CN103137765B - 一种铝诱导晶化多晶硅薄膜太阳能电池及制备方法 - Google Patents

一种铝诱导晶化多晶硅薄膜太阳能电池及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种铝诱导晶化多晶硅薄膜太阳能电池及制备方法，属于晶硅薄膜太阳能电池领域。其结构依次包括：玻璃衬底、金属铝背反射层、P+型背表面场层、P型吸收层、N+型发射层，在P+型背表面场层和N+型发射层上均有金属电极。采用铝诱导晶化工艺，在玻璃衬底上依次沉积非晶硅薄膜和铝薄膜，厚度范围分别为100-150nm之间和100-120nm之间，经过450-500℃退火处理1-5小时，硅层和铝层位置会发生互换，同时非晶硅转变成晶粒尺寸为5-10μm的多晶硅，继续制备太阳能电池的P型吸收层、N+型发射层结构和金属电极。本发明理论上可以降低原先电池50%的厚度，大幅节约原料成本。

Description

一种铝诱导晶化多晶硅薄膜太阳能电池及制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝诱导晶化多晶硅薄膜电池结构及制备方法，属于晶硅薄膜太阳能电池领域。
背景技术
当今传统化石能源日益枯竭，太阳能发电作为一种环境友好的清洁型能源技术，势必成为今后重点发展的方向。硅材料具有合适的禁带宽度、较高的光电转化效率、环境友好且成本低的原料、便于产业化等特点，因此硅基太阳能电池是目前应用最为广泛的一类太阳能电池技术。硅基太阳能电池主要包括晶体硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池，他们分别有各自的优缺点。晶体硅电池具有较高的光电转换效率和良好的稳定性，但是由于晶硅价格和繁琐的电池工艺导致电池价格居高不下，且很难大幅降低成本。非晶硅薄膜电池的原料成本相对低廉，容易实现大规模和自动化生产，但其存在光致衰退效应，电池性能不稳定，且效率低于晶体硅电池。多晶硅薄膜电池结合了晶体硅电池和薄膜电池工艺的特点，在玻璃衬底上完成多晶硅材料的制备，既克服了晶体硅电池成本高、工艺复杂的缺点，又解决了非晶硅薄膜电池稳定性差的问题。
直接在异质衬底（例如玻璃）上生长多晶硅薄膜效率很低，因此多晶硅薄膜电池通常选择在籽晶层上外延或者间接晶化非晶硅膜的工艺。前一种工艺首先要获得晶化率高的籽晶层，后续再进行外延。但外延温度高于玻璃软化温度，故不能在玻璃衬底上完成。后一种方法是首先沉积在玻璃上生长非晶的电池结构，后续再进行晶化处理。晶化处理方式有固相晶化和激光晶化两种。固相晶化过程需要10-100小时，效率较低；激光晶化受激光穿透深度影响，不能晶化厚度较厚的硅薄膜。然而多晶硅是间接带隙半导体，如何在不增加硅薄膜厚度的同时，提高吸收层对光子吸收效率，是目前存在的难题。虽然可以在玻璃衬底上制备多晶硅薄膜电池，但是生产效率和电池效率都要低于晶体硅电池和非晶硅薄膜电池。
发明内容
本发明目的在于提出一种通过铝诱导晶化，同时获得背反射层和背表面场层的多晶硅薄膜电池结构及其制备方法，以提升电池效率，且新工艺与现有薄膜工艺融合性好。
本发明中的一种铝诱导晶化多晶硅薄膜电池，其结构依次包括：玻璃衬底、金属铝背反射层、P+型背表面场层、P型吸收层、N+型发射层，在P+型背表面场层和N+型发射层上均有金属电极。进一步铝背反射层为绒面结构，P+型背表面场层为多晶硅薄膜层，P型吸收层为P型多晶硅吸收层，N+型发射层为N+型非晶硅发射层或N+型多晶硅发射层，若是为N+型非晶硅发射层则在P型吸收层和N+型发射层之间还有一本征非晶硅发射层i。
上述一种铝诱导晶化多晶硅薄膜电池的制备方法，其特征在于，采用铝诱导晶化工艺，具体包括以下步骤：
（1）首先在玻璃衬底上依次沉积非晶硅薄膜和铝薄膜，厚度范围分别为100-150nm之间和100-120nm之间，经过450-500℃退火处理1-5小时，硅层和铝层位置会发生互换，同时非晶硅转变成晶粒尺寸为5-10μm的多晶硅。通过实验结果证明，在该厚度的范围内，可以在底层获得绒面结构的铝背反射层，在顶层获得连续的P+背表面场层，最优厚度组合为非晶硅薄膜120nm，铝薄膜100nm。薄膜制备可以采用蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积等多种制备方式中的一种或两种组合。
（2）在上述制备的P+多晶硅薄膜表面继续制备太阳能电池的P型吸收层和N+型发射层结构，两种方案如下：
（a）沉积P型非晶硅吸收层和和N+型非晶硅发射层，经过后续晶化工艺，得到P型多晶硅吸收层和N+型多晶硅发射层，最终形成具有铝背反射层的P+/P/N+型同质结多晶硅薄膜太阳能电池。晶化工艺可以采用固相晶化或者激光晶化等晶化方式。
或（b）沉积P型非晶硅吸收层，经过后续晶化工艺，得到P型多晶硅吸收层，形成具有铝背反射层的P+/P型多晶硅薄膜结构。晶化工艺可以采用固相晶化或者激光晶化等晶化方式。在P型多晶硅吸收层上继续沉积i/N+型的非晶硅发射层薄膜，最终形成具有铝背反射层的P+/P/i/N+型异质结多晶硅薄膜太阳能电池。薄膜制备可以采用蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积等做种制备方式。
（3）随后在电池表面溅射金属电极。
优选步骤（2）P型吸收层厚度1.5-2μm和的N+型发射层的厚度15-30nm，本征非晶硅层为15-30nm。
有益效果：本发明提出了一种有效降低吸收层厚度的电池结构和制备方法，增强了电池对光子的吸收。理论上可以降低原先电池50%的厚度，大幅节约原料成本。另外，新型电池结构中采用到的制备方法都是目前实际生产中常用到的退火和镀膜设备，能与现有的生产工艺结合，在工业生产上的应用前景良好。
附图说明
附图为本发明的结构示意图，下面将将结合附图及具体实施例进一步说明本发明。
图1为铝诱导晶化工艺退火前结构示意图；
附图标记：1.衬底，2.退火前非晶硅薄膜，3.退火前铝薄膜；
图2为铝诱导晶化工艺退火后结构示意图
附图标记：1.衬底，4.退火后铝薄膜，5.退火后多晶硅薄膜
图3为实施例1制备同质结多晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图；
附图标记：1.衬底，4.铝背反射层，5.P+型背表面场层，6.电极，7.P型多晶硅吸收层，8.N+型多晶硅发射层；
图4为实施例2制备异质结多晶硅薄膜太阳能电池的结构示意图
附图标记：1.衬底，4.铝背反射层，5.P+型背表面场层，6.电极，7.P型多晶硅吸收层，9.本征非晶硅发射层，10.N+型非晶硅发射层。
具体实施方式：
本发明提供了一种铝诱导晶化多晶硅薄膜电池结构及其制备方法，多晶硅薄膜电池依次结构为：玻璃衬底、金属铝背反层、P+型背表面场层、P型吸收层、N+型发射层、金属电极，其特征在于，金属铝背反层和P+背表面场层是通过铝诱导晶化工艺同时制备的。在P+背表面场层上采用薄膜工艺和晶化工艺，先后制备吸收层和发射层，根据发射层工艺的不同，可以选择性的得到同质结电池或异质结电池。
下面通过实施例对本发明做进一步说明，本使用新型绝非局限于所陈述的实施例：
实施例1
（1）如图1所示，选择150×150×3mm的超白浮法玻璃一片作为多晶硅薄膜电池的衬底1，采用PECVD生长非晶硅薄膜2。PECVD工艺条件：背底真空高于10-7Torr，衬底温度为150-180°C，压强为0.36-0.5Torr，射频功率2.5-20W，频率为13.56MHz，气体SiH4流量为4-10sccm,非晶硅薄膜2的厚度为100-150nm。
（2）随后用磁控溅射沉积铝薄膜3。溅射工艺条件：背底真空高于10-7Torr，衬底温度为室温，压强为0.005-0.01Torr，射频功率100-200W，频率为13.56MHz，气体Ar流量为10-20sccm,铝薄膜3的厚度为100-120nm。
（3）将双层薄膜在真空退火炉内进行退火，经过450-500°C退火1-5小时，获得了如图2所示的层交换后的铝薄膜4和多晶硅薄膜5。
（4）在经过退火的薄膜表面继续依次沉积1.5-2μm的P型非晶硅薄膜和15-30nm的N+型非晶硅薄膜，经过550°C真空退火12h，获得图3所示中的P型多晶硅吸收层7和N+型多晶硅发射层8，随后在电池表面溅射银电极6，形成P+/P/N+型同质结多晶硅薄膜电池。
实施例2
（1）如图1所示，选择150×150×3mm的超白浮法玻璃一片作为多晶硅薄膜电池的衬底1，采用PECVD生长非晶硅薄膜2。PECVD工艺条件：背底真空高于10-7Torr，衬底温度为150-180°C，压强为0.36-0.5Torr，射频功率2.5-20W，频率为13.56MHz，气体SiH4流量为4-10sccm,非晶硅薄膜2的厚度为100-150nm。
（2）随后用磁控溅射沉积铝薄膜3。溅射工艺条件：背底真空高于10-7Torr，衬底温度为室温，压强为0.005-0.01Torr，射频功率100-200W，频率为13.56MHz，气体Ar流量为10-20sccm,铝薄膜3的厚度为100-120nm。
（3）对获得的双层薄膜在真空退火炉内进行退火，经过450-500°C退火1-5小时，获得了如图2所示的层交换后的铝薄膜4和多晶硅薄膜5。
（4）在经过退火的薄膜表面继续沉积1.5-2μm的P型非晶硅薄膜，经过550°C真空退火12h，获得图4所示中的P型多晶硅吸收层7，随后采用PECVD在吸收层表面沉积的本征非晶硅发射层9和的N+型非晶硅发射层10，本征非晶硅层和N+型非晶硅层的厚度均为10-20nm。在电池表面溅射银电极6，形成P+/P/i/N+型异质结多晶硅薄膜电池。

Claims (5)

1.一种铝诱导晶化多晶硅薄膜电池的制备方法，其特征在于，其结构依次包括：玻璃衬底、金属铝背反射层、P+型背表面场层、P型吸收层、N+型发射层，在P+型背表面场层和N+型发射层上均有金属电极；
铝背反射层为绒面结构，P+型背表面场层为多晶硅薄膜层，P型吸收层为P型多晶硅吸收层，N+型发射层为N+型非晶硅发射层或N+型多晶硅发射层，若是为N+型非晶硅发射层则在P型吸收层和N+型发射层之间还有一本征非晶硅发射层i；
其制备方法，采用铝诱导晶化工艺，具体包括以下步骤：
(1)首先在玻璃衬底上依次沉积非晶硅薄膜和铝薄膜，厚度范围分别为100-150nm之间和100-120nm之间，经过450-500℃退火处理1-5小时，硅层和铝层位置会发生互换，同时非晶硅转变成晶粒尺寸为5-10μm的多晶硅，得到P+多晶硅薄膜；
(2)在上述制备的P+多晶硅薄膜表面继续制备太阳能电池的P型吸收层和N+型发射层结构，两种方案如下：
(a)沉积P型非晶硅吸收层和N+型非晶硅发射层，经过后续晶化工艺，得到P型多晶硅吸收层和N+型多晶硅发射层，最终形成具有铝背反射层的P+/P/N+型同质结多晶硅薄膜太阳能电池；
或(b)沉积P型非晶硅吸收层，经过后续晶化工艺，得到P型多晶硅吸收层，形成具有铝背反射层的P+/P型多晶硅薄膜结构；在P型多晶硅吸收层上继续沉积i/N+型的非晶硅发射层薄膜，最终形成具有铝背反射层的P+/P/i/N+型异质结多晶硅薄膜太阳能电池；
(3)随后在电池表面溅射金属电极；
步骤(2)P型吸收层厚度1.5-2μm和的N+型发射层的厚度15-30nm，i型非晶硅层为15-30nm。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(1)中非晶硅薄膜为120nm，铝薄膜为100nm。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(1)中薄膜制备采用蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积多种制备方式中的一种或两种组合。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，晶化工艺采用固相晶化或者激光晶化的晶化方式。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(2)薄膜制备采用蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积的一种或几种制备方式。
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