新型sinp硅蓝紫光电池及其制备方法

专利名称：新型sinp硅蓝紫光电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新型SINP结构硅光电池的制备方法，属新型硅太阳能电池制备方法方 法技术领域。
背景技术：
在能源逐渐匮乏的当今社会，人们急需找到一种可再生能源来代替非可再生能源。众所 周知，太阳给了地球无穷无尽地热量，因此人们把目标指向了太阳。
蓝紫光增强型硅光伏器件在太阳电池、光度、色度及光学精密测量等方面都有重要的应 用。近年来,从防止地球温室效应、保护环境和替代石油能源出发,利用太阳能发电受到极大的 重视。目前，单晶硅太阳电池产量位居各种光伏电池之首,但是由于在紫光以及波长小于紫光的 部分,常规晶硅的光谱响应比太阳光其他波长的低,严重限制了晶硅电池的光电转换效率和晶 硅材料的利用率。因此,提高晶硅在波长小于0.4微米部分的光谱响应是光伏电池产业待以解 决的重要问题。太阳光谱峰值波长为480nm，提高硅光电池的蓝紫光响应将可显著提升太阳 能电池的短路电流及光电转换效率。由于晶硅对短波长光的吸收系数很大，平均透入深度小； 并且光生载流子的产生率随光进入器件表面的距离呈指数式衰减，大多数光生载流子产生在 硅的表面附近。而用传统扩散方法制作的n+p结硅光电池，发射区近表面存在一高磷浓度的"死 层"；该区域晶格畸变大,位错密度高，严重影响了短波长光生载流子的收集效率，造成常规晶 硅光电池蓝紫光响应的迅速下降。
1981年Green等人在第15届IEEE光伏专家会议上首次提出MINP (金属一薄绝缘膜 ^NP)硅太阳电池结构，从此之后，对该结构电池的研究开始受到重视。MINP结构光电池 是一种改进型pn结太阳电池，它综合了MIS和pn结太阳电池的优点，从而使其开路电压以 及光电转换效率有了明显的突破。

发明内容
本发明的目的在于针对己有技术存在的缺陷，提供一种新型硅基SINP结构蓝紫光电池 及其制备方法。
不增加复杂工艺的基础上，有效地提高硅光电池400 600nm蓝紫光波段的量子效率。 为上述目的，本发明根据半导体能带工程，原创性地设计并研制出晶硅pn结与宽带隙ITO
透明导电薄膜相结合的一种新型SINP异质面光电池(SINP是semiconductor/insulator/叩结构
的缩写，即半导体-绝缘体-NP)。
本发明为达到上述目的，采用下述技术方案一种新型硅基SINP结构蓝紫光电池，包括一片P-型硅单晶片衬底，其特征在于所述衬 底的正面上依次有一层n-型区、 一层超薄Si02层和一层ITO减反射/收集电极膜，所述ITO 减反射/收集电膜的表面上有Cu栅指电极；所述衬底的背面有一层Al层。
上述衬底的晶向为(100)，电阻率为1 2.0Gcm，厚度为220pm士30nm，所述超薄Si02 层厚度为15 20A，所述ITO减反射/收集电膜厚度为70nm士7nm，所述Cu栅指电极的厚度 为l|_im±0.1nm。
一种新型硅基SINP结构蓝紫光电池制备方法，用于制备上述电池，其特征在于具体制 备步骤如下
a. 选用P型、晶向为(100)、电阻率为2Q.cm、厚度220^im±30|im的硅单晶片为衬底；
b. 经常规化学清洗及制绒后，用P0Cl3液态源热扩散形成n—型区；
c. 去除正面的磷硅玻璃(HF:H2O=l:10);
d. 然后在硅片背面蒸A1层；
e. 将衬底在400 500°C， N2:02=4:l条件下热氧化15 30分钟生长一层15 20A超薄 Si02层，背面Al合金化同时进行；
f. 继而射频磁控溅射高透光率、高导电率的ITO减反射/收集电极膜；
g. 通过金属掩模版直流磁控溅射Ol栅指电极；
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点
本新型SINP硅蓝紫光电池采用浅pn结、铝背场、超薄Si02钝化层及ITO透明导电薄膜 等先进技术。其中浅结减少了普通光电池发射区由于重掺杂带来的影响，如禁带宽度收缩效 应，重掺杂后Auger复合及近表面高浓度磷固溶区"死层"的影响以提高蓝紫光响应。采用低 温热氧化技术生长的超薄Si02层不仅有效地钝化硅表面，饱和硅表面悬挂键，降低表面复合 中心浓度，减小表面复合速率(高表面复合速率是制约光伏器件短波响应的另一重要因素)； 而且作为缓冲层，减小ITO与晶硅的晶格失配，降低ITO薄膜的内应力。同时允许载流子(电 子)在如此之薄的Si02层中，通过隧道效应，实现电输运，收集光生载流子。超薄Si02层
对载流子电子和空穴的传输阻碍各不相同。由量子力学，对电子隧道系数为e—"2，而对空穴
隧道系数为e— 2。超薄Si02层对电子势垒高度Z"-3'1^，而对空穴势垒高度^=3'8^。 所以其可以单向抑制空穴的传输，又因为其超薄(厚度仅为15 20A)对光生载流子电子基
本无阻碍作用。从而减小器件反向暗电流，改善光伏特性。ITO是重掺简并宽带隙半导体， 采用射频磁控溅射的方法把高透光率(可见光波段丁>95%)，高电导率(p-9xlO-5Q，cm)的
4ITO薄膜沉积在光电池正面。ITO宽带隙约3.9eV,成为窄带隙晶硅的异质面光学窗口。同时 该减发射膜在硅太阳响应光谱，尤其在短波范围内，具有良好的透光性能。它不仅密封超薄 Si02层，提高电池稳定性；而且兼作大面积收集电极，克服浅结带来的大方块电阻的弊端。 在光电池的背表面建立一个掺杂区，形成铝背表面场高低结对p区少子有阻挡和反射作用。 这样， 一方面使背表面的复合作用减少，同时还可以将射向背表面的光反射回正面,增加长波 长光的吸收路程，提高p-n结对光生载流子的收集效率，从而提高光电池的长波响应。
对所制新型SINP光电池在AM1.5 100mW/cn^、25'C条件下进行测试，蓝紫光及常规SINP 光电池开路电压Voc分别为570及550mW，短路电流密度Jsc高达49.73 mA/cn^及41.43 mA/cm2，光电转换效率T]则为13.66%及11.06%。


图1是本发明新型硅基SINP结构蓝紫光电池一个实施例结构图。 图2是图1示例电池的外形尺寸图。 图3是图1示例电池中详细尺寸图。
图4是图1示例电池AM1.5 100mW/cn^光照下J-V曲线。
图5是图4相对应的AM1.5光照下SINP蓝紫光电池转换效率J-V曲线。
图6是图1示例电池内、外量子效率。
图7是图1示例电池响应率。 具体实施方法
现将本发明的具体实施例叙述于后。 实施例l
本发明一个优选实施例结合

如下
参见图l，本新型硅基SINP结构蓝紫光电池，包括一片P-型硅单晶片衬底1，其特征在 于所述衬底1的正面上依次有一层n-型区2、 一层超薄Si02层3和一层ITO减反射/收集电极 膜4，所述ITO减反射/收集电膜4的表面上有Cu栅指电极5;所述衬底1的背面有一层Al 层(6)。
参见图1、图2和图3，上述衬底1的晶向为(100)，电阻率为1 2.0acm，厚度为 220pm±3(Vm，所述超薄Si02层3厚度为15 20A，所述ITO减反射/收集电膜4厚度为 70nm±7nm，所述Cu栅指电极5的厚度为lnm士0.1(am。
参见图l、图2和图3，本新型硅基SINP结构蓝紫光电池制备方法，具体制备步骤如下 fl)选用P型、晶向为(100)、电阻率为2Q'cm、厚度22(Him的硅单晶片为衬底。(2) 由标准RCA清洗技术，先将硅片在75。CNH40H:H202:H20混合比1: 1: 5混合溶液 中超声波清洗10分钟。去离子水清洗后，然后在75'C HC1:H202:氏0混合比1:1:6，混合溶 液中超声波清洗10分钟。
(3) 绒面制备。对于(100)的p型直拉衬底(1)，在85X: NaOH:H20=1.4% (质量比) 溶液中化学腐蚀40分钟。由于NaOH对单晶硅片腐蚀具有各向异性，可以制备金字塔形绒面 结构。如果是第1次配液制绒，需在NaOH:H20-1.4。/。(质量比)溶液中加入0.2% (质量比) 的Na2Si03，可提高绒面制作效果。用去离子水冲洗。
(4) 将衬底l在稀盐酸(HC1:H20=1:6)清洗，然后去离子水清洗后，用普通N2气吹干。
(5) 在开管扩散炉中用POCl3液态源热扩散磷形成n发射区2，扩散源流量范围为 40ml/min-45ml/min,扩散源温度控制在0'C，扩散温度控制在845'C-854'C之间，大N2流量 1L/min,扩散时间25min。可获得发射区薄层电阻40Q/口,结深0.35微米。另夕卜，还可减小扩散 时间或用低温磷扩散工艺、离子注入等方法制备更浅的pn结。
(6) 将硅片在HF:H2C^1:10溶液中浸泡7分钟，去除正面的磷硅玻璃及硅表面自然氧化 层。然后用去离子水清洗，普通N2气吹干。
(7) 在硅片背面用真空蒸发2微米厚的A1金属电极膜6。
(8) 将衬底1在400 500°C， N2:02=4:l条件下热氧化15 30分钟生长一层15 20A超 薄Si02层，背面A1合金化同时进行。另外还可用以下两种方法制备超薄SixOyNz层3:
① 在450—50(TC的N2/02 (流量比4: 1;常压)气氛中微热氧化10 15分钟生长超薄 I层。随后对I层进行低温(480°C)、低压(50Pa) NHs退火；时间10 15分钟，NH3流量 为2L/min。
② 在NH3中直接制备超薄I层。低温(480°C)、低压(50Pa)氨处理时间 20分钟， NH3流量为2L/min。
(9) 用JGP450型双室超高真空多功能磁控溅射设备射频磁控溅射高透光率、高导电率的 ITO减反射/收集电极膜(4)。本底真空度2xl0，a，溅射功率100W;工作气体纯Ar，工作 压强lPa;衬底温度300。C,靶基距7cm，溅射时间25分钟。
(10) 用JGP450型双室超高真空多功能磁控溅射设备通过金属掩模版直流磁控溅射1微 米厚的Cu栅指电极5。本底真空度2xlO^Pa，溅射功率100W;工作气体纯Ar，工作压强1Pa; 衬底温度室温，靶基距7cm,溅射时间60分钟。
Cll)用WXQH160型金刚石外圆下切割/划片机切去电池片边缘部分，防止光电池边缘短 路，增大并联电阻。
6本发明用热扩散磷形成浅结、低温热氧化生长超薄Si02层及射频磁控溅射ITO减反射/ 收集电极膜，在2"cm的晶硅衬底上成功制备了高量子效率的蓝紫光增强型SINP光电池。 磁控溅射沉积的ITO薄膜结晶度高，并且具有高紫外一可见光透过率及优异的电学性能(见 图4 图7)。室温下士1V时，SINP蓝紫光电池整流比为324.7， 二极管理想因子n=1.84， AM1.5 100mW/cn^光照下，光电转换效率11=13.66%。由于在SINP结构中，光电流可以通过高结晶 度、高载流子迁移率的ITO薄膜横向输运，避免了高磷浓度n发射区中横向输运的复合，降 低了发射区横向电阻影响引起的功率损耗，新型SINP蓝紫光电池短路电流密度高达 JSC-49.73 mA/cm2，显示出良好的电学及光伏特性(见图4和图5)。在500nm波长，蓝紫光 增强型SINP光电池外量子效率及响应率高达70%及285 mA/W (见图6和图7);在800nm 波长，峰值响应率为487 mA/W (见图7)。器件光谱响应拟和计算结果表明新型SINP蓝紫光 电池的高量子效率得益于浅结以及高导电率、对蓝紫光具有良好减反射效果的ITO薄膜的应 用与结合。新型ITO/Si02/np晶硅SINP结构蓝紫光电池具有许多独特的优点，有一定的发展 前途，并有推广应用之美景。
权利要求
1、一种新型硅基SINP结构蓝紫光电池，包括一片P-型硅单晶片衬底(1)，其特征在于所述衬底(1)的正面上依次有一层n-型区(2)、一层超薄SiO2层(3)和一层ITO减反射/收集电极膜(4)，所述ITO减反射/收集电膜(4)的表面上有Cu栅指电极(5)；所述衬底(1)的背面有一层Al层(6)。
2、 根据权利要求1所述的新型硅基SINP结构蓝紫光电池，其特征在于所述衬底(1)的晶 向为(100)，电阻率为1 2.0Q cm，厚度为220nm土3(Vm，所述超薄Si02层(3)厚度为15 20A，所述ITO减反射/收集电膜(4)厚度为70nm士7nm，所述Cu栅指电极(5)的厚度为lf_im±0.1^imo
3、 一种新型硅基SINP结构蓝紫光电池制备方法，用于制备根据权利要求1所述的新型硅基 SINP结构蓝紫光电池，其特征在于具体制备步骤如下a. 选用P型、晶向为(100)、电阻率为2Q'cm、厚度220^m土30^im的硅单晶片为衬底 (1);b. 经常规化学清洗及制绒后，用POCl3液态源热扩散形成n—型区(2);c. 去除正面的磷硅玻璃(HF:H2O=l:10);d. 然后在硅片背面蒸A1层(6);e. 将衬底(1)在400 500。C, N2:02=4:l条件下热氧化15 30分钟生长一层15 20A 超薄Si02层(3)，背面A1合金化同时进行；f. 继而射频磁控溅射高透光率、高导电率的ITO减反射/收集电极膜(4);g. 通过金属掩模版直流磁控溅射Cu栅指电极(5);
全文摘要
本发明涉及一种新型SINP结构硅蓝紫光电池及其制备方法。本发明采用热扩散磷形成浅结、低温热氧化生长超薄SiO₂层、射频磁控溅射ITO减反射/收集电极膜制备了一种新型ITO/SiO₂/np蓝紫光增强型SINP硅光电池。本发明的制备方法是选用P型、晶向为(100)、电阻率为2Ω·cm、厚度220μm的硅单晶片为衬底。经常规化学清洗及制绒后，用POCl₃液态源热扩散形成n区(本文采用不同热扩散工艺制作两块新型SINP光电池，其中一块是发射区方块电阻10Ω/□，结深1μm的(深结)常规SINP光电池；另一块为发射区方块电阻37Ω/□，结深0.4μm的(浅结)SINP硅蓝紫光电池)。去除正面的磷硅玻璃(HF∶H₂O＝1∶10)；然后在硅片背面蒸Al；将硅片在400～500℃，N₂∶O₂＝4∶1条件下热氧化15～30分钟生长一层15～20超薄SiO₂层，背面Al合金化同时进行。继而射频磁控溅射高透光率、高导电率的ITO减反射/收集电极膜(ITO薄膜也被沉积在玻璃上以研究其光电特性)，通过金属掩模版直流磁控溅射Cu栅指电极。最后用金刚石外圆下切割/划片机切去电池片边缘部分，防止光电池边缘短路。
文档编号H01L31/068GK101587913SQ20091005387
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者波 何, 磊 赵, 马忠权 申请人:上海大学