CN106981537B - 一种应用于晶体硅太阳电池的Si/TiOx结构 - Google Patents

Abstract

一种应用于晶体硅太阳电池的Si/TiO_x结构，在晶体硅表面之上为一层钝化TiO_x层，钝化TiO_x层之上为一层n‑TiO_x层，形成晶体硅‑钝化TiO_x层‑n‑TiO_x层结构。该结构使用双层TiO_x与晶体硅形成异质结。其中，内层的钝化TiO_x可对硅片表面形成良好钝化，而外层的n‑TiO_x层为掺杂浓度较高的TiO_x，可使异质结内部形成较强的内建电场。采用这种结构的晶体硅太阳电池可同时实现较高的开路电压和短路电流。可使硅太阳电池具有较高的光电转换效率。

Description

一种应用于晶体硅太阳电池的Si/TiOx结构

技术领域

本发明属于太阳电池领域，也属于半导体器件领域，涉及硅太阳电池的结构设计。

背景技术

随着光伏发电技术的日益普及，全球太阳电池的产量不断上升。当前太阳电池的产量中，晶体硅太阳电池占据了绝大部分份额。虽然晶体硅为间接带隙半导体，用其制备太阳电池需要消耗较多的材料。但硅材料在地球上储量丰富，制备技术成熟，制造成本也不断下降。因此，人们仍然愿意用硅来制备太阳电池并投入大量的研发，希望能提高硅太阳电池的转换效率并降低其成本。

晶体硅太阳电池按其结构可分为同质结和异质结结构。目前工业上生产的晶体硅电池多数基于同质结结构。随着工艺的进步，同质结晶体硅太阳电池的光电转换效率已经逐渐接近极限。与同质结太阳电池相比，异质结太阳电池可在电池内建电场之外形成额外的有效势场，最终可提高电池的开路电压及光电转换效率。可以预见，未来异质结将取代同质结成为硅太阳电池中主要采用的结构。

目前技术上比较成熟的晶体硅异质结太阳电池是基于非晶硅/晶体硅异质结的HIT电池（典型结构为ITO/α-Si(p)/α-Si(i)/c-Si/α-Si(i)/α-Si(n)/ITO）。然而，HIT电池也存在由于非晶硅层的吸收而导致的电池短路电流密度偏低的问题。本发明提出一种可应用于晶体硅太阳电池的新型Si/TiO_x异质结结构，希望在提高晶体硅太阳电池开路电压前提下，减小电池短路电流的损失，提高其光电转换效率。

TiO_x（x ≈ 2）是一种宽带隙（>3 eV）的过渡金属氧化物半导体，其导带位置稍高于硅的导带（< 0.3eV）而价带位置远低于硅的价带（> 2.0eV）。如果TiO_x与Si形成异质结，其界面处的导带偏移可有助于增强Si/TiO_x异质结的内建电场，而价带偏移可抑制暗电流或反向饱和电流。因此Si/TiO_x异质结拥有能带结构上的天然优势，理论上可制备得到高效的Si/TiO_x异质结太阳电池。

要想得到高效的晶体硅太阳电池，硅片表面必须要进行良好的钝化。目前使用原子层沉积等方法制备的非晶态TiO_x薄膜，可对硅表面形成良好的钝化（硅片表面复合速率<10 cm/s，少子寿命>1 ms）。虽然非晶态的TiO_x对硅表面的钝化效果良好，但其电学性能往往较差，掺杂水平仅为本征型或弱n型。若仅仅使用TiO_x钝化层与硅形成异质结，其内部的内建电场将较弱，这将导致电池的开路电压偏低。若采用其它制备工艺如溅射来沉积TiO_x薄膜，虽然可以提高其n型掺杂浓度以增强内建电场的强度，然而所制备的TiO_x层并不能对硅表面形成良好的钝化，这将会导致较高的表面复合而减小开路电压。综上可知，目前的工艺水平无法制备同时具有良好钝化效果且具有较高n型掺杂水平的TiO_x薄膜，使得Si/TiO_x异质结能带结构上的优势无法完全发挥，这限制了Si/TiO_x异质结在硅太阳电池中的应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种应用于晶体硅太阳电池的Si/TiO_x结构，该结构使用双层TiO_x与晶体硅形成异质结（结构示意图如附图1所示）。其中内层TiO_x一般为非晶态，其主要作用是对Si表面提供良好钝化，该TiO_x层厚度为1-20 nm，导电类型为本征或弱n型。外层TiO_x主要作用是增强该异质结结构中内建电场的强度，该层TiO_x为n型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁶ - 1×10²⁰ cm^-3，厚度为10-300 nm。

本发明所述的一种应用于晶体硅太阳电池的Si/TiO_x结构，其特征是在晶体硅表面制备一层对硅表面具有良好钝化效果的钝化TiO_x层，钝化TiO_x层之上再制备一层n型掺杂且掺杂浓度较高的n-TiO_x层，形成晶体硅-钝化TiO_x层-n-TiO_x层结构。

本发明所述结构可以通过以下工艺制备：首先在清洗干净的硅片表面使用原子层沉积工艺或化学气相沉积工艺等制备一层非晶态TiO_x层，该TiO_x层对硅片表面提供良好的钝化；随后，在钝化TiO_x层之上使用蒸发或溅射工艺等沉积一层10-300 nm厚的TiO_x层，沉积过程中通过调整制备参数使得所制备的TiO_x具有适当的n型掺杂浓度等。

本发明所述的对硅片形成具有良好钝化的TiO_x层（钝化TiO_x层）为非晶态半导体，导电类型为本征型或弱n型。

本发明所述的n型掺杂的TiO_x层（n-TiO_x层）为结晶态半导体，其掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10²⁰cm^-3。

本发明借鉴HIT电池的中的p-i-n结构，使用双层TiO_x与晶体硅形成异质结。其中靠近硅片表面的内层TiO_x主要作用是对硅片表面进行钝化，而外层TiO_x主要作用是增强Si/TiO_x结构中内建电场的强度。采用这种结构，既能使硅片表面得到良好钝化，又能在异质结内部形成较强的内建电场，加上硅与TiO_x异质结能带结构本身具有的抑制反向饱和电流等优势，可实现较高的开路电压。另外，由于TiO_x带隙较宽（>3 eV），其对太阳光的吸收较弱。制备太阳电池时可使光从TiO_x一侧入射，这样就可使绝大多数入射光进入电池内部并被有效利用。因此采用这种结构的太阳电池可同时实现较高的开路电压和短路电流。

本发明所提出的硅与双层TiO_x形成的异质结，既能使硅片表面得到良好钝化，又能在异质结内部形成较强的内建电场。此外，硅与TiO_x形成的异质结其能带结构具有可抑制反向饱和电流等优势，因此采用本发明所提出的Si/TiO_x结构的太阳电池可实现较高的开路电压。另外由于TiO_x带隙较宽，如太阳光从TiO_x一面入射，其对太阳光的吸收较弱，因此电池的短路电流也将较高。综合以上，本发明所提出的Si/TiO_x结构将使硅太阳电池具有较高的光电转换效率。

附图说明

附图1为本发明所提及的Si/TiO_x结构示意图。图中，1为硅片；2为钝化TiO_x层，其对硅片表面提供良好钝化作用；3为 n-TiO_x层，其为n型掺杂且具有一定掺杂浓度。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。

（1）对硅片表面进行清洗、制绒等预处理。

（2）在处理好的硅片表面沉积一层非晶态TiO_x层，该TiO_x层为硅材料表面提供良好的钝化效果。钝化TiO_x层的制备使用原子层沉积工艺，其厚度控制在1nm。

（3）在非晶态的钝化TiO_x层上沉积一层结晶态TiO_x层，其掺杂类型为n型。该n型TiO_x层的制备使用溅射工艺，其厚度为100nm，掺杂浓度控制在1×10¹⁸cm^-3。

实施例2。

（1）对硅片表面进行清洗、制绒等预处理。

（2）在处理好的硅片表面沉积一层非晶态TiO_x层，该TiO_x层为硅材料表面提供良好的钝化效果。钝化TiO_x层的制备使用化学气相沉积工艺，其厚度控制在3nm。

（3）在非晶态的钝化TiO_x层上沉积一层结晶态TiO_x层，其掺杂类型为n型。该n型TiO_x层的制备使用蒸发工艺，其厚度为50nm，掺杂浓度控制在5×10¹⁷cm^-3。

Claims (4)

1.一种应用于晶体硅太阳电池的Si/TiO_x结构，其特征是在晶体硅表面之上为一层钝化TiO_x层，钝化TiO_x层之上为一层n-TiO_x层，形成晶体硅-钝化TiO_x层-n-TiO_x层结构，该结构形成晶体硅太阳电池内建电场。

2.根据权利要求1所述的一种应用于晶体硅太阳电池的Si/TiO_x结构，其特征是所述的结构的制备过程是：首先在清洗干净的硅片表面使用原子层沉积工艺或化学气相沉积工艺制备一层钝化TiO_x；随后，在钝化TiO_x层之上使用蒸发或溅射工艺沉积一层10-300 nm厚的TiO_x层。

3.根据权利要求1所述的一种应用于晶体硅太阳电池的Si/TiO_x结构，其特征是所述钝化TiO_x层为非晶态半导体，导电类型为本征型或弱n型。

4.根据权利要求1所述的一种应用于晶体硅太阳电池的Si/TiO_x结构，其特征是所述的n-TiO_x层为结晶态半导体，其掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10²⁰cm^-3。