CN106816491A - 硅基太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基太阳能电池，包括：硅基电池本体，在硅基电池本体表面形成有短波长光吸收层，短波长光吸收层由对硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成；短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，利用短波长光吸收层对太阳光短波的吸收和光电转换效率大于硅基电池本体对太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应。本发明还公开了一种硅基太阳能电池的制造方法。本发明能有效提高硅基太阳能电池对短波长的吸收，拓宽其光谱响应，进而提高太阳能电池的转换效率，能与微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低。

Description

硅基太阳能电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及纳米光电子器件领域，尤其是涉及一种硅基太阳能电池；本发明还涉及一种硅基太阳能电池的制造方法。
背景技术
在新能源的研究过程中，太阳能作为一种分布广泛、取之不尽、用之不竭且无污染的绿色清洁能源，成为人类社会可持续发展的首选目标。所以，将光能直接转换成电能的太阳能电池的研究成为世界各国重点投资、大力研发的重大课题。单晶硅材料室温下带隙为1.1eV，正好落在太阳光辐射的峰值附近，有比较高的光电能量转换效率。因此，硅基太阳能电池成为目前乃至将来最具发展潜力的材料之一。
从根本上来说，由于单晶硅材料的带隙为1.1eV，Si单晶太阳能电池对太阳光谱辐射是非全谱响应，1.1ev对应于1127nm的光子能量，也即波长小于1127nm的太阳光都能被单晶硅太阳能电池吸收。太阳光中400nm到760nm波长之间的光为可见光，波长为10nm至400nm之间的光为紫外线，红外线的波长大于760nm。可见，紫外线的光子能量大于单晶硅的能隙即禁带宽度，所以短波长的紫外光可以被Si吸收，但紫外线吸收后会激发的过热的光生载流子，过热的光生载流子的动能为紫外线的光子能量和单晶硅的禁带宽度的差，过热的光生载流子弛豫到带底时，其动能大部分转化为热能，并且在弛豫到带底的过程中，大部分的载流子被界面态复合，因此太阳辐射的短波长光未能被电池充分利用，这样，能量较高的短波长光子不能被有效利用，其有效响应光谱最低仅能达到500nm附近，500nm波长的光子能量为2.48eV，小于500nm的短波长波段未被利用，从而导致很大的能量损失。因此设计和制备宽光谱响应的太阳能电池成为目前研究和发展的重点方向之一。
目前，根据国际上针对提高硅基太阳能电池转换效率的研究，解决太阳光谱能量在低波段损失的方法主要有如下两种情况：
(1)利用能带工程调控半导体的能带结构，增加具有不同带隙的材料数目以匹配太阳光谱，即构建全硅基叠层太阳能电池来解决太阳光谱能量损失，但对于单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜，该方法的实施仍存在较大的困难。
(2)根据量子尺寸效应，通过控制量子点尺寸可以调节量子点的禁带宽度，得到比单晶硅带隙大的可控宽带隙纳米硅材料。制备含有不同量子点尺寸的纳米硅结构，实现吸收范围覆盖到紫外光波段的宽波长吸收，从而提高吸收和转换效率。要在近紫外-可见光波段的光谱响应特性得到明显提高，纳米硅晶粒尺寸要达到3nm以下，对实验条件和工艺要求较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硅基太阳能电池，能有效提高硅基太阳能电池对短波长的吸收，拓宽其光谱响应，进而提高太阳能电池的转换效率，能与微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低。为此，本发明还提供一种硅基太阳能电池的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的硅基太阳能电池包括：
由硅材料形成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换。
硅基电池本体表面形成有短波长光吸收层，所述短波长光吸收层由对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成，所述短波长光吸收层的禁带宽度大于硅的禁带宽度。
所述短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层后再在所述硅基电池本体中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层对太阳光短波的吸收率；利用所述短波长光吸收层对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应。
在所述短波长光吸收层的表面形成有顶电极，所述顶电极为透明导电电极。
在所述硅基电池本体的背面形成有背电极。
进一步的改进是，在所述硅基电池本体的表面形成有一层由硅薄膜材料组成的导电层，所述短波长光吸收层由对所述导电层的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成。
进一步的改进是，所述PN结二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。
所述PIN二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，本征硅薄膜的厚度为100nm～2000nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。
进一步的改进是，所述导电层的厚度为20nm～100nm。
进一步的改进是，所述短波长光吸收层的厚度为1nm～3nm。
为解决上述技术问题，本发明提供的硅基太阳能电池的制造方法包括如下步骤：
步骤一、在衬底上制备由硅材料组成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换。
步骤二、对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成介电层，由所述介电层组成短波长光吸收层，所述短波长光吸收层的禁带宽度大于硅的禁带宽度。
所述短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层后再在所述硅基电池本体中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层对太阳光短波的吸收率；利用所述短波长光吸收层对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应。
步骤三、在所述短波长光吸收层的表面形成由透明导电电极组成的顶电极。
步骤四、在所述硅基电池本体的背面形成背电极。
进一步的改进是，步骤一形成所述硅基电池本体之后还包括在所述硅基电池本体的表面形成一层由硅薄膜材料组成的导电层的步骤，步骤二中通过对所述导电层的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成所述介电层。
进一步的改进是，步骤一中的所述衬底为单晶硅片或透明导电玻璃。
进一步的改进是，所述PN结二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。
所述PIN二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，本征硅薄膜的厚度为100nm～2000nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。
所述N型硅薄膜、所述本征硅薄膜和所述P型硅薄膜都采用PECVD工艺生长形成，所述N型硅薄膜、所述本征硅薄膜和所述P型硅薄膜的PECVD工艺的功率源频率都为13.56MHZ，功率密度都为0.32W/cm2～0.53W/cm2,工艺温度都为室温～400摄氏度。
进一步的改进是，步骤二中对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化都采用PECVD工艺，氧化工艺的气源为氧气、形成的所述介电层为氧化硅薄膜，氮化工艺的气源为氨气、形成的所述介电层为氮化硅薄膜，碳化工艺的气源为甲烷、形成的所述介电层为碳化硅薄膜。
氧化、氮化或碳化的PECVD工艺的功率源频率都为13.56MHZ，功率密度都为0.32W/cm2～0.53W/cm2,工艺温度都为室温～400摄氏度。
所述短波长光吸收层的厚度为1nm～3nm。
本发明通过在硅基电池本体和由透明导电电极组成的顶电极之间加入短波长光吸收层，短波长光吸收层直接由对硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成，该介电层具有良好的界面且禁带宽度大于硅的禁带宽度，能在太阳光穿过时对大于短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，在短波长光吸收层中进行光吸收产生的光生载流子的动能为光子能量和短波长光吸收层的禁带宽度之差，而短波长光吸收层的禁带宽度大于硅的禁带宽度，所以短波长光吸收层产生的光生载流子的动能要小于硅层中产生的光生载流子的动能，所以本发明的短波长光吸收层能减少光生载流子的弛豫，在加上结合短波长光吸收层具有良好的界面，能减少或消除短波长的光被硅吸收后由于过热载流子弛豫到带底过程中被容易被界面态复合的缺陷，短波长光吸收层能对吸收的短波长进行良好的利用，提高了电池对短波长的响应，能使电池的有效响应光谱拓展到小于500nm的短波长波段；由上可知，本发明能有效提高硅基太阳能电池对短波长的吸收，拓宽其光谱响应，进而提高太阳能电池的转换效率。
另外，本发明短波长光吸收层通过直接对硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成，而硅基电池本体本来就是采用硅工艺形成，所以本发明能与微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明实施例一硅基太阳能电池的示意图；
图2是本发明实施例二硅基太阳能电池的示意图；
图3A至图3E是本发明实施例一的硅基电池本体五种结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明实施例一硅基太阳能电池的示意图；本发明实施例一硅基太阳能电池，包括：
由硅材料形成的硅基电池本体1，所述硅基电池本体1的结构包括如下几种情形：
如图3A所示，所述硅基电池本体由1a标记，该硅基电池本体由1a由一个PN结二极管组成，其中P表示P型硅薄膜，N表示N型硅薄膜。
如图3B所示，所述硅基电池本体由1b标记，该硅基电池本体由1b由一个PIN二极管组成；其中I表示本征硅薄膜。
如图3C所示，所述硅基电池本体由1c标记，该硅基电池本体由1c由两个以上的PN结二极管叠加而成。
如图3D所示，所述硅基电池本体由1d标记，该硅基电池本体由1d由两个以上的PIN二极管叠加而成。
如图3E所示，所述硅基电池本体由1e标记，该硅基电池本体由1e由总数为两个以上的PN结二极管和PIN二极管叠加而成，也即叠加结构中既包括了PN结二极管，也包括了PIN二极管，PN结二极管和PIN二极管的总数为两个以上。
较佳选择为，所述PN结二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm；所述PIN二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，本征硅薄膜的厚度为100nm～2000nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。
硅基电池本体1表面形成有短波长光吸收层2，所述短波长光吸收层2由对所述硅基电池本体1的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成，其中，硅氧化形成的介质层为氧化硅(SiOx)，硅氮化形成的介质层为氮化硅(SiNx)，硅碳化形成的介质层为碳化硅(SiCx)；所述短波长光吸收层2的禁带宽度大于硅的禁带宽度。根据氧含量、氮含量或碳含量的不同，所述短波长光吸收层2的禁带宽度可以调节，其中SiO2的禁带宽度约为9eV，氧含量减少禁带宽度会降低；Si3N4的禁带宽度约为5.4eV，氮含量减少禁带宽度会降低；SiC的禁带宽度约为3eV，碳含量减少禁带宽度会降低。
所述短波长光吸收层2用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层2的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层2后再在所述硅基电池本体1中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层2的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层2对太阳光短波的吸收率。通常，所述短波长光吸收层2的厚度越厚，吸收光的距离越长，所述短波长光吸收层2对太阳光短波的吸收率也就越大，但相应的输运电阻会变大。较佳为，所述短波长光吸收层2的厚度为1nm～3nm，该厚度能保证对太阳光短波的充分吸收，并能使光生载流子得到很好的传导。
利用所述短波长光吸收层2对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体1对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应；
在所述短波长光吸收层2的表面形成有顶电极3，所述顶电极3为透明导电电极；本发明实施例中透明导电电极采用掺铝氧化锌(AZO)或石墨烯等。
在所述硅基电池本体1的背面形成有背电极4。
如图2所示，是本发明实施例二硅基太阳能电池的示意图；本发明实施例二和本发明实施例一的区别之处为：本发明实施例二还包括：
在所述硅基电池本体1的表面形成有一层由硅薄膜材料组成的导电层，所述短波长光吸收层2由对所述导电层的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成。较佳为，所述导电层的厚度为20nm～100nm。所述导电层用于对所述硅基电池本体1产生的光生载流子进行传导。
本发明实施例一种硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在衬底上制备由硅材料组成的硅基电池本体1，所述硅基电池本体1由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体1用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换。
制备过程中，采用平板电容型射频等离子体增强化学气相沉积(PECVD)作为生长系统，反应气源采用硅烷(SiH4)、磷烷(PH3)或硼烷(B2H6)气体，分别制备本征(硅烷)、N型(硅烷加磷烷)和P型(硅烷加硼烷)硅薄膜材料，并形成PN结或PIN结。所述衬底为单晶硅片或透明导电玻璃(Transparent Conductive Oxide,TCO)，并放置在反应腔内接地的金属阳极板上。制备时的其它若干工艺条件如下：
功率源频率：13.56MHz；
功率密度：0.32W/cm2～0.53W/cm2；
衬底温度：室温～400℃；
薄膜厚度：本征硅薄膜100nm～2000nm，N型硅薄膜20nm～100nm，P型硅薄膜20nm～100nm范围内可调。
当所述硅基电池本体1由一个PN结二极管组成时，只进行一次P型硅薄膜和一次N型硅薄膜生长即可，如图3A所示。
当所述硅基电池本体1由一个PIN二极管组成时，只进行一次P型硅薄膜、一次本征硅薄膜和一次N型硅薄膜生长即可，如图3B所示。
当所述硅基电池本体1由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成时，则根据需要进行一次以上的P型硅薄膜、本征硅薄膜或N型硅薄膜生长，如图3C-3E所示。
步骤二、对所述硅基电池本体1的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成介电层，由所述介电层组成短波长光吸收层2，所述短波长光吸收层2的禁带宽度大于硅的禁带宽度。
所述短波长光吸收层2的形成也采用平板电容型射频等离子体增强化学气相沉积(PECVD)作为生长系统，反应气源采用氧气(O2)(氨气(NH3)或者甲烷(CH4)等)，其中氧气用于氧化形成SiOX，氨气用于氮化形成SiNX，甲烷用于碳化形成SiCX，制备时的其他工艺条件如下：
功率源频率：13.56MHz；
功率密度：0.32W/cm2～0.53W/cm2；
衬底温度：室温～400℃；
介电层厚度：1～3nm范围内可调。
所述短波长光吸收层2用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层2的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层2后再在所述硅基电池本体1中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层2的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层2对太阳光短波的吸收率；利用所述短波长光吸收层2对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体1对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应。
步骤三、在所述短波长光吸收层2的表面形成由透明导电电极组成的顶电极3。
较佳为，在透明导电电极的制备中，采用掺铝氧化锌(AZO)(或者石墨烯等)作为电池的顶电极，并覆盖在介电层之上。
在实施过程中，我们采用掺铝氧化锌(AZO)作为透明导电电极，并采用磁控溅射法进行制备，溅射起源为氩气Ar，AZO靶材的质量百分比为2％。制备中的具体工艺条件为：
步骤四、在所述硅基电池本体1的背面形成背电极4。
本发明实施例二硅基太阳能电池的制造方法和本发明实施例一制造方法的区别之处为：本发明实施例二制造方法还包括：
步骤一形成所述硅基电池本体1之后还包括在所述硅基电池本体1的表面形成一层由硅薄膜材料组成的导电层的步骤，步骤二中通过对所述导电层的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成所述介电层。所述导电层为N型或P型掺杂，可以采用和步骤一中的P型硅薄膜或N型硅薄膜相同的工艺形成。较佳为，所述导电层的厚度为20nm～100nm。所述导电层用于对所述硅基电池本体1产生的光生载流子进行传导。
本发明实施例一和二方法具有如下优点：
1、本发明实施例方法在实施中方便快捷，操作简单，无需昂贵的成本，电池器件的基本结构和介电材料可一次完成，避免了二次污染。
2、制备过程简单，可在如小于400℃的低温下进行，并可以通过调节生长时的参数实现对吸收波长的可控调节。
3、制备过程没有高温处理过程，对基底没有特殊的要求，可采用普通透明导电玻璃片、单晶硅片等作为基底材料，与当前的微电子工艺技术相兼容。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅基太阳能电池，其特征在于，包括：
由硅材料形成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换；
硅基电池本体表面形成有短波长光吸收层，所述短波长光吸收层由对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成，所述短波长光吸收层的禁带宽度大于硅的禁带宽度；
所述短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层后再在所述硅基电池本体中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层对太阳光短波的吸收率；利用所述短波长光吸收层对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应；
在所述短波长光吸收层的表面形成有顶电极，所述顶电极为透明导电电极；
在所述硅基电池本体的背面形成有背电极。
2.如权利要求1所述的硅基太阳能电池，其特征在于：在所述硅基电池本体的表面形成有一层由硅薄膜材料组成的导电层，所述短波长光吸收层由对所述导电层的表面硅进行氧化、氮化或碳化后形成的介电层组成。
3.如权利要求1或2所述的硅基太阳能电池，其特征在于：
所述PN结二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm；
所述PIN二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，本征硅薄膜的厚度为100nm～2000nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm。
4.如权利要求2所述的硅基太阳能电池，其特征在于：所述导电层的厚度为20nm～100nm。
5.如权利要求1或2或4所述的硅基太阳能电池，其特征在于：所述短波长光吸收层的厚度为1nm～3nm。
6.一种硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在衬底上制备由硅材料组成的硅基电池本体，所述硅基电池本体由一个PN结二极管组成或者由一个PIN二极管组成或者由总数量为两个以上的PN结二极管或PIN二极管叠加而成，所述硅基电池本体用于对大于硅的禁带宽度的太阳光进行吸收并进行光电转换；
步骤二、对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成介电层，由所述介电层组成短波长光吸收层，所述短波长光吸收层的禁带宽度大于硅的禁带宽度；
所述短波长光吸收层用于在太阳光穿过时对大于所述短波长光吸收层的禁带宽度的太阳光短波进行吸收，太阳光穿过所述短波长光吸收层后再在所述硅基电池本体中被吸收，通过调节所述短波长光吸收层的厚度和禁带宽度调节所述短波长光吸收层对太阳光短波的吸收率；利用所述短波长光吸收层对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率大于所述硅基电池本体对所述太阳光短波的吸收和光电转换效率的特点提高硅基太阳能电池的短波响应；
步骤三、在所述短波长光吸收层的表面形成由透明导电电极组成的顶电极；
步骤四、在所述硅基电池本体的背面形成背电极。
7.如权利要求6所述的硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：
步骤一形成所述硅基电池本体之后还包括在所述硅基电池本体的表面形成一层由硅薄膜材料组成的导电层的步骤，步骤二中通过对所述导电层的表面硅进行氧化、氮化或碳化形成所述介电层。
8.如权利要求6所述的硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：步骤一中的所述衬底为单晶硅片或透明导电玻璃。
9.如权利要求6所述的硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：所述PN结二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm；
所述PIN二极管的N型硅薄膜的厚度为20nm～100nm，本征硅薄膜的厚度为100nm～2000nm，P型硅薄膜的厚度为20nm～100nm；
所述N型硅薄膜、所述本征硅薄膜和所述P型硅薄膜都采用PECVD工艺生长形成，所述N型硅薄膜、所述本征硅薄膜和所述P型硅薄膜的PECVD工艺的功率源频率都为13.56MHZ，功率密度都为0.32W/cm2～0.53W/cm2,工艺温度都为室温～400摄氏度。
10.如权利要求6所述的硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：步骤二中对所述硅基电池本体的表面硅进行氧化、氮化或碳化都采用PECVD工艺，氧化工艺的气源为氧气、形成的所述介电层为氧化硅薄膜，氮化工艺的气源为氨气、形成的所述介电层为氮化硅薄膜，碳化工艺的气源为甲烷、形成的所述介电层为碳化硅薄膜；
氧化、氮化或碳化的PECVD工艺的功率源频率都为13.56MHZ，功率密度都为0.32W/cm2～0.53W/cm2,工艺温度都为室温～400摄氏度；
所述短波长光吸收层的厚度为1nm～3nm。
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