CN111952381B - 一种硅异质结太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅异质结太阳电池，其包括晶体硅吸收层、本征钝化层、电子选择层和金属电极，其中，本征钝化层设置于晶体硅吸收层上，电子选择层设置于本征钝化层上，金属电极与电子选择层形成欧姆接触，其中，电子选择层为含氧施主微晶硅氧层或含氧施主多晶硅氧层的掺氧硅层，掺氧硅层与晶体硅吸收层和本征钝化层形成能带匹配以实现电子抽取。根据本发明的硅异质结太阳电池，通过掺氧硅层来代替掺磷硅层作为电子选择层，用于解决现有技术在气源成本、安全管理、工艺交叉污染等方面遇到的问题。具体地，根据本发明的硅异质结太阳电池，通过H等离子体处理的掺氧硅层可以将氧原子激发到硅薄膜中的氧施主位置，进而使这种硅薄膜具有电子选择性质。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池，更具体地涉及一种硅异质结太阳电池及其制备方法。
背景技术
单结硅太阳电池中，晶体硅/非晶硅异质结(SHJ)太阳电池光电转换效率最高，达到了26％以上。典型的SHJ太阳电池采用掺磷/掺硼非晶硅分别作为电子/空穴选择层，均由化学气相沉积生长(PECVD或Cat-CVD)。其中掺磷非晶硅生长过程中使用的磷源气体，如磷烷，有以下固有缺点：1)磷源气体价格比较昂贵，增加了SHJ太阳电池的生产成本；2)磷源气体属于剧毒气体，增加了实验室气体安全管理成本；3)磷原子可能会造成本征非晶硅或掺硼非晶硅生长过程中的交叉污染，造成太阳电池的边缘效率较低；4)为了避免磷原子交叉污染，通常需要提供独立的腔室专门用于掺磷非晶硅生长，这进一步增加了设备投入成本。
发明内容
为了解决现有技术中的掺磷硅薄膜所带来的问题，本发明提供一种硅异质结太阳电池及其制备方法。
根据本发明的硅异质结太阳电池，其包括晶体硅吸收层、本征钝化层、电子选择层和金属电极，其中，本征钝化层设置于晶体硅吸收层上，电子选择层设置于本征钝化层上，金属电极与电子选择层形成欧姆接触，其中，电子选择层为含氧施主微晶硅氧层(Od-μc-SiO:H)或含氧施主多晶硅氧层(Od-mc-SiO:H)的掺氧硅层，掺氧硅层与晶体硅吸收层和本征钝化层形成能带匹配以实现电子抽取。
优选地，掺氧硅层中氧原子的浓度介于5×1018cm-3-5×1021cm-3之间。
优选地，硅异质结太阳电池还包括空穴选择层，透明导电氧化物层和绝缘透明层，其中，掺氧硅层和空穴选择层设置在分别位于晶体硅吸收层的两侧的本征钝化层上，透明导电氧化物层设置于空穴选择层上，绝缘透明层设置于掺氧硅层上。
优选地，绝缘透明层为氮化硅(SiNx:H)薄膜、氧化硅(SiOx)薄膜或者硅氮氧(SiNxOy)薄膜或者其组合。
优选地，硅异质结太阳电池还包括氮化硅层和空穴选择层，其中，氮化硅层设置于晶体硅吸收层的与本征钝化层相对的另一侧上，掺氧硅层和空穴选择层彼此间隔开地设置于本征钝化层上，金属电极设置于掺氧硅层和空穴选择层上。
根据本发明的硅异质结太阳电池的制备方法，其包括：首先生长微晶硅氧层(μc-SiO:H)或多晶硅氧层(mc-SiO:H)，然后利用H等离子体轰击微晶硅氧层(μc-SiO:H)或多晶硅氧层(mc-SiO:H)使其中的氧原子激发到相应晶格位点而成为氧施主，从而形成作为电子选择层的掺氧硅层。
优选地，生长微晶硅氧层(μc-SiO:H)或多晶硅氧层(mc-SiO:H)的步骤包括：首先通过硅源气体在晶体硅(c-Si)衬底上生长氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)或者通过硅源气体和氧源气体的混合气在晶体硅(c-Si)衬底上生长氢化非晶硅氧薄膜(a-SiO:H)，然后通过硅源气体和氧源气体的混合气在氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)或者氢化非晶硅氧薄膜(a-SiO:H)表面生长微晶硅氧层(μc-SiO:H)或多晶硅氧层(mc-SiO:H)。
优选地，在生长微晶硅氧层(μc-SiO:H)或多晶硅氧层(mc-SiO:H)前，先利用CO2对氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)或者氢化非晶硅氧薄膜(a-SiO:H)进行表面等离子体轰击处理。
优选地，硅源气体包括SiH4、Si2H6、SiHCl3或SiH3CH3中的一种或几种组合，氧源气体为CO2。
优选地，该制备方法还包括用于降低电池结构中缺陷态密度的退火处理。
根据本发明的硅异质结太阳电池，通过掺氧硅层来代替掺磷硅层作为电子选择层，用于解决现有技术在气源成本、安全管理、工艺交叉污染等方面遇到的问题。具体地，根据本发明的硅异质结太阳电池，通过H等离子体处理的掺氧硅层可以将氧原子激发到硅薄膜中的氧施主位置，进而使这种硅薄膜具有电子选择性质。另外，硅薄膜生长过程中使用的氧源气体，如二氧化碳，安全、便宜、无交叉污染，因此可以有效避免掺磷硅薄膜固有的缺点。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的硅异质结太阳电池的具体结构；
图2是根据本发明的另一个优选实施例的硅异质结太阳电池的具体结构。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
实施例1
如图1所示，根据本实施例的硅异质结太阳电池采用双面电极设计，可用于制作双面光伏组件，其包括：晶体硅吸收层101、本征钝化层102、空穴选择层103、掺氧硅层104、透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)层105、绝缘透明层106和金属电极107，其中，两本征钝化层102分置在晶体硅吸收层101的相对两侧，空穴选择层103设置于其中一个本征钝化层102上，掺氧硅层104设置于另一个本征钝化层102上，透明导电氧化物层105设置于空穴选择层103上，绝缘透明层106设置于掺氧硅层104上，两金属电极107分置在透明导电氧化物层105和绝缘透明层106上，从而形成金属电极107/绝缘透明层106/掺氧硅层104/本征钝化层102/晶体硅吸收层101/本征钝化层102/空穴选择层103/透明导电氧化物层105/金属电极107的结构。本实施例的硅异质结太阳电池的入光面可为任意一侧或两侧的组合，即工作时，光既可从绝缘透明层106一侧入射，也可从透明导电氧化物层105一侧入射，或者可以作为双面太阳电池使用，光同时从电池的两侧入射。亦即电池既可以是前发射极太阳电池，也可以是背发射极太阳电池，电池两侧的金属电极107既可以是双面栅线电极，也可以是一面为栅线电极，另一面为全背金属电极。
特别地，本实施例的硅异质结太阳电池通过掺氧硅层104基于氧原子作为施主杂质(氧施主)，其中的掺杂氧原子占据晶格的施主位点，提高了硅薄膜中的电子密度，降低了功函数，进而表现出电子选择功能。掺氧硅层104为含氧施主微晶硅氧层(Od-μc-SiO:H)或含氧施主多晶硅氧层(Od-mc-SiO:H)，作为电子选择层用于分离光生电子。掺氧硅层104具有较低的功函数，从而与晶体硅吸收层101和本征钝化层102形成合适的能带匹配，实现电子抽取功能。与已知硅异质结太阳电池相比，掺氧硅层104上的绝缘透明层106采用绝缘透明材料而不必选择透明导电材料，减少了TCO材料的使用，由于常用TCO材料含有稀土元素，因此显著降低了工艺成本；同时，掺氧硅层104通过氧施主调节功函数，不再需要磷掺杂，降低了电池优化难度的同时又降低了工艺成本。
晶体硅吸收层101为N型单晶硅或P型单晶硅，作为光吸收层在300-1200纳米光波范围内产生光生载流子。在本实施例中，晶体硅吸收层101采用0.1-20Ω·cm的N型晶体硅，厚度介于30-200微米之间。
本征钝化层102为本征非晶硅钝化层(i-a-Si:H)或本征非晶硅氧钝化层(i-a-SiO:H)，用于钝化晶体硅表面悬挂键缺陷，能够实现反向饱和电流密度低至10fA/cm2以下，从而使得太阳电池开路电压高达740mV以上。
空穴选择层103为P型非晶硅层(p-a-Si:H)或P型非晶硅氧层(p-a-SiO:H)或P型微晶硅层(p-μc-Si:H)或P型微晶硅氧层(p-μc-SiO:H)，用于分离光生空穴载流子，通常与高功函数的透明导电氧化物接触形成良好的欧姆接触。在本实施例中，空穴选择层103的厚度介于4-200纳米之间。
掺氧硅层104中氧原子的浓度介于5×1018cm-3-5×1021cm-3之间，以在避免薄膜电导率的过度降低的同时保证具有足够浓度的氧施主。掺氧硅层104的制备是利用H等离子体轰击含氧原子的微晶硅氧或多晶硅氧薄膜，通过注入H原子降低O原子的扩散激活能，进而使得处理后大量O原子处于施主态，同时薄膜本身的功函数显著降低，最终成为电子选择层。具体地，掺氧硅层104的制备方法包括：首先采用化学气相沉积(CVD)生长微晶硅氧层(μc-SiO:H)或多晶硅氧层(mc-SiO:H)，然后在增强型化学气相沉积设备(PECVD)中利用H2等离子体将μc-SiO:H或mc-SiO:H中的氧原子激发到相应晶格位点而成为氧施主，最终形成Od-μc-SiO:H或Od-mc-SiO:H。
具体地，微晶硅氧层(μc-SiO:H)或多晶硅氧层(mc-SiO:H)的生长步骤包括：1)通过增强型等离子体化学气相沉积(PECVD)或者低压化学气相沉积(LPCVD)，在洁净的晶体硅(c-Si)衬底上生长氢化非晶硅薄膜(a-Si:H)或者氢化非晶硅氧薄膜(a-SiO:H)，薄膜厚度为3-10纳米。a-Si:H生长过程中的前驱气体为硅源气体或者稀释的硅源气体，稀释气体为氢气(H2)、氩气(Ar)、氦气(He)、氮气(N2)中的一种或多种组合。a-SiO:H生长过程中的前驱气体为硅源气体和氧源气体的混合气，或者稀释的硅源气体和氧源气体的混合气，稀释气体为H2、Ar、He、N2中的一种或多种组合。其结构特征在于：a-Si:H或者a-SiO:H与c-Si衬底之间的界面为突变结构，即在高分辨透射电子显微镜下在界面处观察不到结构有序的外延生长。2)在a-Si:H或者a-SiO:H表面生长50-500纳米的μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜。生长过程采用增强型等离子体化学气相沉积(PECVD)或者低压化学气相沉积(LPCVD)或者磁控溅射，前驱气体为硅源气体和氧源气体的混合气，或者稀释的硅源气体和氧源气体的混合气，稀释气体为H2、Ar、He、N2中的一种或多种组合。其生长特征在于：薄膜沉积过程中氧源气体和硅源气体流量比[氧源气体]/[硅源气体]为1％-70％之间；薄膜沉积过程中稀释气体总流量与硅源气体流量比例为10-2000之间。特别地，μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜生长，由于其生长表面为纯非晶态的a-Si:H或者a-SiO:H，因而生长的薄膜不易获得较好的结晶性。为克服该技术瓶颈，步骤2)在生长μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜前，首先对a-Si:H或者a-SiO:H薄膜进行表面等离子体轰击处理，使得后续生长的μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜具有更好的结晶性。具体地，a-Si:H或者a-SiO:H的表面处理采用等离子体轰击，等离子体的前驱气体为CO2或者CO2与N2、H2、Ar、He、二氧化氮(NO2)中的一种或几种组合；采用上述等离子体表面处理生长出的μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜，在高分辨透射电子显微镜下可以观察到比未采用等离子体表面处理的对照组薄膜具有更加清晰可见的有序微观结构；这种微观结构的有序性差异在a-Si:H或者a-SiO:H表面1-5纳米范围尤其显著，即等离子体表面前处理促进后续生长的μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜具有更好的结晶性。接下来，μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜转换为Od_μc-SiO:H或者Od_mc-SiO:H的步骤包括：将μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜在PECVD腔室中进行等离子体后处理，进而激活薄膜中的氧原子到达薄膜晶格的施主位点，处理后μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜分别转换为Od_μc-SiO:H或者Od_mc-SiO:H薄膜。等离子体处理采用的前驱气体为H2或者H2与Ar、He、N2、CO2中的一种或几种组合。本发明中处理μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜的等离子体必须含有H原子，H原子进入硅薄膜网络后能够降低O原子的迁移势垒，有更大的几率到达O施主位点，因此所述等离子体处理的关键是含有H2。有时为了降低H原子在等离子体中重新结合成H2分子，也会加入其他混合气体，如Ar、He、N2、CO2等。总之，所述等离子体处理的主要精神是提供H原子轰击μc-SiO:H或者mc-SiO:H薄膜，从而降低O原子迁移势垒实现O施主掺杂，最终形成Od_μc-SiO:H或者Od_mc-SiO:H电子选择性薄膜。等离子体处理后制备的硅异质结电池的开路电压显著高于未采用等离子体处理的对照组电池的开路电压。等离子体处理后得到的Od_μc-SiO:H或者Od_mc-SiO:H薄膜的方块电阻为20-250Ω/□。上述步骤中的硅源气体包括SiH4、Si2H6、SiHCl3或SiH3CH3中的一种或几种组合，氧源气体为CO2，生长过程中衬底温度为20-350℃，功率密度为5-700mW/cm2，腔室压强为10-1000Pa。
考虑到本征钝化层102和空穴选择层103具有极高的电阻率104-107Ω·cm，无法保证载流子低损耗输运，本发明通过透明导电氧化物层105来完成载流子在电池表面的横向输运。透明导电氧化物层105采用金属氧化物半导体，包括ITO、IWO、IZrO、IZO、AZO、IGO、ITiO、ICO中的一种或多种组合。
绝缘透明层106为氮化硅(SiNx:H)薄膜，主要优势包括：(1)SiNx:H沉积过程中，等离子中部分H原子扩散进入晶体硅表面实现表面化学钝化；(2)SiNx:H的折射率介于透明导电氧化物层105和空气之间，进而实现更好的减反效果；(3)SiNx:H具有很好的抗湿热效果，因此能够提升电池在高温高湿条件下的稳定性。应该理解，绝缘透明层106还可以是氧化硅(SiOx)薄膜或者硅氮氧(SiNxOy)薄膜或者其组合，厚度介于20-150纳米之间。
金属电极107采用低温技术制备，常用的方法包括丝网印刷低温银电极和电镀铜电极等，温度不超过300℃。金属电极107能够与掺氧硅层104的含氧施主微晶硅氧层(Od-μc-SiO:H)或含氧施主多晶硅氧层(Od-mc-SiO:H)形成欧姆接触。为了降低金属电极107与透明导电氧化物层105或掺氧硅层104之间的接触电阻，同时修复透明导电氧化物层105与空穴选择层103界面的界面损伤，在金属电极制备工艺后优选进行一步或多步退火处理：退火温度为100-250℃，退火后电池结构中缺陷态密度降低，采用Sinton WCT-120少子寿命测试仪可测得更高的Suns-Voc。应该理解，基于掺氧硅层104中氧施主的亚稳态特性，电池退火过程控制温度不超过550℃，采用150-250℃适宜。
结果表明，根据本发明的太阳电池能够实现>20％的光电转换效率，FF大于77％。由此可见根据本发明的掺氧硅层104具有很好的电子选择性。
相对于现有技术中的需要提供独立的腔室专门用于掺磷非晶硅生长来避免磷原子交叉污染的电子/空穴选择层，根据本发明的太阳电池的制备方法在硅薄膜沉积工艺中可以省去一个腔室，掺氧硅层104可以和本征钝化层102的沉积在同一个腔室完成，既节省了设备投入成本，又节约了托盘转移和抽真空消耗的时间，因此能够提高生产效率。
实施例2
如图2所示，根据本实施例的硅异质结太阳电池为全背电极太阳电池结构设计，其包括：氮化硅层201、晶体硅吸收层202、本征钝化层203、掺氧硅层204、金属电极205和空穴选择层206，其中，氮化硅层201设置于晶体硅吸收层202上，本征钝化层203设置于晶体硅吸收层202上，掺氧硅层204和空穴选择层206彼此间隔开地设置于本征钝化层203上，金属电极205设置于掺氧硅层204和空穴选择层206上。
特别地，本实施例的硅异质结太阳电池通过掺氧硅层204基于氧原子作为施主杂质(氧施主)。掺氧硅层204与实施例1的掺氧硅层104相同，其为含氧施主微晶硅氧层(Od-μc-SiO:H)或含氧施主多晶硅氧层(Od-mc-SiO:H)，作为电子选择层用于分离光生电子。掺氧硅层204具有较低的功函数，从而与晶体硅吸收层202和本征钝化层203形成合适的能带匹配，实现电子抽取功能。与已知硅异质结太阳电池相比，掺氧硅层204通过氧施主调节功函数，不再需要磷掺杂，降低了电池优化难度的同时又降低了工艺成本。应该理解，电池正面也可在氮化硅层201和晶体硅吸收层202之间插入氧化硅钝化层，目的是避免低光注入时由于氮化硅中电荷引起的反型层造成较大的表面复合。
氮化硅层201主要作用包括：(1)电学方面，氮化硅能够很好地钝化晶体硅表面的悬挂键，从而降低光生载流子在晶体硅表面的载流子复合速率；(2)光学方面，氮化硅的折射率介于晶体硅和空气之间，因此此处起到了减少入射光反射的作用，进而实现提高光电流的目的。
晶体硅吸收层202与实施例1的晶体硅吸收层101相同，其为N型单晶硅或P型单晶硅，作为光吸收层在300-1200纳米光波范围内产生光生载流子。
本征钝化层203与实施例1的本征钝化层102相同，其为本征非晶硅钝化层(i-a-Si:H)或本征非晶硅氧钝化层(i-a-SiO:H)，用于钝化晶体硅表面悬挂键缺陷，能够实现饱和电流密度低至10fA/cm2以下，从而使得太阳电池开路电压高达740mV以上。
掺氧硅层204的制备是利用H等离子体轰击含氧原子的微晶硅氧或多晶硅氧薄膜，通过注入H原子降低O原子的扩散激活能，进而导致大量O原子处于施主态，同时薄膜本身的功函数显著降低，最终成为电子选择层。
金属电极205与实施例1的金属电极107相同，其采用低温技术制备，常用的方法包括丝网印刷低温银电极和电镀铜电极等，温度不超过300℃。背面插指状电极可以采用光刻技术或丝网印刷技术实现。金属电极205能够与掺氧硅层204的含氧施主微晶硅氧层(Od-μc-SiO:H)或含氧施主多晶硅氧层(Od-mc-SiO:H)形成欧姆接触。
空穴选择层206与实施例1的空穴选择层103相同，其为P型非晶硅层(p-a-Si:H)或P型非晶硅氧层(p-a-SiO:H)或P型微晶硅层(p-μc-Si:H)或P型微晶硅氧层(p-μc-SiO:H)，用于分离光生空穴。考虑到硼原子掺杂效率较低，空穴选择层206的宽度通常比掺氧硅层204的宽度大，具体参数设定须结合理论模拟和实验数据确定。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (9)
1.一种硅异质结太阳电池的制备方法，该硅异质结太阳电池包括晶体硅吸收层（101，202）、本征钝化层（102，203）、电子选择层和金属电极（107，205），其中，本征钝化层（102，203）设置于晶体硅吸收层（101，202）上，电子选择层设置于本征钝化层（102，203）上，金属电极（107，205）与电子选择层形成欧姆接触，其特征在于，该制备方法包括：首先生长微晶硅氧层或多晶硅氧层，然后利用H等离子体轰击微晶硅氧层或多晶硅氧层使其中的氧原子激发到相应晶格位点而成为氧施主，从而形成作为电子选择层的含氧施主微晶硅氧层或含氧施主多晶硅氧层的掺氧硅层（104，204），掺氧硅层（104，204）与晶体硅吸收层（101，202）和本征钝化层（102，203）形成能带匹配以实现电子抽取。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，掺氧硅层（104，204）中氧原子的浓度介于5×1018 cm-3-5×1021 cm-3之间。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，硅异质结太阳电池还包括空穴选择层（103），透明导电氧化物层（105）和绝缘透明层（106），其中，掺氧硅层（104）和空穴选择层（103）设置在分别位于晶体硅吸收层（101）的两侧的本征钝化层（102）上，透明导电氧化物层（105）设置于空穴选择层（103）上，绝缘透明层（106）设置于掺氧硅层（104）上。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，绝缘透明层（106）为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜或者硅氮氧薄膜或者其组合。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，硅异质结太阳电池还包括氮化硅层（201）和空穴选择层（206），其中，氮化硅层（201）设置于晶体硅吸收层（202）的与本征钝化层（203）相对的另一侧上，掺氧硅层（204）和空穴选择层（206）彼此间隔开地设置于本征钝化层（203）上，金属电极（205）设置于掺氧硅层（204）和空穴选择层（206）上。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，生长微晶硅氧层或多晶硅氧层的步骤包括：首先通过硅源气体在晶体硅衬底上生长氢化非晶硅薄膜或者通过硅源气体和氧源气体的混合气在晶体硅衬底上生长氢化非晶硅氧薄膜，然后通过硅源气体和氧源气体的混合气在氢化非晶硅薄膜或者氢化非晶硅氧薄膜表面生长微晶硅氧层或多晶硅氧层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在生长微晶硅氧层或多晶硅氧层前，先利用CO2对氢化非晶硅薄膜或者氢化非晶硅氧薄膜进行表面等离子体轰击处理。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，硅源气体包括SiH4、Si2H6、SiHCl3或SiH3CH3中的一种或几种组合，氧源气体为CO2。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该制备方法还包括用于降低电池结构中缺陷态密度的退火处理。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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