、背光面第一导电类型单晶层表面，采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法沉积铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、或银Ag金属材料，且进行退火热处理，最终形成欧姆接触电极。
上述方案中，所述对各层材料进行退火热处理，是在电极制备之前进行，退火温度在300℃至1000℃之间，时间在1秒至60分钟以内。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，避免了非晶硅薄膜中载流子迁移率低、少子寿命短的不足，从而提高本征薄层异质结(HIT)太阳电池效率。
2、利用本发明，采用单晶宽带薄膜替代HIT电池中的非晶硅薄膜，选择与单晶硅衬底晶格失配小的单晶薄膜进行外延生长，减少或消除了穿越位错。
3、利用本发明，采用单晶宽带薄膜替代HIT电池中的非晶硅薄膜，提高了薄膜中载流子的迁移率，从而减小了载流子收集中的串联电阻，提高了收集率。
4、利用本发明，采用单晶宽带薄膜替代HIT电池中的非晶硅薄膜，延长了薄膜中少子寿命，从而减少了载流子的复合，可以更多更好地收集光生载流子。
5、利用本发明，通过对单晶薄膜厚度的控制，选择比硅衬底带隙宽的单晶薄膜，在硅表面外延生长单晶薄膜，在提高开路电压的同时提高载流子的遂穿效率。
附图说明
图1是单晶薄膜异质结太阳电池示意图；
图2是本发明提供的制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法流程图；
图3是依照本发明实施例制备单晶薄膜异质结太阳电池的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明是将用单晶薄膜替代非晶硅，发挥单晶薄膜高迁移率、长寿命的特点，只要适当控制失配位错和穿越位错，就可避免非晶硅的不足，提高硅太阳电池效率。本发明的实现原理主要涉及以下三个方面：
1)、单晶薄膜异质结太阳电池结构
如图1所示，图1是单晶薄膜异质结太阳电池示意图。在Si衬底的迎光面制备宽带隙单晶薄膜，形成pn结；在Si衬底背光面制备重掺单晶薄膜，形成背场。这两个薄膜的作用是提高开路电压，同时允许载流子遂穿，衬底用于光吸收区。
2)、对比
这一结构与HIT电池相似，只是用单晶薄膜替代HIT中的非晶硅薄膜，以提高薄膜中载流子迁移率和少子寿命，从而在整体上要优于HIT电池。
3)、位错
尽管单晶薄膜与Si衬底也存在晶格失配，但只要外延生长参数得当，就会大大减少穿越位错；而失配位错仅仅局限于异质界面内，在巨大的内建电场下失配位错对载流子的输运不会造成明显影响。
基于上述实现原理，本发明提供了一种单晶薄膜异质结太阳电池及其制备方法，其中本发明提供的单晶薄膜异质结太阳电池，包括：第一导电类型衬底；在该第一导电类型衬底的迎光面上依序形成的迎光面第二导电类型单晶层和钝化介质层，且钝化介质层表面为绒面；在该第一导电类型衬底的背光面上依序形成的背光面第一导电类型单晶层和绝缘介质层；在该迎光面第二导电类型单晶层上形成的第一电极；以及在该背光面第一导电类型单晶层上形成的第二电极。
其中所述第一导电类型衬底为第一导电类型Si衬底；所述迎光面第二导电类型单晶层为掺入第二导电类型杂质的Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种或多种所构成的单晶薄膜，其中0≤x≤1，其能带带隙宽于第一导电类型Si衬底的能带带隙。所述背光面第一导电类型单晶层为重掺第一导电类型杂质的Si、Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种或多种所构成的单晶薄膜，其中0≤x≤1，其能带带隙带隙宽于或等于第一导电类型Si衬底的能带带隙。所述迎光面第二导电类型单晶层和所述背光面第一导电类型单晶层的厚度均在200nm以下。所述钝化介质层和所述绝缘介质层为SiN或SiO2，其厚度均在500nm以下。
基于上述本发明提供的单晶薄膜异质结太阳电池，图2示出了本发明提供的制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤201：在第一导电类型衬底迎光面上依序制备广谱减反结构和外延生长迎光面第二导电类型单晶层；
步骤202：在第一导电类型衬底背光面上外延生长背光面第一导电类型单晶层；
步骤203：对所述各层材料进行退火热处理；
步骤204：在所述迎光面第二导电类型单晶层上制备钝化介质层；
步骤205：在所述背光面第一导电类型单晶层上制备绝缘介质层；以及
步骤206：在所述迎光面第二导电类型单晶层上制备第一电极，在背光面第一导电类型单晶层上制备第二电极，形成所述单晶薄膜异质结太阳电池。
其中在所述迎光面第二导电类型单晶层上制备第一电极、在背光面第一导电类型单晶层上制备第二电极，包括：采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，在钝化介质层上开口，暴露出迎光面第二导电类型层；在绝缘介质层上开口，暴露出背光面第一导电类型单晶层；在暴露出的迎光面第二导电类型单晶层表面、背光面第一导电类型单晶层表面，采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法沉积铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、或银Ag金属材料，且进行退火热处理，最终形成欧姆接触电极。所述对各层材料进行退火热处理，是在电极制备之前进行，退火温度在300℃至1000℃之间，时间在1秒至60分钟以内。
图3示出了依照本发明实施例制备单晶薄膜异质结太阳电池的工艺流程图，该方法包括以下步骤：
步骤301：在第一导电类型Si衬底迎光面制绒，形成宽谱减反的表面微结构；
步骤302：在第一导电类型Si衬底迎光面制备第二导电类型单晶层，形成pn结；
步骤303：在第一导电类型Si衬底背光面制备重掺第一导电类型杂质的单晶层；
步骤304：高温退火；
步骤305：在迎光面制备介质钝化层，在背光面制备绝缘介质层；以及
步骤306：在迎光面和背光面各制备欧姆接触电极；
其中，在第一导电类型Si衬底上制绒，采用NaOH和C2H5OH混合碱性溶剂腐蚀Si表面，由于它对Si各个(hkl)晶面具有不同的腐蚀速率，因而可形成金字塔表面结构，从而达到广谱减反入射光的目的。在第一导电类型Si衬底迎光面制备第二导电类型单晶层，例如采用外延方法制备第二导电类型GaP单晶薄膜，从而形成迎光面pn结。在第一导电类型Si衬底背光面制备第一导电类型单晶层，例如采用外延方法制备第一导电类型GaP单晶薄膜，从而形成背场。在300至1000度范围内，对各层和各区掺杂Si片进行1秒至60分钟的高温退火处理，以激活杂质为有效载流子。在所述衬底迎光面第二导电类型GaP单晶薄膜上制备钝化介质层，采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，在钝化介质层上开口，暴露出迎光面第二导电类型GaP单晶薄膜。在所述衬底背光面第一导电类型层上制备绝缘介质层，在绝缘介质层上开口，暴露出背光面第一导电类型GaP单晶薄膜。在暴露出的迎光面第二导电类型GaP单晶薄膜表面、背光面第一导电类型GaP单晶薄膜表面，采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法沉积铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、或银Ag金属材料，且进行退火热处理，最终形成欧姆接触电极。
以上所述的具体实施例，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例而已，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)

1.一种单晶薄膜异质结太阳电池，其特征在于，该电池包括：
第一导电类型的Si衬底；
在该第一导电类型的Si衬底的迎光面上依序形成的迎光面第二导电类型单晶层和钝化介质层，且钝化介质层表面为绒面；
在该第一导电类型的Si衬底的背光面上依序形成的背光面第一导电类型单晶层和绝缘介质层；
在该迎光面第二导电类型单晶层上形成的第一电极；以及
在该背光面第一导电类型单晶层上形成的第二电极；
其中，第一电极通过钝化介质层上的开口形成在第二导电类型单晶层上，第二电极通过绝缘介质层上的开口形成在第一导电类型单晶层上。
2.根据权利要求1中所述的单晶薄膜异质结太阳电池，其特征在于，其中所述迎光面第二导电类型单晶层为掺入第二导电类型杂质的Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种构成的单晶薄膜，其中0≤x＜1，其能带带隙宽于第一导电类型Si衬底的能带带隙。
3.根据权利要求1中所述的单晶薄膜异质结太阳电池，其特征在于，其中所述背光面第一导电类型单晶层为重掺第一导电类型杂质的Si、Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种构成的单晶薄膜，其中0≤x＜1，其能带带隙带隙宽于或等于第一导电类型Si衬底的能带带隙。
4.根据权利要求1中所述的单晶薄膜异质结太阳电池，其特征在于，其中所述迎光面第二导电类型单晶层和所述背光面第一导电类型单晶层的厚度均在200nm以下。
5.根据权利要求1中所述的单晶薄膜异质结太阳电池，其特征在于，其中所述钝化介质层和所述绝缘介质层为SiN或SiO2，其厚度均在500nm以下。
6.一种制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法，其特征在于，该方法包括：
在第一导电类型的Si衬底迎光面上依序制备广谱减反结构和外延生长迎光面第二导电类型单晶层；
在第一导电类型的Si衬底背光面上外延生长背光面第一导电类型单晶层；
对所述各层材料进行退火热处理；
在所述迎光面第二导电类型单晶层上制备钝化介质层；
在所述背光面第一导电类型单晶层上制备绝缘介质层；以及
在所述迎光面第二导电类型单晶层上制备第一电极，在背光面第一导电类型单晶层上制备第二电极，形成所述单晶薄膜异质结太阳电池；
其中，第一电极通过钝化介质层上的开口形成在第二导电类型单晶层上，第二电极通过绝缘介质层上的开口形成在第一导电类型单晶层上。
7.根据权利要求6所述的制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法，其特征在于，所述外延生长迎光面第二导电类型单晶层，是采用外延生长方法制备重掺第二导电类型杂质的单晶薄膜，该单晶薄膜是由Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种构成，其中0≤x≤1，其能带带隙宽于第一导电类型Si衬底的能带带隙。
8.根据权利要求6所述的制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法，其特征在于，所述外延生长背光面第一导电类型单晶层，是采用外延生长方法制备重掺第一导电类型杂质的单晶薄膜，该单晶薄膜是由Si、Al1-xGaxAs、Ga1-xInxP、ZnO、ZnS中的一种构成，其中0≤x≤1，其能带带隙宽于或等于第一导电类型Si衬底的能带带隙。
9.根据权利要求6中所述的制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法，其特征在于，其中所述迎光面第二导电类型单晶层和所述背光面第一导电类型单晶层的厚度均在200nm以下。
10.根据权利要求6中所述的制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法，其特征在于，其中所述制备钝化介质层和所述制备绝缘介质层，是采用等离子增强沉积方法分别制备的SiN或SiO2薄膜，其厚度都在500nm以下。
11.根据权利要求6所述的制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法，其特征在于，其中在所述迎光面第二导电类型单晶层上制备第一电极、在背光面第一导电类型单晶层上制备第二电极，包括：
采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方法，在钝化介质层上开口，暴露出迎光面第二导电类型层；在绝缘介质层上开口，暴露出背光面第一导电类型单晶层；
在暴露出的迎光面第二导电类型单晶层表面、背光面第一导电类型单晶层表面，采用电阻热蒸发或电子束蒸发方法沉积铝Al、铬Cr、金Au、钨W、钛Ti、钯Pd、或银Ag金属材料，且进行退火热处理，最终形成欧姆接触电极。
12.根据权利要求6至7中的任一项所述的制备单晶薄膜异质结太阳电池的方法，其特征在于，所述对各层材料进行退火热处理，是在电极制备之前进行，退火温度在300℃至1000℃之间，时间在1秒至60分钟以内。
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