CN112466963A - 碳化硅光伏器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳化硅光伏器件，涉及太阳能光伏技术领域。碳化硅光伏器件包括：碳化硅吸收层、位于碳化硅吸收层表面的化学钝化层、以及位于化学钝化层上的场钝化层；化学钝化层包含第一钝化层；所述化学钝化层还可以包含第二钝化层，第二钝化层位于第一钝化层和碳化硅吸收层之间；第一钝化层的材料选自氧化硅、非晶硅、单晶硅、多晶硅中的至少一种；在化学钝化层仅包含第一钝化层的情况下，第一钝化层的材料还选自氮元素和/或磷元素；场钝化层中靠近所述碳化硅吸收层一侧的界面处固定电荷密度大于或等于1011cm‑2。化学钝化层钝化碳化硅吸收层的表面悬挂键，场钝化层起到场效应的效果，进而抑制光生载流子表面复合，实现较高的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏技术领域，特别是涉及一种碳化硅光伏器件。
背景技术
碳化硅光伏器件由于其中包含的作为中间带吸收层的碳化硅材料可以实现较高的光电转换效率，因此，具备广阔的应用前景。
但是，发明人在研究过程中发现：光生载流子容易在碳化硅表面复合，导致碳化硅光伏器件光电转换效率下降。
发明内容
本发明提供一种碳化硅光伏器件，旨在解决碳化硅光伏器件中光生载流子容易在碳化硅表面复合，导致碳化硅光伏器件光电转换效率下降的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种碳化硅光伏器件，所述碳化硅光伏器件包括：碳化硅吸收层、位于所述碳化硅吸收层表面的化学钝化层、以及位于所述化学钝化层上的场钝化层；所述碳化硅吸收层包含具有中间带的碳化硅材料；
所述化学钝化层包含第一钝化层；
所述化学钝化层还可以包含第二钝化层，所述第二钝化层位于所述第一钝化层和所述碳化硅吸收层之间；
所述第二钝化层的材料选自选自碱金属、碱土金属、碱金属的卤化物、碱土金属的卤化物、二维碳材料中的至少一种；
所述第一钝化层的材料选自氧化硅、非晶硅、单晶硅、多晶硅中的至少一种；在所述化学钝化层仅包含所述第一钝化层的情况下，所述第一钝化层的材料还包含氮元素和/或磷元素；
所述场钝化层中靠近所述碳化硅吸收层一侧的界面处固定电荷密度大于或等于1x1011cm-2。
本申请中，位于碳化硅吸收层表面的上述材质的化学钝化层充分钝化碳化硅吸收层的表面悬挂键，位于化学钝化层上的场钝化层中的固定电荷大于或等于1x1011cm-2，通过电荷效应充分起到场效应的效果，且上述场钝化层还能够保护化学钝化层。通过上述化学钝化层和场钝化层对碳化硅吸收层表面起到复合钝化的作用，可以有效地钝化碳化硅吸收层表面，抑制光生载流子表面复合，实现较高的光电转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的方案。
图1示出了本发明实施例中的第一种碳化硅光伏器件的局部结构示意图；
图2示出了本发明实施例中的第二种碳化硅光伏器件的局部结构示意图。
附图编号说明：
1-碳化硅吸收层，22-第一钝化层，21-第二钝化层，23-场钝化层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
图1示出了本发明实施例中的第一种碳化硅光伏器件的局部结构示意图。参照图1所示，该碳化硅光伏器件包括：碳化硅吸收层1、位于碳化硅吸收层1表面的化学钝化层、以及位于化学钝化层上的场钝化层23。碳化硅吸收层1表面可以包括：碳化硅吸收层1的全部或部分向光面、碳化硅吸收层1的全部或部分背光面、碳化硅吸收层1的全部或部分侧面的至少一种。碳化硅吸收层1的向光面为碳化硅光伏器件中，碳化硅吸收层1吸收光照的表面。碳化硅吸收层1的向光面与碳化硅吸收层1的背光面相对分布。碳化硅吸收层1的侧面为碳化硅吸收层1中除了向光面、背光面之外的表面。
需要说明的是，化学钝化层位于碳化硅吸收层1的向光面的情况下，则化学钝化层、场钝化层23需要在可见光波段具备较高的平均透过率，以保证器件入射光。上述化学钝化层、场钝化层23还可以作为反射或减反射薄膜存在，可以依据折射率、厚度等参数进行光学效果的优化。在本申请实施例中，对此不作具体限定。
碳化硅吸收层1包含具有中间带的碳化硅材料，具有中间带的碳化硅材料在碳化硅吸收层1中所占的比例不作具体限定。例如，全部的碳化硅吸收层1可以均为具有中间带的碳化硅材料。具有中间带的碳化硅材料，由于中间带的存在可以吸收更多的光，因此，具有中间带的碳化硅材料可以主要起到的光吸收作用。
碳化硅吸收层1中的导电性掺杂采用采用III族元素(p型掺杂)或V族元素(n型掺杂)，常用导电性掺杂元素包括硼、铝、镓、铟、氮、磷、砷等。碳化硅吸收层1中的导电性掺杂的掺杂浓度为1×1013cm-3-1×1020cm-3量级。
碳化硅吸收层1中具有中间带的碳化硅材料的中间带掺杂可以采用过渡金属元素、III族元素、V族元素或VI族元素，如钴、硼、氮、氧、钪、钛、钒、锰、铁、钴、镍、铜、锌等，掺杂浓度范围为0.01～10at％(原子百分比)。
碳化硅吸收层1中具有中间带掺杂功能的元素是否具有导电性掺杂功能不作具体限定。例如，在碳化硅吸收层1中具有中间带的碳化硅材料具有导电性掺杂的情况下，导电性掺杂和中间带掺杂均可以采用硼元素进行。碳化硅吸收层1的向光面为平面或绒面。碳化硅吸收层1的向光面还可以具备纳米陷光结构、等离子激元结构等，以增加陷光效果。如，碳化硅吸收层1的向光面为规则或不规则的织构，如金字塔结构、倒金字塔结构、棒状结构、锥状结构、凹坑结构或纳米结构等。
碳化硅吸收层1可以为六方或立方相(如3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC)。碳化硅吸收层1可以带有pn结，碳化硅吸收层1的pn结分离载流子。
参照图1所示，化学钝化层包含第一钝化层22和第二钝化层21。图2示出了本发明实施例中的第二种碳化硅光伏器件的局部结构示意图。参照图2所示，化学钝化层仅包含第一钝化层22。
在化学钝化层还包括含第二钝化层21的情况下，第二钝化层21的材料均选自碱金属、碱土金属、碱金属的卤化物、碱土金属的卤化物、二维碳材料中的至少一种。碳化硅吸收层1的表面由于存在周期交替分布的碳原子和硅原子，因此，碳化硅吸收层1的表面通常存在悬挂键，而光生载流子容易在上述悬挂键处复合，上述材料的第二钝化层21能够充分钝化上述悬挂键，减少光生载流子的复合，进而能够提升碳化硅光伏器件的光电转换效率。
无论是化学钝化层由第二钝化层21和第一钝化层22组成，还是化学钝化层仅由第一钝化层22组成，第一钝化层22的材料选自氧化硅、非晶硅、单晶硅、多晶硅中的至少一种，第一钝化层22主要用于钝化碳化硅吸收层1表面的硅原子。
参照图2所示，在化学钝化层仅包含第一钝化层22情况下，第一钝化层22的材料还包括氮元素和/或磷元素。发明人发现，仅采用氧化硅、非晶硅、单晶硅、多晶硅不能较好的钝化碳化硅吸收层1表面的悬挂键，因此，在化学钝化层仅包含第一钝化层22的情况下，第一钝化层22的材料还包括氮元素和/或磷元素，第一钝化层22中的氮元素和/或磷元素能够充分钝化碳化硅吸收层1表面的悬挂键。也就是说，通过在氧化硅、非晶硅、单晶硅、多晶硅形成的第一钝化层22中设置氮元素和/或磷元素，第一钝化层22中的氮元素和/或磷元素可以起到与前述第二钝化层21相同或类似的有益效果，因此可以不用设置第二钝化层。
需要说明的是，化学钝化层包含第二钝化层21和第一钝化层22的情况下，第一钝化层22的材料也可以选自氮元素和/或磷元素，第一钝化层22中的氮元素和/或磷元素能够补充钝化碳化硅吸收层1表面的悬挂键。在申请实施例中，对此不作具体限定。
无论是化学钝化层由第二钝化层21和第一钝化层22组成，还是化学钝化层由第一钝化层22组成，场钝化层23中靠近碳化硅吸收层1一侧的界面处固定电荷密度均大于或等于1x1011cm-2。场钝化层23通过固定电荷起到场效应的效果，且上述场钝化层23还能够保护化学钝化层。
场钝化层23中固定电荷与碳化硅吸收层1的导电类型有关。如，碳化硅吸收层1的导电类型为n型，则，场钝化层23中固定电荷为正固定电荷。碳化硅吸收层1的导电类型为p型，则，场钝化层23中固定电荷为负固定电荷。同时，场钝化层23中固定电荷与碳化硅吸收层1之间的距离需要小于或等于200nm。
可选的，参照图1所示，第二钝化层21的厚度h1为0.1-2nm。上述厚度的第二钝化层21能够充分钝化碳化硅吸收层1表面的悬挂键。
可选的，第二钝化层21可以为连续或不连续薄膜，0.1-2nm较薄的厚度下可能不能保证完全连续，会存在孔隙等非连续结构，但是需要第二钝化层21中的材料宏观均匀分布。或者，第二钝化层21形成宏观均匀的一层。主要体现在，第二钝化层21中的材料可以微观结构上相对聚集，如形成岛状结构等，但是宏观结构上需要均匀分布。
可选的，在第二钝化层21的材料选自碱金属、碱土金属、碱金属的卤化物、碱土金属的卤化物的情况下，第二钝化层21的材料可以选自钙、铯、镉、钾、锂、镁、钠、铌、钡、氟化镁、氟化锂、氟化钙、氟化钠、氯化钠中的至少一种，上述材料具有较好的界面钝化效果。
可选的，第一钝化层22厚度可以为0.5-10nm，上述厚度的第一钝化层22对碳化硅吸收层1具有良好的钝化效果。如，参照图1所示，第一钝化层22的厚度h2为0.5-10nm。
可选的，场钝化层23的材料选自电介质材料，电介质材料的介电常数大于或等于5，场钝化层23能够充分起到场效应的效果。
可选的，场钝化层23的材料选自氧化铝、氧化钽、氧化铊、氧化铪、氧化铬、氧化钛、氮化硅、氮化铝、氮化钛中的至少一种，上述材料的场钝化层23能够充分起到场效应的效果。
如，场钝化层23可以为氧化铝与氮化硅叠层。氧化铝作为负电荷层，氧化铝的厚度为30nm。氮化硅作为正电荷层，氮化硅厚度超过200nm时，氧化铝与氮化硅叠层的总体固定电荷类型可能为正。若碳化硅吸收层1的导电类型为p型，在该场钝化层23中起到场效应效果的仅为负电荷层氧化铝的固定电荷。
可选的，化学钝化层的材料还可以包含氢元素，和/或，场钝化层23的材料还可以包含氢元素，氢元素也可以对碳化硅吸收层1起到良好的钝化作用。
可选的，在第二钝化层21的材料选自二维碳材料的情况下，二维碳材料选自类石墨烯、类石墨炔中的至少一种，上述材料可以起到良好的钝化碳化硅吸收层1表面的悬挂键的作用。类石墨烯与石墨烯的结构相同，但是类石墨烯中部分碳原子与钝化碳化硅吸收层1表面的硅原子结合形成Si-C键。同样的，类石墨炔与石墨炔的结构相同，但是类石墨炔中部分碳原子与钝化碳化硅吸收层1表面的硅原子结合形成Si-C键。
可选的，在场钝化层23的材料选自氧化物电介质的情况下，第一钝化层22由场钝化层23中的氧元素与碳化硅吸收层1中硅元素反应得到，可以无需单独设置第一钝化层22，减少了工艺步骤。具体的，氧化物电解质与碳化硅吸收层1之间通过热处理或其他处理形成的氧化硅或Si-O键层，作为第一钝化层22存在。
可选的，场钝化层23为一层或多层结构，场钝化层23的形式多样。场钝化层23中的至少一层或层之间的界面区域具有上述固定电荷。
需要说明的是，碳化硅吸收层1的不同表面上的化学钝化层的结构和材质可以相同或不同，碳化硅吸收层1的不同表面上的场钝化层的材质可以相同或不同。本实施例中，碳化硅光伏器件除了图1或图2所示的结构外，还可以包括其它结构，例如，该碳化硅光伏器件还可以正电极、负电极等结构，本实施例对此不作具体限定。
下面列举几种具体的实施例，进一步解释本申请。
实施例1
参照图1所示，本实施例中，第二钝化层21采用氟化钠，厚度为0.5nm；采用真空沉积方法制作该层，如蒸镀。
第一钝化层22采用氧化硅，覆盖于第二钝化层21之上，起到化学钝化作用并保护第二钝化层21。第一钝化层22厚度为0.5-10nm。
场钝化层23覆盖于第二钝化层21与第一钝化层22之上，起到场钝化作用，同时进一步保护第二钝化层21。场钝化层23厚度为5-500nm。场钝化层23可以为一层或多层材料，可以是多种材料的叠层。如，场钝化层23为30nm氧化铝与70nm氮化硅。或，场钝化层23仅为100nm氮化硅层。氮化硅层带正电荷，用于钝化n型碳化硅吸收层，氧化铝层带负电荷，用于钝化p型碳化硅吸收层。
场钝化层23可以含有氢元素，氢元素可以对碳化硅吸收层1具备进一步的钝化效果。
实施例2
参照图1所示，与实施例1不同的是，第二钝化层21具备二维碳材料，如类石墨烯。采用高温生长的方式生成单层或多层类石墨烯。在二维碳材料上设置钡元素层，二者整体厚度为0.1-1nm。在第二钝化层21上覆盖第一钝化层22，第一钝化层22采用氧化硅，厚度为5nm，采用化学气相沉积或原子层沉积等方法制作。在第一钝化层22上覆盖场钝化层23，起到场钝化作用，同时保护第二钝化层21与第一钝化层22层，场钝化层23厚度为5-500nm。场钝化层23可以为70nm氧化铝，或100nm氮化硅，或氧化铝与氮化硅叠层。实施例2中其余部分可以参照实施例1的记载，且能达到相同或类似的有益效果，为了避免重复，此处不再赘述。
实施例3
参照图1所示，与实施例1不同的是，第二钝化层21采用热稳定的氯化钠材料。在第二钝化层21上形成场钝化层23，采用真空沉积的方法，随后真空退火，形成位于场钝化层23和碳化硅吸收层1之间的第一钝化层22。如场钝化层23为氧化铝或氧化铪，形成的第一钝化层为氧化硅。可选的，随后继续沉积场钝化层23其余材料，覆盖并保护上述材料，如30-100nm的氮化硅材料。实施例3中其余部分可以参照实施例1的记载，且能达到相同或类似的有益效果，为了避免重复，此处不再赘述。
实施例4
参照图2所示，碳化硅吸收层1为立方或六方相碳化硅，具备导电性掺杂和中间带掺杂，二者可以采用相同或不同元素，可以包含不同类型的导电性掺杂。
碳化硅吸收层1的受光面(可以为正面，或正反面)可以为平面，更优地，具备陷光结构。陷光结构可以为规则或不规则的织构，如金字塔结构、倒金字塔结构、棒状结构、锥状结构、凹坑结构或纳米结构等；陷光结构可以是等离子激元陷光结构，如金属纳米颗粒、金属纳米线等。
第一钝化层22，采用氧化硅，厚度0.1-5nm，采用原位氧化或沉积的方法获得。
随后在氧化氮气氛中进行热处理，氮元素弥散于第一钝化层22、碳化硅吸收层1表面及界面处，起到钝化效果。
随后沉积场钝化层23，覆盖于第一钝化层22之上，如厚度30-100nm的氮化硅，或30nm氧化铝与70nm氮化硅叠层。
实施例5
参照图2所示，与实施例4不同的是，在碳化硅吸收层1表面沉积三氯氧磷，并进行热处理，生成含磷氧化硅层，构成第一钝化层22。可选的，在第一钝化层22上在沉积氧化硅以进一步增厚第一钝化层22，并保护内层。随后在第一钝化层22上沉积场钝化层23，具体为70nm的氮化硅。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种碳化硅光伏器件，其特征在于，包括：碳化硅吸收层、位于所述碳化硅吸收层表面的化学钝化层、以及位于所述化学钝化层上的场钝化层；所述碳化硅吸收层包含具有中间带的碳化硅材料；
所述化学钝化层包含第一钝化层；
所述化学钝化层还可以包含第二钝化层，所述第二钝化层位于所述第一钝化层和所述碳化硅吸收层之间；
所述第二钝化层的材料选自选自碱金属、碱土金属、碱金属的卤化物、碱土金属的卤化物、二维碳材料中的至少一种；
所述第一钝化层的材料选自氧化硅、非晶硅、单晶硅、多晶硅中的至少一种；在所述化学钝化层仅包含所述第一钝化层的情况下，所述第一钝化层的材料还包含氮元素和/或磷元素；
所述场钝化层中靠近所述碳化硅吸收层一侧的界面处固定电荷密度大于或等于1x1011cm-2。
2.根据权利要求1所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述第二钝化层的厚度为0.1-2nm；
所述第二钝化层为连续或非连续薄膜。
3.根据权利要求1所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述第一钝化层的厚度为0.5-10nm。
4.根据权利要求1所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述场钝化层的材料选自电介质材料，所述电介质材料的介电常数大于或等于5。
5.根据权利要求4所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述场钝化层的材料选自氧化铝、氧化钽、氧化铊、氧化铪、氧化铬、氧化钛、氮化硅、氮化铝、氮化钛中的至少一种。
6.根据权利要求1-5中任一所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述化学钝化层的材料包含氢元素，和/或，所述场钝化层的材料包含氢元素。
7.根据权利要求1-5中任一所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述二维碳材料选自类石墨烯、类石墨炔中的至少一种。
8.根据权利要求1-5中任一所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，在所述场钝化层的材料选自氧化物电介质的情况下，所述第一钝化层由所述场钝化层中的氧元素与所述碳化硅吸收层中硅元素反应得到。
9.根据权利要求1-5中任一所述的碳化硅光伏器件，其特征在于，所述场钝化层为一层或多层结构。
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