CN103346214A

CN103346214A - 一种硅基径向同质异质结太阳电池及其制备方法

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Publication number: CN103346214A
Application number: CN2013102780075A
Authority: CN
Inventors: 沈文忠; 钟思华; 韩旭根
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: CN103346214B

Abstract

本发明公开了一种硅基径向同质异质结太阳电池及其制备方法。本发明提供的硅基径向同质异质结太阳电池，包括：硅衬底和所述硅衬底上的硅线阵列；所述硅线阵列中的各个硅线皆包括内层、中间层和外壳层，在各个所述硅线的所述内层和所述中间层之间形成径向PN结，在各个所述硅线的所述中间层和所述外壳层之间形成径向异质结；所述PN结为同质结，所述同质结为晶体硅PN结、PP⁺或NN⁺浓度结，所述异质结为晶体硅/非晶硅PP⁺、P⁺P⁺⁺、N⁺N⁺⁺、NN⁺浓度结或NI、PI结。这种电池充分结合了径向PN结电池和同质异质结电池的优势，因此可在低质量硅材料上实现较高的光电转换效率，同时能提高电池性能的稳定性。

Description

一种硅基径向同质异质结太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种基于硅衬底的径向同质异质结太阳电池及其制备方法。

背景技术

随着环境污染以及传统能源面临枯竭的问题，太阳电池作为新能源的一个重要发展方向越来越受到世界各国的关注。提高效率，降低成本是发展太阳电池的永恒话题。对硅电池而言，硅材料成本是电池成本的重要部分。因此使用低级硅片和减小硅片厚度可以有效降低硅太阳电池的成本。例如，冶金级硅成本仅为1.75-2.30$/kg，远远低于目前的太阳能级硅，但其纯度不能满足常规晶体硅电池的要求。

2005年美国加州理工学院Kayes等人提出径向PN结线阵列太阳电池概念，使这种低成本但低质量的硅材料具有在太阳电池领域应用的可能。研究表明，当满足（1）少数载流子扩散长度小于光吸收厚度时，（2）耗尽区的载流子复合速率不是太大（对于硅，意味着载流子在耗尽区中的寿命要大于10ns）时，径向PN结线阵列太阳电池表现出比平面PN结太阳电池更大的优势。此外由于表面是线阵列结构，具有优越的光学减反性能，而且光的吸收方向和载流子的分离方向互相垂直，因此硅衬底可以非常薄，几十微米即可。

为了提高径向PN结线阵列太阳电池的性能，大部分研究者采用掺杂非晶硅覆盖在晶硅表面来形成PN结，中间是本征（I）非晶硅薄膜，用以钝化线阵列表面大量的悬挂键，也就是HIT电池结构在径向PN结电池中的应用。

然而本征非晶硅薄膜的引入，在减小了界面态密度的同时，也增加了电池的串联电阻（由于本征非晶硅薄膜的高电阻率特性）。此外径向PN结电池的线阵列表面结构，不利于非晶硅薄膜的均匀沉积，这将影响界面态密度，而HIT结构的电池性能对界面态密度极为敏感。因此，目前利用HIT结构的径向PN结线阵列电池效率并不高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种更有效的界面钝化方式，来提高径向PN结线阵列电池效率，同时不增加电池的串联电阻。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种既能够提高基于低质量硅片的太阳电池性能及其稳定性，又能够降低硅太阳电池的成本和对生产工艺的要求的硅基径向同质异质结太阳电池及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种硅基径向同质异质结太阳电池，包括：硅衬底和所述硅衬底上的硅线阵列；所述硅线阵列中的各个硅线皆包括内层、中间层和外壳层，在各个所述硅线的所述内层和所述中间层之间形成径向PN结，在各个所述硅线的所述中间层和所述外壳层之间形成径向异质结；所述PN结为同质结，所述同质结为晶体硅PN结、PP⁺或NN⁺浓度结，所述异质结为晶体硅/非晶硅PP⁺、P⁺P⁺⁺、N⁺N⁺⁺、NN⁺浓度结或NI、PI结。

进一步地，所述硅线阵列为亚微米或微米硅线阵列；各个所述硅线的所述外壳层为非晶硅薄膜，所述中间层和所述内层为晶体硅。

在本发明的较佳实施方式中，其中，所述硅衬底为P型单晶硅；各个所述硅线的所述内层为P型单晶硅，所述中间层为N型掺杂的单晶硅，所述外壳层为N+型非晶硅薄膜；所述硅衬底的正面形成所述硅线阵列；所述硅衬底的背面依次为本征I型非晶硅薄膜和P型非晶硅薄膜，构成HIT结构。

在本发明的另一较佳实施方式中，其中，所述硅衬底为P型单晶硅；各个所述硅线的所述内层为P型单晶硅，所述中间层为N型掺杂的单晶硅，所述外壳层为N⁺型非晶硅薄膜；所述硅衬底的正面形成所述硅线阵列；所述硅衬底的背面依次为P⁺型掺杂的单晶硅和P⁺⁺型非晶硅薄膜，形成PP⁺同质浓度结和P⁺P⁺⁺异质浓度结。

在本发明的另一较佳实施方式中，其中，所述硅衬底为N型单晶硅；各个所述硅线的所述内层为N型单晶硅，所述中间层为P型掺杂的单晶硅，所述外壳层为P⁺型非晶硅薄膜；所述硅衬底的正面形成所述硅线阵列；所述硅衬底的背面依次为本征I型非晶硅薄膜和N型非晶硅薄膜，构成HIT结构。

在本发明的另一较佳实施方式中，其中，所述硅衬底为N型单晶硅，各个所述硅线的所述内层为N型单晶硅，所述中间层为P型掺杂的单晶硅，所述外壳层为P⁺型非晶硅薄膜；所述硅衬底的正面形成所述硅线阵列；所述硅衬底的依次为N⁺型掺杂的单晶硅和N⁺⁺型非晶硅薄膜，形成NN⁺同质浓度结和N⁺N⁺⁺异质浓度结。

进一步地，所述硅线阵列的周期为0.2-20μm；各个所述硅线的直径为0.1-5μm，高度为1-50μm；各个所述硅线的所述中间层的掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度是5-100nm；各个所述硅线的所述外壳层的掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度是5-20nm。

本发明还提供了一种硅基径向同质异质结太阳电池的制备方法，包括步骤：首先在所述硅衬底的所述正面覆盖一层二氧化硅颗粒作掩膜，进行反应离子刻蚀以在所述硅衬底的所述正面形成所述硅线阵列；然后通过扩散或离子注入的方式进行所述掺杂，并通过等离子体增强化学气相沉积所述非晶硅薄膜；最后通过磁控溅射ITO薄膜和丝网印刷制作电极以完成所述硅基径向同质异质结太阳电池的制作。

进一步地，通过所述扩散进行所述掺杂而形成的所述同质结需通过离子体刻蚀机进行去边缘结和在氢氟酸溶液中进行去磷硅玻璃和/或硼硅玻璃处理。

进一步地，通过所述离子注入进行所述掺杂而形成的所述同质结需进行800-1200°C的快速热退火处理。

本发明提出的硅基径向同质异质结太阳电池及其制备方法，通过同质异质结的结构来提高径向PN结电池的性能，使得低质量硅材料可以应用到太阳电池领域，降低太阳电池的成本。本发明的具体有益技术效果如下：

1.Kayes等人通过计算求解少数载流子的扩散方程，电流的连续性方程以及Poission方程，表明当满足如下两个条件时，径向PN结电池与常规平面型PN结电池相比，光电转换效率将大大提高：（1）少数载流子扩散长度小于光吸收厚度时，（2）耗尽区的载流子复合速率不是太大（对于硅，意味着载流子在耗尽区中的寿命要大于10ns）。如果只满足条件（1），径向PN结电池与常规平面PN结电池比，转换效率只有略微的提高。在这个基础上，他们提出了对于微米尺寸的单根线电池，其转换效率可以高达17%以上,对于线阵列电池，其转换效率为14.5%。由于这种径向PN结电池对杂质具有很高的容忍度，因此诸如冶金级硅等低质量却价格低廉的硅材料便可应用至太阳电池领域。

2.至于线阵列具有大的表面积带来的负面影响，如大的表面复合速度，本发明采用具有同质结和异质结相叠加的结构来解决。我们通过模拟研究发现，对晶体硅衬底先进行掺杂，形成同质结，再覆盖非晶硅薄膜形成异质结可以有效实现场效应钝化。因为同质结中的电场会驱使少数载流子远离晶体硅表面，所以异质结界面的复合速率能得到有效降低。而且存在这种场效应钝化，相比HIT电池，这种同质异质结电池对界面态密度变得不那么敏感，降低了对界面处理的工艺要求，同时提高了电池性能的稳定性。

3.我们通过模拟还发现同质异质结电池相比HIT电池会有更高的填充因子。因为HIT电池中的本征非晶硅层是一种电荷传输的阻挡层，所以会导致电池的串联电阻增加，从而使填充因子变差。而同质异质结电池中不含本征非晶硅层，其界面复合问题又由场效应钝化来完成，因此有较好的填充因子。

当然对于同质异质结电池，同质结中的掺杂浓度和厚度需要进行优化，才能实现较佳的电池性能。掺杂浓度越高，同质结中场钝化效果越好，界面复合会越低。但重掺杂也会增加体复合（如俄歇复合，SRH复合），所以其厚度的控制很关键。我们发现随着掺杂层厚度的增加，电池的短路电流密度会逐渐下降。一般来说，构成同质结的这层掺杂层中，通过扩散或离子注入的浓度应在1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3为宜，厚度在5-100nm之间。最佳参数视衬底掺杂浓度和异质结中非晶硅层的掺杂浓度而定。

总的来说，当同质异质结电池与HIT电池的界面态密度相同时，同质异质结电池的效率大约可以提高1.43%的绝对效率。而当同质异质结电池的界面态密度比HIT的大500倍时，它们仍有可相比拟的效率。

本发明充分结合了径向PN结电池和同质异质结电池的优势，为低成本高效率的晶体硅太阳电池提供了一种新的设计思路。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的P型硅衬底电池示意图，其中，正面为径向同质异质结，背面为HIT型结构；

图2是本发明的另一个较佳实施例的P型硅衬底电池示意图，其中，正面为径向同质异质结，背面为同质异质结结构；

图3是本发明的另一个较佳实施例的N型硅衬底电池示意图，其中，正面为径向同质异质结，背面为HIT型结构；

图4是本发明的另一个较佳实施例的N型硅衬底电池示意图，其中，正面为径向同质异质结，背面为同质异质结结构。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示的硅基径向同质异质结太阳电池，包括：硅衬底104和硅衬底上的硅线阵列；硅线阵列中的各个硅线皆包括内层101、中间层102和外壳层103，在各个硅线的内层101和中间层102之间形成径向PN结，在各个硅线的中间层102和外壳层103之间形成径向异质结；PN结为同质结，同质结为晶体硅PN结、PP⁺或NN⁺浓度结，异质结为晶体硅/非晶硅PP⁺、P⁺P⁺⁺、N⁺N⁺⁺、NN⁺浓度结或NI、PI结。硅线的内层101和中间层102为晶体硅，外壳层103为非晶硅薄膜。

如图2所示的硅基径向同质异质结太阳电池，包括：硅衬底204和硅衬底上的硅线阵列；硅线阵列中的各个硅线皆包括内层201、中间层202和外壳层203，在各个硅线的内层201和中间层202之间形成径向PN结，在各个硅线的中间层202和外壳层203之间形成径向异质结；PN结为同质结，同质结为晶体硅PN结、PP⁺或NN⁺浓度结，异质结为晶体硅/非晶硅PP⁺、P⁺P⁺⁺、N⁺N⁺⁺、NN⁺浓度结或NI、PI结。硅线的内层201和中间层202为晶体硅，外壳层203为非晶硅薄膜。

如图3所示的硅基径向同质异质结太阳电池，包括：硅衬底304和硅衬底上的硅线阵列；硅线阵列中的各个硅线皆包括内层301、中间层302和外壳层303，在各个硅线的内层301和中间层302之间形成径向PN结，在各个硅线的中间层302和外壳层303之间形成径向异质结；PN结为同质结，同质结为晶体硅PN结、PP⁺或NN⁺浓度结，异质结为晶体硅/非晶硅PP⁺、P⁺P⁺⁺、N⁺N⁺⁺、NN⁺浓度结或NI、PI结。硅线的内层301和中间层302为晶体硅，外壳层303为非晶硅薄膜。

如图4所示的硅基径向同质异质结太阳电池，包括：硅衬底404和硅衬底上的硅线阵列；硅线阵列中的各个硅线皆包括内层401、中间层402和外壳层403，在各个硅线的内层401和中间层402之间形成径向PN结，在各个硅线的中间层402和外壳层403之间形成径向异质结；PN结为同质结，同质结为晶体硅PN结、PP⁺或NN⁺浓度结，异质结为晶体硅/非晶硅PP⁺、P⁺P⁺⁺、N⁺N⁺⁺、NN⁺浓度结或NI、PI结。硅线的内层401和中间层402为晶体硅，外壳层403为非晶硅薄膜。

实施例1

电池结构包括，如图1所示，硅衬底104为P型单晶硅（P-c-Si）；各个硅线的内层101为P型单晶硅（P-c-Si），中间层102为N型掺杂的单晶硅（N-c-Si），外壳层103为N+型非晶硅薄膜（N⁺-a-Si）；硅衬底104的正面形成亚微米或微米硅线阵列；硅衬底104的背面从上至下依次为本征I型非晶硅薄膜105（I-a-Si）和P+型非晶硅薄膜106（P⁺-a-Si），构成HIT结构。P型晶体硅片的正面是亚微米或微米硅线阵列，PN同质NN+异质结结构，同质结为晶体硅径向同质结，异质结是晶体硅/非晶硅径向异质结；硅片的背面是常规HIT型结构，即为P型晶体硅（硅衬底104，P-c-Si），P⁺型非晶硅薄膜106（P⁺-a-Si），中间嵌以I型非晶硅薄膜105（I-a-Si）；电池结构还包括透明导电薄膜ITO和电极（未图示）。其中，a-Si为非晶硅，c-Si为晶体硅。

上述P型晶体硅片正面的亚微米或微米硅线阵列制备过程如下：首先对P型硅衬底104（P-c-Si）进行清洗，然后将硅衬底104浸泡在一种二氧化硅微粒悬浮溶液中，使硅片的表面（以此表面作为硅片的正面）覆盖一层自组装单层二氧化硅颗粒作为掩膜，接着进行反应离子刻蚀以在硅片的正面形成亚微米或微米硅线阵列。硅线的直径可由二氧化硅颗粒直径控制，深度由刻蚀时间控制，使得各个硅线的直径为0.1-5μm，高度为1-50μm，硅线阵列的周期约为0.2-20μm。

上述晶体硅片的径向PN同质结通过如下工艺完成：将具有亚微米或微米硅线阵列表面的P型硅衬底104以背靠背的方式置于扩散炉中，扩散温度为800-950°C，通氮气作为保护气体，以三氯氧磷(POCl₃)作为磷源进行扩散掺杂，形成一层N型掺杂的单晶硅层N-c-Si（即中间层102）。通过控制扩散温度、扩散时间、通源时间，使这层掺杂层的掺杂浓度(即各个硅线的中间层102的掺杂浓度)为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。通过扩散进行掺杂而形成的同质结需通过等离子体刻蚀机对硅片进行去边缘结和在氢氟酸（HF）溶液中进行去磷硅玻璃处理。

将上述步骤后的硅片浸泡于HF溶液中，使硅片表面富含Si-H键。然后将硅片置于PECVD腔室，硅片的正面沉积一层重掺杂N⁺型非晶硅薄膜N⁺-a-Si（即外壳层103），形成NN⁺型径向异质结。通入的气体为磷烷（PH₃）和氢气（H₂）稀释的硅烷（SiH₄）混合气体。硅片温度小于等于200°C。N⁺型非晶硅薄膜的掺杂浓度（即各个硅线的外壳层103的掺杂浓度）为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

硅片翻转后，硅片的背面在H₂稀释的SiH₄中沉积一层本征I型非晶硅薄膜105（I-a-Si），厚度为3-10nm。接着在硼烷（B₂H₆）、H₂和SiH₄混合气体中沉积一层重掺杂P⁺型非晶硅薄膜106（P⁺-a-Si），其掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。即硅片的背面形成常规HIT型结构。

上述透明导电薄膜ITO，通过磁控溅射的方式沉积在硅片的两面。

上述电极，通过丝网印刷银浆来制备。

所制备的电池，正面是径向PN同质NN⁺异质结结构，背面是HIT型结构。由于结合了径向PN结结构和同质异质结结构的优势，因此这种径向同质异质结电池具有非常优越的光吸收特性，低的界面复合，效率高，可应用于如冶金级硅等低质量硅衬底。

实施例2

电池结构包括，如图1所示，硅衬底104为P型单晶硅（P-c-Si）；各个硅线的内层101为P型单晶硅（P-c-Si），中间层102为N型掺杂的单晶硅（N-c-Si），外壳层103为N⁺型非晶硅薄膜（N⁺-a-Si）；硅衬底104的正面形成亚微米或微米硅线阵列；硅衬底104的背面从上至下依次为本征I型非晶硅薄膜105（I-a-Si）和P⁺型非晶硅薄膜106（P⁺-a-Si），构成HIT结构。P型晶体硅片的正面是亚微米或微米硅线阵列，PN同质NN+异质结结构，同质结为晶体硅径向同质结，异质结是晶体硅/非晶硅径向异质结；硅片的背面是常规HIT型结构，即为P型晶体硅（硅衬底104，P-c-Si），P⁺型非晶硅薄膜106（P⁺-a-Si），中间嵌以I型非晶硅薄膜105（I-a-Si）；电池结构还包括透明导电薄膜ITO和电极（未图示）。其中，a-Si为非晶硅，c-Si为晶体硅。

上述P型晶体硅片正面的亚微米或微米线阵列制备过程如下：首先对P型硅衬底104（P-c-Si）进行清洗，然后将硅衬底104浸泡在一种二氧化硅微粒悬浮溶液中，使硅片的表面（以此表面作为硅片的正面）覆盖一层自组装单层二氧化硅颗粒作为掩膜，接着进行反应离子刻蚀以在硅片的正面形成亚微米或微米硅线阵列。硅线的直径可由二氧化硅颗粒直径控制，深度由刻蚀时间控制，使得各个硅线的直径为0.1-5μm，高度为1-50μm，硅线阵列周期约为0.2-20μm。

上述晶体硅片的径向PN同质结通过如下工艺完成：将具有亚微米或微米硅线阵列表面的P型硅衬底104置于离子注入机中，通入PH₃作为掺杂气体，偏压500-5000V，形成N型掺杂的单晶硅层N-c-Si（即中间层102），此N型掺杂层的掺杂浓度（即各个硅线的中间层102的掺杂浓度）为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。通过离子注入进行掺杂而形成的同质结需将硅片置于快速热退火炉中进行处理，退火温度800-1200°C，退火时间0.5-2min。

将上述步骤后的硅片浸泡于HF溶液中，使硅片表面富含Si-H键。然后将硅片置于PECVD腔室，硅片的正面沉积一层重掺杂N⁺型非晶硅薄膜N⁺-a-Si（即外壳层103），形成NN⁺型径向异质结。通入的气体为PH₃和H₂稀释的SiH₄混合气体。硅片温度小于等于200°C。N⁺型非晶硅薄膜的掺杂浓度（即各个硅线的外壳层103的掺杂浓度）为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

硅片翻转后，将硅片的背面在H₂稀释的SiH₄中沉积一层本征I型非晶硅薄膜105（I-a-Si），厚度为3-10nm。接着在B₂H₆、H₂和SiH₄混合气体中沉积一层重掺杂P⁺型非晶硅薄膜106（P⁺-a-Si），其掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。即硅片的背面形成常规HIT型结构。

上述电极，通过丝网印刷银浆来制备。

实施例3

电池结构包括，如图2所示，硅衬底204为P型单晶硅（P-c-Si）；各个硅线的内层201为P型单晶硅（P-c-Si），中间层202为N型掺杂的单晶硅（N-c-Si），外壳层203为N⁺型非晶硅薄膜（N⁺-a-Si）；硅衬底204的正面形成亚微米或微米硅线阵列；硅衬底204的背面从上至下依次为P⁺型单晶硅205（P⁺-c-Si）和P⁺⁺型非晶硅薄膜206（P⁺⁺-a-Si），形成PP⁺同质浓度结和P⁺P⁺⁺异质浓度结。P型晶体硅片的正面是亚微米或微米硅线阵列，PN同质NN⁺异质结结构，同质结为晶体硅径向同质结，异质结是晶体硅/非晶硅径向异质结；硅片的背面也采用同质异质结结构，即在P型晶体硅衬底204上掺杂一层P⁺型单晶硅205（P⁺-c-Si）层，构成PP⁺同质浓度结，再覆盖一层P⁺⁺型非晶硅薄膜206（P⁺⁺-a-Si），构成P⁺P⁺⁺异质浓度结；电池结构还包括透明导电薄膜ITO和电极（未图示）。其中，a-Si为非晶硅，c-Si为晶体硅。

上述P型晶体硅片正面的亚微米或微米线阵列制备过程如下：首先对P型硅衬底204进行清洗，然后将硅衬底204浸泡在一种二氧化硅微粒悬浮溶液中，使硅片的表面（以此表面作为硅片的正面）覆盖一层自组装单层二氧化硅颗粒作为掩膜，接着进行反应离子刻蚀以在硅片的正面形成亚微米或微米硅线阵列。硅线的直径可由二氧化硅颗粒直径控制，深度由刻蚀时间控制，使得各个硅线的直径为0.1-5μm，高度为1-50μm，硅线阵列的周期约为0.2-20μm。

上述晶体硅片的径向PN同质结以及背面PP⁺同质浓度结通过如下工艺完成：将具有亚微米或微米硅线阵列表面的P型硅衬底204以背靠背的方式置于扩散炉中，扩散温度为800-950°C，通氮气作为保护气体，以三氯氧磷POCl₃作为磷源进行扩散掺杂，形成一层N型掺杂的单晶硅层N-c-Si（即中间层202）。通过控制扩散温度、扩散时间、通源时间，使这层掺杂层的掺杂浓度（即各个硅线的中间层202的掺杂浓度）为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。硅片翻转后仍旧以背靠背的方式置于扩散炉中，扩散温度为800-950°C，以三溴化硼（BBr₃）作为硼源对硅片的背面进行扩散掺杂，形成一层重掺杂P⁺型单晶硅205（P⁺-c-Si）层。通过控制扩散温度、扩散时间、通源时间，使这层掺杂层的掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。通过扩散进行掺杂而形成的同质结需通过等离子体刻蚀机对硅片进行去边缘结和在氢氟酸（HF）溶液中进行去磷硅玻璃和硼硅玻璃处理。

将上述步骤后的硅片浸泡于HF溶液中，使硅片表面富含Si-H键。然后将硅片置于PECVD腔室，硅片的正面沉积一层重掺杂N⁺型非晶硅薄膜（N⁺-a-Si）（即外壳层203），形成NN⁺型径向异质结。通入的气体为PH₃和H₂稀释的SiH₄混合气体。硅片温度小于等于200°C。N⁺型非晶硅薄膜的掺杂浓度（即各个硅线的外壳层203的掺杂浓度）为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

硅片翻转后，硅片的背面在B₂H₆、H₂和SiH₄混合气体中沉积一层重掺杂P⁺⁺型非晶硅薄膜206（P⁺⁺-a-Si），形成P⁺P⁺⁺异质浓度结，其掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

上述透明导电薄膜ITO，通过磁控溅射的方式沉积在硅片两面。

上述电极，通过丝网印刷银浆来制备。

所制备的电池，正面是径向PN同质NN⁺异质结结构，背面是PP⁺同质P⁺P⁺⁺异质结结构。由于结合了径向PN结结构和同质异质结结构的优势，因此这种径向同质异质结电池具有非常优越的光吸收特性，低的界面复合，效率高，可应用于如冶金级硅等低质量硅衬底。

实施例4

电池结构包括，如图2所示，硅衬底204为P型单晶硅（P-c-Si）；各个硅线的内层201为P型单晶硅（P-c-Si），中间层202为N型掺杂的单晶硅（N-c-Si），外壳层203为N⁺型非晶硅薄膜（N⁺-a-Si）；硅衬底204的正面形成亚微米或微米硅线阵列；硅衬底204的背面从上至下依次为P⁺型单晶硅205（P⁺-c-Si）和P⁺⁺型非晶硅薄膜206（P⁺⁺-a-Si），形成PP⁺同质浓度结和P⁺P⁺⁺异质浓度结。P型晶体硅片的正面是亚微米或微米硅线阵列，PN同质NN⁺异质结结构，同质结为晶体硅径向同质结，异质结是晶体硅/非晶硅径向异质结；硅片的背面也采用同质异质结结构，即在P型晶体硅硅衬底204上掺杂一层P⁺型单晶硅205（P⁺-c-Si），构成PP⁺同质浓度结，再覆盖一层P⁺⁺型非晶硅薄膜206（P⁺⁺-a-Si），构成P⁺P⁺⁺异质浓度结；电池结构还包括透明导电薄膜ITO和电极（未图示）。其中，a-Si为非晶硅，c-Si为晶体硅。

上述P型晶体硅片正面的亚微米或微米线阵列制备过程如下：首先对P型硅衬底204（P-c-Si）进行清洗，然后将硅衬底204浸泡在一种二氧化硅微粒悬浮溶液中，使硅片的表面（以此表面作为硅片的正面）覆盖一层自组装单层二氧化硅颗粒作为掩膜，接着进行反应离子刻蚀以在硅片的正面形成亚微米或微米硅线阵列。硅线的直径可由二氧化硅颗粒直径控制，深度由刻蚀时间控制，使得各个硅线的直径为0.1-5μm，高度为1-50μm，硅线阵列的周期约为0.2-20μm。

上述晶体硅片的径向PN同质结以及背面PP⁺同质浓度结通过如下工艺完成：将具有亚微米或微米硅线阵列表面的P型硅衬底置于离子注入机中，通入PH3作为掺杂气体，偏压500-5000V，形成N型掺杂的单晶硅层N-c-Si（即中间层202），此N型掺杂层的掺杂浓度（即各个硅线的中间层202的掺杂浓度）为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。硅片翻转后仍旧置于离子注入机中，对硅片的背面进行注入掺杂，通入三氟化硼（BF₃）作为掺杂气体，偏压500-5000V，形成一层P⁺型单晶硅205（P⁺-c-Si）掺杂层，其掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。通过离子注入进行掺杂而形成的同质结需将硅片置于快速热退火炉中进行处理，退火温度800-1200°C，退火时间0.5-2min。

将上述步骤后的硅片浸泡于HF溶液中，使硅片表面富含Si-H键。然后将硅片置于PECVD腔室，硅片的正面沉积一层重掺杂N+型非晶硅薄膜（N⁺-a-Si）（即外壳层203），形成NN⁺型径向异质结。通入的气体为PH₃和H₂稀释的SiH₄混合气体。硅片温度小于等于200°C。N⁺型非晶硅薄膜的掺杂浓度（即各个硅线的外壳层203的掺杂浓度）为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

上述电极，通过丝网印刷银浆来制备。

实施例5

电池结构包括，如图3所示，硅衬底304为N型单晶硅（N-c-Si）；各个硅线的内层301为N型单晶硅（N-c-Si），中间层302为P型掺杂的单晶硅（P-c-Si），外壳层303为P⁺型非晶硅薄膜（P⁺-a-Si）；硅衬底304的正面形成亚微米或微米硅线阵列；硅衬底304的背面从上至下依次为本征I型非晶硅薄膜305（I-a-Si）和N+型非晶硅薄膜306（N⁺-a-Si），构成HIT结构。N型晶体硅片的正面是亚微米或微米硅线阵列，PN同质PP⁺异质结结构，同质结为晶体硅径向同质结，异质结是晶体硅/非晶硅径向异质结；硅片的背面是常规HIT型结构，即为N型晶体硅（硅衬底304，N-c-Si），N⁺型非晶硅薄膜306（N⁺-a-Si），中间嵌以I型非晶硅薄膜305（I-a-Si）；电池结构还包括透明导电薄膜ITO和电极（未图示）。其中，a-Si为非晶硅，c-Si为晶体硅。

上述N型晶体硅片正面的亚微米或微米硅线阵列制备过程如下：首先对N型硅衬底304（N-c-Si）进行清洗，然后将硅衬底304浸泡在一种二氧化硅微粒悬浮溶液中，使硅片的表面（以此表面作为硅片的正面）覆盖一层自组装单层二氧化硅颗粒作为掩膜，接着进行反应离子刻蚀以在硅片的正面形成亚微米或微米硅线阵列。硅线的直径可由二氧化硅颗粒直径控制，深度由刻蚀时间控制，使得各个硅线的直径为0.1-5μm，高度为1-50μm，硅线阵列的周期约为0.2-20μm。

上述晶体硅片的径向PN同质结通过如下工艺完成：将具有亚微米或微米硅线阵列表面的N型硅衬底304以背靠背的方式置于扩散炉中，扩散温度为800-950°C，通氮气作为保护气体，以BBr₃作为硼源进行扩散掺杂，形成一层P型掺杂的单晶硅P-c-Si层（即中间层302）。通过控制扩散温度、扩散时间、通源时间，使这层掺杂层的掺杂浓度（即各个硅线的中间层302的掺杂浓度）为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。通过扩散进行掺杂而形成的同质结需通过等离子体刻蚀机对硅片进行去边缘结和在氢氟酸（HF）溶液中进行去硼硅玻璃处理。

将上述步骤后的硅片浸泡于HF溶液中，使硅片表面富含Si-H键。然后将硅片置于PECVD腔室，硅片的正面沉积一层重掺杂P⁺型非晶硅薄膜（P⁺-a-Si）（即外壳层303），形成PP⁺型径向异质结。通入的气体为B₂H₆和H₂稀释的SiH₄混合气体。硅片温度小于等于200°C。P⁺型非晶硅薄膜的掺杂浓度（即各个硅线的外壳层303的掺杂浓度）为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

硅片翻转后，硅片的背面在H₂稀释的SiH₄中沉积一层本征I型非晶硅薄膜305（I-a-Si），厚度为3-10nm。接着在PH₃、H₂和SiH₄混合气体中沉积一层重掺杂N⁺型非晶硅薄膜306（N⁺-a-Si），其掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。即硅片的背面形成常规HIT型结构。

上述电极，通过丝网印刷银浆来制备。

所制备的电池，正面是径向PN同质PP⁺异质结结构，背面是HIT型结构。由于结合了径向PN结结构和同质异质结结构的优势，因此这种径向同质异质结电池具有非常优越的光吸收特性，低的界面复合，效率高，可应用于如冶金级硅等低质量硅衬底。

实施例6

电池结构包括，如图3所示，硅衬底304为N型单晶硅（N-c-Si）；各个硅线的内层301为N型单晶硅（N-c-Si），中间层302为P型掺杂的单晶硅（P-c-Si），外壳层303为P⁺型非晶硅薄膜（P⁺-a-Si）；硅衬底304的正面形成亚微米或微米硅线阵列；硅衬底304的背面从上至下依次为本征I型非晶硅薄膜305（I-a-Si）和N⁺型非晶硅薄膜306（N⁺-a-Si），构成HIT结构。N型晶体硅片的正面是亚微米或微米硅线阵列，PN同质PP⁺异质结结构，同质结为晶体硅径向同质结，异质结是晶体硅/非晶硅径向异质结；硅片的背面是常规HIT型结构，即为N型晶体硅（硅衬底304，N-c-Si），N⁺型非晶硅薄膜306（N⁺-a-Si），中间嵌以I型非晶硅薄膜305（I-a-Si）；电池结构还包括透明导电薄膜ITO和电极（未图示）。其中，a-Si为非晶硅，c-Si为晶体硅。

上述晶体硅片的径向PN同质结通过如下工艺完成：将具有亚微米或微米硅线阵列表面的N型硅衬底304置于离子注入机中，通入BF₃作为掺杂气体，偏压500-5000V，形成P型掺杂的单晶硅P-c-Si层（即中间层302），此P型掺杂层的掺杂浓度（即各个硅线的中间层302的掺杂浓度）为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。通过离子注入进行掺杂而形成的同质结需将硅片置于快速热退火炉中进行处理，退火温度800-1200°C，退火时间0.5-2min。

将上述步骤后的硅片浸泡于HF溶液中，使硅片表面富含Si-H键。然后将硅片置于PECVD腔室，硅片的正面沉积一层重掺杂P⁺型非晶硅薄膜P⁺-a-Si（即外壳层303），形成PP⁺型径向异质结。通入的气体为B₂H₆和H₂稀释的SiH₄混合气体。硅片温度小于等于200°C。P⁺型非晶硅薄膜的掺杂浓度（即各个硅线的外壳层303的掺杂浓度）为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

上述电极，通过丝网印刷银浆来制备。

实施例7

电池结构包括，如图4所示，硅衬底404为N型单晶硅（N-c-Si），各个硅线的内层401为N型单晶硅（N-c-Si），中间层402为P型掺杂的单晶硅（P-c-Si），外壳层403为P⁺型非晶硅薄膜（P⁺-a-Si）；硅衬底404的正面形成亚微米或微米硅线阵列；硅衬底404的背面从上至下依次为N⁺型单晶硅405（N⁺-c-Si）和N⁺⁺型非晶硅薄膜406（N⁺⁺-a-Si），形成NN⁺同质浓度结和N⁺N⁺⁺异质浓度结。N型晶体硅片的正面是亚微米或微米硅线阵列，PN同质PP⁺异质结结构，同质结为晶体硅径向同质结，异质结是晶体硅/非晶硅径向异质结；硅片的背面也采用同质异质结结构，即在N型晶体硅衬底404上掺杂一层N⁺型单晶硅405（N⁺-c-Si），构成NN⁺同质浓度结，再覆盖一层N⁺⁺非晶硅薄膜406（N⁺⁺-a-Si），构成N⁺N⁺⁺异质浓度结；电池结构还包括透明导电薄膜ITO和电极（未图示）。其中，a-Si为非晶硅，c-Si为晶体硅。

上述N型晶体硅片正面的亚微米或微米硅线阵列制备过程如下：首先对N型硅衬底404（N-c-Si）进行清洗，然后将硅衬底404浸泡在一种二氧化硅微粒悬浮溶液中，使硅片的表面（以此表面作为硅片的正面）覆盖一层自组装单层二氧化硅颗粒作为掩膜，接着进行反应离子刻蚀以在硅片的正面形成亚微米或微米硅线阵列。硅线的直径可由二氧化硅颗粒直径控制，深度由刻蚀时间控制，使得各个硅线的直径为0.1-5μm，高度为1-50μm，硅线阵列的周期约为0.2-20μm。

上述晶体硅片的径向PN同质结以及背面NN+同质浓度结通过如下工艺完成：将具有亚微米或微米硅线阵列表面的N型硅衬底404以背靠背的方式置于扩散炉中，扩散温度为800-950°C，通氮气作为保护气体，以BBr₃作为硼源进行扩散掺杂，形成一层P型掺杂的单晶硅P-c-Si层（即中间层402）。通过控制扩散温度、扩散时间、通源时间，使这层掺杂层的掺杂浓度（即各个硅线的中间层402的掺杂浓度）为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。硅片翻转后仍旧以背靠背的方式置于扩散炉中，扩散温度为800-950°C，以POCl₃作为磷源对硅片背面进行扩散掺杂，形成一层重掺杂N⁺型单晶硅405（N⁺-c-Si）。通过控制扩散温度、扩散时间、通源时间，使这层掺杂层的掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。通过扩散进行掺杂而形成的同质结需通过等离子体刻蚀机对硅片进行去边缘结和在氢氟酸（HF）溶液中进行去磷硅玻璃和硼硅玻璃处理。

将上述步骤后的硅片浸泡于HF溶液中，使硅表面富含Si-H键。然后将硅片置于PECVD腔室，硅片的正面沉积一层重掺杂P⁺型非晶硅薄膜P⁺-a-Si（即外壳层403），形成PP⁺型径向异质结。通入的气体为B₂H₆和H₂稀释的SiH₄混合气体。硅片温度小于等于200°C。P⁺型非晶硅薄膜的掺杂浓度（即各个硅线的外壳层403的掺杂浓度）为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

硅片翻转后，硅片的背面在PH₃、H₂和SiH₄混合气体中沉积一层重掺杂N⁺⁺型非晶硅薄膜406（N⁺⁺-a-Si），形成N⁺N⁺⁺异质浓度结，其掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

上述电极，通过丝网印刷银浆来制备。

所制备的电池，正面是径向PN同质PP⁺异质结结构，背面是NN⁺同质N⁺N⁺⁺异质结结构。由于结合了径向PN结结构和同质异质结结构的优势，因此这种径向同质异质结电池具有非常优越的光吸收特性，低的界面复合，效率高，可应用于如冶金级硅等低质量硅衬底。

实施例8

电池结构包括，如图4所示，硅衬底404为N型单晶硅（N-c-Si），各个硅线的内层401为N型单晶硅（N-c-Si），中间层402为P型掺杂的单晶硅（P-c-Si），外壳层403为P⁺型非晶硅薄膜（P⁺-a-Si）；硅衬底404的正面形成亚微米或微米硅线阵列；硅衬底404的背面从上至下依次为N⁺型单晶硅405（N⁺-c-Si）和N⁺⁺型非晶硅薄膜406（N⁺⁺-a-Si），形成NN⁺同质浓度结和N⁺N⁺⁺异质浓度结。N型晶体硅片的正面是亚微米或微米硅线阵列，PN同质PP⁺异质结结构，同质结为晶体硅径向同质结，异质结是晶体硅/非晶硅径向异质结；硅片的背面也采用同质异质结结构，即在N型晶体硅衬底404上掺杂一层N⁺型单晶硅405（N⁺-c-Si），构成NN+同质浓度结，再覆盖一层N⁺⁺非晶硅薄膜406（N⁺⁺-a-Si），构成N⁺N⁺⁺异质浓度结；电池结构还包括透明导电薄膜ITO和电极（未图示）。其中，a-Si为非晶硅，c-Si为晶体硅。

上述晶体硅片的径向PN同质结以及背面NN⁺同质浓度结通过如下工艺完成：将具有亚微米或微米硅线阵列表面的N型硅衬底404置于离子注入机中，通入BF₃作为掺杂气体，偏压500-5000V，形成P型掺杂的单晶硅（P-c-Si）层（即中间层402），此P型掺杂层的掺杂浓度（即各个硅线的中间层402的掺杂浓度）为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。硅片翻转后仍旧置于离子注入机中，对背面进行注入掺杂，通入PH₃作为掺杂气体，偏压500-5000V，形成掺杂的N+型单晶硅405（N⁺-c-Si），其掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为5-100nm。通过离子注入进行掺杂而形成的同质结需将硅片置于快速热退火炉中进行处理，退火温度800-1200°C，退火时间0.5-2min。

将上述步骤后的硅片浸泡于HF溶液中，使硅片表面富含Si-H键。然后将硅片置于PECVD腔室，硅片的正面沉积一层重掺杂P⁺型非晶硅薄膜（P⁺-a-Si）（即外壳层403），形成PP⁺型径向异质结。通入的气体为B₂H₆和H₂稀释的SiH₄混合气体。硅片温度小于等于200°C。P⁺型非晶硅薄膜的掺杂浓度（即各个硅线的外壳层403的掺杂浓度）为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度为5-20nm。

上述电极，通过丝网印刷银浆来制备。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种硅基径向同质异质结太阳电池，其特征在于，包括硅衬底和所述硅衬底上的硅线阵列；所述硅线阵列中的各个硅线的皆包括内层、中间层和外壳层，在各个所述硅线的所述内层和所述中间层之间形成径向PN结，在各个所述硅线的所述中间层和所述外壳层之间形成径向异质结；所述PN结为同质结，所述同质结为晶体硅PN结、PP⁺或NN⁺浓度结，所述异质结为晶体硅/非晶硅PP⁺、P⁺P⁺⁺、N⁺N⁺⁺、NN⁺浓度结或NI、PI结。

2.如权利要求1所述的硅基径向同质异质结太阳电池，所述硅线阵列为亚微米或微米硅线阵列；各个所述硅线的所述内层和所述中间层为晶体硅，所述外壳层为非晶硅薄膜。

3.如权利要求1所述的硅基径向同质异质结太阳电池，其中，所述硅衬底为P型单晶硅；各个所述硅线的所述内层为P型单晶硅，所述中间层为N型掺杂的单晶硅，所述外壳层为N⁺型非晶硅薄膜；所述硅衬底的正面形成所述硅线阵列；所述硅衬底的背面从上至下依次为本征I型非晶硅薄膜和P⁺型非晶硅薄膜，构成HIT结构。

4.如权利要求1所述的硅基径向同质异质结太阳电池，其中，所述硅衬底为P型单晶硅；各个所述硅线的所述内层为P型单晶硅，所述中间层为N型掺杂的单晶硅，所述外壳层为N⁺型非晶硅薄膜；所述硅衬底的正面形成所述硅线阵列；所述硅衬底的背面从上至下依次为P⁺型掺杂的单晶硅和P⁺⁺型非晶硅薄膜，形成PP⁺同质浓度结和P⁺P⁺⁺异质浓度结。

5.如权利要求1所述的硅基径向同质异质结太阳电池，其中，所述硅衬底为N型单晶硅；各个所述硅线的所述内层为N型单晶硅，所述中间层为P型掺杂的单晶硅，所述外壳层为P⁺型非晶硅薄膜；所述硅衬底的正面形成所述硅线阵列；所述硅衬底的背面从上至下依次为本征I型非晶硅薄膜和N⁺型非晶硅薄膜，构成HIT结构。

6.如权利要求1所述的硅基径向同质异质结太阳电池，其中，所述硅衬底为N型单晶硅，各个所述硅线的所述内层为N型单晶硅，所述中间层为P型掺杂的单晶硅，所述外壳层为P⁺型非晶硅薄膜；所述硅衬底的正面形成所述硅线阵列；所述硅衬底的背面从上至下依次为N⁺型掺杂的单晶硅和N⁺⁺型非晶硅薄膜，形成NN⁺同质浓度结和N⁺N⁺⁺异质浓度结。

7.如权利要求3、4、5或6所述的硅基径向同质异质结太阳电池，其中，所述硅线阵列的周期为0.2-20μm；各个所述硅线的直径为0.1-5μm，高度为1-50μm；各个所述硅线的所述中间层的掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度是5-100nm；各个所述硅线的所述外壳层的掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²⁰cm^-3，厚度是5-20nm。

8.一种硅基径向同质异质结太阳电池的制备方法，用于制备如权利要求1-6中任一项所述的硅基径向同质异质结太阳电池，其特征在于包括步骤：首先在所述硅衬底的所述正面覆盖一层二氧化硅颗粒作掩膜，进行反应离子刻蚀以在所述硅衬底的所述正面形成所述硅线阵列；然后通过扩散或离子注入的方式进行所述掺杂，并通过等离子体增强化学气相沉积所述非晶硅薄膜；最后通过磁控溅射ITO薄膜和丝网印刷制作电极以完成所述硅基径向同质异质结太阳电池的制作。

9.如权利要求8所述的硅基径向同质异质结太阳电池的制备方法，其中，通过所述扩散进行所述掺杂而形成的所述同质结需通过等离子体刻蚀机进行去边缘结和在氢氟酸溶液中进行去磷硅玻璃和/或硼硅玻璃处理。

10.如权利要求8所述的硅基径向同质异质结太阳电池的制备方法，其中，通过所述离子注入进行所述掺杂而形成的所述同质结需进行800-1200°C的快速热退火处理。