CN102257625A - 太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池，其含半导体层(1)、收集层(6)和位于半导体层(1)与收集层(6)之间的缓冲层(3)，其中收集层(6)用于收集来自半导体层(1)的自由载流子，缓冲层(3)被设计成位于半导体层(1)和收集层(6)之间的隧道触点(31)，所述太阳能电池的特征在于，缓冲层(3)主要包含表面电荷密度不小于1012cm-2、优选不小于5×1012cm-2、更优选不小于1013cm-2的材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种含隧道触点的太阳能电池。
背景技术
采用隧道层系统作太阳能电池触点的方法由来已久。在该配置下，将隧道层插入于太阳能电池半导体的发射极或基极与充当收集层的金属层之间，后者用于收集隧穿过隧道层的载流子。可使用例如二氧化硅(SiO2)作为所述隧道层。其同时在半导体的复合活性表面处于饱和状态时被用于进行表面钝化。在主要由硅形成的太阳能电池中，可通过热氧化生成隧道层。然而，SiO2层难免存在一个缺点，即从技术角度讲，要同时实现金属层的载流子高隧穿几率和充分的表面钝化尚有难度。
此外，常规来讲，异质结太阳能电池包含例如半导体晶体层和非晶层，其常规上多为掺杂的半导体，有附加层插入于两半导体层之间，以便实现尤其是晶体半导体层的表面钝化。为达此效果，常规来讲可使用较薄的本征(如：基本上无掺杂)非晶半导体层。然而，在此配置下，通过例如本征非晶硅层的钝化往往仍然不足，从而导致太阳能电池的效率降低。此外，从技术角度讲，要在达到高隧穿几率的同时实现均质的层沉积，例如采用来自气相的汽相沉积，则尚有难度。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种如下的太阳能电池：其包含位于半导体层和收集层之间的隧道层，从技术角度讲易于实现且效率更高。
根据本发明，上述目标可通过具有权利要求1所述特征的太阳能电池得以实现。从属权利要求中陈列了本发明的有利实施例。
本发明是基于以下共识：具有较高表面电荷密度即不小于1012cm-2、优选不小于5×1012cm-2、更优选不小于1013cm-2的缓冲层在尤其适用于形成隧道触点的同时保证充分的表面钝化(通过场效应钝化)。此外由于其较高的表面电荷密度，缓冲层可在其下方的半导体层中感应产生反型层或累积层。缓冲层的表面电荷密度可正可负。从而该感应层的类型和强度具体取决于表面电荷密度的极性以及半导体层的材料和任何掺杂。隧道触点的电性和空间扩展也取决于反型层或累积层的电特性。
在本说明书中，“层”这一用语也可指太阳能电池上延展达有限区域的层形结构。换言之，半导体层、收集层、缓冲层等可被限为太阳能电池上的岛状或条形区域。因此，各层无须延展达几乎整个通常呈平坦状的太阳能电池。此外，用语“层”并非一定为平坦或平面状；相反，其依照下层结构可呈曲线或弯曲状，例如其可设计为碟形或杯形。
生产太阳能电池的一种可行方法包括如下步骤：提供半导体层，继而将缓冲层涂覆于半导体层上，进而将收集层涂覆于缓冲层上。也可提供其他涂覆中间层的涂覆步骤或构建步骤。半导体层可为晶片，或可通过薄膜工艺汽相沉积到基板上。在后一种情况下，沉积层的步骤也可调换，例如可以换成下述步骤：先涂覆收集层至基板或覆板，继而将缓冲层和半导体层汽相沉积至所述收集层上。
缓冲层主要由某种材料构成，这意味着鉴于生产工艺中的缺陷，缓冲层在原料等材料中可能包含微量其他材料。
根据一有利实施例，缓冲层主要由一种表面电荷密度为负的材料构成。表面电荷密度为负的材料的一个例子是负表面电荷密度介于约1012至约1013cm-2之间的氟化铝(AlF3)。负的表面电荷密度可以提供一项优势，即该材料尤其适合于接触p型半导体层，而后者在例如硅基光伏电池中是目前为止使用最普遍的作为吸收层的导体类型。
一有益的改进方法允许缓冲层主要由氧化铝构成。通过使用恰当的涂覆工艺或汽相沉积工艺，可将氧化铝(Al2O3)涂覆为均质层厚度。此外，这种氧化铝层特别适合于表面钝化。由于其较高的负表面电荷密度，在这种方式下感应产生的反型层或累积层还具有良好的导电性。
在一优选实施例中，形成无针孔的缓冲层。换言之，缓冲层几乎无缺陷，尤其没有任何贯穿缓冲层厚度的开口(针孔)。
根据一有利实施例，缓冲层采用原子层沉积(ALD)方法涂覆。在ALD方法中，原子层一层接一层地发生层沉积，尤其可产生无任何缺陷的薄层。在这个过程中，可对层厚度进行精确控制。尤其在氧化铝层的产生过程中，使用ALD可使得缓冲层具有十分优越的电特征。
优选缓冲层厚度介于0.1至10纳米之间、优选范围介于1至3纳米之间。尤其是介于1至3纳米之间的厚度，由于有了足量的束缚电荷，将在得到好的钝化同时得到高的隧穿几率。
在一有利的改进方法中，半导体层由晶体半导体制成。其可为例如在太阳能电池生产中作为起点的半导体晶片。
在一有益实施方式中，半导体层为n型或p型半导体层。因此半导体层含基区掺杂。由于缓冲层的缘故，缓冲层下方还可感应产生反型层或累积层，其中，例如，缓冲层根据其表面电荷密度的正负号，在n型半导体层中感应产生n+型累积层或p型反型层。半导体层的掺杂可发生于其制造期间或随后采用的扩散步骤。
需指出，术语“n型”或“p型”指半导体层预先用一种掺杂材料掺杂成n型或p型半导体。在本说明书中，上述术语与“n型掺杂”和“p型掺杂”同义。
根据一优选实施例，与缓冲层相邻的半导体层包含掺杂层及/或由缓冲层感应产生的反型层或累积层。掺杂层和反型层都适合于产生能带弯曲，从而导致半导体中由于光线照射产生的载流子发生分离。在此配置下，例如，半导体层可包含基区掺杂，从而使本层与其中所感应产生的反型层一起形成pn结。
备选方案中，此pn结可以预先形成于基区掺杂半导体层和掺杂层之间。此时，感应产生的累积层可用于控制隧道触点的电特征，其中所述隧道触点通过缓冲层形成于半导体层和收集层之间。
为方便起见，缓冲层可设计为抗反射层(AR层)。抗反射层用于减少或完全阻止照射于太阳能电池上的光线的背射。结果是提高了太阳能电池的效率。AR层优选针对调整太阳能电池所依据的波长范围(例如使其在此波长范围中最为敏感)有效。此项特征可通过适当的选材及缓冲层层厚调节而设置。
在一优选的改进方法中，收集层包含金属、金属合金及/或透明导体材料。此外，收集层可被构建为例如便于形成手指电极，通过后者可提取出太阳能电池中产生的电流。透明导体材料是指，针对设计太阳能电池所依据的波长谱(例如可见光谱及/或红外光谱)呈透明状的材料。该材料优选为透明导体氧化物(TCO)，例如氧化铟锡(ITO)、氧化锌等。
在一有益实施例中，收集层包含半导体。此时，在收集层上，优选涂覆一层同样也经过结构化的接触层，用于接纳隧穿入收集层中的载流子。n型掺杂或p型掺杂的收集层是有利的。包含半导体的收集层的一个例子是包含高掺杂多晶硅的层。
在一有益实施例中，收集层包含非晶半导体。举例而言，其可以是包含非晶或微晶材料的异质结层，与此同时位于缓冲层下方的半导体层为晶体。为了便于钝化，通常在这些不同晶体结构的半导体层之间插入本征非晶半导体层。异质结的一个例子是包含晶体硅(c-Si)及非晶硅或微晶硅(a-Si或μc-Si)的层配置。
在该实施例中，本征非晶半导体层被缓冲层替代，从而隧道触点形成于半导体层和异质结层之间。替代本征非晶半导体层可带来一项优势，即无须像往常一般要通过设置本征层的层厚来在Voc-gain(Voc指开路电压)和占空因素损失(FF-losses)之间取折衷。
在一有益实施例中，在收集层上形成由导体材料制成的接触层。在此配置下，接触层可包含金属、金属合金及/或透明导体材料。此外，接触层(可为前接触或背接触)可以被结构化成例如形成指状接触(若可应用于母线)。
在一优选实施例中，在半导体层和另一收集层之间、即半导体层上背离缓冲层的一面上提供另一缓冲层。所述另一缓冲层和另一收集层独立于上述缓冲层和上述收集层，且可包括本说明书前后文中所述及的收集层的实施例。例如，收集层可包含金属层，而另一收集层形成与半导体层的异质结层。
附图说明
下面通过示例性实施例结合图式阐释本发明。以下图式为剖面结构图。
图1含缓冲层和设计成指状电极的收集层的太阳能电池实施例。
图2含缓冲层和延伸的收集层的另一太阳能电池实施例。
图3包含整合有缓冲层的异质结的太阳能电池。
图4在半导体层两面都有缓冲层的太阳能电池。
图5在缓冲层下方有掺杂层的另一太阳能电池。
图6背接触太阳能电池实施例；及
图7另一背接触太阳能电池实施例。
具体实施方式
图1所示的太阳能电池包含半导体层1、位于其上的缓冲层3和汽相沉积于缓冲层3上的收集层6。收集层6被结构化成指状金属电极，用于收集由于光照在半导体层中产生的载流子。为达此效果，电绝缘缓冲层3在半导体层1和收集层6之间形成隧道触点31，载流子通过隧道触点31隧穿进入收集层6。
缓冲层3优选采用由原子层沉积(ALD)法预先涂覆于半导体层1上的氧化铝层。从而在整个缓冲层3上得到大体一致的层厚，且可对该层厚的原子标度进行精确设置。以此方式，可对隧道触点31的电特性进行精确设置。因此隧道触点31为缓冲层3中的隧道区域31。
紧挨着缓冲层3的下方是掺杂层5，其采用扩散法形成于半导体层1中。作为备选方案，掺杂层5可采用汽相沉积工艺涂覆至半导体层1。由于缓冲层3拥有的表面电荷密度的缘故，直接位于缓冲层3下方的将不是掺杂层5，而是能感应产生的反型层或累积层4，而。例如，当半导体层1为n型掺杂时(例如为基区掺杂半导体晶片的形式)，可采用后续的过补偿扩散工艺生成p型掺杂层5以此获得pn结。作为备选方案，缓冲层3使用合适的材料(例如氧化铝)便可在半导体层1中感应产生p型掺杂反型层4从而产生pn结。
此外，缓冲层3有可能在半导体层1中生成与其相邻的累积层4。这种情况发生在例如在当半导体层1为p型掺杂而缓冲层3包含氧化铝时，此时将产生p+型掺杂累积层4。
缓冲层3上有抗反射层11，其被设计为通过选择适当的折射率和适当的层厚，至少在一定义的光谱区域和入射区角度上最小化或消除入射光的反射。形成收集层6的指状电极被抗反射层11部分包围。也可不另外使用抗反射层11，而是通过适当选择材料和层厚，可把缓冲层3用作抗反射层。
图2所示为太阳能电池的另一实施例，其中收集层6包含无结构且延展于太阳能电池表面上的延伸层，该层包含导体材料，例如金属。为了确保在半导体层1中反型层或累积层4或掺杂层5之间，隧道触点31穿过缓冲层3仅在局部而非整个缓冲层3上形成，在缓冲层3和收集层6之间设有绝缘层8，其于隧道触点31上方有开口。
图1和图2仅显示了太阳能电池的前触点。为提供更好的概述，这些图中省略了背面触点。例如，图1和图2中所示的收集层3都有可能形成同一太阳能电池的前收集层3和背收集层3。
图3显示了两侧接触的太阳能电池，该太阳能电池含异质结。该异质结形成于半导体层1和收集层6之间，缓冲层3也在这两者之间。例如，收集层6可包含非晶硅，而半导体层1则由晶体硅形成。整个缓冲层3实质上充当隧道层31。因此，和其间有晶体半导体层、非晶半导体层和本征非晶半导体层的传统异质结相比，本实施例中的异质结提供了另一种选择。
通过使用ADL，可对含氧化铝的缓冲层3的层厚进行精确控制。用此法预先汽相沉积缓冲层3并使其表面电荷密度足够高，便可获得很好的表面钝化。此外，与前文结合图1和图2所述的相同，此处也可于缓冲层3下方半导体层1中形成反型层或累积层4(未图示)。
接触层7位于收集层6上，其包含例如导体透明材料。最后，该太阳能电池包含前表面电极91和背面电极92。前表面电极91被结构化成手指电极，以便入射光可穿过接触层7到达太阳能电池并且阴影较小，背面电极92呈平坦状。在背面电极92上方，半导体层1可再包含掺杂层，以此改进半导体层1和背面电极92之间的欧姆接触。
图4显示了两面接触的另一太阳能电池。此太阳能电池在半导体层1的两面上都有缓冲层3。前表面缓冲层3a挨着由其在半导体层1中感应产生的反型层或累积层4，同时，掺杂层5上形成有背面缓冲层3b。与缓冲层3a、3b相关的收集层6分别为结构化的前表面电极91和延展于整个表面上的背面电极92。相应的，前表面缓冲层3a中形成区域受限的隧道区域31，而背面缓冲层3b则主要整体地充当隧道触点31。
与图1的实施例类似，此处也可于前表面缓冲层3a上形成抗反射层11。在前表面实施例中，反型层或累积层4可与掺杂层5互换，或者半导体层1可在两面都含反型层或累积层4及/或掺杂层5。
图5显示了在半导体层1的一面上同时含反型层或累积层4和掺杂层5的太阳能电池。然而，由于掺杂层5的构形的原因，半导体层1仅在位于指状前表面电极91下方进行掺杂，其结果是在形成于收集层6和半导体层1之间的隧道区域31下方的区域中进行掺杂。尽管在本实施例中，反型层或累积层4导致产生能带弯曲从而引起载流子分离，但通过适当选择其掺杂参数如掺杂类型、掺杂强度、掺杂深度等，掺杂层5可部分或单独地作用从而改进隧道触点31。
图6显示了含半导体层1和背面上含缓冲层3的背接触太阳能电池。缓冲层3含合适的电绝缘材料构成的绝缘层8，该绝缘层8上设有收集层6。收集层6被分为背面基极92a和背面发射极92b。背面基极92a通过缓冲层3中形成的隧道触点31连接到掺杂层5。背面发射极92b通过另一隧道触点31连接到由缓冲层3的表面电荷在半导体层1中感应产生的反型层或累积层4。反型层或累积层4因此形成太阳能电池中的发射极。同样，在此实施例中，反型层或累积层4可与掺杂层5重叠。
在半导体层1上，从而在太阳能电池受光照的一面上，有另一掺杂层5，其被抗反射层11所覆盖。在这里，也可由抗反射层11下方的缓冲层3所感应产生的反型层或累积层4替换掺杂层5(但在本实施例中，该缓冲层3仅作反型层)。
图7显示了背接触太阳能电池的另一实施例。其与图6所示的太阳能电池的不同之处在于，背面发射极92b通过类似于图3所示的异质结连接到半导体层1。同样，在此实施例中，收集层6下方的缓冲层3形成平坦延展的隧道触点31。
符号说明
1 半导体层
3 缓冲层
3a 前表面缓冲层
3b 背面缓冲层
31 隧道触点(隧道区域)
4 反型层(累积层)
5 掺杂层
6 收集层
7 接触层
8 绝缘层
91 前表面电极
92 背面电极
92a 背面基极
92b 背面发射极
11 抗反射层
Claims (16)
1.一种太阳能电池，其含半导体层(1)、收集层(6)和位于半导体层(1)与收集层(6)之间的缓冲层(3)，其中收集层(6)用于收集来自半导体层(1)的自由载流子，缓冲层(3)被设计成位于半导体层(1)和收集层(6)之间的隧道触点(31)，其特征在于，缓冲层(3)主要由表面电荷密度不小于1012cm-2、优选不小于5×1012cm-2、更优选不小于1013cm-2的材料制成。
2.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其特征在于，缓冲层(3)主要由表面电荷密度为负的材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其特征在于，缓冲层(3)主要由氧化铝制成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，形成无针孔的缓冲层(3)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，采用原子层沉积预先涂覆缓冲层(3)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，缓冲层(3)的厚度介于0.1至10纳米之间、优选介于1至3纳米之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，半导体层(1)由晶体半导体制成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，半导体层(1)为n型掺杂或p型掺杂。
9.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，与缓冲层(3)相邻的半导体层(1)包含掺杂层(5)及/或由缓冲层(3)感应产生的反型层(4)或累积层(4)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，缓冲层(3)被设计为抗反射层(11)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，收集层(6)含金属、金属合金及/或透明导体材料。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，收集层(6)含半导体。
13.根据权利要求11所述的太阳能电池，其特征在于，收集层(6)含非晶半导体。
14.根据权利要求11或12所述的太阳能电池，其特征在于，收集层(6)为n型掺杂或p型掺杂。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，收集层(6)上形成有导体材料的接触层(7)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能电池，其特征在于，在半导体层(1)上背离缓冲层(3a；3b)的表面上，另外的缓冲层(3b；3a)被提供于半导体层(1)与另一收集层(3)之间。
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