CN113257957A - 超掺杂硅薄膜太阳能电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超掺杂硅薄膜太阳能电池及其制作方法，涉及太阳能电池技术领域。所述制作方法包括电极掩膜，将硅基太阳能电池作为衬底进行电极掩模后置入真空镀膜机的真空室中；抽真空，对真空室抽真空处理；镀膜，蒸发硅颗粒和过渡金属粉末或颗粒在衬底上形成厚度为0.05～1μm的混合薄膜；掺杂，待衬底冷却后，取出衬底置入保护气氛中，使用高重复频率纳秒激光熔融混合薄膜形成等间距条状半导体掺杂层。本发明还提供了一种超掺杂硅薄膜太阳能电池，其使用上述方法制得。本发明的有益效果可包括：能够制作对全光谱产生光电效应的太阳能电池；使用过渡金属作为掺入的杂质来进行硅的超掺杂，光电转换效率提升。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体来讲，涉及一种能够对全光谱(0.25～2.5μm)产生光电效应的太阳能电池及其制作方法。
背景技术
太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照射到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。然而受到硅禁带宽度的限制，产生光电效应的最大波长为1.12μm。这导致近红外波段中占有太阳光能量22％的光(波长1.1～2.5μm的光)的能量未得到应用。因此，太阳光谱中近红外波段的光伏材料及其器件的研究一直受到各国广泛重视。
现有技术中存在一种在含硫气氛中利用飞秒激光脉冲在硅基材料的表面制备超掺杂硫的锥状微结构。这种异质结对近红外光谱的吸收率高达90％。在这种材料中，远超其固溶度的硫族掺杂元素在硅的禁带中引入的中间能带是硅获得近红外吸收的主要原因。同时，重掺杂的硫深能级杂质的电子态为非局域的，降低了载流子复合率。这种新材料在太阳能电池、红外探测器等领域具有非常可观的应用前景。但是其存在以下缺点：采用飞秒激光脉冲点光源在硫气氛中进行的硫重掺杂技术可同时形成微结构和硫的重掺杂，微结构和掺硫互相影响，性能难以同时优化，致使这种材料表现为高的光吸收率和低的光电转换效率，使得器件性能还远不能进入实用化。
现有技术中大多数专利生成掺杂的硅表面薄层都是利用飞秒或皮秒脉冲激光点光斑的固有特性，在SF6气氛中形成微结构的同时在微结构中掺入硫原子。但是，在飞秒或皮秒激光同硅基材料作用时，通过剧烈气化、沉积多个物理过程形成的微结构表面呈现非晶结构，这导致薄层电阻高达几千方欧，严重地影响载流子的输运，这样形成的光伏器件串联电阻大，且超掺杂(浓度≥1019/cm3)深度有限(小于0.2μm)，影响红外吸收，造成光电转换效率低。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，近红外波段中占有太阳光能量22％的光(波长1.1～2.5μm的光)的能量未得到应用的问题；微结构和掺杂互相影响导致材料表现为高的光吸收率和低的光电转换效率的问题；光伏器件串联电阻大、掺杂深度有限、光电转换率低的问题。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法。所述制作方法包括电极掩膜、抽真空、镀膜和掺杂四个步骤。所述电极掩模：将硅基太阳能电池作为衬底进行电极掩模后置入真空镀膜机的真空室中。所述抽真空：对真空室抽真空处理。所述镀膜：蒸发硅以及过渡金属在衬底上形成厚度为0.05～1μm的混合薄膜。所述掺杂：待衬底冷却后，取出衬底置入保护气氛中，使用高重复频率纳秒激光作用于混合薄膜形成等间距条状半导体掺杂层。
进一步地，在抽真空中，对真空室抽真空处理后，真空室内的气压小于3×10-3Pa。
进一步地，在镀膜步骤中，过渡金属的量为0.001～0.01mol。
进一步地，在镀膜步骤中，硅与过渡金属在衬底表面形成混合薄膜时，衬底的表面温度为25～60℃。
进一步地，所使用的硅的纯度≥99.9999％，所使用的过渡金属的纯度≥99.999％。
进一步地，在镀膜步骤中，使用阻蒸镀膜装置在加热电流为20～150A时蒸发过渡金属，使用电子束镀膜装置在束流为150～300mA时蒸发硅。
进一步地，在抽真空步骤中，对真空室抽真空处理后，真空室内的真空度为3×10- 3Pa以下。
进一步地，在掺杂步骤中，保护气氛通过在真空室中抽真空达到10-1Pa及以下后再充保护气体到一个标准大气压得到。
进一步地，在掺杂步骤中，纳秒激光的能量密度为0.1～1.5j/cm2。进一步地，在掺杂步骤中，纳秒激光作用时的水平移动速度为500～3000mm/s。例如，当纳秒激光聚焦点的水平移动速度为500mm/s，纳秒激光的频率为50kHz，纳秒激光的光斑为直径50μm的圆斑。
本发明的另一方面提供了一种超掺杂硅薄膜太阳能电池，所述太阳能电池通过上述方法制作得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：能够避免在掺杂时损伤衬底性能；能够显著提高超掺杂深度和杂质电活性，进而形成强红外吸收层；能够降低未激活杂质对载流子的散射和复合；能够达到微米级超掺杂深度；能够实现超掺杂硅薄膜的高结晶性，降低薄层电阻和缺陷复合；有助于获得器件级载流子迁移率和寿命乘积(μ×τ)；超掺杂硅薄膜厚度可调；能够在实现强红外吸收的同时，满足少数载流子扩散长度限制，提高红外光生载流子收集效率；采用本发明的制作方法所制得的太阳能电池能够实现对近红外波段中占有太阳光能量22％的光(波长1.1～2.5μm的光)产生高于现有技术的光电效应；能够制得在近红外区的光吸收率大于或等于85％太阳能电池。
附图说明
图1示出了的一个示例性实施例中多晶硅太阳能电池芯片的光吸收率与超掺杂硅薄膜太阳能电池芯片的光吸收率的对比图；
图2示出了本发明的一个示例性实施例中超掺杂硅薄膜太阳能电池的结构示意图；
图3示出了本发明的一个示例性实施例中的超掺杂硅薄膜太阳能电池和原始晶硅太阳能电池的伏安特性曲线。
图中标记：
1-多晶硅太阳能电池芯片的光吸收率，2-超掺杂硅薄膜太阳能电池芯片的光吸收率，3-背电极，4-P型层，5-PN结，6-N型层，7-陷光层，8-正面电极，9-SiNx层，10-超掺杂硅薄膜。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的超掺杂硅薄膜太阳能电池及其制作方法。本文中，“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。
所述制作方法包括电极掩膜、抽真空、镀膜和掺杂四个步骤。
电极掩膜步骤，将硅基太阳能电池作为衬底，将衬底清洗烘干后进行电极掩模，以保护电极、避免正面电极和背电极导通。将电极掩膜后的衬底置入真空镀膜机的真空室中，例如真空室内的旋转支架上。所述硅基太阳能电池可以是现目前市面常见的硅基太阳能电池，例如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池或非晶硅太阳能电池。本发明的制作方法使用现有技术中的硅基太阳能电池作为衬底，不需要专门定制衬底，能够在不改变现有生产线的前提下进行生产。
抽真空步骤，对真空镀膜机的真空室抽真空处理。进一步地，对真空镀膜机的真空室抽真空处理后，真空室内的真空度≤3×10-3Pa。
镀膜步骤，蒸发硅和过渡金属，使得硅和过度金属在衬底上形成混合薄膜。进一步地，混合薄膜的厚度为0.05～1μm，例如0.1μm、0.5μm或0.8μm，有利于混合薄膜能够在获得高光吸收同时，减少载流子扩散距离。
所述硅包括硅粉末或硅颗粒，所述过渡金属包括过渡金属粉末或过渡金属颗粒。所述过渡金属包括Cu、Zn、Ag、Ti、Fe、Ni、Au等能够在硅的禁带中能引入中间能带的过渡金属。进一步地，为减少杂质影响、实现更好的掺杂效果、得到更高的光吸收率，所述硅的纯度≥99.9999％，所述过渡金属的纯度≥99.999％。
例如，采用真空蒸发镀膜法，同时蒸发硅粉末或颗粒以及过渡金属粉末或颗粒在衬底上形成硅与过渡金属的混合薄膜，在镀膜时衬底表面的温度为25～60℃，以避免衬底与混合薄膜的温度差距过大，同时避免温度过高导致的衬底损坏。
进一步地，过渡金属的量为0.001～0.01mol，能够在满足掺杂浓度的同时减少杂质析出。
进一步地，可以使用电子束镀膜装置蒸发硅，束流设置为150～300mA，如200mA，束流越大，蒸发越快。例如，将硅颗粒盛放在石墨坩埚中，将电子束加热装置蒸发硅颗粒，束流设置为250mA。
进一步地，可以使用阻蒸镀膜装置蒸发过渡金属元素，加热电流设置为20～150A，如80A、100A或120A，加热电流的大小根据所使用的过渡金属的熔、沸点来调整。例如，将过渡金属元素粉末盛放在钨舟中，打开钨舟热电阻加热器，并将加热电流设置为130A，蒸发过渡金属粉末。
掺杂步骤，待衬底冷却后，取出衬底置入保护气氛中，使用高重复频率纳秒激光作用于混合薄膜，使得混合薄膜熔化、由非晶态转变为多晶态，进而形成等间距条状半导体掺杂层，混合薄膜变为超掺杂硅薄膜。
所述保护气氛包括由氮气、氦气等化学性质不活泼的气体作为保护气体所形成的气氛。
所述超掺杂硅薄膜能够作为减反层减小光的反射，如图1所示，在波长为250～1100nm时，超掺杂硅薄膜太阳能电池芯片的光吸收率2高于多晶硅太阳能电池芯片的光吸收率1；同时，超掺杂硅薄膜还能够作为红外吸收层增加红外吸收，如图1所示，在波长为1100～2500nm时，超掺杂硅薄膜太阳能电池芯片的光吸收率2显著高于多晶硅太阳能电池芯片的光吸收率1。进一步地，所述超掺杂硅薄膜能够使得太阳能电池芯片对全光谱(0.25～2.5μm)产生光电效应，尤其是对波长为1.1～2.5μm的光产生光电效应，得到大于或等于85％的光吸收率。
进一步地，保护气氛通过在第二真空室中抽真空达到10-1Pa及以下后再充保护气体(例如，氮气或氩气等)到一个标准大气压得到。进一步地，充入的保护气体纯度大于或等于99.9％。
进一步地，所使用的高重复频率纳秒激光的能量密度为0.1～1.5j/cm2，例如，0.5j/cm2或0.8j/cm2，以保证纳秒激光既能够使混合薄膜熔化为液态、杂质充分进入液态硅中，同时又能够快速冷却结晶，不至于使杂质吸收能量而改变形态逃逸，进而损伤衬底性能。所使用的高重复频率纳秒激光的能量密度可以根据预设的等间距条状半导体掺杂层的厚度和间距宽度进行调整。进一步地，高重复频率纳秒激光作用在混合薄膜时的水平移动速度为500～3000mm/s，重复频率为50～100KHz，且当水平移动速度发生变化时，纳秒激光的重复频率需要相应发生变化，以保证纳秒激光的能量密度为0.1～1.5j/cm2。例如，当纳秒激光聚焦点的水平移动速度为500mm/s时，纳秒激光的频率为50kHz，纳秒激光的光斑为直径50μm的圆斑。
为了更好的理解本发明的上述实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例1
如图2所示，晶硅太阳能电池的结构包括P型层4、PN结5、N型层6、与P型层连接的背电极3、陷光层7、与N型层连接的正面电极8以及SiNx层9。
使用本发明的制造方法对晶硅太阳能电池的处理如下。
将如图1所示的晶硅太阳能电池作为衬底进行清洗并烘干，然后对正面电极进行电极掩膜。
将电极掩膜后的晶硅太阳能电池置入真空镀膜机的真空室中。
对真空室抽真空处理，同时使用石墨坩埚盛纯度大于99.9999％的硅颗粒放入电子束镀膜装置中，使用钨舟盛0.001mol～0.01mol的过渡金属元素粉末或颗粒放入阻蒸镀膜装置中。
待真空室内的气压小于3×10-3Pa后，打开电子束加热装置并设置束流为150～300mA，蒸镀时间为5～20min，打开钨舟热电阻加热器，加热电流为20～150A。
当衬底上形成了0.05～1μm的硅与过渡金属元素的混合薄膜后，关闭电子束加热装置和钨舟热电阻加热器。
待衬底冷却后将其从真空室中取出并放入高纯(例如，纯度＞99.9％)氮气气氛中，打开高重复频率纳秒激光，并使用其数控软件控制激光振镜系统使光斑在硅与过渡金属元素的混合薄膜上进行扫描，形成等间距条状半导体掺杂层，混合薄膜变为超掺杂硅薄膜10。
示例2
使用晶硅太阳能电池作为衬底，根据本发明所述的制作方法制作的超掺杂硅薄膜太阳能电池。在相同条件下测试原始晶硅太阳能电池和超掺杂硅薄膜太阳能电池的伏安特性(即，电流密度与电压关系曲线)，其中，电流密度采用单位mA·cm-2，电压采用单位V，测试结果如图3所示，根据测试结果可以看出，超掺杂硅薄膜太阳能电池在0～0.6V电压时，电流密度(也可以说是对光的吸收率或光电响应度)相比原始晶硅太阳能电池有明显提升。
综上所述，本发明的有益效果可包括：
(1)能够提高现有技术中对近红外波段中占有太阳光能量22％的光(波长1.1～2.5μm的光)的能量的利用；
(2)能够制得对全光谱(0.25～2.5μm)产生光电效应，且在近红外区的光吸收率大于或等于85％的太阳能电池；
(3)能够一步制备红外吸收层和减反层，提高效率；
(4)能够实现超掺杂硅薄膜高结晶性，降低薄层电阻和缺陷复合，获得器件级的迁移率和载流子寿命乘积(μ×τ)；
(5)能够使用过渡金属元素作为掺入的杂质来进行硅的超掺杂；
(6)能够为飞秒激光烧蚀、离子注入超掺杂单晶硅表面长期存在的表面晶格损伤严重、掺杂深度浅、杂质电活性差和红外光生载流子收集率低的难点问题提供新解决途径。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
Claims (10)
1.一种超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
电极掩膜，将硅基太阳能电池作为衬底进行电极掩模后置入真空镀膜机的真空室中；
抽真空，对真空室抽真空处理；
镀膜，蒸发硅以及过渡金属在衬底上形成混合薄膜；
掺杂，待衬底冷却后，取出衬底置入保护气氛中，使用高重复频率纳秒激光作用于混合薄膜形成等间距条状半导体掺杂层。
2.根据权利要求1所述的超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，混合薄膜的厚度为0.05～1μm。
3.根据权利要求1所述的超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，在镀膜步骤中，过渡金属的量为0.001～0.01mol。
4.根据权利要求1所述的超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，在镀膜步骤中，硅与过渡金属在衬底表面形成混合薄膜时，衬底的表面温度为25～60℃。
5.根据权利要求1所述的超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，所使用的硅的纯度≥99.9999％，所使用的过渡金属的纯度≥99.999％。
6.根据权利要求1所述的超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，在镀膜步骤中，使用阻蒸镀膜装置在加热电流为20～150A时蒸发过渡金属，使用电子束镀膜装置在束流为150～300mA时蒸发硅。
7.根据权利要求1所述的超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，在掺杂步骤中，纳秒激光的能量密度为0.1～1.5j/cm2。
8.根据权利要求7所述的超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，在掺杂步骤中，纳秒激光作用时的水平移动速度为500～3000mm/s，重复频率为50～100kHz。
9.根据权利要求1所述的超掺杂硅薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，在抽真空步骤中，对真空室抽真空处理后，真空室内的真空度为3×10-3Pa以下，在掺杂步骤中，保护气氛通过在第二真空室中抽真空达到10-1Pa及以下后再充保护气体到一个标准大气压得到。
10.一种超掺杂硅薄膜太阳能电池，其特征在于，通过如权利要求1～9中任意一种方法制作得到。
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Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102496638A (zh) * | 2011-11-28 | 2012-06-13 | 中国科学院半导体研究所 | 深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器及其制备方法 |
| WO2012092537A2 (en) * | 2010-12-30 | 2012-07-05 | Solexel, Inc. | Laser processing methods for photovoltaic solar cells |
| US20120225515A1 (en) * | 2004-11-30 | 2012-09-06 | Solexel, Inc. | Laser doping techniques for high-efficiency crystalline semiconductor solar cells |
| US20130178011A1 (en) * | 2011-08-29 | 2013-07-11 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Dopant compositions and the method of making to form doped regions in semiconductor materials |
| CN105720114A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-06-29 | 乐叶光伏科技有限公司 | 一种用于晶体硅太阳能电池的量子裁剪透明电极 |
| CN105742407A (zh) * | 2016-03-22 | 2016-07-06 | 电子科技大学 | 一种在掺杂膜层上制备黑硅的方法 |
| RU2646644C1 (ru) * | 2016-10-20 | 2018-03-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФГБУН ФИАН) | Способ формирования сверхлегированного серой микроструктурированного кристаллического слоя на поверхности кремния |
| WO2018231330A1 (en) * | 2017-04-14 | 2018-12-20 | President And Fellows Of Harvard College | Hyperdoped germanium-based photodiodes with sub-bandgap photoresponse at room temperature |
| US10276740B1 (en) * | 2018-03-19 | 2019-04-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Co-deposition of black silicon |
| WO2021061543A1 (en) * | 2019-09-24 | 2021-04-01 | W&wsens Devices Inc. | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices |
| CN112786719A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-05-11 | 隆基绿能科技股份有限公司 | 太阳电池及电池组件 |
-
2021
- 2021-06-11 CN CN202110656358.XA patent/CN113257957B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120225515A1 (en) * | 2004-11-30 | 2012-09-06 | Solexel, Inc. | Laser doping techniques for high-efficiency crystalline semiconductor solar cells |
| WO2012092537A2 (en) * | 2010-12-30 | 2012-07-05 | Solexel, Inc. | Laser processing methods for photovoltaic solar cells |
| US20130178011A1 (en) * | 2011-08-29 | 2013-07-11 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | Dopant compositions and the method of making to form doped regions in semiconductor materials |
| CN102496638A (zh) * | 2011-11-28 | 2012-06-13 | 中国科学院半导体研究所 | 深能级杂质掺杂的晶体硅红外探测器及其制备方法 |
| CN105742407A (zh) * | 2016-03-22 | 2016-07-06 | 电子科技大学 | 一种在掺杂膜层上制备黑硅的方法 |
| CN105720114A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-06-29 | 乐叶光伏科技有限公司 | 一种用于晶体硅太阳能电池的量子裁剪透明电极 |
| RU2646644C1 (ru) * | 2016-10-20 | 2018-03-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФГБУН ФИАН) | Способ формирования сверхлегированного серой микроструктурированного кристаллического слоя на поверхности кремния |
| WO2018231330A1 (en) * | 2017-04-14 | 2018-12-20 | President And Fellows Of Harvard College | Hyperdoped germanium-based photodiodes with sub-bandgap photoresponse at room temperature |
| US10276740B1 (en) * | 2018-03-19 | 2019-04-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Co-deposition of black silicon |
| WO2021061543A1 (en) * | 2019-09-24 | 2021-04-01 | W&wsens Devices Inc. | Microstructure enhanced absorption photosensitive devices |
| CN112786719A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-05-11 | 隆基绿能科技股份有限公司 | 太阳电池及电池组件 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| BENJAMIN FRANTA: "Simultaneous high crystallinity and sub-bandgap optical absorptance in hyperdoped black silicon using nanosecond laser annealing", 《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》 * |
| 王凯: "深能级杂质超掺杂硅的制备与性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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