CN103165697A - 一种选择性掺杂异质结太阳能电池 - Google Patents

一种选择性掺杂异质结太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种选择性掺杂异质结太阳能电池，包括P型晶硅层、N型晶硅层、顶电极、底电极，N型晶硅层的上表面依次淀积有非晶硅层、氮化硅抗反射层，非晶硅层内含有从N型晶硅层扩散入的磷元素，非晶硅层与N型晶硅层之间形成同型异质结，非晶硅层具有容顶电极穿过的槽，氮化硅抗反射层嵌入槽内，非晶硅层与顶电极之间通过所述氮化硅抗反射层绝缘，N型晶硅层的顶电极区为重掺杂区。本结构电池的非晶硅薄膜与电池上表面的结合更紧密，提高了异质结的质量，同时选择性掺杂顶电极区的存在可以进一步减小电池的串联电阻，提高电池的性能。电池中的异质结和选择性顶电极区同步形成，减少了电池的制备工艺步骤，电池中杂质浓度的分布更均匀。

Description

一种选择性掺杂异质结太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种选择性掺杂异质结太阳能电池，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
太阳能电池是一种光电能量转换器件，可以将光能转变为电能并且在转换过程中没有任何的污染物的排放，是最重要的清洁能源之一。随着人们环保意识的提高，地球上石油能源的日益衰竭，对于清洁能源的需求越来越旺盛。相比于其它清洁能源，利用半导体的光伏特性进行太阳能的能量转换，具有不受地域限制的优点，地球上有阳光的地方，就能利用太阳能电池转换太阳的直接能量和漫射能量。
目前，太阳能电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池和薄膜电池，其中单晶硅电池的量产转换效率最高，可以达到18-19%。但是，太阳能电池的转换效率还不能满足人们对于太阳能电池转换效率的需求。因此，人们在电池上进行了相应的结构设计来进一步提高电池的转换效率。其中，HIT电池、选择性掺杂电池、同型异质结电池等都可以有效的提高电池的转换效率。HIT电池利用异质结的“窗口效应”可以将太阳能电池的转换效率提高到19-20%，但是，由于非晶硅薄膜中的缺陷密度高，电池制备要求高，成本较高；选择性掺杂电池可以降低电池的串联电阻，提高电池的短波响应，来提高电池的转换效率，但工艺步骤较为复杂，且对转换效率的提高有限。同型异质结电池在普通PN结电池上淀积一层非晶硅薄膜，形成同型异质结，可在电池表面形成低阻层，从而降低电池的串联电阻，提高电池的光生电流。但该结构电池的顶电极引出困难，易使得异质结短路，不易形成异质结低阻层。在制备过程中无法保证非晶硅薄膜与电池的良好接触，不易形成有效的异质结结构。因此，需要对以上的电池结构进行改进，通过新型工艺方法克服以上困难实现太阳能电池性能的提高。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种同时具有异质结和选择性掺杂顶电极区的选择性掺杂异质结太阳能电池，该电池的工艺实现简单，生产成本低，获得的太阳能电池性能良好。
为了达到上述目的，本发明提出的选择性掺杂异质结太阳能电池，包括P型晶硅层、N型晶硅层、顶电极、底电极，其特征在于：所述N型晶硅层的上表面依次淀积有非晶硅层、氮化硅抗反射层，所述非晶硅层内含有从所述N型晶硅层扩散入的磷元素，非晶硅层与N型晶硅层之间形成同型异质结，所述非晶硅层具有容顶电极穿过的槽，所述氮化硅抗反射层嵌入所述槽内，非晶硅层与顶电极之间通过所述氮化硅抗反射层绝缘，所述N型晶硅层的顶电极区为重掺杂区。
本发明选择性掺杂异质结太阳能电池，进一步的改进在于：
1、底电极位于P型晶硅层的下表面，所述顶电极与位于N型晶硅层的上表面。
2、同型异质结和顶电极重掺杂区通过逆向扩散工艺一步制得，所述逆向扩散工艺步骤包括：在具有PN结的硅片上表面淀积本征非晶硅层，并在干氧环境下高温扩散，使硅片上表面顶电极区以外区域的磷元素被扩散入非晶硅层，形成同型异质结，同时顶电极区进行了二次磷掺杂，完成顶电极区重掺杂。
此外，本发明还提供了一种同型异质结太阳能电池的制造工艺，其特征是包括如下步骤：
第1步、使用磁控溅射的方法在制绒后的P型晶硅上表面淀积一层厚度约为0.05微米的含有磷元素的二氧化硅薄膜；
第2步、将淀积后的硅片进行高温扩散，使二氧化硅薄膜中的磷元素扩散入硅片，形成PN结；
第3步、除去硅片上表面顶电极区以外的二氧化硅薄膜；
第4步、在硅片上表面淀积本征非晶硅层；
第5步、将硅片置于干氧环境中进行高温扩散，使硅片表面非顶电极区的磷元素被扩散入非晶硅层，使非晶硅层与N型晶硅层之间形成同型异质结，顶电极区二氧化硅薄膜中的磷元素进一步向顶电极区扩散，完成顶电极区二次磷掺杂，同时非晶硅层表面被氧化；
第6步、去除非晶硅层表面的氧化物和顶电极区的二氧化硅薄膜；
第7步、硅片上表面淀积氮化硅抗反射薄膜；
第8步、制备顶电极及背电极。
本发明同型异质结太阳能电池的制造工艺进一步改进在于：
1、第1步中，二氧化硅薄膜中的磷元素的浓度为1e19/cm3。
2、第2步中，高温扩散的温度为900℃，高温扩散的时间为5分钟。
3、所述第3步中，采用丝网印刷的方法保留顶电极区域的二氧化硅，将硅片上其它区域的二氧化硅利用氢氟酸缓冲液去除掉。
4、第4步中，淀积的本征非晶硅层厚度约为40-50nm。
5、第5步中，干氧环境下的高温扩散工艺温度为900℃-1100℃，持续时间为30-2分钟。
6、第6步中，采用氢氟酸缓冲液去除非晶硅层表面的氧化层和顶电极区的二氧化硅薄膜。
本发明提出了一种具备异质结和选择性掺杂电极的太阳能电池结构及其工艺制备方法。通过淀积非晶硅薄膜吸收非顶电极区的杂质，使非顶电极区的掺杂浓度降低，形成同型异质结，同时顶电极区进行了二次掺杂，导致顶电极区与非顶电极区的掺杂浓度差进一步增大，提高了选择性掺杂的效果；并且逆向扩散工艺在干氧环境下进行，仅对非晶硅表层进行氧化，形成二氧化硅薄膜有利于去除非晶硅薄膜表面的杂质。与HIT电池相比该电池结构更简单易行；与选择性掺杂电池相比异质结的存在可以进一步提高光生电流的强度，提高电池的效率；与同型异质结电池相比，杂质逆向扩散过程使得非晶硅薄膜与电池上表面的结合更紧密，提高了异质结的质量，同时选择性掺杂顶电极区的存在可以进一步减小电池的串联电阻，提高电池的性能。由于电池中的异质结和选择性顶电极区同步形成，减少了电池的制备工艺步骤，电池中杂质浓度的分布更均匀。该结构电池的制备工艺与现有的太阳能电池制备工艺相兼容，实用性更强。
本发明该工艺方法的特点在于：
1、不同于传统的选择性掺杂工艺，采用的是先全片重掺杂，后逆向扩散出受光面杂质，降低受光面的杂质掺杂浓度的方法。
2、应用本征非晶硅薄膜吸收电池表面已掺杂区域的杂质，使得电池表面不会被其他不同元素污染。
3、保留顶电极区的磷硅玻璃作为高温杂质逆向扩散工艺的顶电极杂质保护层，保证了顶电极区的重掺杂。
4、在杂质逆向扩散过程中采用干氧环境，应用氢氟酸缓冲液去除氧化层，保留非晶硅层作为异质结。
5、太阳能电池的顶电极与非晶硅层利用氮化硅进行严格电学隔离，避免了非晶硅/晶硅异质结的短路。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明选择性掺杂异质结太阳能电池结构示意图。
图2是本发明选择性掺杂异质结太阳能电池的仿真图。
图3是本发明具有同型异质结选择性掺杂结构电池与普通选择性掺杂太阳能电池的光谱响应比较曲线图。
图4是本发明选择性掺杂异质结太阳能电池的制造工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
产品实施例
如图1所示为本发明选择性掺杂异质结太阳能电池结构示意图，包括：P型晶硅层6、N型晶硅层7、顶电极4、底电极5，底电极5位于P型晶硅层6的下表面，顶电极4与位于N型晶硅层7的上表面；N型晶硅层7的上表面依次淀积有非晶硅层2、氮化硅抗反射层3，非晶硅层2内含有从所述N型晶硅层7逆向扩散入的磷元素，非晶硅层2与N型晶硅层7之间形成同型异质结，非晶硅层2具有容顶电极4穿过的槽8，氮化硅抗反射层3嵌入槽8内，非晶硅层2与顶电极4之间通过所述氮化硅抗反射层3绝缘，N型晶硅层7的顶电极区C为重掺杂区。
同型异质结和顶电极重掺杂区通过逆向扩散工艺一步制得，所述逆向扩散工艺步骤包括：在具有PN结的硅片上表面淀积本征非晶硅层，并在干氧环境下高温扩散，使硅片上表面顶电极区以外区域的磷元素被逆向扩散入非晶硅层，形成同型异质结，同时顶电极区进行了二次磷掺杂，完成顶电极区重掺杂。
如图2所示，为本实施例选择性掺杂异质结太阳能电池的仿真图。从图2中可以看出去除氧化层后，非晶硅薄膜被保留下来，同时，在顶电极区域形成了重掺杂的选择性顶电极区。选择性掺杂区域(顶电极区)的杂质浓度达到了1e18.8/cm3，而单晶与非晶硅界面处的杂质浓度为1e18.1/cm3，浓度差达到近一个数量级，很好的实现了选择性掺杂；并且电池的顶电极与非晶硅层之间被氮化硅层严格电学隔离，很好的保证了同型异质结的电学绝缘。
如图3所示，为本发明具有同型异质结选择性掺杂结构电池与普通选择性掺杂太阳能电池的光谱响应比较曲线图，图中深色曲线为本发明电池光谱响应曲线，浅色曲线为普通选择性掺杂电池的光谱响应比较曲线。从图3中可以看出，同型异质结选择性掺杂电池的光谱响应优于普通电池，其长波响应更佳，这是因为异质结的窗口效应导致晶硅电池对光的吸收增加。由于同型异质结和选择性掺杂顶电极区是同步形成的，未增加电池的生产步骤，因此基于逆向扩散工艺的同型异质结选择性掺杂太阳能电池生产工艺是一种高效低成本生产工艺。下面对本发明工艺实施例进行说明。
工艺实施例一
如图4所示，为本发明实施例同型异质结太阳能电池的制造工艺流程示意图，具体包括如下步骤：
1a、使用磁控溅射的方法在制绒后的P型晶硅上表面淀积一层厚度约为0.05微米的含有磷元素的二氧化硅薄膜1，二氧化硅薄膜1中的磷元素的浓度为1e19/cm3；
2a、将淀积后的硅片进行高温扩散，使二氧化硅薄膜中的磷元素扩散入硅片，形成PN结，高温扩散的温度为900℃，高温扩散的时间为5分钟；
3a、除去硅片上表面顶电极区以外的二氧化硅薄膜，本步中，采用丝网印刷的方法保留顶电极区域的二氧化硅，将硅片上其它区域的二氧化硅利用氢氟酸缓冲液去除掉；
4a、在硅片上表面淀积本征非晶硅层2，淀积的本征非晶硅层厚度约为40-50nm；
5a、将硅片置于干氧环境中进行高温扩散，使硅片表面非顶电极区的磷元素被逆向扩散入非晶硅层2，，使非晶硅层与N型晶硅层之间形成同型异质结，顶电极区二氧化硅薄膜1中的磷元素进一步向顶电极区C扩散，完成顶电极区二次磷掺杂，顶电极区C形成重掺杂，同时非晶硅层2的表面被氧化；本实施例步骤5a（第五步）为逆向扩散工艺步骤，其干氧环境下的高温扩散工艺温度为900℃，持续时间范围为30分钟
6a、采用氢氟酸缓冲液去除非晶硅层2表面的氧化层和顶电极区的二氧化硅薄膜1；
7a、硅片上表面淀积氮化硅抗反射薄膜3；
8a、制备顶电极4及背电极5。
工艺实施例二
本实施例的步骤与工艺实施例一相同，区别在于步骤5a（第五步）中干氧环境下高温扩散的工艺参数，本实施例中，高温扩散的工艺温度为1000℃，持续时间为5分钟。
工艺实施例三
本实施例的步骤与工艺实施例一相同，区别在于步骤5a（第五步）中干氧环境下高温扩散的工艺参数，本实施例中，高温扩散的工艺温度为1100℃，持续时间为2分钟。
对上述三个实施例进行仿真后，经比较发现，随着步骤5a（第五步）中扩散温度的升高，电池的PN结在不断的加深。电池的表面的杂质浓度先增加后减小，但顶电极区的杂质浓度随着温度的增加而逐步增加。顶电极区的重掺杂杂质主要向电池体内进行扩散，横向扩散较小，这与在电池表面淀积本征非晶硅层有关，过多的横向扩散杂质被非晶硅层吸收。这说明应用非晶硅层作为电池的逆扩散层，可以起到限制重掺杂区杂质横向扩散作用。轻掺杂区域的杂质浓度比较接近，较低的扩散温度可以有效地形成浅结，提高电池短波光谱响应。
本发明实施例部分以P型晶硅为例对本发明工艺进行了详细说明，利用对N型晶硅制造本发明同型异质结太阳能电池的工艺及条件与之类似，区别仅在于掺杂元素由磷换成了硼，本领域技术人员完全可以通过了解本实施例部分，举一反三来制造出P型衬底的并联双结晶硅太阳能电池。因此本文不再赘述。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1. 一种选择性掺杂异质结太阳能电池，包括P型晶硅层、N型晶硅层、顶电极、底电极，其特征在于：所述N型晶硅层的上表面依次淀积有非晶硅层、氮化硅抗反射层，所述非晶硅层内含有从所述N型晶硅层扩散入的磷元素，非晶硅层与N型晶硅层之间形成同型异质结，所述非晶硅层具有容顶电极穿过的槽，所述氮化硅抗反射层嵌入所述槽内，非晶硅层与顶电极之间通过所述氮化硅抗反射层绝缘，所述N型晶硅层的顶电极区为重掺杂区。
2. 根据权利要求1所述的选择性掺杂异质结太阳能电池，其特征在于：底电极位于P型晶硅层的下表面，所述顶电极与位于N型晶硅层的上表面。
3. 根据权利要求1所述的选择性掺杂异质结太阳能电池，其特征在于：所述同型异质结和顶电极重掺杂区通过逆向扩散工艺一步制得，所述逆向扩散工艺步骤包括：在具有PN结的硅片上表面淀积本征非晶硅层，并在干氧环境下高温扩散，使硅片上表面顶电极区以外区域的磷元素被扩散入非晶硅层，形成同型异质结，同时顶电极区进行了二次磷掺杂，完成顶电极区重掺杂。
4. 同型异质结太阳能电池的制造工艺，其特征是包括如下步骤：
第1步、使用磁控溅射的方法在制绒后的P型晶硅上表面淀积一层厚度约为0.05微米的含有磷元素的二氧化硅薄膜；
第2步、将淀积后的硅片进行高温扩散，使二氧化硅薄膜中的磷元素扩散入硅片，形成PN结；
第3步、除去硅片上表面顶电极区以外的二氧化硅薄膜；
第4步、在硅片上表面淀积本征非晶硅层；
第5步、将硅片置于干氧环境中进行高温扩散，使硅片表面非顶电极区的磷元素被扩散入非晶硅层，使非晶硅层与N型晶硅层之间形成同型异质结，顶电极区二氧化硅薄膜中的磷元素进一步向顶电极区扩散，完成顶电极区二次磷掺杂，同时非晶硅层表面被氧化；
第6步、去除非晶硅层表面的氧化物和顶电极区的二氧化硅薄膜；
第7步、硅片上表面淀积氮化硅抗反射薄膜；
第8步、制备顶电极及背电极。
5. 根据权利要求4所述的选择性掺杂异质结太阳能电池的制造工艺，其特征在于：第1步中，二氧化硅薄膜中的磷元素的浓度为1e19/cm3。
6. 根据权利要求4所述的选择性掺杂异质结太阳能电池的制造工艺，其特征在于：第2步中，高温扩散的温度为900℃，高温扩散的时间为5分钟。
7. 根据权利要求4所述的选择性掺杂异质结太阳能电池的制造工艺，其特征在于：所述第3步中，采用丝网印刷的方法保留顶电极区域的二氧化硅，将硅片上其它区域的二氧化硅利用氢氟酸缓冲液去除掉。
8. 根据权利要求4所述的选择性掺杂异质结太阳能电池的制造工艺，其特征在于：第4步中，淀积的本征非晶硅层厚度约为40-50nm。
9. 根据权利要求4所述的选择性掺杂异质结太阳能电池的制造工艺，其特征在于：第5步中，干氧环境下的高温扩散工艺温度为900℃-1100℃，持续时间为30-2分钟。
10. 根据权利要求4所述的选择性掺杂异质结太阳能电池的制造工艺，其特征在于：所述第6步中, 采用氢氟酸缓冲液去除非晶硅层表面的氧化层和顶电极区的二氧化硅薄膜。
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