具有硅异质结的光伏电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有硅异质结的光伏电池以及用于制造这种电池的方法。
【背景技术】
[0002 ]不同于通过P掺杂娃晶体/ η-掺杂娃晶体结来获得内建电场的常规同质结结构，在具有娃异质结的太阳能电池(通常用“Silicon HeteroJunct1n solar cell，娃异质结太阳能电池”的首字母缩写SHJ来表示)中，对于光伏效应来说不可缺少的内建电场是通过淀积在η掺杂硅晶体衬底(通常记为c-Si(n))的衬底上的ρ或ρ+掺杂氢化非晶硅层(通常记为a-S1:H(p))而产生的。
[0003]相对地，还存在具有这样的硅异质结的电池:其中硅晶体衬底为ρ掺杂的，而氢化非晶硅层为η或η+掺杂的。
[0004]来自非晶硅(非晶硅可以在低温下淀积)的异质结的制造能够使得施加于硅晶体衬底的热预算最小化，从而避免硅晶体衬底的性能变差。
[0005]与衬底的类型相反的掺杂层形成光伏电池的发射极(l’6metteur)。
[0006]在衬底的另一表面上，与衬底相同类型的掺杂非晶或微晶硅层形成了排斥电场(champelectrique rgpulsif)。如果所述层位于衬底的背面(S卩，与旨在接收太阳福射的正面相对的面)，则用术语“背面场” (Back Surface Field，BSF)来表示;如果所述层存在于正面，则被称为“正面场”(Front Surface Field,FSF) ο
[0007]该层具有驱逐衬底的少数载流子(S卩，如果衬底为p掺杂的则为电子，如果衬底为η掺杂的则为空穴)的作用，从而避免与形成在与发射极相对的电池的面上的接触(contact)复合。
[0008]电池对光子的吸收表现为电子/空穴对的产生，在通过异质结产生的本征电场的作用下，所述电子/空穴对分离，使得光生少数载流子移向这些载流子为多子的区域。
[0009]因此，在P型的衬底中，光生电子移向η+型的发射极，而空穴移向ρ+型的排斥场层；在η型的衬底中，光生空穴移向ρ+型的发射极，而电子移向η+型的排斥场层。
[0010]电接触形成在电池的正面和背面上，以便收集所述光生载流子。
[0011]为了避免界面处的复合并且增大转化效率，已知在衬底与掺杂非晶硅的每层之间插入钝化层(例如，本征氢化非晶硅(通常记为a_S1:H(i))层)，以从优异的a-S1:H(i)/c-Si(η或ρ)界面性能获益，并且增大电池的开路电压(Voc)。
[0012]界面处的复合陷阱的低浓度由a_S1:H(i)层中的掺杂杂质的缺失而得以解释。
[0013]图1为示出了具有异质结(其中衬底I为η型的)的光伏电池的原理的立体视图。
[0014]虽然此处未示出，但是衬底的两面通常都进行织构，以使得反射现象最小化。
[0015]旨在接收太阳辐射的电池的正面由标记F来表示，与正面相对的背面由标记B来表不O
[0016]异质结由位于衬底的正面的ρ+型掺杂非晶硅层3形成。
[0017]在所述层3与衬底I之间插入了本征非晶硅的钝化层2。
[0018]至于衬底I的背面，覆盖有本征非晶硅的钝化层4，并且覆盖有η+掺杂非晶硅层5。
[0019]两个掺杂非晶硅层3、5中的每个覆盖有透明导电材料层6、7。
[0020]最后，在电池的正面和背面上分别形成有电接触8、9。
[0021]Kinoshita等人的文章展示了用于提高具有异质结的光伏电池的效率的不同解决方案[Kinoshitall]。
[0022]出于该目的，该文章的作者关注于非晶硅层和透明导电材料的优化，关注于电接触的优化并且关注于光学限制的改进。
[0023]然而，这种电池中存在复合，这会降低电池的效率。
[0024]因此，本发明的目标在于设计一种光伏电池，其中这种复合得到最小化或者甚至得到禁止。
【发明内容】
[0025]为了寻求上述缺陷的应对方法，提出了一种具有硅异质结的光伏电池，其包括η或P型惨杂的娃晶体衬底，其中:
[0026]衬底的第一主面相继地覆盖有钝化层、P或ρ+型掺杂的非晶或微晶硅层以及透明导电材料层，
[0027]-衬底的第二主面相继地覆盖有η或η+型掺杂的非晶或微晶硅层以及透明导电材料层。
[0028]根据本发明，在衬底与η或η+型掺杂的非晶或微晶硅层之间，所述电池包括晶体半导电材料的层，所述晶体半导电材料具有与硅的导带基本对齐的导带以及比硅的禁带更大的禁带，从而使得所述晶体半导电材料的层促进电子的流通，而限制空穴从衬底到η或η+型掺杂的非晶或微晶硅层的流通。插入在衬底与η或η+型掺杂的非晶或微晶硅层之间的所述晶体半导电材料选自氮化镓和铟镓氮。
[0029]“基本对齐的导带”指的是两种材料的导带之间的差的绝对值小于0.leV。
[0030]在本文中，术语“相继地”指的是相对于衬底的主面堆叠各个层的次序，而未必意味着两个相继的层是直接接触的(即，它们具有共同的界面)。
[0031]“透明导电材料”指的是对太阳辐射透明的导电材料。
[0032]“本征硅”指的是不包含任何掺杂剂或者至少在材料的形成期间没有故意引入掺杂剂的硅。在任何情况下，如果激活的掺杂剂的浓度小于11Vcm3，则认为硅为本征的。
[0033]为了该目的，非晶或晶体形态的本征硅的淀积在没有受到掺杂杂质污染的腔室内执行。
[0034]“掺杂娃”(η或ρ)指的是激活的掺杂剂的浓度大于11Vcm3的硅。
[0035]“重掺杂娃”(η+或ρ+)指的是激活的掺杂剂的浓度大于11Vcm3的硅。
[0036]以特别有利的方式，衬底第二主面具有使硅的晶面(111)显露出来的织构。
[0037]根据实施方案，所述晶体半导电材料层的厚度包括在0.5nm与50nm之间，优选地包括在I nm与I Onm之间。
[0038]另一个目标涉及一种用于制造具有如上所述硅异质结的光伏电池的方法。
[0039]根据该方法:
[0040]在η或ρ掺杂硅晶体衬底的第一主面上，相继地形成钝化层、ρ或ρ+型掺杂的非晶或微晶硅层、透明导电材料层以及载流子的第一收集极，
[0041]在衬底的第二主面上，相继地形成η或η+型掺杂的非晶或微晶硅层、透明导电材料层以及载流子的第二收集极，
[0042]在形成所述η或η+型掺杂的非晶或微晶硅层之前，通过外延而在衬底上形成半导电材料的层，所述半导电材料具有与硅的导带基本对齐的导带以及比硅的禁带更大的禁带。所述晶体半导电材料为氮化镓或铟镓氮。
[0043]在外延步骤之前，有益地对衬底的第二面进行织构，以形成使硅的晶面(111)显露出来的金字塔形。
[0044]根据实施方案，晶体半导电导电材料为氮化镓，并且氮化镓层通过分子束外延(MBE)或者通过金属有机化合物气相外延(MOVPE)而形成。
[0045]所述氮化镓层的外延温度有益地包括在600与800°C之间。
[0046]半导电晶体材料层的厚度包括在0.5nm与50nm之间，优选地包括在Inm与1nm之间。
【附图说明】
[0047]本发明的其它特征和优点将从参照所附附图的随后的详细说明中显现，所附附图中:
[0048]-图1为具有硅异质结的光伏电池的立体方块图，
[0049]-图2A示出了包括η型衬底的具有常规异质结的光伏电池的能带图，
[0050]-图2Β示出了包括ρ型衬底的具有常规异质结的光伏电池的能带图，
[0051]-图3Α是包括η型衬底的具有根据本发明的异质结的光伏电池的截面视图，
[0052]-图3Β示出了包括ρ型衬底的具有根据本发明的异质结的光伏电池的能带图，
[0053]-图4Α是包括η型衬底的具有根据本发明的异质结的光伏电池的截面视图，
[0054]-图4Β示出了包括ρ型衬底的具有根据本发明的异质结的光伏电池的能带图，
[0055]-图5示出了硅以及对于不同铟含量的铟镓氮的价带和导带的位置，
[0056]-图6示出了这样的结构，在该结构上执行数值模拟以展示根据本发明的晶体半导电材料层的效果，
[0057]-图7Α和图7Β分别示出了在阳极处和阴极处的第一模拟结构的能带图；图7C和图7D分别示出了在阳极处和阴极处的第二模拟结构的能带图，
[0058]-图8显示了对于第一结构(曲线a)和对于第二结构(曲线b)，根据阳极处的偏压的阴极电流的变化，
[0059]-图9A显示了对于第一结构(曲线a)和对于第二结构(曲线b)，根据阳极处的偏压的在阳极处的空穴电流的变化，
[0060]-图9B显示了对于第一结构(曲线a)和对于第二结构(曲线b)，取决于阳极处的偏压的在阴极处的空穴电流的变化。
【具体实施方式】
[0061]为了寻求具有异质结的光伏电池中存在复合的应对方法，发明人根据这些电池的能带图来分析这些复合的起因。
[0062]图2A和图2B分别显示了衬底为η掺杂的常规的具有硅异质结的电池的能带图和衬底为P掺杂的常规硅异质结电池的能带图。
[0063]这些图来自[Hekmatshoarll]ο
[0064]应当注意的是，在这些图上并未示出正面和背面上的透明导电材料层，这仅对于短路(court-circuit)的电池有效。
[0065]导带和价带分别由附图标记Ec和Ev来表示，线Ef代表费米能级。
[0066]电子由标记e来表示，空穴由标记h来表示。
[0067]如图2