CN102280513A - 广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的结构，包括：一n型硅衬底；一黑硅层，该黑硅层制作在n型硅衬底上；一i型氢化非晶硅层，该i型氢化非晶硅层制作在黑硅层上；一p型氢化非晶硅层，该p型氢化非晶硅层制作在i型氢化非晶硅层上；一n+型重掺杂层，该n+型重掺杂层制作在n型硅衬底的背面，形成广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池结构。

Description

广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池结构及制作方法

技术领域

本发明涉及硅基太阳能电池领域，特别涉及一种广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池结构及制作方法。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭最具开发潜力的无污染可再生清洁能源，地球上含量丰富的硅材料是制作太阳能电池的最佳物质，但目前硅基电池的发电成本还较高，普及民用难度大。降低硅基太阳能电池发电价格的重要途径是提高电池的光电转换效率。目前所采用的主要技术手段，一是减少光在电池表面的反射率，如采用透明减反电极膜、金字塔织构表面、多孔硅陷光表面结构等；二是提高光在电池内部的吸收率，如背反射结构、多结结构、聚光透镜等；三是减少光生载流子在体内和表面的复合，如进行分区域掺杂、表面钝化等等。这些措施使硅基太阳能电池的光电转换效率提高到了24.7％的新水平[Prog.Photovolt：Res.Appl.7，471-474(1999)]。要进一步提高硅基电池的效率，从光谱上可以看出，一条重要的可循途径是提高电池材料对太阳光谱的吸收率，尤其是近红外光的吸收率。因为硅基电池受到红外吸收限的限制，只有能量大于硅禁带宽度、波长短于1.1微米的光子才能将硅介带电子激发到导带被吸收，而波长大于1.1微米的近红外光子则基本不被吸收，如同透过玻璃一样泄露走了，穿过电池的这部分近红外光约占太阳光谱的近1/3。

1998年美国哈佛大学教授艾瑞克·马兹尔和他的研究团队利用超强飞秒激光扫描置于六氟化硫气体中的硅片表面，获得了一种森林状微结构锥体表面材料，其在0.25微米-2.5微米的几乎整个太阳光谱范围内具有＞90％的光吸收率，极大地拓展了硅基材料的光谱吸收范围[Appl.Phys.Lett.73，1673(1998)]。即这种新材料对太阳光具有几乎黑体吸收的效果，所以亦称之为“黑硅”。经深入研究发现，这种微结构黑硅有两大特点，一是入射光进入锥体面会不断地向锥体底部折射，具有很强的减反射陷光效果；二是这种微结构黑硅表面的硫系物质浓度远远超过了其在硅晶体中的饱和浓度，使得硅禁带中产生大量的局域态能级从而可扩展黑硅的光谱吸收范围。并且黑硅的红外吸收是表面极薄的一层重掺杂层引起的，为了以示与底部晶体硅的区别，下文中将该层成为“黑硅层”。

人们自然想到利用这种黑硅材料来制作太阳能电池。但十多年过去了，这种利用黑硅广谱吸收特点制作的太阳能电池还只仅仅获得2.20％的光电转换效率[PhD thesis，Harvard University，2007]，远远低于预期。利用所谓多孔黑硅陷光结构制作的太阳能电池虽然获得了16.8％的转换效率[Appl.Phys.Lett.95，123501(2009)]，其实还不如成熟的金字塔织构电池，因为该电池并没有利用黑硅的广谱吸收特点。

造成这一现象的原因认为是黑硅材料迁移率低、载流子寿命短、重掺杂表层俄歇复合严重、深能级导致开路电压降低等，极大地制约了黑硅太阳能电池效率的改善。针对该问题，一种基于背光场的黑硅太阳能电池曾被提出来，通过背面内建场来实现红外波段太阳光生成的光生载流子的输运与收集(中国发明专利公开号：CN101807616A，申请号201010175445.5)。

而另一方面，以带有本征型(i型)薄层的非晶硅单晶硅异质结(HIT)电池已取得商业电池的最高效率，日本三洋电机公司研发出了世界上光电转化效率最高的太阳能电池板HIT-N230，转化效率高达20.7％。HIT太阳能电池是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳能电池。这种太阳能电池按单位面积计算的发电量保持着世界领先水平。HIT具有制备工艺温度低、转换效率高、高温特性好等特点，是一种低价高效电池。但是，HIT电池同样不能吸收1.1至2.5微米波段的太阳光，使得太阳光中30％以上的能量无法被吸收利用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池结构及制作方法，以解决传统硅基电池受红外吸收限制不能吸收和转化1.1微米以上波长太阳光谱的问题，提高硅基太阳能电池的光电转换效率。

为达到上述目的，本发明提供一种广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的结构，包括：

一n型硅衬底；

一黑硅层，该黑硅层制作在n型硅衬底上；

一i型氢化非晶硅层，该i型氢化非晶硅层制作在黑硅层上；

一p型氢化非晶硅层，该p型氢化非晶硅层制作在i型氢化非晶硅层上；

一n⁺型重掺杂层，该n⁺型重掺杂层制作在n型硅衬底的背面，形成广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池结构。

其中所述n型硅衬底为n型单晶硅片或多晶硅片，电阻率为0.1至100Ω·cm。

其中所述黑硅层采用掺有硫系元素的硫、硒或碲的硅材料，其表层是平整的或者带有微纳米陷光结构的重掺杂层，厚度为10nm-10μm，掺杂浓度为10¹⁷-5×10²¹cm^-3，该黑硅层的材料对1μm-2.5μm波长范围内的太阳光具有大于40％的光吸收率。

其中所述黑硅层的微纳米陷光结构具有间隔周期为0.1-20μm，该陷光结构为凸起或凹陷状，其凸起或凹陷的尺寸为0.1-20μm，凸起或凹陷的深度为0.01-30μm，该凸起或凹陷的形状为硅微锥、硅微粒、微坑、微隆起或硅微孔，该黑硅层的微纳米陷光结构对太阳光具有＜20％的光反射率。

其中所述n⁺型重掺杂层是通过n型硅衬底背面进行磷的重掺杂形成的，掺杂浓度为10¹⁷至5×10²¹cm^-3。

本发明还提供一种广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在n型硅衬底的背面作磷扩散层或磷离子注入层，形成n⁺型重掺杂层2；

步骤2：在n⁺型重掺层上制备背面金属电极；

步骤3：在n型硅衬底的正面上制作黑硅层，以此形成电池的红外光波吸收层；

步骤4：在黑硅层上依次沉积i型氢化非晶硅层和p型氢化非晶硅层，以此形成电池的迎光面，并与n形硅衬底形成pin结；

步骤5：在p型氢化非晶硅层上制作正面电极，完成太阳能电池的制作。

其中所述n⁺型重掺杂层的磷掺杂浓度为10¹⁷至5×10²¹cm^-3。

其中所述黑硅层是在硫系环境下，在n型硅衬底的表面通过高能激光辐照形成，激光辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体，该黑硅层材料对1μm至2.5μm波长范围内的太阳光具有＞40％的光吸收率。

其中所述黑硅层的微纳米陷光结构具有间隔周期为0.1-20μm，该陷光结构为凸起或凹陷状，其凸起或凹陷的尺寸为0.1-20μm，凸起或凹陷的深度为0.01-30μm，该凸起或凹陷的形状为硅微锥、硅微粒、微坑、微隆起或硅微孔，该黑硅层的微纳米陷光结构对太阳光具有＜20％的光反射率。

其中p型氢化非晶硅层和i型氢化非晶硅层是通过等离子体增强化学气相沉积的方法实现，该i型氢化非晶硅层的厚度为5nm至1000nm，该p型氢化非晶硅层的厚度为10nm至100nm。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.将具有红外光谱吸收的黑硅层作为电池的吸收层，极大拓展了硅基太阳电池对整个太阳光谱波段的光的吸收和利用。

2.电池的pn结由p型非晶硅和n型硅衬底形成，在p型氢化非晶硅和n型硅衬底之间形成的内建电场可以有效进行光生电子空穴对的分离，避免现行方案中黑硅材料作为电池的迎光面所受表面俄歇复合影响而导致的光生载流子湮灭现象，增加了光生电流；非晶硅大的禁带宽度可以有效弱化黑硅迎光面电池由于低能光子转化而降低太阳能电池开路电压的问题。

3.选择上述电阻范围的n型晶体硅衬底材料的费米能级处在黑硅重掺形成的杂质带内，不能在黑硅层和n型晶体硅交界处形成明显n⁺n的内建场，避免了背面电子收集过程中反向电场的阻碍。

4.由背面磷扩散形成的n型梯度掺杂，构建起的nn⁺型的背面场有助于少数载流子有效收集，可抵消黑硅材料迁移率低和载流子寿命短的影响。

附图说明

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，其中：

图1为本发明的广谱吸收的非晶硅黑硅太阳能电池结构示意图；

图2为本发明制作方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示一种广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的结构，包括：

一n型硅衬底1；

一黑硅层3，该黑硅层3制作在n型硅衬底1上，所述黑硅层3采用掺有硫系元素的硫、硒或碲的硅材料，其表层是平整的或者带有微纳米陷光结构的重掺杂层，厚度为10nm-10μm，掺杂浓度为10¹⁷-5×10²¹cm^-3，该黑硅层3的材料对1μm-2.5μm波长范围内的太阳光具有大于40％的光吸收率，所述黑硅层3的微纳米陷光结构具有间隔周期为0.1-20μm，该陷光结构为凸起或凹陷状，其凸起或凹陷的尺寸为0.1-20μm，凸起或凹陷的深度为0.01-30μm，该凸起或凹陷的形状为硅微锥、硅微粒、微坑、微隆起或硅微孔，该黑硅层3的微纳米陷光结构对太阳光具有＜20％的光反射率；

一i型氢化非晶硅层4，该i型氢化非晶硅层4制作在黑硅层3上；

一p型氢化非晶硅层5，该p型氢化非晶硅层5制作在i型氢化非晶硅层4上；

一n⁺型重掺杂层2，该n⁺型重掺杂层2制作在n型硅衬底1的背面，所述n⁺型重掺杂层2是通过n型硅衬底1背面进行磷的重掺杂形成的，掺杂浓度为10¹⁷至5×10²¹cm^-3，形成广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池结构。

请参阅图2，结合采用图1所示，本发明一种广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在n型硅衬底1的背面作磷扩散层或磷离子注入层，形成n⁺型重掺杂层2；所述n型硅衬底1为商用n型单晶硅片或多晶硅片，电阻率为0.1至100·cm；所述n⁺型重掺杂层2的磷掺杂浓度为10¹⁷至5×10²¹cm^-3，远高于n型硅衬底1的掺杂浓度，可在n型硅衬底1和n⁺型磷重掺杂层2之间形成nn⁺型的背面场；

步骤2：在n⁺型重掺层2上制备背面金属电极；为了降低背表面的复合，在制备金属电极之前可制备钝化层，该钝化层可以是二氧化硅、氮化硅等介质材料，然后借助光刻方法在钝化层开窗口，再将金属蒸发或者溅射到钝化层上，在开窗口区域的金属与n⁺型重掺层2形成接触，选择能够与n+型硅形成欧姆接触金属单质或者合金电极材料，如银、钛钯银等，通过高温烧结形成欧姆接触。

步骤3：在n型硅衬底1的正面上制作黑硅层3，以此形成电池的红外光波吸收层，所述黑硅层3是在硫系环境下，在n型硅衬底1的表面通过高能激光辐照形成，激光辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体，该黑硅层3材料对1μm至2.5μm波长范围内的太阳光具有＞40％的光吸收率，所述黑硅层3的微纳米陷光结构具有间隔周期为0.1-20μm，该陷光结构为凸起或凹陷状，其凸起或凹陷的尺寸为0.1-20μm，凸起或凹陷的深度为0.01-30μm，该凸起或凹陷的形状为硅微锥、硅微粒、微坑、微隆起或硅微孔，该黑硅层3的微纳米陷光结构对太阳光具有＜20％的光反射率；黑硅层3是非晶与纳晶混合态，由于硫系元素重掺杂浓度较高，一般呈现n+型，但是对于电阻率在1Ω·cm左右的n型硅衬底1，黑硅层的深能级与n型硅衬底1的费米能级交迭，不形成n⁺n结；黑硅层3在整个电池结构中作用与i型氢化非晶硅层4类似，是太阳光的主要吸收层。

步骤4：在黑硅层3上依次沉积i型氢化非晶硅层4和p型氢化非晶硅层5，以此形成电池的迎光面，并与n形硅衬底1形成pin结，其中p型氢化非晶硅层5和i型氢化非晶硅层4是通过等离子体增强化学气相沉积的方法实现，该i型氢化非晶硅层4的厚度为5nm至1000nm，该p型氢化非晶硅层5的厚度为10nm至100nm；

步骤5：在p型氢化非晶硅层5上制作正面电极，该正面电极由两层电极构成，先在电池迎光面制备透明导电薄膜作为钝化减反射层，再在透明导电薄膜上制作金属栅电极，完成太阳能电池的制作。

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 (10)

1.一种广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的结构，包括：

一n型硅衬底；

一黑硅层，该黑硅层制作在n型硅衬底上；

一i型氢化非晶硅层，该i型氢化非晶硅层制作在黑硅层上；

一p型氢化非晶硅层，该p型氢化非晶硅层制作在i型氢化非晶硅层上；

一n⁺型重掺杂层，该n⁺型重掺杂层制作在n型硅衬底的背面，形成广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池结构。

2.根据权利要求1所述的广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的结构，其中所述n型硅衬底为n型单晶硅片或多晶硅片，电阻率为0.1至100Ω·cm。

3.根据权利要求1所述的广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的结构，其中所述黑硅层采用掺有硫系元素的硫、硒或碲的硅材料，其表层是平整的或者带有微纳米陷光结构的重掺杂层，厚度为10nm-10μm，掺杂浓度为10¹⁷-5×10²¹cm^-3，该黑硅层的材料对1μm-2.5μm波长范围内的太阳光具有大于40％的光吸收率。

4.根据权利要求1所述的广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的结构，其中所述黑硅层的微纳米陷光结构具有间隔周期为0.1-20μm，该陷光结构为凸起或凹陷状，其凸起或凹陷的尺寸为0.1-20μm，凸起或凹陷的深度为0.01-30μm，该凸起或凹陷的形状为硅微锥、硅微粒、微坑、微隆起或硅微孔，该黑硅层的微纳米陷光结构对太阳光具有＜20％的光反射率。

5.根据权利要求1所述的广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的结构，其中所述n⁺型重掺杂层是通过n型硅衬底背面进行磷的重掺杂形成的，掺杂浓度为10¹⁷至5×10²¹cm^-3。

6.一种广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在n型硅衬底的背面作磷扩散层或磷离子注入层，形成n⁺型重掺杂层2；

步骤2：在n⁺型重掺层上制备背面金属电极；

步骤3：在n型硅衬底的正面上制作黑硅层，以此形成电池的红外光波吸收层；

步骤4：在黑硅层上依次沉积i型氢化非晶硅层和p型氢化非晶硅层，以此形成电池的迎光面，并与n形硅衬底形成pin结；

步骤5：在p型氢化非晶硅层上制作正面电极，完成太阳能电池的制作。

7.根据权利要求6所述的广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的制作方法，其中所述n⁺型重掺杂层的磷掺杂浓度为10¹⁷至5×10²¹cm^-3。

8.根据权利要求6所述的广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的制作方法，其中所述黑硅层是在硫系环境下，在n型硅衬底的表面通过高能激光辐照形成，激光辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体，该黑硅层材料对1μm至2.5μm波长范围内的太阳光具有＞40％的光吸收率。

9.根据权利要求8所述的广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的制作方法，其中所述黑硅层的微纳米陷光结构具有间隔周期为0.1-20μm，该陷光结构为凸起或凹陷状，其凸起或凹陷的尺寸为0.1-20μm，凸起或凹陷的深度为0.01-30μm，该凸起或凹陷的形状为硅微锥、硅微粒、微坑、微隆起或硅微孔，该黑硅层的微纳米陷光结构对太阳光具有＜20％的光反射率。

10.根据权利要求6所述的广谱吸收的非晶硅黑硅异质结太阳能电池的制作方法，其中p型氢化非晶硅层和i型氢化非晶硅层是通过等离子体增强化学气相沉积的方法实现，该i型氢化非晶硅层的厚度为5nm至1000nm，该p型氢化非晶硅层的厚度为10nm至100nm。

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