CN1812136A - 二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池 - Google Patents

二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池 Download PDF

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Abstract

一种半导体技术领域的二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池。本发明包括：电池迎光面栅线电极、掺氟的二氧化锡层、二氧化硅层、n型硅基底、本征非晶硅薄膜、磷掺杂非晶硅薄膜以及铝背电极。电池迎光面栅线电极在掺氟的二氧化锡层之上，掺氟的二氧化锡层与n型硅基底的正面之间夹了一层二氧化硅层，n型硅基底的背面依次沉积本征非晶硅薄膜和磷掺杂非晶硅薄膜以及铝背电极。本发明降低了薄膜的串联电阻，背面的本征非晶硅薄膜、掺磷非晶硅薄膜与硅片构成高低结，改善了电池的电输出性能，工艺简单，产业化成本低。在AM1.5，100mW/cm2标准光强下，太阳电池的效率达13％以上。

Description

二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池
技术领域
本发明涉及的是一种半导体技术领域的电池，特别是一种二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池。
背景技术
自从第一块实用的硅太阳电池在美国贝尔实验室诞生，晶体硅(包括单晶硅和多晶硅)太阳电池经过长达半个多世纪的发展，其缺点也在发展中凸显，第一，材料损失大，可用的硅厚度仅仅是硅片厚的1％，硅材料还加重了电池的重量；第二，能耗大，硅锭制备、和体硅电池的加工都要在接近1000度的高温下进行，使得晶体硅太阳电池的成本依然居高。人们一直在探讨薄膜的技术路线，因为薄膜太阳电池可在材料的利用和能耗上都比晶体硅太阳电池具有明显的优势，为了达到薄膜太阳电池的目标，人们首先考虑到采用异质结的技术先降低能耗，即依然用硅片为基底，将高温制备同质结的工艺，用低温的异质结工艺来代替，如日本的三洋电器株式会社开发的HIT太阳电池；采用金属氧化物薄膜与硅片构成异质结的太阳电池的生产工艺不但比传统的晶体硅扩散结太阳电池简单，而且设备上也比HIT太阳电池所用的设备简单，制造成本费用更低。
经对现有技术的文献检索发现，美国的专利U.S.pat.No.4.366.335介绍了采用氧化铟薄膜与硅构成异质结的太阳电池。但该太阳电池具有如下缺点：第一，铟属贵金属，由此构成的氧化铟薄膜成本高；第二，因为电池的背电极钝化问题没有很好地解决，效率不高。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池，使其在n型硅衬底上沉积SnO2:F薄膜，制成二氧化锡与硅异质结太阳电池，相对于氧化铟薄膜与硅异质结太阳电池来说，因为它没有铟，成本大为降低；其次，通过对半导体氧化物SnO2掺杂，改善了电池的串联电阻，使其光电转化效率超过了13％。
本发明是通过以下技术方案实现的。本发明包括：电池迎光面栅线电极、掺氟的二氧化锡层、二氧化硅层、n型硅基底、本征非晶硅薄膜、磷掺杂非晶硅薄膜以及铝背电极。电池迎光面栅线电极设置在电池的迎光面上，电池迎光面栅线电极在掺氟的二氧化锡层之上，掺氟的二氧化锡层与n型硅基底的正面之间夹了一层二氧化硅层，n型硅基底的背面依次沉积本征非晶硅薄膜和磷掺杂非晶硅薄膜以及铝背电极。
所述的电池迎光面栅线电极为正面光电流收集电极。
所述的掺氟的二氧化锡层，是厚度大约在70nm～90nm的掺氟二氧化锡薄膜，所以该薄膜既是异质结的一部分又起到光学减反射薄膜的作用。
所述的二氧化硅层，厚度范围为1～3nm，起到正面掺氟的二氧化锡层与硅之间的钝化作用。
所述的本征非晶硅薄膜、磷掺杂非晶硅薄膜以及铝背电极构成电池的背面，本征非晶硅薄膜和磷掺杂非晶硅薄膜与n型硅基底构成高低结背面缓冲层，既增加了电池的开路电压又有利于背面铝电极形成欧姆接触。
所述的n型硅基底，可以是单晶硅基底，也可以是多晶硅基底，厚度在240～350nm之间，电阻率为0.5～10Ω/□。
所述的二氧化硅层适用的厚度范围为1～3nm，可以在电炉上高温加热得到，在自然条件下的氧化也已能满足要求。
所述的本征非晶硅薄膜，厚度为2nm～5nm。
所述的磷掺杂非晶硅薄膜，厚度为10～30nm。
作为减反膜，薄膜的厚度和折射率都有严格的要求。通常是：薄膜的厚度是λ/4的整数倍。(λ是光的波长)。减反膜的折射率应为衬底折射率的平方。掺氟二氧化锡薄膜作为减反膜满足这些要求。本发明使用的衬底和掺氟二氧化锡薄膜的折射率分别为4和2。同时，薄膜的厚度大约在70nm～90nm，达到干涉颜色为蓝色。
本发明掺氟二氧化锡薄膜方块电阻降到了90Ω/□，并且没有雾化，获得的薄膜可见光透过率可达85％以上。通常的SnO2薄膜的导电性能较差，如果采用SnO2薄膜与硅构成异质结太阳电池，可以发现，其串联电阻将很大，导致太阳电池的输出效率降低，掺氟二氧化锡薄膜本身及与硅构成的异质结具有很强的抗环境腐蚀的能力，器件的稳定性也大大提高。
硅太阳电池的正面为受光照面，正电极既要能将光生电流引出，又不至于遮挡太多的阳光以致减少了受光照射的面积，正面采用了栅线结构。实践证明，它不但优化了表面覆盖，还减少了电池的串联电阻。
本发明掺氟的二氧化锡层起到光学减反射作用同时又与硅构成异质结，掺氟的二氧化锡层是采用超声波雾化工艺沉积、采用氟离子掺杂二氧化锡薄膜，降低了薄膜的串联电阻；背面的本征非晶硅薄膜和磷掺杂非晶硅薄膜，是采用热丝化学汽相沉积或等离子增强化学汽相沉积的工艺技术制备的，它们与n型硅基底构成高低结，改善了电池的电输出性能，工艺简单，产业化成本低。在AM1.5，100mW/cm2标准光强下，本发明太阳电池的效率达13％以上。
附图说明
图1为本发明结构示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：电池迎光面栅线电极1、掺氟的二氧化锡层2、二氧化硅层3、n型硅基底4、本征非晶硅薄膜5和磷掺杂非晶硅薄膜6以及铝背电极7。电池迎光面栅线电极1设置在电池的迎光面上，电池迎光面栅线电极1在掺氟的二氧化锡层2之上，掺氟的二氧化锡层2与n型硅基底4的正面之间夹了一层二氧化硅层3，n型硅基底4的背面依次沉积本征非晶硅薄膜5和磷掺杂非晶硅薄膜6以及铝背电极7。
所述的电池迎光面栅线电极1为正面光电流收集电极。
所述的掺氟的二氧化锡层2，是厚度大约在70nm～90nm的掺氟二氧化锡薄膜，折射率为2，该薄膜既是异质结的一部分又起到光学减反射薄膜的作用。
所述的二氧化硅层3，厚度范围为1～3nm，起到正面掺氟的二氧化锡层与硅之间的钝化作用。
所述的n型硅基底4，为单晶硅基底，或者多晶硅基底，厚度在240～350nm之间，电阻率为0.5～10Ω/□。
所述的n型硅基底4，其折射率为4。
所述的本征非晶硅薄膜5和磷掺杂非晶硅薄膜6与n型硅基底4构成高低结背面缓冲层，既增加了电池的开路电压又有利于背面铝电极7形成欧姆接触。
所述的本征非晶硅薄膜5，厚度为2nm～到5nm。
所述的磷掺杂非晶硅薄膜6，厚度为10～30nm。
本发明的太阳电池由掺氟的二氧化锡层2与n型硅基底4构成异质结，提供分离光生载流子的内建电场，在n型硅基底4的背面由于在4和背面铝电极7之间增加了本征非晶硅薄膜5和磷掺杂非晶硅薄膜6，既对硅背表面形成钝化，又与n型硅基底4构成背表面场，提高了电池的开路电压，还可使背面铝电极7形成与硅的欧姆接触。正面的掺杂二氧化锡层2降低了电池的串联电阻，以及背面的设计都有利于高效的电功率输出。
实例
n型硅基底4选用n型、电阻率为1Ωcm的直拉单晶硅片，硅片为(100)取向，单面抛光，厚度为250μm，所得太阳电池有效面积是2×2cm2，掺氟的二氧化锡层2的厚度76nm，本征非晶硅薄膜5和磷掺杂非晶硅薄膜6的厚度分别是3nm和30nm，二氧化硅层3的厚度是2nm。电池的性能测试结果是：AM1.5，100mW/cm2标准光强的照射下，该工艺程序制备的异质结太阳电池的效率达14.2％，开路电压达590mV，短路电流达36mA，填充因子达67％。

Claims (8)

1、一种二氧化锡薄膜与硅异质结太阻电池，包括：电池迎光面栅线电极(1)、掺氟的二氧化锡层(2)、二氧化硅层(3)、n型硅基底(4)、本征非晶硅薄膜(5)和磷掺杂非晶硅薄膜(6)以及铝背电极(7)，其特征在于，电池迎光面栅线电极(1)在掺氟的二氧化锡层(2)之上，掺氟的二氧化锡层(2)与n型硅基底(4)的正面之间夹了一层二氧化硅层(3)，n型硅基底(4)的背面依次沉积本征非晶硅薄膜(5)、磷掺杂非晶硅薄膜(6)以及铝背电极(7)。
2、根据权利要求1所述的二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池，其特征是，所述的掺氟的二氧化锡层(2)，是厚度在70nm～90nm的掺氟二氧化锡薄膜。
3、根据权利要求1或者2所述的二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池，其特征是，所述的掺氟的二氧化锡层(2)的折射率为2。
4、根据权利要求1所述的二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池，其特征是，所述的二氧化硅层(3)，厚度范围为1～3nm。
5、根据权利要求1所述的二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池，其特征是，所述的n型硅基底(4)，为单晶硅基底，或者多晶硅基底，厚度在240～350nm之间，电阻率为0.5～10Ω/□。
6、根据权利要求1或者5所述的二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池，其特征是，所述的硅基底(4)的折射率为4。
7、根据权利要求1所述的二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池，其特征是，所述的本征非晶硅薄膜(5)，厚度为2nm～5nm。
8、根据权利要求1所述的二氧化锡薄膜与硅异质结太阳电池，其特征是，所述的磷掺杂非晶硅薄膜(6)，厚度为10～30nm。
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