CN106898666B - 一种径向(110)体硅太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种径向(110)体硅太阳电池及其制备方法。太阳电池的结构主体是在一个P型(110)体硅片上形成多个径向p‑n结结构单元并联排布；所述径向p‑n结结构单元为，芯部为n型区；p型区环绕在n型区外圈，与n型区形成p‑n结；P+型区作为窗口层环绕在P型区外圈，形成势垒以降低载流子复合，增强载流子扩散。在太阳电池的迎光面覆有减反射膜，在背光面覆有电极。本发明的(110)体硅太阳电池是一种真正意义上的三维太阳电池，其径向p‑n结结构能够显著提高晶体硅太阳电池的效率。
Description
技术领域
本发明属于光伏电池技术领域，特别涉及一种径向(110)体硅太阳电池及其制备方法。
背景技术
在能源问题日益突出、环境污染日益严重的今天，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、清洁无污染的绿色能源备受瞩目。其中硅基太阳电池是目前应用最广泛的一种太阳电池，占据了主要市场，比例接近90％。但目前晶硅电池无论在效率提升还是降低成本方面都没有很大的改善。在传统单晶硅电池中，电池厚度越大越有利于光吸收，但如果电池厚度大于扩散长度，载流子发生复合，电池效率就会降低。单晶硅太阳电池厚度一般为200～300μm，其中40～50％的硅材料用于衬底，仅起到支撑作用，材料利用率低。如果这部分材料太薄，在硅片加工和电池制备过程中硅片又易碎裂，会增加电池成本。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种径向(110)体硅太阳电池及其制备方法。
一种径向(110)体硅太阳电池，其结构主体是在一个P型(110)体硅片上形成多个径向p-n结结构单元并联排布；所述径向p-n结结构单元为，芯部为n型区；p型区环绕在n型区外圈，与n型区形成p-n结；P+型区作为窗口层环绕在P型区外圈，形成势垒以降低载流子复合，增强载流子扩散。
所述径向p-n结结构单元中，n型区的径向尺寸A为1～20μm；和/或，p型区的径向尺寸B为10～200μm；和/或，P+型区的径向尺寸C为1～20μm。
所述(110)体硅太阳电池的厚度H为200～400μm。
相邻的p-n结结构单元之间通过P+型区接合。
在太阳电池的迎光面覆有减反射膜；和/或，所述减反射膜为SiO2/SiNX双层减反射膜；其中，SiO2层减反射膜的厚度为10～40nm，SiNX层减反射膜的厚度为50～90nm。
在太阳电池的背光面，P+型区上覆有P+电极，n型区上覆有n电极；和/或，所述P+电极和n电极均采用Au电极。
一种径向(110)体硅太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
1)清洗P型(110)体硅片并烘烤干燥；
2)刻蚀制绒；
3)在制绒后的表面制备SiO2掩膜，再利用光刻工艺在相应区域扩散P得到n型区，在相应区域扩散B得到P+型区；
4)在迎光面制备减反射膜；
5)在背光面制作电极图形；得到太阳电池。
步骤1)中所述烘烤干燥的温度为40～60℃，时间为5～15min。
步骤2)中采用质量浓度为10％～25％的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液腐蚀硅片制绒，腐蚀温度60～90℃，时间5～15min。
步骤3)包括以下步骤：
31)使用磁控溅射法或化学气相沉积法生长SiO2掩膜，利用光刻工艺制备图形，露出对应n型区的SiO2掩膜，使用氢氟酸腐蚀掉裸露的SiO2掩膜后再使用丙酮去除光刻胶，并扩散P得到n型区；
32)使用磁控溅射法或化学气相沉积法生长SiO2掩膜，利用光刻工艺制备图形，露出对应P+型区的SiO2掩膜，使用氢氟酸腐蚀掉裸露的SiO2掩膜后再使用丙酮去除光刻胶，并扩散B得到P+型区；
扩散P的深度、扩散B的深度均为所述P型(110)体硅片的厚度。
步骤31)和步骤32)中，所述SiO2掩膜的厚度分别为150～300nm。使用氢氟酸腐蚀掉SiO2掩膜为：使用质量浓度10％～20％的HF溶液腐蚀SiO2掩膜15～40s。
步骤31)中，所述扩散P的扩散温度为800～1000℃，扩散时间为1～4h，扩散P的浓度为1015～1016cm-3，P源为磷纸或POCl3。
步骤32)中，所述扩散B的扩散温度为800～1000℃，扩散时间为1～4h，扩散B的浓度为1019～1020cm-3，B源为硼纸或BBr3。
步骤5)中电极图形的制备方法为：
51)使用磁控溅射法或化学气相沉积法在背光面生长SiO2掩膜，利用光刻工艺制备图形，使n型区和p+型区上的电极区域裸露，其余部分覆盖SiO2掩膜；
52)采用磁控溅射法或真空镀膜法在背光面制作一层100～400nm厚的Au薄膜；
53)利用光刻工艺制作图形，使n型区和p+型区上的电极区域的Au薄膜和相邻径向p-n结结构单元并联连接的Au薄膜均被光刻胶覆盖，其余部分Au薄膜裸露，使用I:KI:H2O＝1:4:4(质量比)溶液腐蚀掉裸露的Au薄膜，去除光刻胶后得到电极图形；其中，所述腐蚀的温度为40～50℃，时间为2～5min。
本发明的有益效果为：
本发明的(110)体硅太阳电池是一种真正意义上的三维太阳电池，光子入射方向与p-n结方向垂直，光子的吸收厚度与扩散长度不干扰，电池厚度不受扩散长度限制，可以更充分的吸收太阳光；并且p-n结接触面积比传统电池的p-n结接触面积大大增加，更有利于不同结区载流子的收集。此径向p-n结结构能够显著提高晶体硅太阳电池的效率。
采用(110)晶体硅一是有利于达到相应的扩散深度，二是有利于掺杂材料只在指定区域内垂直扩散，而避免向周围区域的横向扩散。
本发明将硅材料全部利用，利用率100％，能够节约原料并大幅降低成本。
附图说明
图1为实施例1所制备的(110)体硅太阳电池的局部三维结构剖切示意图。
图2为实施例1所制备的(110)体硅太阳电池的平面结构示意图。
图3为(a)传统p-n结晶硅太阳电池与(b)本发明径向p-n结(110)体硅太阳电池的对比图。
图4为①:光刻①版、②:光刻②版、③:光刻③版、④:光刻④版的示意图；其中白色区域为透光区，灰色区域为遮光区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
以下实施例中，所用材料如无特别说明，均可通过市售获得；操作方法如无特别说明，均为常规方法。
实施例1
1)依次用丙酮、乙醇清洗厚度H为400μm的(110)体硅片，然后烘烤干燥，烘烤的温度为50℃，时间为10min。
2)刻蚀制绒：使用质量浓度为25％的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液腐蚀硅片，腐蚀温度为80℃，时间10min。
3)在制绒后的表面采用磁控溅射法或化学气相沉积(CVD)法生长一层200nm厚的SiO2掩膜。
4)在SiO2掩膜表面涂匀光刻胶，使用光刻机及光刻①版，利用光刻工艺刻蚀出相应图形，露出对应n型区的SiO2掩膜，使用质量浓度10％的HF溶液腐蚀裸露的SiO2掩模20s，再使用丙酮去胶，然后扩散P得到n型区，扩散温度为1000℃，扩散时间为2h，扩散厚度为硅片厚度，扩散P的浓度为1016cm-3，P源为磷纸或POCl3；采用(110)晶体硅保证了P在该区域的垂直扩散，并达到相应的扩散深度。然后使用质量浓度40％的HF溶液去除表面的磷硅玻璃。
5)重复步骤1)。
6)重复步骤3)。
7)在再次生长的SiO2掩膜表面涂匀光刻胶，使用光刻机及光刻②版，利用光刻工艺刻蚀出相应图形，露出对应P+型区的SiO2掩膜，使用质量浓度10％的HF溶液腐蚀裸露的SiO2掩模20s，再使用丙酮去胶，然后扩散B得到P+型区，扩散温度为1000℃，扩散时间为2h，扩散厚度为硅片厚度，扩散P的浓度为1019cm-3，B源为硼纸或BBr3；同理，采用(110)晶体硅保证了B在该区域的垂直扩散，并达到相应的扩散深度。然后使用质量浓度40％的HF溶液去除表面的硼硅玻璃。
8)重复步骤1)。得到电池结构主体，其中多个径向p-n结结构单元阵列排布。
9)在迎光面采用CVD(化学气相沉积)法或PECVD(等离子增强化学气相沉积)法制备减反射膜。优选为SiO2/SiNX双层减反膜，其中SiO2减反射膜的厚度为20nm，SiNX层减反射膜的厚度为60nm，但并不限于此。本实施例中使用PECVD法制备SiO2/SiNX双层减反膜，首先沉积一层厚为20nm的SiO2薄膜，N2O/SiH4流量比为16:1，之后同样方法沉积60nm厚的SiNX薄膜，NH3/SiH4气体流量比为7:1。其中PECVD工艺条件为：中心沉积温度500℃，射频功率5000W，压强250Pa。
10)在背光面使用磁控溅射法或化学气相沉积(CVD)法沉积一层200nm的SiO2掩膜。
11)在再次生长的SiO2掩膜表面涂匀光刻胶，使用光刻机及光刻③版，利用光刻工艺刻蚀出相应图形，使n型区和p+型区上的电极区域裸露，其余部分覆盖SiO2掩膜。其中，n型区电极区域位于n型区的表面中部，p+型区电极区域位于相邻两列径向p-n结结构单元接合的p+型区上。因为操作及仪器存在误差，n型区电极区域的尺寸应该略小于n型区的尺寸，以免后续生长的Au薄膜同时接触n型区和p型区；同理，p+型区电极区域的宽度应该略小于相邻两列径向p-n结结构单元接合的p+型区的宽度，以免后续生长的Au薄膜同时接触p+型区和p型区。使用质量浓度10％的HF溶液腐蚀裸露的SiO2掩膜20s，再使用丙酮去胶。然后使用磁控溅射法或真空镀膜法在背光面生长一层100nm厚的Au薄膜，本实施例中使用磁控溅射法制备Au薄膜，其中溅射气压<10-4Pa，功率为60W。
12)在生长的Au薄膜表面涂匀光刻胶，使用光刻机及光刻④版，利用光刻工艺刻蚀出相应图形，使每列n型区电极区域所对应的整列Au薄膜和每列p+型区电极区域所对应的整列Au薄膜均被光刻胶覆盖，其余部分Au薄膜裸露。为免腐蚀误差，光刻④版中对应n型区电极区域、p+型区电极区域的长条形遮光区宽度可以分别略大于n型区电极区域、p+型区电极区域的宽度。然后使用I:KI:H2O＝1:4:4(质量比)溶液腐蚀裸露的Au薄膜，其中，腐蚀的温度为40℃，时间为3min；再使用丙酮去胶。得到p+型区与n型区的Au薄膜构成正负电极，并通过Au薄膜将多个阵列排布的径向p-n结结构单元并联连接。最终得到径向(110)体硅太阳电池。
Claims (13)
1.一种径向(110)体硅太阳电池，其特征在于，其结构主体是在一个P型(110)体硅片上形成多个径向p-n结结构单元并联排布；所述径向p-n结结构单元为，芯部为n型区；p型区环绕在n型区外圈，与n型区形成p-n结；P+型区作为窗口层环绕在P型区外圈；
所述径向p-n结结构单元中，
n型区的径向尺寸A为1～20μm；和/或，
p型区的径向尺寸B为10～200μm；和/或，
P+型区的径向尺寸C为1～20μm。
2.根据权利要求1所述一种径向(110)体硅太阳电池，其特征在于，所述(110)体硅太阳电池的厚度H为200～400μm。
3.根据权利要求1所述一种径向(110)体硅太阳电池，其特征在于，相邻的p-n结结构单元之间通过P+型区接合。
4.根据权利要求1所述一种径向(110)体硅太阳电池，其特征在于，在太阳电池的迎光面覆有减反射膜；和/或，
所述减反射膜为SiO2/SiNX双层减反射膜；其中，SiO2层减反射膜的厚度为10～40nm，SiNX层减反射膜的厚度为50～90nm。
5.根据权利要求1所述一种径向(110)体硅太阳电池，其特征在于，在太阳电池的背光面，P+型区上覆有P+电极，n型区上覆有n电极；和/或，
所述P+电极和n电极均采用Au电极。
6.权利要求1所述一种径向(110)体硅太阳电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)清洗P型(110)体硅片并烘烤干燥；
2)刻蚀制绒；
3)在制绒后的表面制备SiO2掩膜，再利用光刻工艺在相应区域扩散P得到n型区，在相应区域扩散B得到P+型区；
4)在迎光面制备减反射膜；
5)在背光面制作电极图形；得到太阳电池。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述烘烤干燥的温度为40～60℃，时间为5～15min。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)中采用质量浓度为10％～25％的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液腐蚀硅片制绒，腐蚀温度60～90℃，时间5～15min。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)包括以下步骤：
31)使用磁控溅射法或化学气相沉积法生长SiO2掩膜，利用光刻工艺制备图形，露出对应n型区的SiO2掩膜，使用氢氟酸腐蚀掉裸露的SiO2掩膜后再使用丙酮去除光刻胶，并扩散P得到n型区；
32)使用磁控溅射法或化学气相沉积法生长SiO2掩膜，利用光刻工艺制备图形，露出对应P+型区的SiO2掩膜，使用氢氟酸腐蚀掉裸露的SiO2掩膜后再使用丙酮去除光刻胶，并扩散B得到P+型区；
扩散P的深度、扩散B的深度均为所述P型(110)体硅片的厚度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤31)和步骤32)中，所述SiO2掩膜的厚度分别为150～300nm。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用氢氟酸腐蚀掉SiO2掩膜为：使用质量浓度10％～20％的HF溶液腐蚀SiO2掩膜15～40s。
12.根据权利要求6或9所述的方法，其特征在于，所述扩散P的扩散温度为800～1000℃，扩散时间为1～4h，扩散P的浓度为1015～1016cm-3，P源为磷纸或POCl3；和/或，
所述扩散B的扩散温度为800～1000℃，扩散时间为1～4h，扩散B的浓度为1019～1020cm-3，B源为硼纸或BBr3。
13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中电极图形的制备方法为：
51)使用磁控溅射法或化学气相沉积法在背光面生长SiO2掩膜，利用光刻工艺制备图形，使n型区和p+型区上的电极区域裸露，其余部分覆盖SiO2掩膜；
52)采用磁控溅射法或真空镀膜法在背光面制作一层100～400nm厚的Au薄膜；
53)利用光刻工艺制作图形，使n型区和p+型区上的电极区域的Au薄膜和相邻径向p-n结结构单元并联连接的Au薄膜均被光刻胶覆盖，其余部分Au薄膜裸露，使用I:KI:H2O＝1:4:4(质量比)溶液腐蚀掉裸露的Au薄膜，去除光刻胶后得到电极图形；其中，所述腐蚀的温度为40～50℃，时间为2～5min。
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