一种具有高效陷光结构的晶体硅太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能电池领域，涉及一种具有高效陷光结构的晶体硅太阳能电池及其制备方法，特别是一种新型的在可见光内具有高吸收率的单晶硅光伏电池结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]太阳能电池是目前新能源产业中最具有前景的一种电池，其包括单晶硅电池，多晶硅电池和薄膜电池。然而在目前太阳能电池市场上，单晶硅电池还是主要产品。提高单晶硅太阳能电池对光的吸收是进一步提高单晶硅太阳能电池的一种主要手段。光伏电池领域内的技术人员在提高晶体硅电池的对光吸收上做了大量的技术创新及改进，如有关文献报道(Nature Materials, 9205-213)，在单晶娃电池表面沉积一些金属纳米颗粒，利用金属纳米颗粒的等离子共振吸收效应来提高单晶硅太阳电池的光吸收，还有文献报道(NanoLett.2010, 10，1082 - 1087)，在单晶硅受光表面制备形成硅纳米线来增强单晶硅太阳能电池对光的吸收。然而这些工艺方法很复杂而且成本高。不仅如此，这几种工艺方法对单晶硅太阳能电池在长波段范围内的光吸收并不能起到很好的增强作用。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有高效陷光结构的晶体硅太阳能电池。该单晶硅电池是因为在单晶硅片上制备形成周期性有序的倒置四棱台盲孔结构阵列，从而使得其对光具有高吸收率。
[0004]本发明具有高陷光效应的单晶硅光伏电池从光线照射方向依次包括前电极层、透明导电减反射层、陷光P型发射层、N型吸收层、N+掺杂层、背电极层；其中透明导电减反射层是TC0层，P型发射层作为本发明单晶硅光伏电池的受光面，N型吸收层即为单晶硅片，作为本发明单晶硅光伏电池的背光面；
[0005]所述的N型吸收层的背光面设置有与N型吸收层形成欧姆接触的背电极层；N型吸收层的受光面通过微加工工艺开有若干呈矩阵分布的倒置四棱台结构的盲孔，然后再通过扩散和镀膜工艺在N型吸收层的受光面依次设有P型发射层、TC0层，这样设计使得周期性有序盲孔矩阵阵列利用聚光增强电池对太阳光的吸收；其中相邻盲孔之间的间隔距离为1?2um，优选为lum ;盲孔的顶面是边长为10?13um的矩形，底面为边长小于lum的矩形，四个侧壁为倒置的等腰梯形。
[0006]所述的前电极为日字型铝电极，线宽为1?2_，该日字型的设计减少前电极对太阳光的反射；
[0007]所述的TC0层可以是一切的透明导电薄膜，如ZnO，Sn02, ΙΤ0等及其掺杂的薄膜；
[0008]所述的Ρ型发射层的厚度在500nm以内；
[0009]所述的N型吸收层为掺杂浓度为1.0X 1018?1.0X 1019的单晶硅片，厚度为100?300um ；
[0010]所述的N惨杂层为重惨杂，浓度为1.0 X 10 2(5以上，可米用一切惨杂方式；
[0011]所述的背电极为厚度为lOOnm以上的铝电极平板；
[0012]本发明的另一个目的是提供上述高效陷光结构的单晶硅太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0013]将单晶硅片作为N型吸收层，然后在其受光面利用微加工工艺开有若干倒置四棱台结构的盲孔，这些盲孔呈矩阵周期性有序阵列分布；
[0014]采用扩散工艺在上述盲孔上制备P型发射层；
[0015]采用扩散工艺在N型单晶片背光面制备N+掺杂层；
[0016]在P型发射层的受光面利用磁控溅射等镀膜工艺制备TC0层；
[0017]利用丝网印刷工艺在TC0层的受光面上印刷日字型铝电极作为前电极层；
[0018]利用丝网印刷工艺在N+掺杂层的背光面印刷铝电极作为背电极层。
[0019]本发明的有益效果是:本发明提供了一种高效陷光结构的单晶硅太阳能电池及其制备方法，结合微加工工艺制备盲孔矩阵有序阵列，利用盲孔矩阵的聚光作用，很大程度上提高了单晶硅太阳能电池在可见光波段内的光吸收，可实现单晶硅太阳能电池对波长在550到lOOOnm的范围内的光的吸收率在90%以上。
【附图说明】
[0020]图1为本发明周期性有序盲孔矩阵阵列的结构示意图；
[0021]图2为本发明电池的剖面图；
[0022]图3为本发明前电极的结构示意图；
[0023]图4为通过维加工工艺在N型吸收层受光面形成的周期性有序盲孔矩阵阵列的扫描电镜图片；
[0024]图5为单个倒置四棱台结构盲孔的扫描电镜图片；
[0025]图6为单个倒置四棱台结构盲孔的剖面结构的扫描电镜图片；
[0026]图7为高陷光效应的单晶硅光伏电池在波长400?lOOOnm范围内的光吸收图谱；
[0027]其中1为周期性有序盲孔矩阵阵列，2为导电减反射层(TC0层)，3为P型发射层，4为N型吸收层，5为N+掺杂层，6为背电极层。
【具体实施方式】
[0028]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0029]本发明所公开的具有高陷光效应的单晶硅光伏电池。电池结构为:从光线照射顺序依次包括前电极层、透明导电减反射层、P型发射层、N型吸收层、N+掺杂层、背电极层；其中透明导电减反射层是TC0层，P型发射层作为单晶硅光伏电池的受光面，N型吸收层即为单晶硅基片，作为单晶硅光伏电池的背光面；
[0030]所述的N型吸收层的背光面设置有与N型吸收层形成欧姆接触的背电极层；N型吸收层的受光面通过微加工工艺开有若干呈矩阵分布的倒置四棱台结构的盲孔，然后再通过扩散和镀膜工艺在N型吸收层的受光面依次设有P型发射层、TC0层，这样设计使得周期性有序盲孔矩阵阵列利用聚光增强电池对太阳光的吸收；其中相邻盲孔之间的间隔距离为1?2um，优选为lum ;盲孔的顶面是边长为10?13um的矩形，底面为边长小于lum的矩形，四个侧壁为倒置的等腰梯形。
[0031 ] 所述的前电极为日字型铝电极，线宽为1-2_，该日字型的设计减少前电极对太阳光的反射。
[0032]实施例1:
[0033]本实施例包括以下步骤:
[0034]步骤(1)、如附图1所示，选择晶面为001的N型单晶硅基片4，通过标准的半导体清洗工艺对单晶硅表面进行清洗。通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)的方法在该单晶硅片上沉积制备一层致密的氮化硅层。制备条件是:以氮气稀释至10%的硅烷(SiH4)和氨气为反应气体，硅烷气体流量为30sCCm，氨气气体流量为60SCCm，真空室的背底真空度为3X10 4Pa，工作气压为20Pa，衬底温度为300°C，等离子射频功率为80W。在上述条件下生长厚度为0.25微米的氮化硅层。然后通过磁控溅射的方法在镀有氮化硅的单晶硅片上沉积一层Si02。制备条件是:以Ar为溅射气体，流量为20sCCm，以硅靶为溅射靶，溅射气压为IPa，射频功率为100W。然后通过光刻工艺，结合HF酸和磷酸分别对二氧化硅和氮化硅的腐蚀工艺，在单晶硅基片的受光面刻出边长10um的周期性有序正方形窗口阵列；接着将具有周期性有序窗口阵列的N型单晶硅基片放入高浓度的K0H溶液中进行各项异性腐蚀，最终在单晶硅基片的受光面形成周期性有序倒置四棱台盲孔阵列1。利用步骤(1)工序所得的实际的单个倒置四棱台盲孔结构如附图5所示，其剖面图如附图6所示，实际的周期性有序倒置四棱台盲孔矩阵阵列如附图4所示。
[0035]步骤(2)、如附图2所示，对N型单晶硅基片的受光面表面采用气态源扩散工艺进行P型扩散，形成P型扩散型层3。
[0036]步骤(3)、如附图2所示，利用磁控溅射镀膜工艺，在步骤⑵得到的周期性有序倒置四棱台盲孔矩阵阵列表面上进行溅射镀导电减反射层2(TC0膜)。靶材可为IT0、FT0、AZ0等陶瓷靶。溅射气压为0.5Pa，溅射过程中同时通入OjPAr。TC0层的厚度为50_100nm。
[0037]步骤(3)、如附图2所示，在N型基片的背光面进行N+掺杂，形成N+掺杂层5 ;对制备N+掺杂层的实现采用快速退火工艺方案，在N型吸收层背光面用50%磷酸涂敷，之后放入快速退火炉中进行退火。
[0038]步骤(4)、通丝网印刷技术在N+掺杂层的背光面上印铝电极6平板。
[0039]步骤(5)、在步骤4所得到的TC0薄膜上丝网印刷铝电极7。铝电极是宽度为2mm的日字形电极，如附图3所示。
[0040]步骤(6)、烧结N型单晶硅基片，温度为400度，使铝电极与N+掺杂层形成欧姆接触。
[0041]步骤(7)、烧结N型单晶硅基片，温度为400度，使步骤5所得到的TC0薄膜晶化，增强导电性。
[0042]步骤(8)、利用紫外可见光光谱仪对所制备的具有周期性的倒置四棱台盲孔矩阵结构的单晶硅太阳能电池的进行光吸收谱进行测试，所得在波长400-1000nm范围内的光吸收谱如附图7所示。
[0043]实施例2:
[0044]本实施例包括以下步骤:
[0045]步骤(1)、如附图1所示，选择晶面为001的N型单晶硅基片4，通过标准的半导体清洗工艺对单晶硅表面进行清洗。将清洗好的基片放入充满高纯氮气的气氛炉中进行生长氮化硅薄膜，温度为1000°c。然后通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺方法在镀有氮化硅的单晶硅片上沉积一层Si02。制备条件是:以氮气稀释至10%的硅烷(SiH4)