CN111628032B - 一种硅异质结太阳电池本征钝化层的结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳电池技术领域的一种硅异质结太阳电池本征钝化层的结构及其制作方法，结构包括设置在单晶硅片衬底上方的第一受光面和下方的第二受光面，至少在第一受光面上或者第一受光面和第二受光面上的本征硅基薄膜钝化层均是三层复合结构，其中第一层和第三层均为本征掺杂氢化非晶硅层，第二层为设置在第一层和第三层之间的宽带隙本征氢化非晶SiAx：H层；制作方法为在晶体硅衬底的受光面沉积一层非晶硅层；再生长一层宽带隙硅基i‑SiAx层；再生长一层非晶硅层，形成本征硅基钝化层；解决高钝化性能和低寄生吸收不能兼得、高钝化性能和低串联电阻相互制约的问题；该本征硅基钝化层可以降低晶体硅表面的复合速率，又可以利用宽带隙提升到达吸收层的入射光。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池技术领域，具体涉及一种硅异质结太阳电池本征钝化层的结构及其制作方法。
背景技术
随着经济社会的发展，大量使用常规化石能源不仅导致了严重的环境污染问题，而且资源日渐匮乏，大力发展和利用清洁能源已成为人类社会可持续发展的有力保障。太阳取之不尽用之不竭，且清洁无污染，是理想的绿色能源。太阳电池直接将光能转变为电能，是太阳利用的一种重要方式。
硅异质结(SHJ)太阳电池借助氢化非晶硅薄膜(a-Si：H)对晶体硅(c-Si)表面缺陷态的钝化，可以实现低于10cm/s的超低载流子复合速率，比常规高温吸杂的晶体硅太阳电池开路电压高60～100mV；在此基础上对各环节技术和工艺的不断优化，可以使SHJ太阳电池的转换效率比常规电池高约1～3个百分点。SHJ太阳电池中起关键作用的氢化非晶硅薄膜结构和性能的变化对电池的开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)和串联电阻(Rs)的影响特别大，因此对硅薄膜结构的研究和质量的提升有助于SHJ太阳电池的进一步提升。
由于晶体硅晶格的规则网络影响，硅薄膜钝化层在晶体硅表面生长时极易形成多晶硅外延层，外延层的晶界数量较多导致缺陷态密度剧增，因此在界面处应尽量避免外延层的生成。另一个问题：由于非晶硅本身的寄生吸收导致SHJ太阳电池的短路电流密度较常规电池低约2-3mA/cm2，非晶硅窗口层带隙的大小也直接影响电池的性能。
为了避免界面外延和改善寄生吸收的问题，通常采用在界面和体硅薄膜的生长中掺氧的方法来解决提升薄膜的质量和增强太阳电池的光吸收，但这种方法常常引起界面处缺陷态的种类转向复杂化，同时体薄膜的电阻增大，二者都会造成SHJ电池的填充因子(FF)降低；在界面处生长高无序的非晶硅薄膜也可以抑制外延，但同样会增加太阳电池的串联电阻而使FF降低；通过减薄非晶硅窗口层的厚度也可少量减弱寄生吸収对电池的影响，但薄非晶硅窗口层对晶体硅表面的钝化能力下降导致Voc下降2-5mV，寄生吸收的改善和转换效率互相制约，因此转换效率不能有效提升。此外，由于有效吸收和表面钝化存在互相制约，且受限于各层薄膜串联电阻对SHJ电池整体性能的影响，用作晶体硅表面钝化层的i/n和i/p型非晶硅薄膜厚度仅有5～15nm。
鉴于目前非晶硅薄膜钝化层在SHJ太阳电池中应用和进一步提升电池性能中存在的以上问题，对材料质量提升的研究和工艺优化应转聚焦到界面处。因此，如何提供一种高质量非晶硅薄膜钝化层解决界面问题，成为本领域技术人员亟待解决的一个关键技术问题。
发明内容
针对背景技术中涉及的问题，本发明的目的在于：提供一种硅异质结太阳电池的本征钝化层结构及其制作方法，用于解决现有技术中高钝化性能和低寄生吸收不能兼得、高钝化性能和低串联电阻相互制约的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种硅异质结太阳电池的本征钝化层结构，包括设置在单晶硅片衬底上方的第一受光面和下方的第二受光面，至少在所述第一受光面上的本征硅基薄膜钝化层为三层复合结构或者所述第一受光面和第二受光面上的本征硅基薄膜钝化层均是三层复合结构，其中第一层和第三层均为本征掺杂氢化非晶硅层，第二层为设置在第一层和第三层之间的宽带隙本征氢化非晶SiAx：H层，其中A为C或O。
本发明中的本征硅基钝化层薄膜置于硅异质结(SHJ)太阳电池的窗口层，既可以降低晶体硅表面的复合速率，又可以利用宽带隙提升到达吸收层的入射光，利用本征钝化层中的第一层和第三层分别降低界面的缺陷态密度，提升少数载流子在前后界面的寿命保证硅异质结(SHJ)太阳电池获得高于740mV的开路电压和高于82％的填充因子；利用第二层提升整体硅基薄膜的带隙，使硅异质结(SHJ)太阳电池获得高的短路电流，由此利用三层的有机结合提升硅异质结(SHJ)太阳电池的整体光电特性。
本征硅基钝化层中第一层和第三层均为非晶硅薄膜，除氢原子之外没有其他成分的掺杂，保证界面处有较紧密的微结构且富含原子氢，使用傅里叶红外变换光谱测试氢含量范围在10％～30％，利于降低c-Si/i-a-Si：H和i-a-Si：H/n(or p)-a-Si：H界面的缺陷态密度，可以提高电池的开路电压和填充因子。
进一步的，所述本征硅基薄膜钝化层的第一层和第三层的厚度为1-4nm；所述本征硅基薄膜钝化层的第二层的厚度为3-12nm。
进一步的，所述本征硅基薄膜钝化层的第二层的光学带隙宽于第一层和第三层，所述第二层的光学带隙宽度为1.70eV～2.50eV，比第一层和第三层的带隙宽0.01～0.90eV。其中确定薄膜带隙的方法为：生长20nm厚度的不同薄膜，利用椭圆偏振光谱仪测试薄膜的光学参数并拟合数据，获得光学带隙。
进一步的，所述本征硅基薄膜钝化层的第二层中的掺杂元素的分布为阶梯式缓慢增加并恒定或先快速增加恒定在一定厚度内再缓慢降低或快速上升并恒定分布。
进一步的，所述第一受光面的本征硅基薄膜钝化层的第二层采用高比例的氧源或碳源，且与硅烷的流量比在15％～60％，高氧或碳比例对应在厚度范围内较薄的厚度；所述第二受光面的本征硅基薄膜钝化层的第二层采用较低比例的氧源或碳源，且与硅烷的流量比在1％～30％，低氧或碳比例对应厚度范围内较厚的厚度。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种硅异质结太阳电池的本征钝化层结构的制作方法，具体为：在表面清洁的绒面晶体硅衬底的受光面沉积一层厚度约1-4nm的非晶硅层；然后，生长一层厚度为3-12nm的宽带隙硅基i-SiAx层；接着，生长一层厚度为1-4nm的非晶硅层，形成本征硅基钝化层。
本发明还提供了一种硅异质结太阳电池的制作方法，具体包括以下步骤：
(1)准备晶体硅衬底：采用制绒和清洗的方式，得到表面清洁的绒面晶体硅衬底；
(2)沉积本征硅基钝化层：在表面清洁的绒面晶体硅衬底的第一受光面沉积一层厚度约1-4nm的非晶硅层；然后，生长一层厚度为3-12nm的宽带隙硅基i-SiAx层；接着，生长一层厚度为1-4nm的非晶硅层，形成本征硅基钝化层；
(3)沉积其它硅基钝化层薄膜：在第一受光面的本征硅基钝化层上生长一层p型或n型掺杂的硅基薄膜；
(4)在第二受光面也依次生长本征型硅基钝化层和p型或n型掺杂的硅基薄膜，其中第二受光面的硅基薄膜的掺杂类型与第一受光面的硅基薄膜的掺杂类型相异；
(5)沉积和制作电极：在第一受光面和第二受光面的硅基薄膜上均生长透明导电氧化物薄膜，接着在透明导电氧化物薄膜上制作银栅线电极。
进一步的，在上述太阳电池的制作方法的步骤(2)中沉积本征硅基钝化层采用等离子增强CVD制备方法或热丝制备方法。
所述等离子增强CVD制备方法具体为：沉积过程中基底温度为150-220℃，第一层仅有硅源气体和低比例稀释气体通入，稀释气体与硅源气体的流量比例等于4，功率密度范围为10～100mW/cm2，沉积速率范围为0.4～2.0nm/s，第二层通入硅源、碳源或氧源气体，稀释气体与反应气体的流量比例在5～30，功率密度范围为10～60mW/cm2，第三层在第二层基础上仅切断碳源或氧源气体，在过渡层之间通过减小辉光功率和沉积气压来降低生长速率，避免掺杂元素流量变化引起的结构畸变；所述热丝CVD制备方法具体为：第二层的掺杂气体仅能使用碳元素，基底温度100-250℃；热丝的沉积温度控制在1000-2200℃，稀释气体与硅源气体比例范围在2～8倍。
本征硅基钝化层中第一层在生长过程中的气源仅有纯硅烷，沉积气压小于100Pa，辉光时间为1-3s；可选的工艺为：气源采用硅烷(或已硅烷)和氢气，其流量比范围为1∶1～1∶6，沉积气压大于200Pa。
本征硅基钝化层中第二层在生长过程中的气源采用纯硅烷、二氧化碳(或甲烷)和氢气，当硅烷和二氧化碳流量比≤5∶2时，硅烷和氢气流量比范围为1∶1～1∶15；当硅烷和二氧化碳流量比＞5∶2时，硅烷和氢气流量比范围为1∶10～1∶30。
本征硅基钝化层中第二层为宽带隙且无序的硅基SiAx(A＝O，C，x＝1，2，3......)，带隙宽度在1.70eV～2.50eV，利于入射光最大限度的通过窗口层到达基底吸收层，可以提高电池的短路电流密度。
本征硅基钝化层在制备过程中不切断辉光，保证硅薄膜向SiAx(A＝O，C，x＝1，2，3......)薄膜过渡的质量，尤其在反应气体成分或流量发生变化时采取低功率和低气压过渡，保证过渡层薄膜的缺陷态密度不会急剧升高，过渡层厚度≤1nm，利于提升电池的填充因子。
本征硅基钝化层第二层SiAx(A＝O，C，x＝1，2，3......)中A的含量范围约1％～35％，随着A含量的增加，为了保证该层的质量，稀释气体氢气的比例应该逐渐增加，或者添加氦气或其他惰性气体的量逐渐增加。
本征硅基钝化层从第三层开始逐渐剥离，经过第二层SiAx(A＝O，C，x＝1，2，3......)，直至到第一层，通过X射线光电子能谱(XPS)逐层解剖可以直观的发现在本征层内不同深度的A含量；通过二次离子质谱(SIMS)也可以直观的发现存在A的梯度变化，在第二层中的浓度最高，由于扩散行为在第一层和第三层中也会发现少量。
本征硅基钝化层第二层可以利用形成纳米晶的量子限制效应来展宽带隙，同时提高薄膜质量促进载流子输运和收集。
本征硅基钝化层第三层同第一层，除了硅、氢之外没有任何其它原子，氢稀释比率接近第二层的设置，硅烷和氢气流量比范围为1∶1～1∶30。
综上所述，本发明相较于现有技术的有益效果是：
(1)本发明中的本征硅基钝化层薄膜置于硅异质结(SHJ)太阳电池的窗口层，既可以降低晶体硅表面的复合速率，又可以利用宽带隙提升到达吸收层的入射光，利用本征钝化层中的第一层和第三层分别降低界面的缺陷态密度，提升少数载流子在前后界面的寿命保证硅异质结(SHJ)太阳电池获得高于740mV的开路电压和高于82％的填充因子；利用第二层提升整体硅基薄膜的带隙，使硅异质结(SHJ)太阳电池获得高的短路电流，由此利用三层的有机结合提升硅异质结(SHJ)太阳电池的整体光电特性；
(2)本发明中的本征硅基薄膜钝化层可以仅用于第一受光面，可以提高硅异质结(SHJ)太阳电池的光电转换效率；也可同时用于第一受光面和第二受光面，既可以提高光电转换效率又可以改善双面率。
(3)本发明中的本征钝化层既可以降低界面复合，又可以减弱非晶硅的寄生吸收，获得高光电转换效率和高双面率的硅异质结太阳电池。
附图说明
图1为本发明的本征硅基薄膜的结构示意图；
图2为本发明的本征硅基薄膜用作第一受光面表面钝化层的SHJ太阳电池结构示意图；
图3为本发明的本征硅基薄膜用作两个受光面表面钝化层的SHJ太阳电池结构示意图；
图4为本发明的本征硅基薄膜中拓宽夹心层带隙的掺杂元素剖面掺杂示意图。
附图标记为：101-晶体硅衬底，102/112-本征硅基钝化层中的第一层本征掺杂氢化非晶硅层，103/113-本征硅基钝化层中的第二层宽带隙本征氢化非晶SiAx：H(A＝C，O)层，104/114-本征硅基钝化层中的第三层本征掺杂氢化非晶硅层，105-第一受光面掺杂型的氢化非晶硅基层，106-第二受光面的本征氢化非晶硅层，107-第二受光面的掺杂型氢化非晶硅基层，108-第一受光面的透明导电氧化物薄膜，109-第二受光面的透明导电氧化物薄膜，110-第一受光面的银栅线电极，111-第二受光面的银栅线电极，201-第一受光面本征硅基钝化层，202-第二受光面本征硅基钝化层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图1-4及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
参照图1、图2、图4，利用等离子增强化学气相法沉积具有特定结构的本征硅基薄膜钝化层201和SHJ太阳电池的结构和制作方法，该实施方法有以下步骤：
(1)准备n型晶体硅基底：采用常规的制绒和清洗步骤，获得表面清洁的绒面晶体硅基底；
(2)在第一受光面沉积本征硅基薄膜钝化层：利用等离子增强化学气相方法沉积各层硅薄膜，如图1所示，首先，在太阳电池的上表面沉积一层厚度约4nm的i-a-Si：H；然后，生长一层厚度约8nm的宽带隙硅氧i-SiOx(x＝l，2，3......)层；接着，生长一层厚度约4nm的i-a-Si：H，形成带隙渐变的本征硅基钝化层；
(3)沉积如图2所示的其它硅基钝化层薄膜：在本征硅基薄膜钝化层上，生长一层5nm厚的n型硅基薄膜；在第二受光面依次生长5-15nm厚度的本征型和p型硅基薄膜；
(4)电极制作：如图2所示，分别在双侧的钝化层上生长100nm左右的TCO(透明导电氧化物)薄膜，接着在TCO(透明导电氧化物)上制作不同密度的银栅线电极，形成一个完整的SHJ太阳电池。
本征硅基钝化层中的第一层本征掺杂氢化非晶硅层102和本征硅基钝化层中的第三层本征掺杂氢化非晶硅层104仅为硅薄膜，除氢原子之外没有其他成分的掺杂，且界面处有较紧密的微结构和大量的原子氢。
本征硅基钝化层中的氧或碳在薄膜生长方向呈先逐渐增加至稳定，后逐渐减少，利用二次离子质谱或X射线光电子能谱表征其剖面掺杂元素的分布如图4所示。
本征硅基钝化层中的第一层本征掺杂氢化非晶硅层102，生长过程中的气源为纯硅烷，沉积功率和气压比为l0W/Pa，辉光时间3s。
本征硅基钝化层中的本征硅基钝化层中的第二层宽带隙本征氢化非晶SiAx：H(A＝C，O)层103，硅烷和二氧化碳流量比等于5∶2，硅烷和氢气流量比范围为1∶10，带隙1.8eV。
本征硅基钝化层中的第三层本征掺杂氢化非晶硅层104，与本征硅基钝化层中的第二层宽带隙本征氢化非晶SiAx∶H(A＝C，O)层103薄膜的生长参数保持相同，仅仅去掉二氧化碳气体，辉光时间10s。
沉积本征硅基钝化层，整个制备过程可以保持或切断辉光，保持10mW/cm2的低功率密度辉光过渡，过渡层厚度约1nm。
检测结果：使用本征硅基钝化层作为窗口层，SHJ太阳电池的短路电流可比常规SHJ太阳电池的短路电流高44mA，光电转换效率高0.21个百分点。
实施例2：
参照图2和图3所示，利用热丝化学气相法沉积具有特定结构的第一受光面本征硅基钝化层201和第二受光面本征硅基钝化层202，及高双面率的SHJ太阳电池结构和制作方法，该实施方法如以下步骤：
(1)准备n型晶体硅基底：采用常规的制绒和清洗步骤，获得表面清洁的绒面晶体硅基底；
(2)利用热丝化学气相法沉积第一受光面本征硅基钝化层201：如图3所示，首先，在硅片第一受光面表面沉积一层厚度约1nm的i-a-Si：H；然后，生长一层厚度约6nm的宽带隙硅氧i-SiCx(x＝1，2，3...)层；接着，生长一层厚度约1nm的i-a-Si：H，形成带隙渐变的第一受光面掺杂型的氢化非晶硅基层105；
(3)沉积如图2所示的其它硅基钝化层薄膜：在本征硅基薄膜钝化层上，生长一层5nm厚的n型硅基薄膜；
(4)沉积第二受光面本征硅基钝化层202：如图3所示，先在硅片第二受光面表面沉积一层厚度约1nm的i-a-Si：H；然后，生长一层厚度约10nm的宽带隙硅氧i-SiCx(x＝1，2，3...)层；接着，生长一层厚度约1nm的i-a-Si：H，形成带隙渐变的第二受光面的本征氢化非晶硅层106；
(5)在第二受光面的本征钝化层上再生长6nm的p型硅基薄膜，形成第二受光面的掺杂型氢化非晶硅基层107；
(6)电极制作。如图3所示，在第一受光面本征硅基钝化层201生长100nm左右的第一受光面的透明导电氧化物薄膜108，在第二受光面本征硅基钝化层202上生长100nm左右的第二受光面的透明导电氧化物薄膜109，接着在第一受光面的透明导电氧化物薄膜108和第二受光面的透明导电氧化物薄膜109上制作不同密度的银栅线电极，形成一个完整的SHJ太阳电池。其中第一受光面的透明导电氧化物薄膜108上的银栅线电极为第一受光面的银栅线电极110，第二受光面的透明导电氧化物薄膜109上的银栅线电极为第二受光面的银栅线电极111。
第一受光面本征硅基钝化层中的第二层宽带隙本征氢化非晶SiAx：H(A＝C，O)层103的碳含量比第二受光面本征硅基钝化层中的第二层宽带隙本征氢化非晶SiAx：H(A＝C，O)层113的碳含量高。
本征硅基钝化层中第一受光面的本征硅基钝化层中的第一层本征掺杂氢化非晶硅层102和本征硅基钝化层中的第三层本征掺杂氢化非晶硅层104，以及第二受光面的本征硅基钝化层中的第一层本征掺杂氢化非晶硅层112和本征硅基钝化层中的第三层本征掺杂氢化非晶硅层114，稀释气体和硅烷的比例为2，沉积速率约0.1nm/s。
检测结果：使用本征硅基钝化层作为窗口层，SHJ太阳电池的短路电流可比常规SHJ太阳电池的短路电流高50mA，光电转换效率高0.20个百分点，双面率提升0.5％。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (7)
1.一种硅异质结太阳电池，包括单晶硅片衬底、本征硅基薄膜和掺杂硅基薄膜，所述单晶硅片衬底具有第一受光面和第二受光面，所述第一受光面和所述第二受光面上均设有所述本征硅基薄膜，所述第一受光面和所述第二受光面上的所述本征硅基薄膜上均设有所述掺杂硅基薄膜，其特征在于，所述第一受光面和/或所述第二受光面上的所述本征硅基薄膜为三层复合结构的本征钝化层结构；所述本征钝化层结构的第一层和第三层均为本征氢化非晶硅层，第二层为设置在第一层和第三层之间的宽带隙本征氢化非晶SiAx:H层，其中A为C或O；
所述本征钝化层结构的第一层和第三层属于仅有氢原子的无序硅网络，厚度为1-4nm；所述本征钝化层结构的第二层是掺有碳或氧元素的硅氢网络，厚度为3-12nm；所述本征钝化层结构的第二层的光学带隙宽于第一层和第三层；所述第二层的光学带隙宽度为1.70eV～2.50eV，比第一层和第三层的带隙宽0.01eV～0.90eV。
2.根据权利要求1所述的一种硅异质结太阳电池，其特征在于，所述本征钝化层结构的第二层中的掺杂元素的分布为阶梯式缓慢增加并恒定或先快速增加恒定在一定厚度内再缓慢降低或快速上升并恒定分布。
3.根据权利要求1所述的一种硅异质结太阳电池，其特征在于，所述第一受光面的本征钝化层结构的第二层采用高比例的氧源或碳源，且与硅烷的流量比在15％～60％；所述第二受光面的本征钝化层结构的第二层采用较低比例的氧源或碳源，且与硅烷的流量比在1％～30％。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的硅异质结太阳电池的制作方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)准备晶体硅衬底：采用制绒和清洗的方式，得到表面清洁的绒面晶体硅衬底；
(2)沉积本征钝化层结构：在表面清洁的绒面晶体硅衬底的第一受光面沉积一层厚度为1-4nm的本征氢化非晶硅层；然后，生长一层厚度为3-12nm的宽带隙本征氢化非晶SiAx:H层；接着，生长一层厚度为1-4nm的本征氢化非晶硅层，形成本征钝化层结构；
(3)沉积其它硅基钝化层薄膜：在第一受光面的本征钝化层结构上生长一层p型或n型掺杂的硅基薄膜；
(4)在第二受光面也依次生长本征硅基薄膜和p型或n型的掺杂硅基薄膜，其中第二受光面的掺杂硅基薄膜的掺杂类型与第一受光面的掺杂硅基薄膜的掺杂类型相异；
(5)沉积和制作电极：在第一受光面和第二受光面的掺杂硅基薄膜上均生长透明导电氧化物薄膜，接着在透明导电氧化物薄膜上制作银栅线电极。
5.根据权利要求4所述的硅异质结太阳电池的制作方法，其特征在于，步骤(2)中沉积本征钝化层结构采用等离子增强CVD制备方法或热丝CVD制备方法。
6.根据权利要求5所述的硅异质结太阳电池的制作方法，其特征在于，
所述等离子增强CVD制备方法具体为：沉积过程中基底温度为150-220℃，第一层仅有硅源气体和低比例稀释气体通入，稀释气体与硅源气体的流量比例≤4倍，功率密度范围为10～100mW/cm2，沉积速率范围为0.4～2.0nm/s，第二层通入硅源气体，还同时通入碳源或氧源气体，稀释气体与反应气体的流量比例在5～30，功率密度范围为10～60mW/cm2，第三层在第二层基础上仅切断碳源或氧源气体；
所述热丝CVD制备方法具体为：第二层的掺杂气体仅使用碳元素，预加热或在线加热的基底温度为100-250℃；热丝的沉积温度控制在1000-2200℃，稀释气体与硅源气体比例范围在2～8倍。
7.根据权利要求6所述的硅异质结太阳电池的制作方法，其特征在于，在由第一层过渡到第二层以及第二层过渡到第三层时，通过减小辉光功率和沉积气压来降低生长速率，避免宽带隙掺杂元素流量变化引起的结构畸变。
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