CN202423351U - 一种硅光电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硅光电池，包括：背面P+欧姆接触区、P-基区和N+发射区，所述背面P+欧姆接触区、P-基区和N+发射区组成pin结构，其特征在于，还包括介质埋层，所述介质埋层位于P-基区内部，耗尽区外部，并且介质埋层不隔断P-基区。本实用新型提出的硅光电池通过在光电池基区引入埋层介质形成内部反射机制，引入的介质埋层具有一定的反射入射光的能力，使得光电池收集几率高的位置能接收更多的光照，吸收更多的光子，因而可以在不增加电池厚度的条件下获得高的光生电流，转换效率得到有效的提升。

Description

一种硅光电池

技术领域

本实用新型属于电子元器件技术领域，具体涉及一种硅光电池的设计。

背景技术

光电池是利用光生伏特效应直接把光能转变成电能的器件，又称为太阳能电池，目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。近年来随着微小型半导体逆变器的迅速发展，光电池的应用更加普遍。

硅基电池包括多晶硅、单晶硅和非晶硅电池三种。现在单晶硅光电池工艺已近成熟，在电池制作中，提高光电转换效率归纳起来主要基于以下三个方面的改进：1，改进电池材料性能和少子寿命；2，改进电池研制的工艺过程；3，改进电池结构设计。在三个方面中，又以改进电池结构最为灵活，发展最快。

现有的硅光电池在结构方面为了使光能够尽可能地耦合到半导体中，目前有以下几种措施：使用有效的一层或多层抗反射膜来减小电池上表面的光反射。上表面绒面结构和后来改进的微槽结构不仅可以减小电池上表面对光的反射损失，而且使进入到硅内的折射光偏转了一个角度，相当于增加了光子的光程和被半导体吸收的几率。将电池背面抛光并蒸上光反射能力强的金属(如金，铜，铝)，此时背金起到了反射界面的作用，这种背金发射和正面绒面结构或微槽结构能形成“光陷规则”使光在电池内部发生多次反射，这种结构工艺简单，成本较低，但是其获得的光生电流较低，转换效率不高。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有的硅光电池获得的光生电流较低，转换效率不高的缺陷，提出了一种硅光电池。

本实用新型的技术方案是：一种硅光电池，包括：背面P+欧姆接触区、P-基区和N+发射区，所述背面P+欧姆接触区、P-基区和N+发射区组成pin结构，其特征在于，还包括介质埋层，所述介质埋层位于P-基区内部，耗尽区外部，并且介质埋层不隔断P-基区。

进一步的，所述的硅光电池还包括位于硅光电池顶部的减反射层，所述减反射层覆盖于N+发射区之上。

进一步的，所述介质埋层具体为二氧化硅。

进一步的，所述介质埋层的厚度为

其中，λ为入射光波长，n为介质埋层折射率，β为光进入介质埋层的入射角。

本实用新型的有益效果：本实用新型提出的硅光电池通过在光电池基区引入埋层介质形成内部反射机制，引入的介质埋层具有一定的反射入射光的能力，使得光电池胡总收集几率高的位置能接收更多的光照，吸收更多的光子，因而可以在不增加电池厚度的条件下获得高的光生电流，转换效率得到有效的提升。

附图说明

图1是本实用新型硅光电池实施例一的结构图。

图2是本实用新型硅光电池实施例一局部A的埋层光反射原理示意图。

图3是本实用新型硅光电池实施例二的结构图。

图4是本实用新型硅光电池实施例二局部A’的埋层光反射示意图。

图5是硅光电池位置与收集几率的关系曲线图。

图6是以二氧化硅为埋层介质时的一种埋层制作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的阐述。

实施例一：

按照本实用新型的硅光电池的一种体现如图1的实施例一所示。包括：背面P+欧姆接触区105、P-基区103和N+发射区102，所述背面P+欧姆接触区105、P-基区103和N+发射区102组成pin结构，还包括介质埋层104，所述介质埋层104位于P-基区103内部，耗尽区107外部，并且介质埋层103不隔断P-基区103。

这里，107区域为N+发射区102和P-基区103所形成的耗尽区。

这里，硅光电池还包括位于硅光电池顶部的减反射层101，减反射层101覆盖于N+发射区102之上。

这里，介质埋层103理论上可以是任何与硅折射率差异较大且与硅能形成良好界面态的固体物质，比如二氧化硅、碳化硅和氮化硅。在本实施例里中具体采用二氧化硅。

介质埋层103的厚度取决于入射光的波长，埋层的折射率和表面是否采用绒面结构，埋层厚度的选取是为了获得界面处特定波长的光的最大反射率。作为一种优选方案，介质埋层103的厚度为其中，λ为入射光波长，n为介质埋层折射率，β为光进入介质埋层的入射角。在本实施例中，β＝0，即介质埋层103的厚度为

n_sio2为二氧化硅的折射率。

在图1所示的实施例中，105作为欧姆接触区，背面金属106和正面电极108组成了硅光电池的两个电极，109为正面重掺杂区。

N+发射区102，P-基区103和背面P+欧姆接触区105组成了硅光电池基本的pin结构，介质埋层104位于P-基区103中部用于引入反射机制，正面重掺杂区109结深大于N+发射区用于减小接触电阻，并且具有内部钝化作用。

介质埋层103的位置取决于pin电池耗尽区的位置和电池的厚度，埋层位置的选取是为了使埋层尽量贴近收集几率最高的耗尽区，从而使光能够尽可能反射到耗尽区。

介质埋层103的宽度W取决于硅光电池等效串联电阻的要求，一般来说光电池减薄后可以适当提高pin光电池的i区浓度从而降低等效串联电阻，但埋层宽度越大等效串联电阻越高。

图1所示的介质埋层103为左右对称的两个，在具体应用中，可以根据实际需求选择介质埋层的个数、位置和宽度。

减反射层101可以由单层或多层减反射膜构成，目的是为了使电池表面非遮光区的光反射率为最小，反射率的值与减反射膜的折射率和厚度有关。N+发射区102的结深约为3um，掺杂浓度约为10¹⁷至10¹⁸cm^-3，P-基区103厚度约为100um，掺杂浓度约为10¹⁴至10¹⁵cm^-3，N+发射区102与P-基区103界面处形成了耗尽区107，耗尽区107是光生电流的主要贡献区域。背面P+欧姆接触区105厚度约为1至2um，掺杂约为10¹⁸cm^-3，P-基区103和背面P+欧姆接触区105形成了高低结结构，此结构起到了背电场(BSF)的作用，背电场能反射朝背面扩散电子，使电子有一定几率回到耗尽区对光生电流产生贡献，提高了光电池的效率，尤其对于厚度小、少子寿命大的光电池，背电场作用更为显著。背面金属106一般为铜或铝，厚度约为1um。背面金属起到了反射界面的作用，这种背金发射和正面结构能形成“光陷规则”使光在电池内部发生多次反射，在不增加电池厚度的条件下获得高的光生电流。顶层重掺杂区109位于顶层电极108之下，顶层重掺杂区109掺杂浓度约为10²⁰cm^-3结深约为4um，顶层电极108为铝电极，顶层重掺杂区109的高浓度减小了遮光区的电阻，并且形成了内部钝化，是少子的表面复合有所减少。

具体工作原理如下：收集几率是光电池理论中描述光生载流子的空间参数，它被定义为：平均而言，一个光生载流子，对光电池短路电流所作贡献的概率。由于光生载流子在电池中产生的位置不同，经过不同的路径最后对光电流做出贡献的几率也就不同，它是一个位置的函数。根据定义，经过推导和测算，收集几率是随着光生载流子的产生点离开耗尽区边沿距离的增加而指数地减小。

普通pin电池的收集几率与位置的关系如图5所示，明显地，耗尽区区域的收集几率是最高的，为了使更多的光能集中在耗尽区，本实用新型提出了增加内部介质埋层(本实施例的介质埋层为二氧化硅)从而引入基区内部的反射机制。

图2是图1中A虚线部分的局部示意图，借用此部分来说明介质埋层结构的光学特性。

参考图2，光垂直入射到光电池基区103后，要经过二氧化硅埋层104，此时基区103和埋层104形成了“硅-二氧化硅-硅”的薄膜结构。不同介质薄膜的表面会发生一定程度的反射，反射率的大小与入射光波长和二氧化硅薄层厚度有关，要使硅-二氧化硅界面获得最大的反射率需满足如下方程：

所求的最大反射率R为：

其中，n_sio2和n_si分别为二氧化硅和硅的折射率，d为二氧化硅埋层104的厚度，λ为入射光的波长。

经推算理论上二氧化硅埋层所能达到的最大反射率约为47.81％。另外对于其它介质埋层的反射率计算只需将上式二氧化硅的折射率换成所求介质折射率即可，由公式可以看出折射率值与硅的3.42相差较大的介质组成的埋层具有更高的反射率，但是具体设计时仍要考虑埋层和硅的界面特性和工艺的兼容性。

介质埋层的位置也是影响本实用新型转换效率的因素之一，理论上要求埋层越接近耗尽区效果越好，但埋层区域一旦与耗尽区重叠则使耗尽区的光生载流子贡献区域损失，效率反而降低，一般合适的位置应使埋层位于耗尽区下方3-5um处。

介质埋层的宽度W是影响光电池寄生串联电阻的重要因素，埋层越宽，基区中连接埋层上下的硅通道部分越窄，电阻越大，光反射区域也越大。在光入射的过程中，由于埋层已经反射了大约45％的光到收集几率更高的区域，进入埋层下方的光对光生电流的影响将很小，故在同等的指标下本实用新型光电池可以比一般硅光电池更薄，基区的掺杂也更高。掺杂的提高一定程度上减小了埋层宽度对寄生串联电阻的影响。另外，薄电池使P+，P-形成的背面场作用更为显著，这一点有助于光生电流的增加。

实施例二：

按照本实用新型的硅光电池的一种体现如图3的实施例二所示。图3是光电池的硅表面经过碱性溶液腐蚀所形成的绒面结构图，截取其局部A’如图4所示。不同于实施例一，从空气中入射的光在经过表面折射率为n₁的减反射膜201之后发生了折射，其中绒面的光入射角为α，则根据折射定律可以计算出光进入介质埋层204的入射角β的值，此时计算埋层介质反射率最大时的厚度d应根据下式进行：

$n_{\mathrm{sio}2}d=\frac{\mathrm{\λ}}{4*\cos \mathrm{\β}}$

其中，n_sio2为二氧化硅的折射率，d为二氧化硅埋层204的厚度，λ为入射光的波长，β为光进入介质埋层的入射角。

图4是图3中A’虚线部分的局部示意图，借用此部分来说明介质埋层结构的光学特性，具体原理、过程与实施例一相似，在此不再详细描述。

为了实现实施例一和实施例二所描述的以二氧化硅作为埋层介质硅光电池时，需要在在常规光电池工艺的基础上引入局部氧化工艺和SOI的键合技术，具体可以参考如图6所示的一种埋层制作方法，具体步骤如下：

1，在P型掺杂约为10¹⁴cm^-3的单晶衬底612上生长一层氧化层611；

2，在氧化层611上淀积一层氮化物613；

3，进行氮化物613的刻蚀，暴露出氧化层的部分即为氮化物窗口；

4，进行LOCOS氧化(会出现614所示的鸟嘴现象)；

5，去除氮化物，并抛光直至非氮化物窗口区露出硅；

6，利用SOI的键合技术将上一步所得硅片与另一块掺杂相同的硅片键合；

7，在上一步所得硅片上进行扩散，注入等其它工艺步骤。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种硅光电池，包括：背面P+欧姆接触区、P-基区和N+发射区，所述背面P+欧姆接触区、P-基区和N+发射区组成pin结构，其特征在于，还包括介质埋层，所述介质埋层位于P-基区内部，耗尽区外部，并且介质埋层不隔断P-基区。

2.根据权利要求1所述的硅光电池，其特征在于，所述的硅光电池还包括位于硅光电池顶部的减反射层，所述减反射层覆盖于N+发射区之上。

3.根据权利要求1或2所述的硅光电池，其特征在于，所述介质埋层具体为二氧化硅。

4.根据权利要求1或2所述的硅光电池，其特征在于，所述介质埋层的厚度为其中，λ为入射光波长，n为介质埋层折射率，β为光进入介质埋层的入射角。

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