CN102544184B - 一种横向结构的pin太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种横向结构的pin太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种横向结构的PIN太阳能电池及其制备方法，涉及一种太阳能电池。横向结构的PIN太阳能电池设有p型(或n型)半导体层，p型(或n型)半导体层上设有凹槽，在凹槽内依次形成本征半导体层(i层)和n型(或p型)半导体层，在本征半导体层(i层)和n型(或p型)半导体层上再分别蒸镀上电极和减反膜，在p型(或n型)半导体层底部蒸镀背电极。背电极的底部设有衬底。制备方法包括晶体硅等体材料太阳能电池和非晶硅等薄膜太阳能电池。提高晶体硅、非晶硅等半导体太阳能电池的转换效率，并有效降低其材料成本。

Description

一种横向结构的PIN太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种横向结构的PIN太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，太阳照射地球一小时的能量相当于世界一年的总消费能量。太阳能的有效利用已经成为人类的共识，作为太阳能利用的重要手段之一，对太阳能电池即光伏发电的研究与开发也变得日益重要。目前太阳能电池主要以硅系太阳能电池为主，超过89％的光伏市场由硅系列太阳能电池所占领，硅基太阳能电池的研究和开发得到广泛的重视。而在硅系列太阳电池中，以单晶硅太阳电池转换效率最高，技术也最为成熟，在当前的光伏应用领域占主导地位。
单晶硅太阳能电池在结构上最常采用的是p-n结构，在这种结构下，单晶硅材料的纯度要求很高，必须达到99.999％以上。否则其中的杂质和缺陷所造成的复合中心较多，这将大大降低少子寿命。但高纯度硅材料的价格很昂贵，这使得所制作的太阳能电池成本很高([1]安其霖等编，太阳电池原理与工艺，194～219)。因此若能在保持较高转换效率的前提下，降低晶体硅太阳能电池对硅材料的纯度要求则能够大大降低其材料成本。
另外，单晶硅太阳电池制作工艺较复杂，制作过程中需要消耗大量的单晶硅材料，因此受限于单晶硅的材料价格及繁琐的电池工艺，其成本一直居高不下。为了进一步降低太阳电池的成本，人们发展了硅基薄膜太阳电池。其中，非晶硅薄膜太阳电池就是一种很有发展前景的硅基薄膜太阳电池([2]Martin A.Green，Solar Cells Operating Principles，Technology，andSystem Applications，183～186)。非晶硅薄膜太阳电池有如下优点：非晶硅属于准直接带系材料，其光吸收系数比单晶硅高50～100倍，只需要大约1μm厚的薄膜就可以吸收足够的阳光，生产过程中所消耗的硅材料仅及晶体硅电池的1/100，大大地减小了半导体材料的消耗，因此材料成本非常低；采用低温制备技术(不超过300℃)，比单晶硅电池的800～1000℃低得多，能源消耗少；薄膜制作的工艺简单，仅通过各种气体源就可一次性连续完成复杂器件的制作，材料与器件同时完成，而且可获得大面积均匀薄膜，所以制造成本非常低；易实现大规模生产，完全与半导体微电子技术中的各种集成化技术相兼容。另外，对衬底材料要求不高，能沉积在玻璃、石英、陶瓷、不锈钢、塑料等廉价的衬底上，特别是近期发展起来的柔性衬底非晶硅太阳电池具有高重量比功率，轻便，柔韧性强等优点，容易与建筑材料相结合，构成光伏建筑一体化系统。所以，非晶硅太阳能电池有广阔的应用前景，在降低成本方面有着不可比拟的优势。
非晶硅太阳能电池在结构上最常采用的是与表面垂直的p-i-n结构。非晶硅电池的工作原理与单晶硅电池类似，都是利用半导体的光伏效应实现光电转换。与单晶硅电池不同的是，非晶硅电池光生载流子只有漂移运动而无扩散运动，原因是由于非晶硅结构中的长程无序和无规网络引起的极强散射作用，使载流子的扩散长度很短。如果在光生载流子的产生处没有电场存在，则光生载流子受扩散长度的限制，将会很快复合而不能吸收。为能有效地收集光生载流子，将电池设计成p-i-n型，其中p层是入射层，i层是本征吸收层，处在p和n层产生的内建电场中。当入射光通过p层进入i层后，产生电子-空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分开，空穴漂移到p型一侧，电子漂移到n型一侧，在pn结两侧集聚形成了电位差，形成光生电流和光生电压。因此在这种与表面垂直的p-i-n结构下，i层是电池的核心部分，是光生载流子的产生区。i层的设计原则上应同时考虑材料的光吸收系数和带隙中的缺陷态密度，因此该层的质量及其厚度是否合适，将直接影响电池的性能参数。若i层的质量较差或厚度太厚，则i层中的杂质和缺陷所造成的复合中心较多，这将大大降低光生载流子的寿命，同时厚度太厚会使得内建电场太弱，不利于光生载流子的收集。相反，若i层的厚度薄，则i层中的杂质和缺陷所造成的复合中心较少且内部电场较大，从而提高光生载流子的收集效率，但同时却减小了光吸收，即减小了i层内光生载流子的总数，仍然会影响电池的性能。总之，要提高电池的效率，制备高质量的i层以及寻找合适的i层厚度是关键。
另外，在这种与表面垂直的p-i-n结构下作为窗口的p层或者n层为尽可能地避免遮挡太阳光充分地进入到i层，其厚度必须尽可能薄。但是若窗口的厚度太薄，则无法产生足够的内建电场。显然，窗口的厚度要求也是p-i-n结构的难点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有晶体硅、非晶硅太阳能电池对高转换效率和低成本的要求，提供一种横向结构的PIN太阳能电池及其制备方法。
所述横向结构的PIN太阳能电池设有：
p型半导体层，所述p型半导体层上设有凹槽，在凹槽内依次形成本征半导体层(i层)和n型半导体层，在本征半导体层(i层)和n型半导体层上再分别蒸镀上电极和减反膜，在p型半导体层底部蒸镀背电极；或
设有n型半导体层，所述n型半导体层上设有凹槽，在凹槽内依次形成本征半导体层(i层)和p型半导体层，在本征半导体层(i层)和p型半导体层上再分别蒸镀上电极和减反膜，在n型半导体层底部蒸镀背电极。
所述背电极的底部可设有衬底。
所述横向结构的PIN太阳能电池的结构主要由与表面平行的p-i-n结组成，即i层呈竖立排列的结构。
所述p-i-n结由p型半导体层(p层)、本征半导体层(i层)、n型半导体层(n层)组成。所述上电极可选自铝(Al)上电极、钛(Ti)上电极、钯(Pd)上电极、银(Ag)上电极、镍(Ni)上电极或金(Au)上电极等，所述减反膜可选自氮化硅(Si3N4)减反膜或氧化钛(TiO2)减反膜等，所述p型半导体可选自p型晶体硅、非晶硅或非晶碳化硅等半导体材料，所述本征半导体可选自本征晶体硅、非晶硅或非晶碳化硅等半导体材料，所述n型半导体可选自n型晶体硅、非晶硅或非晶碳化硅等半导体材料，所述背电极可选自铝(Al)背电极、钛(Ti)背电极、钯(Pd)背电极、银(Ag)背电极、镍(Ni)背电极或金(Au)背电极等，所述衬底可选自石英、玻璃、陶瓷或不锈钢等材料，在单晶硅等体材料太阳能电池结构中不需要采用所述衬底，而在非晶硅等薄膜太阳能电池结构中则需要采用所述衬底。
本发明所述横向结构的PIN太阳能电池的制备方法包括以下两种步骤，分别针对晶体硅等体材料太阳能电池和非晶硅等薄膜太阳能电池这两类电池。
1.针对晶体硅等体材料太阳能电池，所述横向结构的PIN太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
1)将p型(或n型)衬底进行标准清洗后，采用光刻技术在衬底上刻出条状图形，然后采用刻蚀技术在衬底上刻出凹槽。最后去除光刻胶；
2)将样品进行标准清洗后放入外延生长设备，先生长一定厚度的本征半导体层(i层)，然后再生长一定厚度的n型(或p型)半导体层，生长结束；
3)采用刻蚀技术去除生长于衬底凹槽以外的n型(或p型)半导体层和本征半导体层(i层)，形成横向的p-i-n结；
4)在样品表面沉积减反膜；
5)采用光刻技术在样品表面刻出上电极的图形后，去除图形中的减反膜，再沉积上电极，然后进行剥离，并对上电极进行退火；
6)在经过处理的样品背面沉积背电极，并对背电极进行退火。
在步骤1)中，所述p型(或n型)衬底可采用p型(或n型)晶体硅等半导体材料，所述凹槽是用于外延生长所述i层和所述n型(或p型)半导体层，凹槽的深度最好为2～500μm，凹槽的宽度最好为20～500μm，凹槽的间距最好为1～200μm。
在步骤2)中，所述外延生长设备可采用分子束外延(MBE)、超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)或金属有机物化学气相沉积(MOVPE)等外延生长设备，所述本征半导体层(i层)可采用本征晶体硅等半导体材料，其厚度最好为5～200μm，所述n型(或p型)半导体层可采用n型(或p型)晶体硅等半导体材料，其厚度最好为1～50μm。
在步骤4)中，所述减反膜可采用氮化硅(Si3N4)或氧化钛(TiO2)等透明绝缘材料。
在步骤5)中，所述上电极可采用铝(Al)、钛(Ti)、钯(Pd)、银(Ag)、镍(Ni)或金(Au)等金属材料。
在步骤6)中，所述背电极可采用铝(Al)、钛(Ti)、钯(Pd)、银(Ag)、镍(Ni)或金(Au)等金属材料。
在步骤)5和步骤6)中，所述上电极和所述背电极可以根据二者的具体退火温度来决定制作顺序。
2.针对非晶硅等薄膜太阳能电池，所述横向结构的PIN太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
1)将衬底进行清洗后沉积背电极；
2)将经过清洗的样品放入生长设备中，生长p型(或n型)半导体层，生长结束；
3)将样品采用光刻技术刻出条状图形后，采用刻蚀技术在生长于样品的p型(或n型)半导体层上刻出凹槽，然后去除光刻胶；
4)将样品放入生长设备，先生长一定厚度的本征半导体层(i层)。然后再生长n型(或p型)半导体层，生长结束；
5)采用刻蚀技术去除生长于样品凹槽以外的n型(或p型)半导体层和本征半导体层(i层)，形成所述横向的p-i-n结；
6)在样品表面沉积减反膜；
7)采用光刻技术在样品表面刻出上电极的图形后，去除图形中的减反膜，再沉积上电极。然后进行剥离。最后对电极进行退火。
在步骤1)中，所述背电极可采用铝(Al)、钛(Ti)、钯(Pd)、银(Ag)、镍(Ni)或金(Au)等金属材料。
在步骤2)中，所述p层(或n层)半导体层可采用p型(或n型)非晶硅或非晶碳化硅等半导体材料，其厚度最好为100nm～5μm。
在步骤3)中，所述凹槽是用于外延生长所述i层和所述n型(或p型)半导体层的倒梯形等形状凹槽，凹槽的深度最好为100nm～5μm。凹槽的间距最好为10nm～1μm。
在步骤4)中，所述生长设备可采用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)等生长设备，所述本征半导体层(i层)可采用本征非晶硅或碳化硅等半导体材料，其厚度最好为10nm～2μm。所述n层(或p层)半导体层可采用n型(或p型)非晶硅或非晶碳化硅等半导体材料，其厚度最好为10nm～1μm。
在步骤6)中，所述减反膜可采用氮化硅(Si3N4)或氧化钛(TiO2)等透明绝缘材料。
在步骤7)中，所述上电极可采用铝(Al)、钛(Ti)、钯(Pd)、银(Ag)、镍(Ni)或金(Au)等金属材料。
本发明提供的横向结构的PIN太阳能电池的优异之处在于：对于单晶硅太阳能电池而言，本发明所述横向结构由于通过采用与表面平行的横向p-i-n结，i层呈竖立排列，因此可以在不影响充分光吸收的前提下将i层做薄，其中的杂质和缺陷所造成的复合中心减少，提高了少子寿命，这将大大降低电池对硅材料的纯度要求，可以显著地降低硅太阳能电池的材料成本。而对于非晶硅薄膜太阳能电池而言，本发明所述横向结构中由于i层采用竖立排列，因此可以在不影响充分光吸收的前提下将i层做薄，这样对i层的质量要求可以降低。同时，i层做薄可以增强其中的内建电场，从而提高光生载流子的收集几率。另外，本发明所述横向结构中不存在与表面垂直的p-i-n结构中原有的窗口，太阳光可以直接照射到i层，这就提高了i层对太阳光的吸收，因而提高非晶硅薄膜太阳能电池的转换效率。因此，本发明所述横向结构能够提高晶体硅、非晶硅等半导体太阳能电池的转换效率，并有效降低其材料成本。
附图说明
图1为本发明针对晶体硅等体材料太阳能电池设计的所述横向结构的PIN太阳能电池的结构剖面示意图。在图1中，各标记为：1为上电极，2为减反膜，3为p型(或n型)半导体层，4为本征半导体层(i层)，5为n型(或p型)半导体层，6为背电极；hv表示太阳光，其箭头表示太阳光的入射方向；在图1中，包含5个重复单元，可根据实际样品尺寸改变重复单元数目。
图2为本发明针对非晶硅等薄膜太阳能电池设计的所述横向结构的PIN太阳能电池的结构剖面示意图。在图2中，各标记为：1为上电极，2为减反膜，3为p型(或n型)半导体层，4为本征半导体层(i层)，5为n型(或p型)半导体层，6为背电极，7为衬底；hv表示太阳光，其箭头表示太阳光的入射方向；在图2中包含5个重复单元，可根据实际样品尺寸改变重复单元数目。
图3为本发明所述横向结构的PIN太阳能电池中上电极的正面示意图。
具体实施方式
以下结合附图具体说明本发明的技术方案。
实施例1
1)将n型单晶硅衬底进行标准清洗后，采用光刻技术在衬底上刻出条状图形，然后采用刻蚀技术在衬底上刻出凹槽，凹槽深度为300μm，凹槽宽度为110μm，凹槽间距为50μm，如图1。最后去除光刻胶。
2)将刻有凹槽的衬底进行标准清洗后放入外延生长设备的腔体中，先生长50μm厚度的本征硅层(i层)，然后再加入掺杂气源生长5μm厚度的p型硅层，生长结束。
3)采用刻蚀技术去除生长于衬底凹槽以外的p型硅层和本征硅层(i层)，形成单晶硅太阳能电池的横向p-i-n结。
3)在样品表面沉积氮化硅(Si3N4)作为减反膜。
4)采用光刻技术在样品表面刻出上电极的图形后，去除图形中的氮化硅，再沉积金属铝作为上电极。然后进行剥离，并对上电极进行退火。
5)在经过处理的样品背面沉积金属铝作为背电极，并对背电极进行退火。
实施例2
1)将玻璃衬底进行清洗后沉积金属铝作为背电极。
2)将样品放入PECVD生长腔体中，生长一层1.2μm厚度的p型非晶硅，生长结束。
3)将生长好的样品采用光刻技术刻出条状图形后，采用刻蚀技术在生长于样品的p型非晶硅上刻出倒梯形凹槽，凹槽深度为1μm，凹槽间距为1μm，如图2，然后去除光刻胶。
4)将样品放入PECVD生长腔体中，先生长300nm厚度的本征非晶硅层(i层)。然后再生长20nm厚度的n型非晶硅层，生长结束。
5)采用刻蚀技术去除生长于样品倒梯形凹槽以外的n型非晶硅层和本征非晶硅层，形成非晶硅薄膜太阳能电池的横向p-i-n结。
6)在样品表面沉积氮化硅(Si3N4)作为减反膜。
7)采用光刻技术在样品表面刻出上电极的图形后，去除图形中的氮化硅，再沉积金属铝作为上电极。然后进行剥离。最后对电极进行退火。

Claims (4)

1.一种横向结构的PIN太阳能电池，其特征在于设有：
p型半导体层，所述p型半导体层上设有凹槽，在凹槽内依次形成本征半导体层和n型半导体层，在本征半导体层和n型半导体层上再分别蒸镀上电极和减反膜，在p型半导体层底部蒸镀背电极；或
设有n型半导体层，所述n型半导体层上设有凹槽，在凹槽内依次形成本征半导体层和p型半导体层，在本征半导体层和p型半导体层上再分别蒸镀上电极和减反膜，在n型半导体层底部蒸镀背电极；
所述上电极选自铝上电极、钛上电极、钯上电极、银上电极、镍上电极或金上电极；所述减反膜选自氮化硅减反膜或氧化钛减反膜；所述p型半导体选自p型晶体硅、非晶硅或非晶碳化硅；所述本征半导体选自本征晶体硅、非晶硅或非晶碳化硅；所述n型半导体选自n型晶体硅、非晶硅或非晶碳化硅半导体材料，所述背电极选自铝背电极、钛背电极、钯背电极、银背电极、镍背电极或金背电极。
2.如权利要求1所述的一种横向结构的PIN太阳能电池，其特征在于所述背电极的底部设有衬底，所述衬底选自石英、玻璃、陶瓷或不锈钢。
3.如权利要求1所述的一种横向结构的PIN太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将衬底进行标准清洗后，采用光刻技术在衬底上刻出条状图形，然后采用刻蚀技术在衬底上刻出凹槽，最后去除光刻胶；所述衬底为p型衬底或n型衬底；所述衬底采用p型晶体硅或n型晶体硅；所述凹槽是用于外延生长本征半导体层和所述n型半导体层或p型半导体层，凹槽的深度为2～500μm，凹槽的宽度为20～500μm，凹槽的间距为1～200μm；
2)将样品进行标准清洗后放入外延生长设备，首先生长本征半导体层，然后再生长半导体层，生长结束；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；所述外延生长设备采用分子束外延、超高真空化学气相沉积或金属有机物化学气相沉积；所述本征半导体层采用本征晶体硅，所述本征半导体层的厚度为5～200μm，所述n型半导体层采用n型晶体硅，所述p型半导体层采用p型晶体硅，所述n型半导体层和p型半导体层的厚度为1～50μm；
3)采用刻蚀技术去除生长于衬底凹槽以外的半导体层和本征半导体层，形成横向的p-i-n结；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；
4)在样品表面沉积减反膜；
5)采用光刻技术在样品表面刻出上电极的图形后，去除图形中的减反膜，再沉积上电极，然后进行剥离，并对上电极进行退火；
6)在经过处理的样品背面沉积背电极，并对背电极进行退火。
4.如权利要求1所述的一种横向结构的PIN太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将衬底进行清洗后沉积背电极；
2)将经过清洗的样品放入生长设备中，生长半导体层，生长结束；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；所述半导体层采用非晶硅或非晶碳化硅，所述半导体层的厚度为100nm～5μm；
3)将样品采用光刻技术刻出条状图形后，采用刻蚀技术在生长于样品的半导体层上刻出凹槽，然后去除光刻胶；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；所述凹槽是用于外延生长本征半导体层和所述半导体层的倒梯形凹槽，凹槽的深度为100nm～5μm，凹槽的间距为10nm～1μm；
4)将样品放入生长设备，先生长一定厚度的本征半导体层，然后再生长半导体层，生长结束；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；所述本征半导体层采用本征非晶硅或碳化硅，所述本征半导体层的厚度为10nm～2μm；所述半导体层采用非晶硅或非晶碳化硅，所述半导体层的厚度为10nm～1μm；
5)采用刻蚀技术去除生长于样品凹槽以外的半导体层和本征半导体层，形成横向的p-i-n结；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；
6)在样品表面沉积减反膜；
7)采用光刻技术在样品表面刻出上电极的图形后，去除图形中的减反膜，再沉积上电极，然后进行剥离，最后对电极进行退火。
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