CN102522445A - 基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构及其制备工艺 - Google Patents

基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构，包括P型晶体硅，所述的P型晶体硅衬底底部具有由本征异质材料层以及N型异质材料层构成的异质结结构，所述的本征异质材料层插于N型异质材料层与P型晶体硅之间，N型异质材料层外部包裹有绝缘层，所述的绝缘层的底部设置有铝金属层；所述的P型晶体硅衬底底部两端设置有P+定域掺杂区，P+定域掺杂区的下方具有点接触的铝烧结区。本发明在保留异质结的良好钝化效果的同时，可以将光生空穴通过背结构良好导出，还能防止同质浮动结的针孔寄生回路问题。

Description

基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构及其制备工艺
技术领域
本发明涉及高效太阳能电池的背钝化技术及高效太阳能电池的工艺制程，尤其是一种基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构及其制备工艺。 
背景技术
太阳能发电是目前最具潜力的绿色清洁能源，而高效太阳能电池片是太阳能发电的核心。目前太阳能电池产业化和成熟度最高的电池材料仍为晶体硅电池，而在现有的高效晶体硅电池技术中背钝化技术差别最大。晶体硅背钝化程度的好坏不仅影响太阳能电池的长波入射光响应、开路电压的高低，甚至还能影响太阳能电池的温度特性，因而对晶体硅组件性能都有重大影响。 
目前效率最高的晶体硅电池为PERL(passivated emitter，real localized)结构的太阳能电池，其背钝化技术为采用热氧化生长二氧化硅(SiO2)钝化和背面定域P型扩散的技术。和PERL结构类似的太阳能电池结构是PERF结构(passivated emitter，rear floating p-n junction)，它在背面采用定域P型扩散和热氧化SiO2钝化的同时，还在SiO2层下面形成一个扩散P-N结。由于P-N处于SiO2层下面，不和背电极直接接触，因而该P-N结也被称为浮动结(floating junction)。PERF电池的研究表明理想的浮动结背钝化具有比SiO2层更好的背钝化效果，具有更低的表面复合速率，开路电压达到720mV也超过PERL电池的700mV。目前实验上PERF结构电池的效率还低于PERL结构电池，文献一般认为是PERF背结构的浮动结和铝背电极通过热氧SiO2的针孔形成寄生回路(parasitic shunt)，在电流-电压曲线上出现纽结(kink)，从而降低了填充因子，降低了有效的太阳能电池光电转化效率。 
在晶体硅上将传统的N扩散发射极和P-P+扩散背电场用沉积掺杂非晶硅实现，三洋公司制备出效率高达23％的异质结HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer)电池。其电池高效率的原因是(1)利用晶体硅做光吸收层，避免了非晶硅薄膜电池的光致衰减问题(2)非晶硅具有氢钝化效果(3)非晶硅的带隙大于晶体硅的带隙，因而在非晶硅和晶体硅的P-N或P-P+结不仅具有同质结的静电场还具有由亲合势差异导致的有效场。目前HIT结构主要应用于N型晶硅，原因是P型晶硅的背电场和背电极均在同一层P型非晶硅上完成，而P型非晶硅的价带和P型晶硅有较大的失配，影响了光生空穴的收集效率。HIT电池的背钝化技术一个缺点是背电极和背钝化均由同一层非晶硅层完成，不能同时优化背电极和背钝化，只能取折中。 
对于异质结HIT结构的一个改进是将发射极和收集极都做到电池背部，形成梳状电极结构(interdigitated structure)，而太阳能电池的正面没有电极，因而适合聚光的太阳能电池应用。该结构的P+P和P-N结都由异质结薄膜在电池背部实现，与HIT电池一样，异质结非晶硅既作为背钝化层，又作为背电极层，因而也存在异质结处的能带失配问题，影响光生空穴的收集效率。另外其P-N结作为发射极由金属直接接触形成电极，与浮动结的“浮动”概念完全不一样。 
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化新结构，在保留异质结的良好钝化效果的同时，可以将光生空穴通过背结构良好导出，还能防止同质浮动结的针孔寄生回路问题。 
本发明所采用的技术方案为：一种基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构，包括P型晶体硅，所述的P型晶体硅衬底底部具有由本征异质材料层以 及N型异质材料层构成的异质结结构，所述的本征异质材料层插于N型异质材料层与P型晶体硅之间，N型异质材料层外部包裹有绝缘层，所述的绝缘层的底部设置有铝金属层；所述的P型晶体硅衬底底部两端设置有P+定域掺杂区，P+定域掺杂区的下方具有点接触的铝烧结区。 
本发明结构在P型晶体硅衬底背部具有由薄膜沉积技术形成的异质结结构：本征异质材料层，N型异质材料层。薄膜的掺杂类型与晶体硅衬底的掺杂类型不同，构成P-N异质结构。为了利用薄膜沉积的氢钝化，在N型异质材料层和P型晶体硅之间插入本征异质材料层。本征异质材料层和N型异质材料层可以为非晶硅，非晶碳化硅等带隙不同于晶体硅的非晶材料。所述的本征异质材料层的厚度为0～15nm。所述的N型异质材料层的厚度为5～30nm，N掺杂浓度为1E16cm-3到1E20cm-3。 
本发明结构在异质结结构上还有SiO2绝缘层，且SiO2绝缘层将异质P-N结构完全包围隔离，物理上实现浮动结的异质P-N结构。所述的绝缘层的厚度为20～100nm。 
本发明所述的铝金属层由低温沉积铝金属形成，避免了铝金属层通过高温烧结由SiO2绝缘层针孔扩散进N型异质材料层，解决了同质P-N浮动结中的针孔寄生回路的问题。所述的铝金属层、铝烧结区以及P+定域掺杂区与N型异质材料层完全隔离，所述的本征异质材料层和绝缘层作为隔离层。 
本发明结构在P型晶体硅衬底底部具有点接触的铝烧结区，利用点接触电极引出背部的光生载流子。铝烧结区和P+定域掺杂区可以通过Al金属层的退火烧结同时制备。退火可以采用脉冲激光点烧结技术，不影响浮动结的异质非晶材料。所述的P+定域掺杂区和铝烧结区形成背电极，所述的本征异质材料层和N型异质材料层实现背钝化。 
为了实现此结构，本发明还提出了一种可行的工艺制程：利用脉冲激光退火实现基于异质结的浮动结背钝化结构的工艺制程。其特征是在准备形成欧姆接触的地方开孔，沉积SiO2绝缘层和铝金属层，最后利用脉冲激光退火驱动Al金属层穿透SiO2绝缘层烧进到晶体硅中，形成P+P欧姆接触。这个工艺制程使得SiO2绝缘层将P-N异质结整个和铝金属层隔离，充分保证了P-N异质结的浮动特性。具体工艺流程如下： 
1)在P型晶体硅衬底上利用PECVD沉积本征非晶硅层，厚度范围为0～15nm； 
2)在本征非晶层上继续利用PECVD沉积N型非晶硅层，厚度范围为5～30nm，N掺杂的浓度为1E16cm-3～1E20cm-3； 
3)利用掩膜刻蚀N型非晶硅层和本征非晶硅层； 
4)利用PECVD等离子化学气相沉积设备沉积SiO2绝缘层，沉积的厚度为20～100nm； 
5)利用PVD物理气相沉积设备沉积100～500nm的铝金属层； 
6)利用激光脉冲退火技术将铝穿透SiO2层烧结进P型晶体硅，形成P+定域掺杂区和铝烧结区。 
所述的步骤3)中刻蚀工艺为：利用微电子工艺中的光刻胶定义出图形，然后采用HF和HNO3的腐蚀液进行刻蚀。所述的步骤4)中PECVD的功率和沉积时间的选择需要使得N型非晶硅层和本征非晶硅层的侧壁都能蒸发上一层SiO2。 
本发明的有益效果是： 
本发明所述的结构兼具同质P-N铝背场良好的光生空穴导出能力，又有异质结背钝化技术的氢钝化效果，而异质浮动结设计保证了太阳能电池的背钝化 效果，低表面复合速率和高开路电压。 
1、与传统的同质结PERF结构相比，浮动结利用异质薄膜沉积实现。相比同质P-N浮动结，异质P-N浮动结还有非晶沉积带来的氢钝化效果，因而不仅有背钝化还兼具体钝化。 
2、本发明的工艺制程上可以避免同质浮动结的针孔寄生回路问题。对同质PERF浮动结结构，通常的工艺是在热氧SiO2上开背电极孔、印刷铝浆、高温烧结形成P+背电极。而本发明提出的新异质结结构工艺上为了避免高温对异质非晶材料的破坏，在工艺实现上严格避免高温工艺，金属层是采用低温沉积铝薄膜，形成金属-绝缘体-半导体接触结构后，采用脉冲激光点退火烧结技术形成P+P欧姆点接触。低温沉积金属可以很好防止浮动结上面的铝金属通过绝缘层针孔形成寄生回路。 
3、相比异质结HIT结构或者梳妆电极结构(interdigitated back contact structure)，本发明的结构只利用到了异质结构的钝化效果，背电极仍然采用同质P+P结构导出空穴电流。因而可以针对钝化效果对异质结构进行优化，如在掺杂异质层的上面进一步沉积本征非晶材料/SiO2的多层膜，进一步增强了钝化效果。 
4、另外，传统的异质结HIT结构或者梳状电极结构的背电极均采用和P型硅衬底掺杂类型相同的P+掺杂。而本专利的异质结结构为采用N+掺杂，因而形成浮动结异质结构，机理上也迥异于传统的异质结HIT结构或者梳状电极结构。 
5、本发明结构的实现采用区别于传统的脉冲激光退火工艺方法：传统的脉冲激光退火工艺没有形成SiO2隔离层这一步骤，但是这一步骤对浮动结工艺实现至关重要。铝金属层在脉冲激光烧结时会与异质N型非晶材料也形成欧姆接触，从而破坏了P-N异质结的浮动特性，引入了电极到P-N浮动结的寄生回路， 大大降低了P-N浮动结的背钝化效果。我们改进了脉冲激光退火的工艺流程，在准备形成点欧姆接触的地方开孔，沉积SiO2绝缘层，然后才低温沉积Al金属层和脉冲激光烧结形成点欧姆接触。SiO2绝缘层将P-N异质结整个包围，充分保证了P-N异质结的浮动特性。 
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 
图1是本发明的优选实施例的结构示意图； 
图2～图7为本发明工艺流程的步骤示意图： 
图中：1、P型晶体硅衬底；2、本征异质材料层；3、N型异质材料层；4、Si02绝缘层；5、铝金属层；6、铝烧结区；7、P+定域掺杂区。 
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。 
下面以P型晶体硅衬底为例具体说明如何利用改进的脉冲激光退火工艺实现本发明结构。由于本发明结构只针对背钝化和背电极的形成，所述的实施例只介绍形成太阳能电池背钝化和背电极的具体工艺实现，太阳能电池正面的P-N发射极、SiNx减反膜和正面电极部分可以用传统的晶体硅太阳能电池工艺实现。在实施实例时我们以非晶硅为例实现异质材料的沉积和工艺制备，但本发明的异质材料不局限于非晶硅，还可以由非晶碳化硅等异质材料实现。在太阳能电池正面完全制备完成后，可继续如下步骤： 
1、在P型晶体硅衬底1上利用PECVD沉积本征非晶硅层2，厚度范围0 纳米到15纳米，如图2所示。0纳米意味着没有本征非晶硅层，这在本结构上是允许的，但是加入本征非晶硅层具有更好的氢钝化效果。 
2、在本征非晶层2上继续利用PECVD沉积N型非晶硅层3，厚度范围从5nm到30nm，N掺杂的浓度可以从1E16cm-3到1E20cm-3。N掺杂的具体浓度取决于本征非晶硅层2的厚度、P型晶硅衬底1的掺杂浓度，总的效果是实现最小的晶体硅背部的表面复合速度。如图3所示。 
3、利用掩膜刻蚀N型非晶硅层3和本征非晶硅层2，，形成图4所示的结构。刻蚀的精度没有要求，过度刻蚀掉部分晶体硅可以接受。刻蚀的实现可以利用微电子工艺中的光刻胶定义出图形，然后采用HF和HNO3的腐蚀液进行刻蚀。腐蚀掉的部分将用于后面的点接触电极制作，因此光刻胶开孔的大小只需要大于脉冲激光烧结退火所用的脉冲激光斑点大小。为了防止腐蚀对正面Ag栅线的影响，需要采用单面腐蚀设备或者直接利用光刻胶将太阳能电池的正面保护起来。 
4、利用PECVD等离子化学气相沉积设备沉积SiO2绝缘层4，沉积的厚度在20至100nm，将N型非晶硅层3和本征非晶硅层2隔离保护起来，如图5所示。N型非晶硅层3，本征非晶硅层2和P型晶硅硅衬底1形成了浮动的PIN结。需要注意的是PECVD的功率和沉积时间的选择需要使得N型非晶硅层3和本征非晶硅层2侧壁也能蒸发上一层SiO2，实现完全隔离的浮动结。 
5、利用PVD物理气相沉积设备沉积100-500nm的铝金属层5，如图6所示。铝金属层5，SiO2绝缘层4和下面半导体层一起形成了金属-绝缘体-半导体MIS结构，增强了浮动结的背钝化效果。 
6、利用激光脉冲退火技术将铝穿透SiO2层烧结进P型晶体硅1，形成P+定域掺杂区7和铝烧结区6，如图7所示。激光脉冲退火烧结工艺已经很成熟， 如文献【Hofmann，M.，C.Schmidt，et al.(2008).″Stack system of PECVD amorphous silicon and PECVD silicon oxide for silicon solar cell rear side passivation.″Progress in Photovoltaics：Research and Applications 16(6)：509-518.】即利用激光退火烧结形成背部的点接触，在形成良好的欧姆接触同时也避免了高温退火烧结工艺。 
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。 

Claims (9)

1.一种基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构，包括P型晶体硅，其特征在于：所述的P型晶体硅衬底底部具有由本征异质材料层以及N型异质材料层构成的异质结结构，所述的本征异质材料层插于N型异质材料层与P型晶体硅之间，N型异质材料层外部包裹有绝缘层，所述的绝缘层的底部设置有铝金属层；所述的P型晶体硅衬底底部两端设置有P+定域掺杂区，P+定域掺杂区的下方具有点接触的铝烧结区。
2.如权利要求1所述的基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构，其特征在于：所述的本征异质材料层的厚度为0～15nm。
3.如权利要求1所述的基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构，其特征在于：所述的N型异质材料层的厚度为5～30nm，N掺杂浓度为1E16cm-3到1E20cm-3。
4.如权利要求1所述的基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构，其特征在于：所述的绝缘层为二氧化硅绝缘层，绝缘层将本征异质材料层以及N型异质材料层的正面和侧面完全包裹，所述的绝缘层的厚度为20～100nm。
5.如权利要求1所述的基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构，其特征在于：所述的铝金属层、铝烧结区以及P+定域掺杂区与N型异质材料层完全隔离，所述的本征异质材料层和绝缘层作为隔离层。
6.如权利要求1所述的基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构，其特征在于：所述的P+定域掺杂区和铝烧结区形成背电极，所述的本征异质材料层和N型异质材料层实现背钝化。
7.一种如权利要求1所述的基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构的制备工艺，其特征在于包括以下步骤：
1)在P型晶体硅衬底上利用PECVD沉积本征非晶硅层，厚度范围为0～15nm；
2)在本征非晶层上继续利用PECVD沉积N型非晶硅层，厚度范围为5～30nm，N掺杂的浓度为1E16cm-3～1E20cm-3；
3)利用掩膜刻蚀N型非晶硅层和本征非晶硅层；
4)利用PECVD等离子化学气相沉积设备沉积SiO2绝缘层，沉积的厚度为20～100nm；
5)利用PVD物理气相沉积设备沉积100～500nm的铝金属层；
6)利用激光脉冲退火技术将铝穿透SiO2绝缘层烧结进P型晶体硅，形成P+定域掺杂区和铝烧结区。
8.如权利要求7所述的基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构的制备工艺，其特征在于：所述的步骤3)中刻蚀工艺为：利用微电子工艺中的光刻胶定义出图形，然后采用HF和HNO3的腐蚀液进行刻蚀。
9.如权利要求7所述的基于异质结的浮动结太阳能电池背钝化结构的制备工艺，其特征在于：所述的步骤4)中PECVD的功率和沉积时间的选择需要使得N型非晶硅层和本征非晶硅层的侧壁都能沉积上SiO2绝缘层。
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