CN102593232B - 一种横向结构的pn太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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一种横向结构的PN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PN太阳能电池设有衬底，在衬底上设有凹槽，在凹槽内通过扩散或外延等方法形成半导体层，在半导体层上分别蒸镀上电极和减反膜，在半导体层底部蒸镀背电极，当衬底为p型半导体层时，半导体层为n型半导体层；当衬底为n型半导体层时，半导体层为p型半导体层。通过采用所述与表面平行的横向p-n结，即内建电场呈与表面平行分布的结构，光生载流子在所述横向结构中只有漂移运动而无需扩散运动，同时在保证空间电荷区有充分光吸收的前提下，所述横向结构能够大大缩短光生载流子的漂移路程。大大降低电池对硅材料的纯度要求，可显著地降低硅太阳能电池的材料成本。
Description
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PN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与表面垂直的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，则能够大大降低电池的材料成本。
另外，在这种与表面垂直的p-n结构的太阳能电池中，发射区覆盖了电池的整个表面，而太阳光在硅表面就有强烈的吸收，这就阻挡了部分太阳光入射到空间电荷区，降低了光生载流子的收集几率。同时，通过在电池的整个表面扩散形成发射区较容易在表面形成死层。在死层中少子寿命非常短，光生载流子的收集几率接近于0([2]Martin A.Green，Solar CellsOperating Principles，Technology，and System Applications，145～147)。因此，目前这种常用结构的单晶硅电池在短波段的光谱响应较小，这阻碍了电池转换效率的进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有晶体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PN太阳能电池及其制备方法。
所述横向结构的PN太阳能电池设有衬底，在衬底上设有凹槽，在凹槽内通过扩散或外延等方法形成半导体层，在半导体层上分别蒸镀上电极和减反膜，在半导体层底部蒸镀背电极，当所述衬底为p型半导体层时，所述半导体层为n型半导体层；当所述衬底为n型半导体层时，所述半导体层为p型半导体层。
所述横向结构的PN太阳能电池主要是由与表面平行的p-n结组成，即内建电场呈与表面平行分布的结构，所述p-n结是由p型半导体层(p层)和n型半导体层(n层)组成，或由n型半导体层(n层)和p型半导体层(p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型单晶硅或多晶硅等半导体材料，所述n型半导体可选自n型单晶硅或多晶硅等半导体材料，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。
所述横向结构的PN太阳能电池的制备方法包括以下两种方案，第一种方案包括以下步骤：
1)将衬底进行标准清洗后，在样品的所有表面热生长或沉积一层遮挡层；所述衬底为p型衬底或n型衬底；
2)采用光刻技术在样品的上表面刻出条状图形，去除图形中的遮挡层，然后采用刻蚀技术在去除遮挡层的区域刻出凹槽，再去除光刻胶；
3)将样品进行扩散，然后去除样品所有表面的遮挡层，形成所述横向的p-n结；所述扩散为n型扩散或p型扩散；
4)采用光刻技术在样品的上表面刻出凹槽图形后，在凹槽内沉积上电极，然后剥离；
5)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的反图形后，沉积减反膜，然后剥离；
6)在经过处理的样品背面沉积背电极，最后对电极进行退火。
在步骤1)中，所述p型衬底可选自p型单晶硅或多晶硅等半导体材料；所述n型衬底可选自n型单晶硅或多晶硅等半导体材料；所述遮挡层可选自SiO2层等，用于阻止扩散。
在步骤2)中，所述条状图形是用于刻出凹槽的区域图形，所述凹槽是用于进行所述n型扩散或p型扩散的区域，所述凹槽的深度最好为1～500μm，凹槽的宽度最好为1～100μm，凹槽的间距最好为5～500μm。
在步骤3)中，所述扩散的深度最好为0.2～10μm。
在步骤4)中，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。
在步骤5)中，所述减反膜可选自氮化硅(Si3N4)减反膜或氧化钛(TiO2)减反膜等透明绝缘材料。
在步骤6)中，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。
所述横向结构的PN太阳能电池的制备方法的第二种方案包括以下步骤：
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，再去除光刻胶；所述衬底为p型衬底或n型衬底；
2)将样品进行标准清洗后放入外延生长设备中生长一定厚度的半导体层，生长结束；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；
3)采用光刻技术刻出凹槽的反图形，然后采用刻蚀技术去除生长于衬底凹槽以外的半导体层，再去除光刻胶，形成所述横向的p-n结；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；
4)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的图形，沉积上电极，然后剥离；
5)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的反图形后，沉积减反膜，然后剥离；
6)在经过处理的样品背面沉积背电极，最后对电极进行退火。
在步骤1)中，所述p型衬底可选自p型单晶硅或多晶硅等半导体材料，所述n型衬底可选自n型单晶硅或多晶硅等半导体材料；所述条状图形是用于刻出凹槽的区域图形，所述凹槽是用于外延生长所述n型半导体层或p型半导体层，所述凹槽的深度最好为1～500μm，凹槽的宽度最好为1～200μm，凹槽的间距最好为5～500μm。
在步骤2)中，所述外延生长设备是指分子束外延(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n型半导体层可选自n型单晶硅或多晶硅等半导体材料，所述p型半导体层可选自p型单晶硅或多晶硅等半导体材料，所述n型半导体层和p型半导体层的厚度最好为0.2～100μm。
在步骤4)中，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。
在步骤5)中，所述减反膜可选自氮化硅(Si3N4)减反膜或氧化钛(TiO2)减反膜等透明绝缘材料。
在步骤6)中，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。
本发明提供的横向结构的PN太阳能电池的优异之处在于：通过采用所述与表面平行的横向p-n结，即内建电场呈与表面平行分布的结构，光生载流子在所述横向结构中只有漂移运动而无需扩散运动，同时在保证空间电荷区有充分光吸收的前提下，所述横向结构能够大大缩短光生载流子的漂移路程。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。另外，本发明所述横向结构还实现局域化的发射区，使得电池在表面处就存在空间电荷区，提高光生载流子的收集几率，提高电池在短波段的光谱响应。同时，通过对发射区的局域化可以减少表面处死层的出现，这同样可以提高光生载流子的收集几率。通过刻槽埋栅的方法还可以有效减少上电极的遮光面积。这些都能够在一定程度上提高太阳能电池的转换效率。因此，本发明所述横向结构能够提供一种提高晶体硅等太阳能电池的转换效率，并有效降低其材料成本的解决方法。
附图说明
图1为本发明所述横向结构的PN太阳能电池的典型结构剖面示意图。在图1中，各标记为：1为上电极，2为减反膜，3为衬底，4为半导体层，5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为本发明所述横向结构的PN太阳能电池的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。
参见图1和2，所述横向结构的PN太阳能电池设有衬底3，在衬底3上设有凹槽，在凹槽内通过扩散或外延等方法形成半导体层4，在半导体层4上分别蒸镀上电极1和减反膜2，在半导体层4底部蒸镀背电极5，所述衬底3为p型半导体层或n型半导体层，所述半导体层4为n型半导体层或p型半导体层。
实施例1
1)将n型单晶硅衬底进行标准清洗后，在样品的所有表面热生长一层SiO2作为遮挡层。
2)采用光刻技术在样品的上表面刻出条状图形，去除图形中的SiO2层，然后采用刻蚀技术在去除SiO2层的区域刻出凹槽，凹槽深度为300μm，凹槽宽度为15μm，凹槽间距为200μm，再去除光刻胶。
3)将样品进行p型扩散(扩硼)，扩散深度为0.3μm，然后去除样品所有表面的SiO2层。这样就形成了所述横向的p-n结。
4)采用光刻技术在样品的上表面刻出凹槽图形后，在凹槽内沉积金属铝作为上电极，然后剥离。
5)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的反图形后，沉积氮化硅(Si3N4)作为减反膜，然后剥离。
6)在经过处理的样品背面沉积金属铝作为背电极，最后对电极进行退火。
实施例2
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15μm，凹槽间距为200μm，再去除光刻胶。
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生长0.5μm厚度的p型硅层，生长结束。
3)采用光刻技术刻出凹槽的反图形，然后采用刻蚀技术去除生长于衬底凹槽以外的p型硅层，再去除光刻胶。这样就形成了所述横向的p-n结。
4)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的图形后，沉积金属铝作为上电极，然后剥离。
5)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的反图形后，沉积氮化硅(Si3N4)作为减反膜，然后剥离。
6)在经过处理的样品背面沉积金属铝作为背电极，最后对电极进行退火。
Claims (7)
1.一种横向结构的PN太阳能电池，其特征在于设有衬底，在衬底上设有凹槽，在凹槽内通过扩散或外延方法形成半导体层，在半导体层上分别蒸镀上电极和减反膜，在半导体层底部蒸镀背电极，当所述衬底为p型半导体层时，所述半导体层为n型半导体层；当所述衬底为n型半导体层时，所述半导体层为p型半导体层；
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型单晶硅或多晶硅；所述n型半导体选自n型单晶硅或多晶硅；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PN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，在样品的所有表面热生长或沉积一层遮挡层；所述衬底为p型衬底或n型衬底；
2)采用光刻技术在样品的上表面刻出条状图形，去除图形中的遮挡层，然后采用刻蚀技术在去除遮挡层的区域刻出凹槽，再去除光刻胶；所述条状图形是用于刻出凹槽的区域图形，所述凹槽是用于进行所述n型扩散或p型扩散的区域，所述凹槽的深度为1～500μm，凹槽的宽度为1～100μm，凹槽的间距为5～500μm；
3)将样品进行扩散，然后去除样品所有表面的遮挡层，形成所述横向的p-n结；所述扩散为n型扩散或p型扩散；
4)采用光刻技术在样品的上表面刻出凹槽图形后，在凹槽内沉积上电极，然后剥离；
5)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的反图形后，沉积减反膜，然后剥离；
6)在经过处理的样品背面沉积背电极，最后对电极进行退火。
3.如权利要求2所述的一种横向结构的PN太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述p型衬底选自p型单晶硅或多晶硅；所述n型衬底选自n型单晶硅或多晶硅。
4.如权利要求2所述的一种横向结构的PN太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述遮挡层为SiO2层。
5.如权利要求2所述的一种横向结构的PN太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述扩散的深度为0.2～10μm。
6.如权利要求1所述的一种横向结构的PN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，再去除光刻胶；所述衬底为p型衬底或n型衬底；所述p型衬底选自p型单晶硅或多晶硅，所述n型衬底选自n型单晶硅或多晶硅；所述条状图形是用于刻出凹槽的区域图形，所述凹槽是用于外延生长所述n型半导体层或p型半导体层，所述凹槽的深度为1～500μm，凹槽的宽度为1～200μm，凹槽的间距为5～500μm；
2)将样品进行标准清洗后放入外延生长设备中生长一定厚度的半导体层，生长结束；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；
3)采用光刻技术刻出凹槽的反图形，然后采用刻蚀技术去除生长于衬底凹槽以外的半导体层，再去除光刻胶，形成所述横向的p-n结；所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层；
4)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的图形，沉积上电极，然后剥离；
5)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的反图形后，沉积减反膜，然后剥离；
6)在经过处理的样品背面沉积背电极，最后对电极进行退火。
7.如权利要求6所述的一种横向结构的PN太阳能电池的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述n型半导体层选自n型单晶硅或多晶硅，所述p型半导体层选自p型单晶硅或多晶硅，所述n型半导体层和p型半导体层的厚度为0.2～100μm。
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