一种硅锗异质结太阳电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种硅锗异质结太阳电池及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，同时也是不产生任何环境污染 的清洁能源。充分有效地利用太阳能，对于解决能源短缺及环境污染有着重要的意义。
[0003] 不管是常规晶体硅太阳电池还是高效晶体硅太阳电池，都需要经过高温扩散工艺 以制备pn结，由此将给晶体硅带来晶格损伤和各种缺陷，引入复合中心从而降低太阳电池 的效率。采用非晶硅与晶体硅结合形成的pn异质结太阳电池则无需高温工艺，可以在低于 300°C的条件下制备。1983年Koji Okuda等人采用非晶硅和多晶硅叠层结构在200-300°C 条件下制备了效率超过12%的异质结太阳电池。1992年三洋机电的Makoto Tanaka等 人在非晶硅与晶体硅层之间插入了一层本征非晶硅层，在低于200°C的条件下制备了效 率超过18%的异质结太阳电池，此电池就是后来举世闻名的HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer)太阳电池。
[0004] HIT太阳电池经过多年的研究，如今取得了 25. 6%的世界效率。但此项技术一直 垄断在日本人的手中。而且HIT太阳电池目前存在一些问题：一、设备昂贵，且原材料为高 危险性化学物品。二、获取低界面态的非晶硅/晶体硅界面，要求工艺和设备达到较高的标 准。三、非晶硅薄膜体内存在大量的缺陷，会引起严重的载流子复合。因此有必要寻找一种 新材料与晶体硅结合形成异质结制备高效太阳电池。
[0005] 锗（Ge)也是一种金刚石结构的半导体，室温下禁带宽度是0. 66eV，电子和空穴迀 移率比硅的3倍还高，对波长大于IlOOnm波段的红外光吸收系数高达IO3-IO 4Cm ^硅与锗 的晶格失配高达4. 1%，但锗直接沉积在Si表面在界面处会出现严重的缺陷。实际上，Ge 可以无限固溶在Si中形成SiGe合金，且SiGe合金的晶格常数与光学带隙随着合金中Ge 含量的变化而变化。因此，本发明拟对具有晶体硅、硅锗缓冲层和锗结构的硅锗异质结太阳 电池进行进一步的研究。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种硅锗异质结太阳电池，该电池在硅 与锗之间沉积一层硅锗合金缓冲层，可以有效地降低界面态，减少界面复合，增大电池的开 路电压，另外由于缓冲层的带隙渐变，可以更好地吸收太阳光，从而增大电池的短路电流。
[0007] 本发明所要解决的第二个技术问题是提供上述硅锗异质结太阳电池的制备方法， 该制备方法原料安全，可直接应用现有设备，成本相对较低。
[0008] 本发明的第一个技术问题是通过以下技术方案来实现的：一种硅锗异质结太阳电 池，该硅锗异质结太阳电池的结构从上至下依次包括：银电极、掺铝氧化锌AZO导电层、η型 单晶硅片、i型SiGe合金缓冲层薄膜、ρ型Ge薄膜和金电极，所述硅锗异质结太阳电池具有 300~1800nm的宽光谱响应值。
[0009] 硅锗异质结太阳电池中，硅片主要吸收300~IlOOnm波段的太阳光，p型Ge薄 膜主要吸收1100~ISOOnm波段的太阳光，所以该种太阳电池可以吸收的太阳光谱范围为 300~1800nm，有效地拓宽了光谱响应；同时硅与锗之间沉积一层晶格常数与带隙都随Ge 含量变化而变化的硅锗合金缓冲层，可以有效地降低硅与锗直接接触由于晶格失配较大而 导致的较多的界面态，减少界面复合，增大电池的开路电压，另外由于缓冲层的带隙渐变， 可以更好地吸收太阳光，从而增大电池的短路电流。
[0010] 进一步的，所述掺错氧化锌AZO导电层的厚度为50~150nm，所述i型SiGe合金 缓冲层薄膜的厚度为100~300nm，所述p型Ge薄膜的厚度为100~400nm。
[0011] 其中i型SiGe合金缓冲层薄膜优选采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD制 得。
[0012] 本发明的第二个技术问题是通过以下技术方案来实现的：上述硅锗异质结太阳电 池的制备方法，包括以下步骤：
[0013] (1)选取单面抛光的η型单晶硅片，在抛光面上沉积Si3N4掩膜；
[0014] (2)对η型单晶硅片的非抛光面进行单面制绒，在非抛光面上形成绒面结构；
[0015] (3)采用HF溶液去除抛光面上Si3N4掩膜；
[0016] (4)清洗硅片后干燥；
[0017] (5)在η型单晶硅片的抛光面上沉积Ge含量逐渐增大的i型SiGe合金缓冲层薄 膜；
[0018] (6)在i型SiGe合金缓冲层薄膜上沉积p型Ge薄膜；
[0019] (7)在步骤（2)的绒面结构上沉积掺铝氧化锌AZO导电层；
[0020] (8)在AZO导电层上沉积银电极作为前电极，在p型Ge薄膜上沉积金电极作为背 电极，制得具有c-Si (n)/SiGe (i)/Ge (p)结构的娃锗异质结太阳电池。
[0021] 在上述硅锗异质结太阳电池的制备方法中：
[0022] 步骤（1)中采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD在抛光面上沉积Si3N 4掩膜， Si3N4掩膜的厚度优选为70~80nm ;PECVD的各项参数为：順3和SiHj^流量比优选为1 : 3. 5~4. 5,衬底温度优选为285~315°C，反应压力优选为90~130Pa，沉积时间优选为 90 ~105s。
[0023] 步骤⑵中制绒时采用的溶剂优选为氢氧化钾KOH和异丙醇IPA的水溶液，其中 氢氧化钾KOH和异丙醇IPA的水溶液，其中氢氧化钾KOH的质量百分含量为2~5%，异丙 醇IPA的体积百分含量为2~4%，溶剂温度为70~80°C，制绒时间为20~30min。
[0024] 步骤（3)中优选采用HF溶液去除抛光面上Si3N4掩膜，HF溶液中HF的体积百分 含量优选为5~10%，腐蚀时间优选为10~15min。
[0025] 步骤（4)中清洗硅片优选采用RCA清洗工艺，干燥优选采用N2吹干。
[0026] 步骤（5)中优选采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD在η型晶体硅片的抛光 面上沉积Ge含量逐渐增大的i型SiGe合金缓冲层薄膜，PECVD的各项参数为 <通4流量为 20~80sccm，SiH4流量为20~40sccm，H 2流量范围为1~5sccm，厚度为100~300nm，娃 衬底温度为200~300°C，功率300~400W，压强为4~6mtorr，时间1~3min。
[0027] 在PECVD工艺中，通过固定SiH4的流量，调节GeH4的流量，使其从20sccm增大到 80sccm，进而实现获得Ge含量增大的i型SiGe合金缓冲层薄膜。
[0028] 作为本发明的一些优选的实施方式，本发明中的i型SiGe合金缓冲层薄膜为三 层，可以通过以下方式获得：如20ssccm下沉积30"，35sccm下沉积30"，80sccm下沉积 30"，或20sccm下沉积30"，50sccm下沉积30"，80sccm下沉积30"，或20sccm下沉积 30"，6〇 SCCm下沉积30"，8〇SCCm下沉积30"等等，此处仅为列举，具体的实施方式有很多 种方式，i型SiGe合金缓冲层薄膜也不仅局限于三层，可以根据具体的需要选择。
[0029] 步骤（6)中优选采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD在i型SiGe合金缓冲 层薄膜上沉积P型Ge薄膜，PECVD的各项参数为6通 4流量为10~3〇SCCm，H 2流量为2~ 8sccm，B2H6流量为1~lOsccm，厚度为100~400nm，衬底温度为200~300°C，功率300~ 400W，压强为8~lOmtorr，时间2~7min。
[0030] 步骤（7)中采用分子束外延法MBE在绒面结构上沉积掺铝氧化锌AZO导电层，分 子束外延法MBE的各项参数为：生长腔体的真空度为10 6~10 7Pa，氧流量为1~I. 6SCCm， 功率为250~380W，锌温度为250~330 °C，硅片的温度为100~200 °C，生长速率为2~ 4nm/min，铝源温度为300~500°C，掺铝氧化锌AZO导电层的厚度为50~150nm。
[0031] 步骤⑶中在AZO导电层上局部区域采用蒸镀法沉积银电极，蒸镀银电极的各项 参数为：硅片温度为50~100°C，真空度为I X 10 4~4 X 10 4Pa，蒸发的速率为1~2 Α/s;采 用蒸镀法在P型Ge薄膜上沉积金电极，蒸镀法的各项参数为：硅片温度为50~100°C，真 空度