CN103178163A - 一种硅基埋栅薄膜太阳能电池的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种硅基埋栅薄膜太阳能电池的制作方法，包括：制备底电极；在底电极上淀积P+硅薄膜层；在P+硅薄膜层上淀积P-硅薄膜层；在P-硅薄膜层上淀积N-型硅薄膜层；在电极窗口处的N-型硅薄膜上进行N型杂质的重掺杂，在电极窗口处的N-型硅薄膜层上形成N+型硅薄膜；制备顶电极；淀积包围顶电极的N-型硅薄膜层；激光刻蚀P型硅薄膜通槽，在上述N型硅薄膜层两侧用激光刻蚀出连通所述P-硅薄膜层的通槽；对上述通槽继续进行硅薄膜淀积，形成包围N型硅薄膜的P-硅薄膜层。本发明提高了太阳能电池的受光面积，从而提高了电池的光电转换效率；且制备工艺与现有薄膜电池生产工艺兼容，可利用现有设备进行生产。

Description

一种硅基埋栅薄膜太阳能电池的制作方法

本案是中国发明专利申请CN201110219044.X ，申请日2011-08-02 ，名称“一种硅基埋栅薄膜太阳能电池”的分案申请 

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术，尤其涉及一种硅基埋栅薄膜太阳能电池的制作方法。 

背景技术

光子、电子和声子都是能量的载体。太阳能电池作为光电能量转换器件，主要是光子和电子之间相互交换能量，同时有声子参与这个交换过程。这种能量的相互作用主要发生在太阳电池材料表面数微米的范围内，这为制造薄膜太阳电池提供了物理基础。 

由于太阳光具有弥散性，为了获得数百瓦的电功率，往往需要数平方米的太阳电池器件。为了降低成本，发展大面积微米量级的薄膜太阳电池十分必要。薄膜太阳电池的基本工作原理是利用半导体材料构成的PN 结，光照在太阳能电池内产生电子- 空穴对，经过PN 结电场作用，通过电极引出形成光电流。与多晶硅及单晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池的转换效率较低，这与构成薄膜太阳能电池的材料为非晶硅材料有关。非晶硅材料中的缺陷密度大，导致光生载流子在薄膜中的复合率高，从而降低了电池的转换效率。但是，由于薄膜太阳能电池的生产成本低，可以淀积在各种类型的衬底甚至可用柔性衬底，薄膜太阳能电池具有了性价比高的特点，成为了继晶体硅太阳能电池后的第二代太阳能电池。 

现在人们生产的主流薄膜太阳能电池的结构如图1 所示，从上而下分别为：透明顶电极1、底电极4、P 型非晶硅2 和N 型非晶硅3 及绝缘衬底5 组成。P 型非晶硅2 和N 型非晶硅3 叠合连接，在叠合处构成一个PN 结，顶电极1 和底电极4 分别置于P 型非晶硅2上端面和N 型非晶硅3 下端面，最终形成一单结非晶硅薄膜太阳能电池。目前主流工业化薄膜太阳能电池的转换效率大约为7%-10%，由于非晶硅薄膜材料性能提高十分困难，为了进一步提高薄膜太阳能电池的转换效率，设计新型薄膜电池结构显得十分重要。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅基埋栅薄膜太阳能电池的制作方法,由下述技术方案来实现： 

所述硅基埋栅薄膜太阳能电池，包括一顶电极、一与衬底连接的底电极、P型硅薄膜和N型硅薄膜，其中所述顶电极被N型硅薄膜所包裹，所述P型硅薄膜包裹在N 型硅薄膜的周围，在P型硅薄膜与N型硅薄膜的结合面上形成闭合环状的PN结，所述底电极与N型硅薄膜连接。

所述太阳能电池的进一步设计在于，所述P型硅薄膜和N型硅薄膜的为非晶硅或多晶硅薄膜。 

所述太阳能电池的进一步设计在于，所述顶电极和底电极为铝或银材料制成的电极，或掺氟氧化锌或氧化铟硒透明材料制成的电极。 

所述硅基埋栅薄膜太阳能电池的制作方法，包括如下步骤： 

1）制备底电极；

2）第一次淀积P型硅薄膜，在所述底电极上进行硅薄膜淀积，在淀积的同时进行P型杂质的重掺杂，在底电极上形成P+硅薄膜层；

3）第二次淀积P型硅薄膜，在所述P+硅薄膜上继续淀积，在淀积的同时进行P型杂质的掺杂，在P+硅薄膜层上形成P-硅薄膜层；

4）第一次淀积N型硅薄膜，在所述P-硅薄膜上继续淀积，在淀积的同时进行N型杂质的掺杂，在P-硅薄膜层上形成N-型硅薄膜层；

5）形成欧姆接触区，将镂空有电极窗口的丝网覆盖于所述N-型硅薄膜上，在电极窗口处的N-型硅薄膜上进行N型杂质的重掺杂，在电极窗口处的N-型硅薄膜层上形成N+型硅薄膜；

6）制备顶电极，在上述N+型硅薄膜上进行顶电极淀积，形成顶电极，去除丝网；

7）第二次淀积N型硅薄膜，在去除丝网后的N-型硅薄膜层上及顶电极上继续硅薄膜淀积，同时进行N型杂质的掺杂，形成包围顶电极的N-型硅薄膜层；

8）激光刻蚀P型硅薄膜通槽，在上述N型硅薄膜层两侧用激光刻蚀出连通所述P-硅薄膜层的通槽；

9）第三次淀积P型硅薄膜，对上述通槽继续进行硅薄膜淀积，在淀积硅薄膜的同时进行P型杂质的掺杂，形成包围N型硅薄膜的P- 硅薄膜层。

所述太阳能电池制作方法的进一步设计在于，所述P型杂质的重掺杂所形成的P-硅薄膜层，其硅薄膜中掺杂硼元素B的浓度达10¹³～10¹⁵，所述P型杂质的掺杂所形成的P+硅薄膜层，硅薄膜中掺杂硼元素B的浓度达10¹⁷～10¹⁹，所述N型杂质的重掺杂所形成的N-硅薄膜层，硅薄膜中掺杂磷元素P的浓度达10¹³～10¹⁵，所述N型杂质的掺杂所形成的N硅薄膜层，是指硅薄膜中掺杂磷元素P的浓度达10¹⁷～10¹⁹。 

所述太阳能电池制作方法的进一步设计在于，所述第一、二、三次淀积P型硅薄膜和所述第一、二次淀积N型硅薄膜都采用等离子化学增强气相沉积仪进行的淀积。 

所述太阳能电池制作方法的进一步设计在于，所述通槽宽度与N型硅薄膜层的宽度比为1：22～1：18。 

所述太阳能电池制作方法的进一步设计在于，所述底电极是通过磁控溅射铝在衬底上形成导电的铝或银薄膜。 

所述太阳能电池制作方法的进一步设计在于，所述顶电极是采用磁控溅射方法进行制备的。 

本发明的薄膜太阳能电池与现有的薄膜太阳能电池相比，电池的顶电极位于N型薄膜区内，N型硅薄膜被P型硅薄膜所包裹，形成一个闭合环状的PN结，该闭合环形的PN结与底电极平行的上下两面都可以接受光的辐射，提高了太阳能电池的受光面积，从而提高了电池的光电转换效率。 

本发明的顶电极可以使用铝和银等金属材料，而不局限于主流薄膜太阳能电池的透明电极，可以减小电池电极的制作难度，提高电池电极的导电性。 

本发明的叠层太阳能电池的制备工艺与现有薄膜电池生产工艺兼容，可利用现有设备进行生产，产品更新换代所需投入的设备成本极低。 

附图说明

图1 是现有薄膜太阳能电池的结构示意图。 

图2 是本发明的硅基埋栅薄膜太阳能电池的结构示意图。 

图3 是制备底电极的工艺过程示意图。 

图4是第一次淀积P型硅薄膜的工艺过程示意图。 

图5 是第二次淀积P型硅薄膜的工艺过程示意图。 

图6 是第一次淀积N型硅薄膜的工艺过程示意图。 

图7 是形成欧姆接触区的工艺过程示意图。 

图8 是制备顶电极的工艺过程示意图。 

图9 是顶电极制备好后去掉覆盖丝网的工艺过程示意图。 

图10 是第二次淀积N型硅薄膜的工艺过程示意图。 

图11 是激光刻蚀P型硅薄膜通槽的工艺过程示意图。 

图12 是形成本发明太阳能电池具体结构的示工艺过程意图。 

图13 是本发明多晶硅薄膜太阳电池与普通薄膜电池光谱响应比较图。 

图14 是本发明非晶硅、多晶硅薄膜太阳电池的光谱响应比较图。 

图15 是本发明多晶硅薄膜太阳电池N 型硅薄膜厚度对电池光谱响应的影响。 

图16 是本发明多晶硅薄膜太阳电池N 型硅薄膜杂质浓度对电池光谱响应的影响。 

图中，1-衬底，2-底电极，3-P型硅薄膜层，4-N型硅薄膜层，5-顶电极，6-PN结，7-N型杂质，8-丝网。 

具体实施方式

对照图2，本实施例的硅基埋栅薄膜太阳能电池主要由衬底1、底电极2、P型硅薄膜层3、N型硅薄膜层4和顶电极5组成。其中的N型硅薄膜层4和P型硅薄膜层3可以由非晶硅薄膜或多晶硅薄膜通过掺杂硼元素（P型）和磷元素（N型）杂质形成，该硅薄膜的禁带宽度大致为1.1-1.7ev。底电极2位于衬底5上并与P型硅薄膜层3连接。P型硅薄膜层3包裹在N型硅薄膜层4的周围，在P型硅薄膜与N型硅薄膜的结合面上形成闭合环状的PN结6，底电极2与P型硅薄膜层3连接。 

上述的硅基埋栅薄膜太阳能电池用下述工艺过程制作： 

1）采用磁控溅射铝的方法来制备底电极。当然也可用磁控溅射银或氟氧化锌或氧化铟硒透明材料在衬底上形成导电铝薄膜，见图3。

2）第一次淀积P型硅薄膜，在上述底电极上，用等离子化学增强气相沉积仪进行硅薄膜淀积，在淀积的同时进行P型杂质（硼元素B）的重掺杂，掺杂浓度在10¹⁷～10¹⁹，在底电极上形成P+硅薄膜层，见图4。 

3）第二次淀积P型硅薄膜，用等离子化学增强气相沉积仪在上述P+ 硅薄膜上继续淀积，在淀积的同时进行P型杂质的掺杂，掺杂浓度在10¹³～10¹⁵，在P+硅薄膜层上形成P-硅薄膜层，见图5。 

4）第一次淀积N型硅薄膜，用等离子化学增强气相沉积仪在上述P-硅薄膜上继续淀积，在淀积的同时进行N型杂质（磷元素P）的掺杂，掺杂浓度在10¹³～10¹⁵，在P-硅薄膜层上形成N-型硅薄膜层，见图6。 

5）形成欧姆接触区，将中心部分镂空有电极窗口的丝网覆盖于在上述N-型硅薄膜上，在电极窗口处的N-型硅薄膜上进行N型杂质的重掺杂，掺杂浓度在10¹⁷～10¹⁹，在电极窗口处的N-型硅薄膜层上形成N+型硅薄膜，见图7。 

6）制备顶电极，采用磁控溅射方法在上述N+型硅薄膜上进行顶电极淀积，形成铝（Al）导电条的顶电极，之后去除丝网，见图8、图9。 

7）第二次淀积N 型硅薄膜，在去除丝网后的N-型硅薄膜层上及顶电极上，用等离子化学增强气相沉积仪对上述的顶电极上及去除丝网后的N-型硅薄膜层上继续硅薄膜淀积，在淀积硅薄膜的同时进行N 型杂质的掺杂，形成包围顶电极的N-型硅薄膜，见图10。 

8）激光刻蚀P型硅薄膜通槽，在上述N型硅薄膜层两侧用激光刻蚀出连通所述P-硅薄膜层的通槽，通槽宽度与N 型硅薄膜层的宽度比为1：22～1：18，较佳比例为1：20，见图11。 

9）第三次淀积P型硅薄膜。对上述N型硅薄膜层及两侧的通道继续进行硅薄膜淀积，在淀积的同时进行P 型杂质的掺杂，掺杂浓度在10¹³～10¹⁵，形成包围N型硅薄膜的P-硅薄膜层该P-硅薄膜层通过所述通槽连接第二次淀积的P-型硅薄膜层，使整个P-型硅薄膜层包裹在N 型硅薄膜层外周侧，见图12。 

本发明的硅基埋栅薄膜太阳能电池的形成PN结的N型区位于P型区中，形成闭合环形的PN结，该PN结与底电极平行的上下两面都可以接受光的辐射，提高了太阳能电池的受光面积，从而提高了电池的光电转换效率。顶电极位于N型区中。本发明通过SILVACO 

软件的仿真实验验证，具有较佳的光电性能，SILVACO软件仿真结果为IEEE（美国电气和电子工程师协会）所认可。下面是具体的相关性能检测试验的实施例。

实施例1，多晶硅薄膜电池光谱响应仿真试验。 

该试验的结果请参见图13，两种电池的光谱响应变化趋势相同，都是在300～700nm波段随着波长的增加而增加，到700nm以后光谱响应强度下降。 

本发明电池在整个太阳光谱区的响应强度较多晶硅薄膜太阳能电池均有所增强。 

通过对整个光谱响应的积分可以看出，本发明电池的光谱响应比多晶硅薄膜太阳能电池增强约30%。这表明本发明电池中的矩形PN 结可以有效的提高多晶硅薄膜电池的光谱响应。 

这是因为本发明电池中的矩形PN 结的两个面与底电极平行，增加了电池的受光面，由于这两个面一个靠近表面，一个靠近底电极，所以，该结构不仅仅提高了相同面积上电池的有效受光面，而且对于短波和长波光线的吸收都有利，因此，在AM1.5条件下，仿真的所有波段的光谱响应都有所增加，且效果较为明显。 

实施例2，非晶硅薄膜电池光谱响应仿真试验。 

该试验的结果请参见图14，该图中比较了本发明的电池分别应用非晶硅和多晶硅薄膜作为电池中的半导体材料的光谱响应强度。从图14中可以看出，非晶硅电池比多晶硅电池的光谱响应电流有所下降，但整体变化趋势不变，这说明应用本发明所制备的太阳能电池可以使用不同的半导体材料作为电池中的光电材料。非晶硅电池的光电响应下降与非晶硅的缺陷密度较大，导致光生电流复合率上升有关。 

实施例3，多晶硅薄膜太阳电池N 型硅薄膜厚度对电池光谱响应的影响该试验的结果请参见图15。图中所示为N型硅薄膜厚度分别0.6、1.1、1.6、2.1、2.6μm的多晶硅薄膜电池的光谱响应。从图中可以看出随着多晶硅薄膜厚度的增加，在300-850nm波段光谱响应强度逐渐增强，特别是在600-750nm的波段增强比较明显。这说明，随着N 型硅薄膜厚度的增加，长波吸收增强，但光谱响应的增强幅度减小。 

实施例4，多晶硅薄膜太阳电池N型硅薄膜杂质浓度电池光谱响应的影响该试验的结果请参见图16。图中所示为N型硅薄膜中杂质浓度分别5e14、1e15、5e15、1e16、5e16、1e17的多晶硅薄膜电池的光谱响应。从图中可以看出随着多晶硅薄膜中杂质浓度的增加，电池的光谱响应变化不明显。但是，局部放大后如图7可以看出电池的光谱响应先增强后减弱，这是由于随着太阳能电池中杂质的浓度的增加，电池中硅薄膜的导电性增加，但是当硅薄膜中的杂质浓度过高，必然导致电池中光生电流复合率上升，从而电池的光谱响应强度随着硅薄膜中杂质浓度的先增加后下降。 

Claims (2)

1.一种硅基埋栅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1）制备底电极，所述底电极是通过磁控溅射铝在衬底上形成导电的铝或银薄膜；

2）第一次淀积P型硅薄膜，在所述底电极上进行硅薄膜淀积，在淀积的同时进行P型杂质的重掺杂，在底电极上形成P+硅薄膜层；

3）第二次淀积P型硅薄膜，在所述P+硅薄膜上继续淀积，在淀积的同时进行P型杂质的掺杂，在P+硅薄膜层上形成P-硅薄膜层；

4）第一次淀积N型硅薄膜，在所述P-硅薄膜上继续淀积，在淀积的同时进行N型杂质的掺杂，在P-硅薄膜层上形成N-型硅薄膜层；

5）形成欧姆接触区，将镂空有电极窗口的丝网覆盖于所述N-型硅薄膜上，在电极窗口处的N- 型硅薄膜上进行N型杂质的重掺杂，在电极窗口处的N- 型硅薄膜层上形成N+型硅薄膜；

6）制备顶电极，在上述N+型硅薄膜上进行顶电极淀积，形成顶电极，去除丝网；

7）第二次淀积N型硅薄膜，在去除丝网后的N-型硅薄膜层上及顶电极上继续硅薄膜淀积，同时进行N型杂质的掺杂，形成包围顶电极的N- 型硅薄膜层；

8）激光刻蚀P 型硅薄膜通槽，在上述N型硅薄膜层两侧用激光刻蚀出连通所述P-硅薄膜层的通槽；所述通槽宽度与N型硅薄膜层的宽度比为1：22～1：18；

9）第三次淀积P 型硅薄膜，对上述通槽继续进行硅薄膜淀积，在淀积硅薄膜的同时进行P型杂质的掺杂，形成包围N型硅薄膜的P-硅薄膜层；

所述第一、二、三次淀积P型硅薄膜和所述第一、二次淀积N型硅薄膜都采用等离子化学增强气相沉积仪进行的淀积。

2. 根据权利要求1所述的一种硅基埋栅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于所述P型杂质的重掺杂所形成的P-硅薄膜层，其硅薄膜中掺杂硼元素B 的浓度达10¹³～10¹⁵，所述P型杂质的掺杂所形成的P+硅薄膜层，硅薄膜中掺杂硼元素B 的浓度达10¹⁷～10¹⁹，所述N 型杂质的重掺杂所形成的N- 硅薄膜层，硅薄膜中掺杂磷元素P 的浓度达10¹³～10¹⁵，所述N 型杂质的掺杂所形成的N 硅薄膜层，是指硅薄膜中掺杂磷元素P 的浓度达10¹⁷～10¹⁹。

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