CN111799348A - 一种异质结背接触太阳能电池及其形成方法 - Google Patents

一种异质结背接触太阳能电池及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异质结背接触太阳能电池及其形成方法，异质结背接触太阳能电池包括但不限于半导体衬底、第一钝化层及异质结。第一钝化层形成于半导体衬底的背表面上，异质结可形成于第一钝化层背面，异质结包括N型掺杂硅薄膜和P型掺杂硅薄膜，N型掺杂硅薄膜与P型掺杂硅薄膜沿垂直方向上形成叠层结构。该异质结背接触太阳能电池的形成方法包括：在半导体衬底的背表面上形成异质结，异质结包括依次形成的N型掺杂硅薄膜和P型掺杂硅薄膜，其中，N型掺杂硅薄膜与P型掺杂硅薄膜沿垂直方向上形成叠层。本发明能够在不降低电池效率的前提下有效降低异质结背接触太阳能电池的生产成本，而且本发明光能转换效率比较高。

Description

一种异质结背接触太阳能电池及其形成方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，更为具体来说，本发明涉及一种异质结背接触太阳能电池及其形成方法。
背景技术
晶体硅太阳能电池，作为一种可以直接将太阳能转化为电能的设备，越来越受到人们的关注。提高晶体硅太阳能电池转换效率的同时降低电池的生产成本，一直是业界不断追求的目标和提高自身竞争力的关键所在。
国内外的众多科研机构和企业在高效晶体硅太阳能电池方面展开了大量的研究，开发了众多新型结构的高效晶体硅太阳能电池。这些太阳能电池结构包括刻槽埋栅、选择性发射极、晶体硅异质结(HIT，Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)、背结背接触结构(IBC，Interdigitated Back-contact Solar Cells)等。其中，相比于一般的太阳能电池，异质结背接触电池具有取得更高转化效率的潜力。异质结背接触电池将发射极和背场全部转移到电池的背面，从而使前表面电极的遮光损耗为零，短路电流得到了极大的提升。而且，异质结自身结构使得电池的开路电压得到进一步提高。上述这些特性都可以有效提高太阳能电池的光电转换效率。
但是，由于现有技术设计上存在的局限，现有的异质结背接触太阳能电池的背面图形化结构往往包括交错分布的基区和发射区，基区和发射区之间存在间隙(gap)，该间隙将基区和发射区隔开；通过图形化工艺实现上述结构的过程中非常复杂、工序非常多，进而导致现有的异质结背接触太阳能电池的成本十分高昂。
发明内容
为解决常规的异质结背接触太阳能电池背面图形化工艺较复杂以及导致的电池成本高等问题，本发明创新地提供了一种异质结背接触太阳能电池及其形成方法。本发明通过优化掺杂非晶硅薄膜的生长工艺有效简化异质结背接触太阳能电池的图形化结构，在不影响电池转换效率的前提下，大幅降低了电池的生产步骤，极大降低了异质结背接触太阳能电池的成本。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种异质结背接触太阳能电池。该异质结背接触太阳能电池包括但不限于半导体衬底、第一钝化层、异质结、第一电极及第二电极。半导体衬底具有前表面和背表面，第一钝化层形成于半导体衬底的所述背表面上。异质结形成于所述第一钝化层背面，异质结包括N型掺杂硅薄膜和P型掺杂硅薄膜；其中，所述N型掺杂硅薄膜与所述P型掺杂硅薄膜沿垂直方向上形成叠层结构。第一电极与所述N型掺杂硅薄膜电连接，第二电极与所述P型掺杂硅薄膜电连接。
进一步地，所述N型掺杂硅薄膜呈梳齿状地分布在所述第一钝化层背面，所述P型掺杂硅薄膜覆盖于所述N型掺杂硅薄膜和所述第一钝化层上。所述叠层结构能够形成隧穿结。
进一步地，该异质结背接触太阳能电池还包括保护层。保护层形成于所述P型掺杂硅薄膜背面。
进一步地，该异质结背接触太阳能电池还包括前表面场、第二钝化层及减反射层。前表面场形成于半导体衬底的前表面上，第二钝化层形成于所述前表面场上，减反射层形成于所述第二钝化层上。
进一步地，所述第二钝化层可包括氧化铝薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、本征非晶硅薄膜中的至少一种，所述第二钝化层厚度为1～20纳米。
进一步地，所述减反射层包括至少一层氮化硅和/或透明导电膜，所述减反射层厚度为65～90纳米。
进一步地，所述N型掺杂硅薄膜的厚度为5～50纳米，所述N型掺杂硅薄膜掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3。所述P型掺杂硅薄膜厚度为5～50纳米，所述P型掺杂硅薄膜掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3。
进一步地，所述第一钝化层可以包括至少一层本征非晶硅薄膜，所述第一钝化层厚度为3～10纳米。
为实现上述技术目的，本发明还公开了一种异质结背接触太阳能电池的形成方法，该形成方法包括但不限于如下的过程。提供具有前表面和背表面的半导体衬底，在半导体衬底的背表面上形成异质结，所述异质结包括依次形成的N型掺杂硅薄膜和P型掺杂硅薄膜，所述N型掺杂硅薄膜与所述P型掺杂硅薄膜沿垂直方向上形成叠层。在所述异质结上形成第一电极和第二电极，以使第一电极与所述N型掺杂硅薄膜电连接且第二电极与所述P型掺杂硅薄膜电连接。
进一步地，该形成方法还可包括如下步骤：在半导体衬底的前表面上依次形成前表面场、第二钝化层及减反射层。
进一步地，形成前表面场的过程可包括：在半导体衬底的前表面进行N型或P型掺杂的方式形成所述前表面场，和/或通过制备N型或P型硅薄膜的方式形成所述前表面场。
本发明的有益效果为：本发明提供的异质结背接触太阳能电池背面的基区和发射区之间无间隙(gap)，所以本发明能够使电池背面图形化工艺更简单。因此，本发明提供的异质结背接触太阳能电池能够在不降低电池效率的前提下有效降低异质结背接触太阳能电池的生产成本，适于推广和应用。而且，本发明的异质结背接触太阳能电池背表面的钝化结构更完整，所以光能转换效率比较高。
本发明中的N型掺杂硅薄膜能够形成纳米晶薄膜，为P型薄膜提供籽晶层，使得其上生长的P型掺杂硅薄膜成为微晶硅，则N+/P+两层薄膜导电率大幅提高、成为隧穿结，有利于电子的输运与收集。而在没有N型掺杂硅薄膜的区域，P型掺杂硅薄膜依然是非结晶的，导电率较低，避免载流子在基区与发射极之间的横向输运，所以本发明能够抑制漏电。
本发明电极从多晶硅区引出，避免了电极与硅衬底直接接触，有利于提高电池的填充因子和开路电压，进而可提高该硅晶体太阳能电池的转化效率，还可进一步保证该硅晶体太阳能电池具有较好的温度稳定性。
附图说明
图1示出了本发明异质结背接触太阳能电池的结构示意图。
图2示出了本发明异质结背接触太阳能电池的形成方法的流程示意图。
图中，
100、半导体衬底。
200、第一钝化层。
300、P型掺杂硅薄膜。
400、N型掺杂硅薄膜。
500、第一电极。
600、第二电极。
700、前表面场。
800、第二钝化层。
900、减反射层。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本发明的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
实施例一：
如图1所示，本实施例具体能够提供一种异质结背接触太阳能电池，以解决现有技术存在的至少一个问题。该异质结背接触太阳能电池可包括但并不限于半导体衬底100、第一钝化层200、P型掺杂硅薄膜300、N型掺杂硅薄膜400、第一电极500以及第二电极600、前表面场700、第二钝化层800、减反射层900等等。
半导体衬底100具有前表面和背表面。前表面可用于朝着太阳、作为受光面，以收集太阳光；背表面可用于放置用于光电转换的光伏器件。在本发明一些实施方式中，前表面可以朝上设置，以及在前表面设置前表面复合层，前表面复合层包括一些器件层；背表面可朝下设置，可在背表面设置背表面复合层，背表面复合层包括一些器件层；相关的器件层在后续进行详细地说明。另外，本实施例中的半导体衬底100可以包括但不限于硅衬底，例如可以是n-c-Si。
光伏器件可包括但不限于第一钝化层200、P型掺杂硅薄膜300、N型掺杂硅薄膜400、第一电极500以及第二电极600。本发明能够通过形成电池背表面的图形化结构的方式形成光伏器件。
第一钝化层200形成于半导体衬底100的背表面上。本实施例的第一钝化层200可以包括本征非晶硅(i-a-Si)薄膜钝化层，所以第一钝化层200可包括至少一层本征非晶硅薄膜，厚度例如可以为3～10纳米中间的任一值。作为背表面钝化层的第一钝化层200，一方面可以有效钝化硅衬底背表面悬挂键缺陷，进而降低载流子的复合几率、提高电池的效率；另一方面可以通过热电子发射或者缺陷辅助隧穿效应等实现载流子的输运，从而降低硅衬底的表面复合同时又不影响载流子的输运，提高电池的填充因子，进而提高异质结背接触太阳能电池的效率。
异质结形成于第一钝化层200背面。异质结包括N型掺杂硅薄膜400和P型掺杂硅薄膜300；其中，N型掺杂硅薄膜400与P型掺杂硅薄膜300沿垂直方向上形成叠层结构。在本发明一些改进的实施方式中，N型掺杂硅薄膜400为具有纳米结构的N型非晶硅薄膜，呈梳齿状地分布在第一钝化层200背面，N型掺杂硅薄膜400具有相并列设置的多个条状结构。P型掺杂硅薄膜300为具有纳米结构的P型非晶硅薄膜，覆盖于N型掺杂硅薄膜400和第一钝化层200上，本实施例的P型掺杂硅薄膜300可全覆盖在电池背表面。所以本发明的电池背表面的基区由上下相对的N型掺杂硅薄膜400和P型掺杂硅薄膜300构成，而且本发明的叠层结构可以用于形成N+P+隧穿结。本发明的电池背表面的发射区由N型掺杂硅薄膜400左侧或右侧的P型掺杂硅薄膜300构成。本实施例的N型掺杂硅薄膜400的掺杂浓度可以为1×1019cm-3～1×1021cm-3中间的任一值，N型掺杂硅薄膜400的厚度可以为5～50纳米中间的任一值；P型掺杂硅薄膜300的掺杂浓度可以为1×1019cm-3～1×1021cm-3中间的任一值，P型掺杂硅薄膜300的厚度为5～50纳米中间的任一值。本实施例中，P型掺杂硅薄膜300属于初晶态(protocrystalline silicon)范畴；沉积在本征非晶硅薄膜上的区域的P型掺杂硅薄膜300依然是非结晶的，而生长于N型掺杂硅薄膜400上的P型掺杂硅薄膜300则呈现微晶结构，从而可形成形成N+P+隧穿结。
第一电极500从P型掺杂硅薄膜300上方的N型掺杂硅薄膜400上引出，与N型掺杂硅薄膜400电连接且作为负电极，所以本实施例的负电极形成于有N+P+隧穿结的区域。第二电极600从没有沉积N型掺杂硅薄膜400的P型掺杂硅薄膜300上引出，与P型掺杂硅薄膜300电连接且作为正电极，所以本实施例的正电极形成于无N+P+隧穿结的区域。本实施例中的第一电极500和第二电极600可以在基区和相邻的发射区上交错分布，分别形成电池的正电极和负电极。相邻的第一电极500和第二电极600之间间隔宽度在5微米～100微米之间，依据具体电池制备工艺而定，从而有效地避免造成漏电通道。
作为较佳的实施方案，本发明的异质结背接触太阳能电池还可以包括保护层(图1中未示出)，保护层可以形成于P型掺杂硅薄膜300背面。本实施例中的保护层可以为氮化硅保护层，氮化硅保护层的厚度可以介于60～200纳米之间。保护层的设置可以进一步提升该硅晶体太阳能电池的转化效率。
前表面场700形成于半导体衬底100的前表面上。本实施例中，对于前表面场700的形成方式，包括：可以通过同质结的方式形成，在半导体衬底100上进行P型掺杂形成，也可以在半导体衬底100进行N型掺杂形成；还可以采用异质结的形式，在第二钝化层800上制备N型或P型硅薄膜。
第二钝化层800，即前表面钝化膜，可形成于前表面场700上。第二钝化层800可包括氧化铝薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、本征非晶硅薄膜中的至少一种，可通过扩散或者离子注入等技术对硅衬底进行N型或P型掺杂来获得，第二钝化层800厚度可以为1～20纳米中间的任一值，以尽可能地降低光的吸收损失。氧化铝薄膜或氧化硅薄膜具有较高的光学带隙，还具有一定浓度的电荷，前表面钝化膜的设置可以饱和硅衬底前表面的悬挂键，而且钝化膜中的电荷在硅衬底表面形成一电场，促进光生电子与空穴的分离，进而获得良好的表面钝化。
减反射层900，即前表面减反射涂层，可形成于第二钝化层800上。减反射层900可以包括至少一层氮化硅和/或透明导电膜，减反射层900厚度可以为65～90纳米中间的任一值。其中，透明导电膜例如可以是ITO(氧化铟锡，indium-tin oxide)。减反射层900的具体厚度可根据第二钝化层800的折射率和厚度而变化。
实施例二：
与实施例一基于相同的发明构思，本实施例提供了一种异质结背接触太阳能电池的形成方法，至少可用于形成实施例一中的异质结背接触太阳能电池结构。本发明通过优化设计硅薄膜的生长工艺，可达到简化异质结背接触太阳电池背面图形化制备工艺，在不降低电池转换效率的前提下，有效降低异质结背接触太阳能电池的制备成本。
如图2所示，并可同时参阅图1，本实施例提供了一种异质结背接触太阳能电池的形成方法，该形成方法可包括但不限于如下的步骤。
提供具有前表面和背表面的半导体衬底100。前表面用于朝着太阳，以收集太阳光；背表面用于放置用于光电转换的光伏器件。
在半导体衬底100的背表面上形成异质结，异质结包括依次形成的N型掺杂硅薄膜400和P型掺杂硅薄膜300，N型掺杂硅薄膜400与P型掺杂硅薄膜300沿垂直方向上形成叠层。本实施例中，可以先将N型掺杂硅薄膜400以一定图形结构分布在电池背表面，以形成基区的上部分。其中，一定图形结构可以是梳齿结构，包括相并列设置的多个条状结构。然后将P型掺杂硅薄膜300全覆盖在电池背表面，在没有N型掺杂硅薄膜400的区域引出第二电极600后形成了发射区，在有N型掺杂硅薄膜400的区域引出第一电极500后形成了基区，所以本实施例可在异质结上形成第一电极500和第二电极600，以使第一电极500与N型掺杂硅薄膜400电连接且第二电极600与P型掺杂硅薄膜300电连接。
该形成方法还可以包括如下的步骤：在半导体衬底100的前表面上依次形成前表面场700、第二钝化层800及减反射层900。本发明一些具体实施方式中形成前表面场700的过程包括：在半导体衬底100的前表面进行N型或P型掺杂的方式形成前表面场700，和/或通过制备N型或P型硅薄膜的方式形成前表面场700；形成前表面场700的方式可以是扩散或离子注入。
本发明各实施例所提供的异质结背接触太阳能电池得基区和发射区之间不存在间隙(gap)，通过精简图形化工艺的方式大幅度简化了异质结背接触太阳能电池的制备工艺，所以本发明在不影响电池转化效率的同时有效降低了电池的制备成本，而且本发明提供的异质结背接触太阳能电池背表面的钝化结构更完整，光能转换效率更高。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种异质结背接触太阳能电池，其特征在于，包括：
半导体衬底，具有前表面和背表面；
第一钝化层，形成于半导体衬底的所述背表面上；
异质结，形成于所述第一钝化层背面，包括N型掺杂硅薄膜和P型掺杂硅薄膜；其中，所述N型掺杂硅薄膜与所述P型掺杂硅薄膜沿垂直方向上形成叠层结构；
第一电极，与所述N型掺杂硅薄膜电连接；
第二电极，与所述P型掺杂硅薄膜电连接。
2.根据权利要求1所述的异质结背接触太阳能电池，其特征在于，
所述N型掺杂硅薄膜，呈梳齿状地分布在所述第一钝化层背面；
所述P型掺杂硅薄膜，覆盖于所述N型掺杂硅薄膜和所述第一钝化层上；
所述叠层结构，形成隧穿结。
3.根据权利要求2所述的异质结背接触太阳能电池，其特征在于，还包括：
保护层，形成于所述P型掺杂硅薄膜背面。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的异质结背接触太阳能电池，其特征在于，还包括：
前表面场，形成于半导体衬底的前表面上；
第二钝化层，形成于所述前表面场上；
减反射层，形成于所述第二钝化层上。
5.根据权利要求4所述的异质结背接触太阳能电池，其特征在于，
所述第二钝化层，包括氧化铝薄膜、氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、本征非晶硅薄膜中的至少一种，厚度为1～20纳米；
所述减反射层，包括至少一层氮化硅和/或透明导电膜，厚度为65～90纳米。
6.根据权利要求1所述的异质结背接触太阳能电池，其特征在于，
所述N型掺杂硅薄膜，掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3，厚度为5～50纳米；
所述P型掺杂硅薄膜，掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3，厚度为5～50纳米。
7.根据权利要求1所述的异质结背接触太阳能电池，其特征在于，
所述第一钝化层，包括至少一层本征非晶硅薄膜，厚度为3～10纳米。
8.一种异质结背接触太阳能电池的形成方法，其特征在于，包括：
提供具有前表面和背表面的半导体衬底；
在半导体衬底的背表面上形成异质结，所述异质结包括依次形成的N型掺杂硅薄膜和P型掺杂硅薄膜，所述N型掺杂硅薄膜与所述P型掺杂硅薄膜沿垂直方向上形成叠层；
在所述异质结上形成第一电极和第二电极，以使第一电极与所述N型掺杂硅薄膜电连接且第二电极与所述P型掺杂硅薄膜电连接。
9.根据权利要求8所述的异质结背接触太阳能电池的形成方法，其特征在于，还包括：
在半导体衬底的前表面上依次形成前表面场、第二钝化层及减反射层。
10.根据权利要求9所述的异质结背接触太阳能电池的形成方法，其特征在于，
形成前表面场的过程包括：
在半导体衬底的前表面进行N型或P型掺杂的方式形成所述前表面场，和/或通过制备N型或P型硅薄膜的方式形成所述前表面场。
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