CN102709345B

CN102709345B - 超薄晶硅电池结构

Info

Publication number: CN102709345B
Application number: CN201210155672.0A
Authority: CN
Inventors: 陆晓东; 伦淑娴; 王巍; 郭艳东; 郭兆正; 于忠党; 周涛
Original assignee: Bohai University
Current assignee: Bohai University
Priority date: 2012-05-19
Filing date: 2012-05-19
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-05-19
Also published as: CN102709345A

Abstract

一种可使晶硅电池内部光电转换过程中所用光学和电学增效结构的增效效果实现最优的超薄晶硅电池结构，包括上表面介质反射镜、正面设有阶梯状刻蚀槽的P型晶硅片、下表面介质反射镜，上、下表面介质反射镜分别设在P型晶硅片正面和背面，并与刻蚀槽一起构成准三维微腔陷光结构，在与刻蚀槽对应的上表面介质反射镜的中心位置设有采光孔，在上表面介质反射镜上设有光学缓冲层和平凸透镜，沿刻蚀槽内壁设有N型掺杂区域，其与P型衬底形成PN结，并在刻蚀槽内填充介质，在晶硅片背面设有P-+型掺杂区域，在N-型掺杂区域设有N+掺杂区域，在N+型掺杂区域上经由上表面介质反射镜引出选择性发射极，在P-+型掺杂区域上经由下表面介质反射镜引出背场电极。

Description

超薄晶硅电池结构

技术领域

本发明涉及一种超薄晶硅电池结构。

背景技术

光伏发电是利用太阳能的主要方式之一，但光伏发电成本偏高仍是这一领域面临的主要问题。目前，晶硅电池处于太阳电池市场的垄断地位，且在未来相当长一段时间内，其仍将占据重要地位，所以大幅降低晶硅电池的发电成本，无疑是光伏发电领域中的一项重要研究课题。

超薄晶硅高效电池技术是解决晶硅电池发电成本问题的主要途径。据CTM（Crystalline Silicon PV Technology and Manufacturing Group）预测：到2020年，批产化的晶硅片厚度要从目前的180mm降到100mm以下，而电池效率要达到甚至超过20%，才能满足那时的成本要求，所以超薄晶硅高效电池将成为未来晶硅电池的发展方向，并具有重大的应用前景。

与薄膜电池仅几微米的厚度不同，超薄晶硅电池的晶片厚度要小于100mm，常为10~100mm。理论分析表明：只要晶片厚度大于50mm，晶硅电池都几乎具有相同的最大理论效率29.8%，而当晶片厚度降到10mm时，电池的最大理论效率也能达到近27%的水平。由于最大理论效率并未考虑发生在晶片内部的各种光学损失和电学损失，所以实际效率会比这种最大理论效率要小一些，但这也说明最大限度地降低晶片内部的损耗，是能否实现超薄晶硅高效电池的关键。

当晶片变薄，对芯片内部光电转换过程的影响，表现为：①单次通过晶片可完全吸收的最大波长，向短波方向移动；②截止波长附近光场的完全吸收越困难；③晶片表面和体内的各种复合过程影响明显。现有的超薄晶硅电池主要采用以下光学和电学技术措施进行增效：①利用陷光结构增效，表现为：上表面采用增透膜和表面织构结构减小表面的反射损失；下表面采用反射镜和织构结构，减小光在底面的泄漏；上下表面结构结合在一起，还起到延长电池体内光程的作用。②采用背电极结构，减小了电极对入射光场遮蔽产生的光损耗。③采用选择性发射极结构，增强电极对光生电子和空穴的收集效率。④采用表面钝化措施，降低光生电子和空穴在表面的复合速率等。这些措施均源于厚晶硅电池的增效技术，且具有如下特点：针对太阳电池光电转换过程的各环节进行增效，即仅针对光生载流子产生、输运和收集过程中的单一过程进行增效，所以无法实现晶硅电池光电转换过程整体增效的最优效果。

发明内容

本发明要克服现有电池增效技术对光生载流子产生、输运和收集各过程进行单一优化的缺陷，提供一种可使晶硅电池内部光电池转换过程中光学和电学增效效果最优的超薄晶硅电池结构。

本发明涉及的超薄晶硅电池结构，其特殊之处是：包括平凸透镜、上表面介质反射镜、正面设有阶梯状刻蚀槽的P型晶硅片和下表面介质反射镜，所述上、下表面介质反射镜分别设在P型晶硅片正面和背面，并构成准三维微腔陷光结构，在上表面介质反射镜上对应刻蚀槽中心位置设有采光孔，所述平凸透镜设在与刻蚀槽对应的上表面介质反射镜表面且在平凸透镜和上表面介质反射镜之间设有起光程调整和聚焦作用的光学缓冲层，沿P型晶硅片的刻蚀槽内壁设有N型掺杂区域形成PN结，并在刻蚀槽内填充介质，在晶硅片背面设有P-+型掺杂区域，在晶硅片正面刻蚀槽周围的N-型掺杂区域设有N+掺杂区域，在N+型掺杂区域上位于准三维微腔周围经上表面介质反射镜引出选择性发射极，在P-+型掺杂区域上经由下表面介质反射镜引出背场电极。

本发明涉及的超薄晶硅电池结构可对超薄晶硅电池内光生载流子产生、输运和收集过程的增效措施实现整体优化，避免了单一优化某一过程产生的不足。其与现有技术相比有益效果如下：

1）光场的控制和管理：

①入射光场的管理和控制：借助平凸透镜阵列的表面形貌特征和各透镜的光学聚焦性质，引入了入射光场的表面陷光机制和传输方向的控制作用。②体内光场高效陷光：借助介质材料制作的上下表面介质反射镜构成准三维微腔陷光结构，将经平凸透镜聚光后的光场经采光孔引入到准三维陷光微腔内，实现有效光场的完全吸收。结合PN结结构的设计，使光场多次穿越PN结，实现最佳的光吸收效果。

2）光生载流子输运和收集结构设计：

①载流子产生过程设计：借助阶梯状刻蚀槽，控制载流子产生位置，为载流子有效输运和收集创造条件。②载流子输运过程设计：借助刻蚀槽内壁附近制作的PN结结构，增加PN结面积，使光生电子和空穴可在多个空间位置获得有效分离；借助刻蚀槽，使PN结分离的电子和空穴的输运距离变短；借助P+/P背场结构和选择性发射极结构的设计在电子和空穴的输运过程建立了电场结构，增强了电子和空穴的输运效率。③载流子收集结构设计：借助背场结构和选择性发射极的结构，增强了阴阳电极对电子和空穴的收集能力。

本发明的电池结构实现功能包括：

①通过对入射光场的管理，制作电极的位置接受光的照射，从而完全消除了电极的遮蔽损失。

②通过准三维介质微腔结构，极大地增强了体内陷光效果，可确保截止波长附近的太阳光谱能量被完全吸收。

③通过阶梯微腔的设计，实现了对光生载流子的产生位置的控制，并使光场穿越PN的次数获得极大增加。

④通过超大PN结面积（与传统PERL高效电池采用的“倒金字塔”陷光结构使PN结面积增加近0.7倍相比，本发明设计的大凹凸PN结增加达2倍以上）可使光生电子空穴产生后，可在多个空间位置处发生有效分离，降低了光生载流子的复合损失。

⑤通过背电极和选择性发射极的制作，在电池内部设置了空间电场区域，使载流子在输运的过程中，可借助电场的作用快速输运到电极附近。

⑥利用背电极和选择性发射极的制作，可使阴阳电极收集电子和空穴的能力增强，且由于存在N+区，可适当降低N区的掺杂浓度，使电池可同时获得较低的串联电阻和较高的开路电压。

综上所述，本发明根据载流子产生、输运和收集过程的先后顺序，先构建具有光场管理功能的超陷光结构，控制光生载流子产生的位置和浓度；然后，采用有效的输运机制，快速分离光生电子和空穴、缩短其输运距离；最后，优化电极配置，使光生载流子被有效收集。从而实现多种显著的增效效果，如电极遮蔽损耗基本消除；截止波长吸收损耗有效降低；PN结面积大幅增加；吸收波长通过pn结次数显著增加等。

通过光学增效措施与电学增效措施紧密结合，实现最优的增效效果，表现在：通过对入射光场的管理，消除了常规晶硅电池的电极遮蔽损失；利用具有超陷光能力的准三维微腔陷光结构，极大地提高了晶硅材料有效吸收波长的吸收效率；采用大凹凸形状的PN结结构和缩短载流子输运距离，大大降低了载流子输运过程中的损耗；通过设置背场结构和选择性发射极结构，极大地提高了电极的收集效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是准三维微腔陷光结构展开示意图（1×2阵列）；

图3是入射光场进入准三维微腔陷光结构的传播路线图；

图4是本发明的制作工艺流程图；

图5是本发明中平凸透镜制作流程图。

图中：下表面介质反射镜1，P-+型掺杂区域2，P型晶硅片3，刻蚀槽301，N-型掺杂区域4，N-⁺型掺杂区域5，上表面介质反射镜6，采光孔601，光学缓冲层7，平凸透镜8，选择性发射极9，介质10，背场电极11。

具体实施方式

如图1、图2所示，该超薄晶硅电池结构包括正面设有阶梯状刻蚀槽301的P型晶硅片3，在P型晶硅片3上沿刻蚀槽301内壁设有N-型掺杂区域4，通过N-型掺杂区域4形成PN结，在刻蚀槽301内填充介质10，所述的介质10为填充聚酰亚胺（也可为光刻胶、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、硫化锌或二氧化钛），在P型晶硅片3背面设有P+型掺杂区域2。在晶硅片3正面刻蚀槽301周围的N-型掺杂区域设有N+掺杂区域5，在晶硅片3正面的介质10和N-+型掺杂区域5上表面设有上表面介质反射镜6，在上表面介质反射镜6上对应刻蚀槽301位置设有采光孔601。在晶硅片3背面的P-+型掺杂区域2表面设有下表面介质反射镜1，上表面介质反射镜6和下表面介质反射镜1构成准三维微腔陷光结构，本实施例中为1×2阵列，实际不受本实施例限制。在上表面介质反射镜6表面设有平凸透镜8且在上表面介质反射镜6和平凸透镜8之间设有光学缓冲层7，在N+型掺杂区域5位于位于准三维微腔周围经上表面介质反射镜6引出选择性发射极9，在P-+型掺杂区域2上经由下表面介质反射镜1引出背场电极11。其中平凸透镜8作用为：增加入射光场在表面的耦合效率，控制入射光场传播方向和改变入射光场的分布状态；上下表面介质反射镜6和1构成的准三维微腔陷光结构的作用是：抑制芯片内光场向体外泄漏；采光孔601作用为：将经平凸透镜8聚光后的光场，引入到准三维微腔内。

如图3所示，入射光场进入准三维微腔的传播路线左侧和中间微腔分别表示垂直和倾斜入射光场进入准三维微腔及在准三维微腔内传播的过程；右侧微腔是平凸透镜8捕捉透镜表面散射光场的过程。

如图4所示，该超薄晶硅电池结构制作流程如下：

1、超薄P型晶硅片准备

市售超薄晶硅片的技术参数为：直径：2英寸，掺杂类型：P型，拉制方法：CZ法，晶向：<100>向，电阻率：10~20W.cm，厚度：50mm。

2、晶片刻蚀槽制备

采用Si₃N₄为掩膜，制作阶梯状刻蚀槽301。

3、一次扩散制备PN结、N+/N高低结

采用涂源（POCl₃）和液态源（POCl₃，由N₂气携带）同时扩散，形成N-型掺杂区域4和N-+型掺杂区域5。

4、P+/P背场结构制作

采用涂覆三氧化二硼进行浅结扩散，形成P⁺型掺杂区域2，即P+/P背场结构。

5、刻蚀槽填充介质

采用聚酰亚胺材料（国产ZKPI530 型，也可采用光刻胶、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、硫化锌或二氧化钛）作为介质10填充刻蚀槽301。该介质材料具有光学透过率高（l>450nm，透过率接近100%）、耐高温（大于600℃才分解）、机械性能高、化学稳定性好以及与硅材料粘附良好等优点。

6、芯片上下表面介质反射镜及采光孔制作

上、下表面介质反射镜6和1采用SiO₂/SiN_x叠层膜结构，制备方法为低温（100℃）磁控溅射镀膜法。采光孔601通过刻蚀SiO₂/SiN_x叠层膜实现。之后在350~400℃下，将SiO₂/SiN_x叠层膜退火（已证明这是获得最佳钝化效果的退火温度）。

7、芯片上下表面电极制作

常温蒸镀铝膜，然后利用激光烧结电极（Laser-fired contacts，LCF）技术进行加工，形成选择性发射极9和背场电极11。

8、光学缓冲层及平凸透镜制作

如图5所示，首先，在衬底上涂覆聚酰亚胺并固化；刻蚀过程采用光刻胶作掩膜；通过ICP刻蚀技术将光刻胶图形转移到厚聚酰亚胺薄膜上，形成平凸透镜8和光学缓冲层7，所述平凸透镜8和光学缓冲层7采用聚酰亚胺（国产ZKPI530 型，也可采用光刻胶、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、硫化锌或二氧化钛）材料。这一过程在批量生产时，可采用低成本的纳米压印技术实现（即利用一定的压力，直接将模具上的图形压制到聚合物上，可一次成型）。

Claims

1.一种超薄晶硅电池结构，其特征是：包括平凸透镜、上表面介质反射镜、正面设有阶梯状刻蚀槽的P型晶硅片和下表面介质反射镜，所述上、下表面介质反射镜分别设在P型晶硅片正面和背面，并构成准三维微腔陷光结构，在上表面介质反射镜上对应刻蚀槽中心位置设有采光孔，所述平凸透镜设在与刻蚀槽对应的上表面介质反射镜表面且在平凸透镜和上表面介质反射镜之间设有起光程调整和聚焦作用的光学缓冲层，沿P型晶硅片的刻蚀槽内壁设有N型掺杂区域形成PN结，并在刻蚀槽内填充介质，在晶硅片背面设有P-+型掺杂区域，在晶硅片正面刻蚀槽周围的N-型掺杂区域设有N+掺杂区域，在N+型掺杂区域上位于准三维微腔周围经上表面介质反射镜引出选择性发射极，在P-+型掺杂区域上经由下表面介质反射镜引出背场电极。