CN102751371B - 一种太阳能薄膜电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能薄膜电池的结构及其制造方法，本发明的太阳能薄膜电池采用晶体硅片作为衬底，正面经退火处理后形成a-Si:H钝化层，再覆盖非晶硅薄膜层，可以修复和钝化正面由于RIE制绒后产生的缺陷以及晶体硅体内和表面固有的缺陷，并且在正面能形成良好的p-i-n结构，采用TCO覆盖表面可以很好的收集光生电流；背面用Al₂O₃钝化并覆盖SixNy层和背铝层，以保护Al₂O₃层在烧结时不被破坏，可以良好的钝化背面缺陷，如此结构烧结时候也不容易弯曲，可以减薄硅片的厚度，大大节约了电池的成本。

Description

一种太阳能薄膜电池及其制造方法

技术领域

本发明涉及太阳能薄膜电池技术领域，尤其涉及一种太阳能薄膜电池及其制造方法。

背景技术

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。因此这些年太阳能得到了飞速的发展。晶硅太阳能电池因较低的生产成本，稳定的输出功率及较长的使用寿命（20年~40年）成为最常用并且大规模生产的太阳能电池。

单晶硅太阳能电池转换效率较高，技术相对成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%（2006年新南威尔士大学PERL电池），规模生产时的效率为18%（截止2011年）。但在大规模应用和工业生产中，单晶硅材料由于生产过程中高耗能制和高成本，已经逐渐被多晶硅材料所取代。多晶硅太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，效率稍低于单晶硅太阳电池，其实验室最高转换效率为21.7%（2010年霍兰霍夫研究所PERC电池），工业规模生产的转换效率为17%（截止2011）。另外一方面，非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率偏低（光至衰减后10%），有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

自从1994年三洋公司推出本征薄膜异质结HIT（Heterojunction withIntrinsic Thin-layer）太阳能电池后，这种以晶体硅作为衬底，在非晶硅薄膜发射区与晶体硅衬底之间加入非晶硅薄膜本征层形成P-I-N异质节太阳能电池得到了长足的发展。

活性离子蚀刻制绒（RIE）是一种应用于晶体硅电池较前沿的表面织构技术，但是目前的生产工艺中普通的晶体硅作为基体RIE制绒后，表面损伤严重，用普通扩散方法很难形成良好的P-N结，导致开路电压比较低；传统等离子体增强化学气相沉积法PECVD生长减反射膜SixNy:H钝化效果不佳，而且电流导出损失较大；电池背面只用背铝钝化，钝化效果不好，在烧结过程中硅片过薄会容易弯曲。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能电池及其制造方法，以解决RIE制绒后表面损伤严重的问题，在太阳能电池背面采用氧化铝和氮化硅层钝化，提高钝化效果，并避免烧结时的弯曲现象。

一种太阳能薄膜电池，包括衬底，位于有光线入射的衬底的前表面的本征层，位于本征层上的掺杂层，以及覆盖在掺杂层上的防反射导电薄膜层，位于与所述衬底的所述前表面相对且没有光线入射的后表面上的钝化层，位于钝化层上的氮化硅薄膜层，位于氮化硅薄膜层外并通过氮化硅薄膜层与钝化层深入到衬底的背铝层，以及连接到掺杂层的多个前电极和位于背铝层上的后电极。

所述衬底是由第一导电类型硅形成的半导体衬底，所述第一导电类型硅是单晶硅或准单晶或多晶硅，与其对应的，所述掺杂层为与第一导电类型相反的第二导电类型非晶硅薄膜。

进一步地，所述衬底为前表面经过RIE制绒后再经过退火处理的P型晶体硅片，所述的掺杂层为N型厚度为200～400nm的非晶硅薄膜。通过退火处理可以去除RIE制绒后表层细小针状结构以及修复次表层的晶格损伤，并且在正面能形成良好的p-i-n结构。

进一步地，所述本征层为氢化非晶硅薄膜，其厚度为1～10nm。

所述钝化层为厚度为200～400nm的氧化铝Al₂O₃，所述氮化硅薄膜层厚度为10～30nm。背面用Al₂O₃钝化可以钝化晶体硅内部缺陷，增加少子寿命，提高电池开路电压和短路电流的作用，并覆盖SixNy层和背铝层，进一步加强钝化效果，同时能保护Al₂O₃层在烧结时不被破坏，可以良好的钝化背面缺陷，如此结构烧结时候也不容易弯曲，可以减薄硅片的厚度，大大节约了电池的成本。

本发明还提供了一种太阳能薄膜电池的制造方法，包括步骤：

采用晶体硅片作为衬底，RIE制绒，对RIE制绒后的晶体硅片进行退火处理；

在退火处理后的硅片上形成氢化非晶硅薄膜的本征层，在所述本征层上再覆盖掺杂层，形成p-i-n结；

在所述衬底的晶体硅片背面形成氧化铝钝化层，在所述氧化铝钝化层上形成氮化硅薄膜层，在所述氮化硅薄膜层上形成局部穿过氧化铝和氮化硅层的背铝层。

所述对RIE制绒后的晶体硅片进行退火处理是指在热处理设备内同时以0.5~5L/min的速度分别通入含氧原子的物质和含氮原子物质进行退火处理，包括步骤：

A、在0.5~1小时内匀速或者变速升温到700~900℃，保持0~3个小时；

B、在0.5~1小时内匀速或者变速缓慢冷却到350~600℃，保持1~2小时；

C、在0.5~1小时内匀速或者变速快速冷却到150~250℃。

进一步地，所述退火处理还包括步骤：

重复步骤A、步骤B到步骤C至少一次，最后用3%~10%的HF溶液去除表面的氧化物。

进一步地，所述含氧原子的物质为氧气O₂或水H₂O，所述含氮原子物质为氮气N₂。

进一步地，所述的太阳能薄膜电池的制造方法还包括步骤：

在掺杂层上使用TCO将正面覆盖，电镀或者丝网印刷前面电极；

丝网印刷或者其他方法形成背面电极。

其中，所述热处理设备是管式退火炉或链式退火炉，本发明用氧化以及退火方法去除RIE制绒后表层细小针状结构以及修复次表层的晶格损伤，并且在正面能形成良好的p-i-n结构。

本发明的太阳能薄膜电池正面经退火处理后形成a-Si:H钝化层，可以修复和钝化正面由于RIE制绒后产生的缺陷以及晶体硅体内和表面固有的缺陷，并且在正面能形成良好的p-i-n结构，采用TCO覆盖表面可以很好的收集光生电流；背面用Al₂O₃钝化并覆盖SixNy层和背铝层，以保护Al₂O₃层在烧结时不被破坏，可以良好的钝化背面缺陷，如此结构烧结时候也不容易弯曲，可以减薄硅片的厚度，大大节约了电池的成本。

附图说明

图1为本发明太阳能电池的局部截面图；

图2为本发明太阳能电池的制造方法流程图；

图3为本发明RIE制绒后的退火时间曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

本发明太阳能薄膜电池的局部截面图如图1所示，包括衬底100，位于有光线入射的衬底100的前表面的本征层106，位于本征层106上的掺杂层105，以及覆盖在掺杂层上的防反射导电薄膜层104；位于与衬底100的所述前表面相对且没有光线入射的后表面上的钝化层107，位于钝化层107上的氮化硅薄膜层108，位于氮化硅薄膜层108外并通过氮化硅薄膜层108与钝化层107深入到衬底100的背铝层109；以及连接到发射区105的多个前电极101，位于背铝层109上的后电极102。

其中，衬底100是由第一导电类型硅形成的半导体衬底，第一导电类型硅可以是单晶硅、准单晶或多晶硅。如果衬底100是P型的，则衬底100可以包含诸如硼（B）、镓（Ga）及铟（In）的Ⅲ族元素杂质；如果衬底100是N型的，则衬底100可以包含诸如磷（P）、砷（As）及锑（Sb）的Ⅳ族元素杂质。并且衬底100的前表面经过RIE制绒处理，以便形成对应于粗燥表面的有纹理的表面，使衬底100的表面积增加，前表面的光反射减少。

掺杂层105是由与第一导电类型相反的第二导电类型杂质形成的非晶硅薄膜层。

具体地，本实施例衬底100采用P型晶体硅（单晶、准单晶、多晶），前表面经过RIE制绒后，覆盖氢化非晶硅薄膜形成本征层106，然后再覆盖N型掺杂层105形成p-i-n结，N型掺杂层105为非晶硅薄膜。

具体地，钝化层107采用氧化铝（Al₂O₃）钝化，并在其上覆盖氮化硅（SixNy）薄膜层108，能够保护氧化铝层在烧结时不被破坏，能够进一步降低背表面的复合，显著地提高晶体硅太阳能电池的开路电压。

本发明制造上述结构的太阳能薄膜电池的方法流程如图2所示，包括步骤：

步骤201、采用晶体硅片（单晶、准单晶、多晶）作为衬底，RIE制绒形成极低反射率（＜12%）的表面织构。具体地，本发明的实施例采用P型晶体硅片作为衬底。

步骤202、对RIE制绒后的晶体硅片进行退火处理。

具体地，本发明用氧化以及退火方法去除晶体硅片RIE制绒后表层细小针状结构以及修复次表层的晶格损伤，在特定的热处理设备内（比如管式退火炉、链式退火炉等等）连续或者间断的通入适量（0.5~5L/min）的O₂(或者其他含有O原子源的气体、液体、固体，如H₂O等)和N₂（0.5~5L/min）进行热处理，包括步骤：

A、在一定的时间(0.5~1小时)内匀速或者变速升温到特定的温度(700～900)，保持一定的时间（0-3小时）；；

B、在一定的时间内（0.5～1小时）匀速或者变速缓慢冷却到特定的温度（中温350~600℃），保持一定的时间（1~2小时）；

C、在0.5~1小时内匀速或者变速快速冷却到特定的温度（低温150~250℃）；

重复上述步骤A-C一次或者多次（1~3次），尽可能的修复晶格损伤，去除细小针状结构。

最后，用一定的HF溶液（3~10%）（或者其他物理、化学方法）去除表面的氧化物。

步骤203、在退火处理后的晶体硅片上形成（1~10nm）a-Si:H本征层。

步骤204、在本征层上形成（200~400nm）与衬底晶体硅片类型相反的掺杂层a-Si层。具体地，本实施例中掺杂层为N型非晶硅薄膜。

步骤205、在掺杂层a-Si层上使用TCO将正面覆盖。

步骤206、电镀或者丝网印刷前面电极。

步骤207、在衬底晶体硅片背面形成氧化铝钝化层Al₂O₃（200~400nm）。具有钝化晶体硅内部缺陷，增加少子寿命，提高电池开路电压和短路电流的作用。

步骤208、在氧化铝钝化层上形成氮化硅薄膜层（10~30nm）。氮化硅内不饱和氢键具有钝化界面悬挂键的作用，进一步加强钝化效果。

步骤209、在氮化硅薄膜层上通过激光烧蚀，在形成局部穿过氧化铝和氮化硅薄膜层的背铝层（50～100um）作为电极接触。

步骤210、丝网印刷或者其他方法形成背面电极。

本发明电池正面经退火处理后形成a-Si:H钝化层，可以修复和钝化正面由于RIE制绒后产生的缺陷以及晶体硅体内和表面固有的缺陷，并且在正面能形成良好的p-i-n结构，采用TCO覆盖表面可以很好的收集光生电流；背面用Al₂O₃钝化并覆盖SixNy层和背铝层，以保护Al₂O₃层在烧结时不被破坏，可以良好的钝化背面缺陷，如此结构烧结时候也不容易弯曲，可以减薄硅片的厚度，大大节约了电池的成本。

本发明所涉及的电池片的原始硅片可以是单晶、准单晶、多晶P型的晶体硅。由于是用RIE制绒，对于准单晶和多晶则更有优势。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种太阳能薄膜电池的制造方法，其特征在，包括步骤：

采用晶体硅片作为衬底，RIE制绒，对RIE制绒后的晶体硅片进行退火处理；

所述对RIE制绒后的晶体硅片进行退火处理是指在热处理设备内同时以0.5～5L/min的速度分别通入含氧原子的物质和含氮原子物质进行退火处理，包括步骤：

A、在0.5～1小时内匀速或者变速升温到700～900℃，保持0～3个小时；

B、在0.5～1小时内匀速或者变速缓慢冷却到350～600℃，保持1～2小时；

C、在0.5～1小时内匀速或者变速快速冷却到150～250℃；

在退火处理后的硅片上形成氢化非晶硅薄膜的本征层，在所述本征层上再覆盖掺杂层，形成p-i-n结；

在所述衬底的晶体硅片背面形成氧化铝钝化层，在所述氧化铝钝化层上形成氮化硅薄膜层，在所述氮化硅薄膜层上形成局部穿过氧化铝和氮化硅层的背铝层。

2.如权利要求1所述的太阳能薄膜电池的制造方法，其特征在于，所述退火处理还包括步骤：

重复步骤A、步骤B到步骤C至少一次，最后用3％～10％的HF溶液去除表面的氧化物。

3.如权利要求2所述的太阳能薄膜电池的制造方法，其特征在于，所述含氧原子的物质为氧气或水，所述含氮原子物质为氮气。

4.如权利要求2所述的太阳能薄膜电池的制造方法，其特征在于，所述的太阳能薄膜电池的制造方法还包括步骤：

在掺杂层上使用TCO将正面覆盖，电镀或者丝网印刷前面电极；

丝网印刷或者其他方法形成背面电极。