CN111952375B - 一种感应结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种感应结太阳电池及其制备方法。具体的，本发明提供了一种太阳电池，包括P型半导体衬底；下电极，所述下电极位于所述P型半导体衬底的背表面上；感应层，所述感应层自下而上包括过渡层、电荷增强层和抗反射层，且固定电荷密度达到10¹³cm^‑2量级，所述过渡层包括氧化硅或者氮氧化硅薄膜，所述电荷增强层包括氯化铷、氯化钙、氯化钾和氯化镁一种或几种，所述抗反射层包括氮化硅薄膜；上电极，所述上电极位于所述感应层的上方。本发明的太阳电池以无毒的碱金属氯化物为电荷增强层，可以极大提高抗反射层中固定电荷密度，同时降低界面态密度，钝化性能优异，制备方法简单，同时，可极大降低太阳电池的生产成本。

Description

一种感应结太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳电池领域，具体涉及一种感应结太阳电池及其制备方法。

背景技术

光伏发电是利用太阳能的重要形式，太阳光入射到太阳电池内部，能量大于太阳电池材料带隙的光子会产生电子－空穴对，电子－空穴对在内建电场的作用下分离并向两端移动，将两端与含有负载的外电路相连，太阳电池就会对负载做功，从而实现光能与电能的转换。由此可见，内建电场是保证太阳电池正常工作的重要环节。

内建电场通常是在半导体材料上形成一个或者多个p-n结来构成，目前市场上销售的太阳电池大部分是以p型晶体硅为衬底材料，其p-n结是通过高温磷扩散来实现。众所周知，这种太阳电池会存在以下几个缺点：1）发射区重掺杂导致禁带宽度变窄效应；2）扩散过程中在硅表面引入高浓度缺陷和复合中心，产生“死层”，引起太阳电池光谱响应降低；3）高温过程使材料少子寿命降低。

为了克服高温制备p-n结的缺点，许多低温制备p-n结的技术被提出，感应结太阳电池就是其中的一种。Metal-Insulator-Semiconductor/Inversion Layer Solar Cell，中文全称为金属-绝缘体-半导体/感应反型层太阳电池，简称为MIS/IL太阳电池，它是在半导体材料（硅、锗等）表面上生长一层含有大量固定电荷的薄膜，该薄膜会在半导体材料近表面感应出反型层，衬底硅材料为p型时，固定电荷应为正电荷（CN1101756）；衬底硅材料为n型时，固定电荷应为负电荷（CN104037245B），从而形成一个同常规太阳电池p-n结功能相同的感应结，由于没有高温过程，因此与常规太阳电池相比，MIS/IL太阳电池不但没有前面提出的缺点，而且还具有良好的短波响应、工艺简单、成本低等优点。

适合用于MIS/IL太阳电池的薄膜必须同时满足以下几个条件：1）具有较高的固定电荷密度；2）具有良好的钝化特性；3）具有良好的光学特性；4）具有较低的界面态密度。SiO_X/Si₃N₄薄膜或者Si_XO_YN_Z/Si₃N₄薄膜可以满足这些要求，并使用这些薄膜制备出了性能良好的MIS/IL太阳电池，。MIS/IL太阳电池的性能与薄膜固定电荷密度有关，电荷密度越高，形成的感应结越好，电池性能就越好。研究发现，在生长氮化硅薄膜之前先制备一层含铯化合物能提高氮化硅薄膜电荷密度，例如：氯化铯溶液，铬酸铯，铯的盐类化合物；但含铯化合物是有毒物质，对人体有害。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种感应结太阳电池，所述太阳电池包括p型半导体衬底，所述衬底下方设有下电极，所述衬底的上方设有感应层，所述感应层的上方设有上电极，所述感应层自下而上包括过渡层、电荷增强层和抗反射层；且所述感应层中固定正电荷的密度为10¹²～10¹³cm^-2。

进一步地，所述电荷增强层的成分包括氯化铷、氯化钙、氯化钾和氯化镁一种或其组合，优选为氯化铷；电荷增强层的厚度0.5~10nm，优选厚度1~3nm；电荷增强层的制备方法采用旋涂或者物理气相沉积；旋涂工艺是先800转/分甩胶6秒，再高速2000转/分~3000转/分甩胶20~40秒，优选为高速2500转/分甩胶30秒；烘干温度为75℃，时间20分钟；物理气相沉积包括磁控溅射、热蒸发和电子束蒸发等，优选热蒸发。

进一步地，所述过渡层为氧化硅或者氮氧化硅薄膜。氧化硅薄膜可以在退火处理中完成，退火温度在400~700℃，优选450~650℃；退火时间10~120分钟，优选30~60分钟；退火气氛可以选择H₂、NH₃、保护性气体中一种或混合气体，优选NH₃。氮氧化硅薄膜可以通过化学气相沉积（PECVD和LPCVD）、溅射、直接氧化/氮化以及离子注入等方法制备，优选采用与现有的常规硅基太阳能电池设备兼容的PECVD生长设备；反应气体为SiH₄和N₂O；两者流量比为0.1~1，优选范围0.2~0.5；沉积温度200~400℃，优选范围300~350℃；沉积压强10~50Pa，优选范围15~40Pa。

进一步地，p型半导体衬底包括单晶硅、非晶硅、多晶硅、锗、III-VI族化合物、II-VII族化合物，优选p型单晶硅；p型半导体衬底的电阻率为0.1~10Ω•cm，优选为0.3~1Ω•cm。

进一步地，上电极金属可以是Al、Ni、Cr、Au、Ti、Pd、Ag等半导体常规金属，优选Al；生长方式有磁控溅射、热蒸发和电子束蒸发等，优选电子束蒸发；上电极结构可以为透明电极结构或密栅结构，优选为密栅结构，密栅结构可以通过掩膜版或光刻技术实现。

进一步地，下电极金属可以是Al、Ni、Cr、Au、Ti、Pd、Ag等半导体常规金属，生长方式有磁控溅射、热蒸发和电子束蒸发等；当采用电荷增强层采用旋涂工艺时，下电极金属优选Al，且生长方式为热蒸发；当电荷增强层采用物理气相沉积时，下电极金属优选Ti/Pd/Ag或Ti/Ag，且生长方式为电子束蒸发。

本发明还公开了一种感应结太阳电池的制备方法，包括如下步骤：

（1）先在待处理p型半导体衬底正面通过化学气相沉积、溅射、直接氧化/氮化方法生长氮氧化硅薄膜作为过渡层，然后在待处理p型半导体衬底背面通过磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发方法生长金属作为下电极；或先在待处理p型半导体衬底背面通过磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发方法生长金属作为下电极，再进行第一步退火处理，第一步退火处理会在衬底正面形成氧化硅薄膜，该薄膜作为过渡层；

（2）在步骤（1）的过渡层上通过旋涂工艺、磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发工艺生长电荷增强层；

（3）在步骤（2）的电荷增强层上通过磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发方法生长金属作为上电极；

（4）通过物理气相沉积或化学气相沉积工艺在电荷增强层未被上电极覆盖的区域生长抗反射层；

（5）经第二步退火处理得到感应结太阳电池。

进一步地，所述第一步退火处理温度为400~700℃，退火处理时间10~120分钟，退火气氛为H2、NH3、保护性气体中一种或混合气体；所述第二步退火处理2温度为150~500℃，退火处理时间5~60分钟，退火气氛为H2、NH3、保护性气体中一种或混合气体。

附图说明

图1为本发明的感应结太阳电池结构示意图；

图中：1- p型半导体衬底，2-下电极，3-上电极，4-过渡层，5-电荷增强层，6-抗反射层。

具体实施方案

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。本发明的这些实施例仅用来解释说明本发明的具体实施方式，而不是限制本发明的范围。阅读本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书中所限定的范围。

实施例1：

（1）采用晶体硅太阳电池工业标准清洗液对电阻率为0.3Ω·cm的p型单晶硅片进行表面清洗。

（2）用热蒸发在样品背面生长一层5微米厚的Al。

（3）通过退火炉对样品进行550℃氨气气氛退火40分钟。

（4）将氯化铷饱和溶液滴在样品正表面中心，用匀胶机使溶液均匀分布到基片表面，旋涂工艺为，先800转/分甩胶6秒，再高速2500转/分甩胶30秒；置于75℃烘箱烘烤20分钟。

（5）用电子束蒸发在样品正面生长一层Al，通过掩膜版来实现对上电极3图形的控制。

（6）用PECVD设备在样品正表面生长抗反射膜，反应气体为硅烷、氨气、氩气，气体流量比20:40:5，沉积温度300℃，反应室压强20Pa，生长的薄膜厚度70nm。

（7）在氢气退火炉中对电池进行200℃氢气气氛退火25分钟。

实施例2：

（1）采用晶体硅太阳电池工业标准清洗液对电阻率为0.5Ω·cm的p型单晶硅片进行表面清洗。

（2）用PECVD设备在样品正面生长氮氧化硅薄膜，反应气体为SiH4和N2O，流量比2.5:10，沉积温度，320℃，沉积压强20Pa。

（3）用电子束蒸发在样品背面沉积金属，形成p-Si/Ti/Pd/Ag结构。

（4）用热蒸发在样品正面沉积1nm厚的氯化铷薄膜。

（5）用电子束蒸发在样品正面生长一层Al，通过掩膜版来实现对上电极3图形的控制。

（6）用PECVD设备在样品正表面生长抗反射膜，反应气体为硅烷、氨气、氩气，气体流量比20:40:10，沉积温度320℃，反应室压强15Pa，生长的薄膜厚度70nm。

（7）在氢气退火炉中对电池进行220℃氢气气氛退火20分钟。

本发明与原来含铯化合物做比较，除了无毒特点，在其他方面也具有优势，以下将没有电荷增强层的MIS/IL太阳电池、含铯化合物为电荷增强层的MIS/IL太阳电池、本发明的MIS/IL太阳电池分别简称为参考样品、含铯样品、改进样品。

1、改进样品相比含铯样品，具有更低的界面态密度

有报道含铯样品虽然能增加感应层的固定电荷密度，但会增加界面态密度，，参考样品固定电荷为1×10¹¹cm^-2，界面态密度为1×10¹⁰cm^-2；含铯样品固定电荷1.5×10¹³cm^-2，界面态密度为6×10¹¹cm^-2；改进样品最高固定电荷为1.7×10¹³cm^-2，界面态密度为8.9×10¹⁰cm^-2；

2、改进样品相比含铯样品，具有更好的钝化效果

根据钝化理论，高的固定电荷以及低的界面态密度能够获得较好的钝化效果。少子寿命的高低常用来表征钝化效果的好坏，用WT-1000少子寿命测试仪对三种样品的测试结果分别为：34.5微秒、42.3微秒和48.7微秒（改进样品）。说明改进样品的钝化性能更优。

少子寿命测试过程：以同一片硅片上切取3份样品作为衬底（排除衬底不同而少子寿命的不同），衬底正反面制备相同厚度的薄膜（即MIS/IL太阳电池的感应层）

3、本发明的制备方法中的第一步退火处理，与传统MIS/IL太阳电池的处理方法不同。

常规MIS/IL太阳电池制备过程，在背面制备Al下电极后，经过500℃干氧气氛下形成1.5nm厚的氧化硅，但该过程铝金属非常容易被氧化，金属铝表面形成一层致密的氧化铝，氧化铝是绝缘体，后续工艺需要去除。本发明的制备方法中，同样选用Al为下电极，之后采用保护性气体进行退火处理，该退火处理可以避免铝金属被氧化，同时也能够在样品正表面形成质量较好的氧化硅层。

本发明的制备方法中在电池最后一步采用第二步退火处理，而传统MIS/IL太阳电池中没有该步骤，本发明发现，经过该步骤可以进一步降低样品的界面态密度，界面态密度从8.9×10¹⁰cm^-2降低至5.1×10¹⁰cm^-2，从而增强钝化效果。

表1三种MIS/IL太阳电池各项指标

从表1看出，改进样品的各项性能指标均优于含铯样品。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种感应结太阳电池，其特征在于：所述太阳电池包括p型半导体衬底，所述衬底下方设有下电极，所述衬底的上方设有感应层，所述感应层的上方设有上电极，所述感应层自下而上包括过渡层、电荷增强层和抗反射层；所述电荷增强层成分为氯化铷、氯化钙、氯化钾和氯化镁一种或几种。

2.根据权利要求1所述的感应结太阳电池，其特征在于：所述p型半导体衬底为单晶硅、非晶硅、多晶硅、锗、III-VI族化合物、II-VII族化合物中的一种。

3.根据权利要求1所述的感应结太阳电池，其特征在于：上下电极为Al、Ni、Cr、Au、Ti、Pd、Ag中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的感应结太阳电池，其特征在于：所述过渡层为氧化硅或氮氧化硅薄膜。

5.根据权利要求1所述的感应结太阳电池，其特征在于：所述抗反射层为氮化硅薄膜。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的感应结太阳电池的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）先在待处理p型半导体衬底正面通过化学气相沉积、溅射、直接氧化/氮化方法生长氮氧化硅薄膜作为过渡层，然后在待处理p型半导体衬底背面通过磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发方法生长金属作为下电极；或先在待处理p型半导体衬底背面通过磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发方法生长金属作为下电极，再进行第一步退火处理，第一步退火处理会在衬底正面形成氧化硅薄膜，该薄膜作为过渡层；

（2）在步骤（1）的过渡层上通过旋涂工艺、磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发工艺生长电荷增强层；所述电荷增强层成分为氯化铷、氯化钙、氯化钾和氯化镁一种或几种；

（3）在步骤（2）的电荷增强层上通过磁控溅射、热蒸发或电子束蒸发方法生长金属作为上电极；

（4）通过物理气相沉积或化学气相沉积工艺在电荷增强层未被上电极覆盖的区域生长抗反射层；

（5）经第二步退火处理得到感应结太阳电池。

7.根据权利要求6所述的感应结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述第一步退火处理温度为400~700℃，退火处理时间10~120分钟，退火气氛为H₂、NH₃、保护性气体中一种或混合气体。

8.根据权利要求6所述的感应结太阳电池的制备方法，其特征在于：所述第二步退火处理温度为150~500℃，退火处理时间5~60分钟，退火气氛为H₂、NH₃、保护性气体中一种或混合气体。

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