专利名称：提高太阳能电池效率及制备高效率太阳能电池的方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种提高太阳能电池效率的方法，以及基于该方法制备高效率太阳能电池的方法，该太阳能电池包括但不限于是晶体硅、多晶硅、微晶硅、纳晶硅、非晶硅、铜铟镓硒、硫化镉或砷化镓等太阳能电池。
背景技术：
硅太阳能电池是目前产量最大、应用最广的产品，晶体硅太阳能电池光伏效率的实验室最高记录已达到24. 7 %，而光伏效率的商用水平却只有18%，多晶硅太阳能电池光伏效率也只有16%，人们正在不断努力改进工艺，提高电池的光伏效率，以减小其差距[1]。 改进的主要技术手段有一是减少光在电池表面的反射率，如采用球形、金字塔形、锥形、柱形、金属纳米颗粒等陷光结构，这些措施可将太阳光的反射率降到10%以下；二是提高太阳能电池材料的光吸收率，如背面反射结构、多结结构、聚光等；三是加强光生载流子的有效收集，如加厚栅电极、减薄衬底、采用区熔(FC)硅衬底等。长期以来，人们一直注重增加电池对太阳光的吸收，并通过对光生载流子收集来提高短路电流，进而提高电池效率。然而，却忽略了电池开路电压的提高，忽略了半导体结质量的提高。黑硅的出现则给我们带来了另一种思路。1998年美国哈佛大学的Eric Mazur教授和他的研究团队利用飞秒激光扫描置于六氟化硫(SF6)气体中的硅片表面，意外获得了一种表面微构造锥体材料，其在0. 25 2. 5μπι的几乎全太阳光谱范围内具有>90%的光吸收率，类似黑体吸收的效果，故亦称之为“黑硅”。这种表面微构造黑硅具有以下特点一是入射光进入锥体结构后会不断地向锥体底部折射，具有很强的广谱减反射效果；二是这种微构造黑硅表面纳米量级的厚度层内， 硫系物质浓度远远超过了其在硅晶体中的饱和浓度；三是这种黑硅材料具有很高的光电响应，一个直径为250 μ m的黑硅光电二极管在850nm波长处的光电响应达到0. 77A/W00V、 60A/W@1V、79A/W@2V，92A/W@3V的高值[3]，这比通常硅pin光电探测器响应要高出100多倍， 据此推算其短路时的内量子效率大于100 %，带有明显的增益特征。尽管黑硅晶锥的制作成本高，材料表层存在着大量由激光引入的晶格损伤、缺陷和复合中心，阻碍了光生载流子的输出，但黑硅光电探测器的增益特性是毋庸置疑的。最近，我们利用离子注入+激光辐照，已成功制备出低压下有增益的光电探测器，其在IOOOnm 波段的光电响应为100A/W@5V。根据我们的研究和理解，黑硅的本质就在于激光作用下的过饱和替位掺杂，而这种过饱和替位掺杂提升了费米能级位置，在光照下形成了对多数载流子的抽运。因此，黑硅为我们提供了一个用激光辐照来提高半导体掺杂浓度(即过饱和替位掺杂)的方法，开拓了一个提高电池开路电压的全新思路和途径，使电池开路电压摆脱硅中杂质固溶度的限制，从原理上可以突破硅电池30%效率的理论上限，必将引起研究硅光伏效应最大化的新一轮热潮。参考文献[l]Martin A.Green, Solar Cells !Operating Principles, Technology,andSystem Applications, University of New South Wales(1986).[2]熊绍珍、朱美芳，《太阳能电池基础与应用》，第五章硅基薄膜太阳能电池，科学出版社，第一版，2009年10月。[3]Her T H, Finlay R J, Wu C, Deliwala S and Mazur, Ε, Microstructuringof silicon with femtosecond laser pulses, Applied Physics Letters,73,1673(1998).
发明内容
(一)要解决的技术问题随着硅中杂质浓度的提高，间隙掺杂与替位掺杂的比例就会越来越高，并在 3X IO2Vcm3替位掺杂浓度下形成“死区”，即更多的掺杂不会被激活，只会形成大量的间隙掺杂，并转变成复合中心，使电池性能越来越差，进而准费米能级被限定。要解决的问题是 在重掺杂区域内如何用激光将间隙杂质尽可能多地转变成替位杂质。(二)技术方案为达到上述目的，本发明的技术方案如下一种提高太阳能电池开路电压及效率的方法，该方法是采用脉冲激光对太阳能电池掺杂区域进行辐照，使掺杂区域中的杂质形成过饱和替位掺杂、且被激活，减少间隙掺杂数量，从而改善半导体结质量，减少载流子复合，达到提高短路电流和开路电压，最终实现提高太阳能电池的效率。上述方案中，所述太阳能电池是由晶体硅、多晶硅、微晶硅、纳晶硅、非晶硅、铜铟镓硒、硫化镉或砷化镓制作而成的太阳能电池。上述方案中，所述脉冲激光为脉冲宽度在飞秒、皮秒和纳秒数量级的大功率超快激光，其单脉冲功率密度在lOmJ/cm2至lOOOmJ/cm2之间，其波长在1064纳米至200纳米之间。上述方案中，所述辐照是采用一次扫描或多次扫描的方式进行，或者是采用大光斑一次辐照或多次辐照进行，且扫描或辐照不破坏太阳能电池的表面形貌。上述方案中，所述掺杂区域中的杂质形成过饱和替位掺杂、且被激活是指杂质在太阳能电池基底材料表层中的晶格替位率高于的静态热平衡所给出的替位掺杂浓度，并由这些过饱和的替位杂质电离后施放出更多的载流子。一种制备高效率太阳能电池的方法，该方法包括采用扩散设备对ρ型硅衬底迎光面进行扩磷，在表面形成重掺η型硅层；采用超快激光器对已掺杂的η型硅层进行辐照；采用丝网印刷机对ρ型硅衬底背面刷印铝浆并烘烤，再在η型硅层上刷印银浆栅电极并烧结，完成一个太阳能电池片的制备。一种制备高效率太阳能电池的方法，该方法包括对第一导电类型硅衬底迎光面进行掺杂，在表面形成重掺第二导电类型硅层；对第一导电类型硅衬底背光面进行掺杂，在背表面形成重掺第一导电类型硅层；采用超快激光器对迎光面已掺杂的第二导电类型硅层进行辐照，对背光面已掺杂的第一导电类型硅层进行辐照；采用丝网印刷机对第一导电类型硅衬底背面刷印导电浆料并烘烤，再在第二导电类型硅层上刷印浆料栅电极并烧结，完成一个太阳能电池片的制备。一种制备高效率太阳能电池的方法，该方法包括对第一导电类型硅衬底迎光面进行掺杂，在表面形成重掺第一导电类型硅层；对第一导电类型硅衬底背光面进行掺杂，在背表面形成半导体结，并有重掺第一导电类型硅区和第二导电类型硅区；采用超快激光器对迎光面已掺杂的第一导电类型硅层进行辐照，对背光面已掺杂的第一导电类型硅区和第二导电类型硅区进行辐照；采用丝网印刷机对背光面印刷导电浆料并烘烤，采用高能激光束对衬底背面第一导电类型硅区和第二导电类型硅区进行隔离，完成一个太阳能电池片的制备。上述方案中，所述的硅是晶体硅，或者是多晶硅。上述方案中，所述采用超快激光器对已掺杂的硅衬底迎光面和背光面进行辐照的步骤中，该超快激光器的脉冲激光为脉冲宽度在飞秒、皮秒和纳秒数量级的大功率超快激光，其单脉冲功率密度在lOmJ/cm2至lOOOmJ/cm2之间，其波长在1064纳米至200纳米之间，使η型硅层中的间隙杂质转变为替位激活杂质，形成超常重掺层的载流子浓度，其辐照后的载流子浓度应在1 X 1019/cm3至1 X 1021/cm3之间，并由电池转换效率的最高值来确定。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、利用本发明，可以提高光伏电池的结特性，增加短路电流和开路电压，从而提高太阳能电池的效率。2、利用本发明，仅增加一台大功率大束斑的激光器，辐照时间为纳秒量级，费用增加不高，也不影响已有的生产速度，与已有生产工艺间容。
图1是本发明采用超快激光器辐照太阳能电池基片的侧面的示意图；图2是单侧激光辐照后的电池静态能带图(无光照静态)，由于η型掺杂区一侧受到超快激光掺杂，其费米能级超过导带；图3是单侧激光辐照后的电池动态能带图(阳光照动态)，准费米能级&因激光辐照而超过了导带，P、η型区之间的准费米能级Enf和之差为开路电压。由于费米能级的提高说明了更多的间隙杂质转变为替位杂质，即半导体结质量的改善。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。下面首先对本发明的实现原理进行简要说明。1、激光作用下的过饱和替位掺杂采用超快脉冲激光辐照，即光能量被高度集中，且根据波长来决定表层吸收深度， 形成一个瞬态非平衡超快热处理过程，在此过程中，高能量的光足以打断晶格，且塞入杂质，进而形成过饱和替位掺杂，减少间隙杂质，提高替位/间隙掺杂比例，改善半导体结的质量，降低饱和电流，减少能带之间的载流子复合。
基于上述实现原理，本发明提供的这种提高太阳能电池效率的方法，是采用脉冲激光对电池掺杂区域进行辐照，使掺杂区域中的杂质形成过饱和替位掺杂、且被激活，减少间隙掺杂数量，从而从而改善半导体结质量，减少载流子复合，达到提高短路电流和开路电压，最终实现提高电池效率之目的。其中，所述太阳能电池是由晶体硅、多晶硅、微晶硅、纳晶硅、非晶硅、铜铟镓硒、硫化镉或砷化镓等制作而成的太阳能电池。所述脉冲激光为脉冲宽度在飞秒、皮秒和纳秒数量级的大功率超快激光，其单脉冲功率密度在lOmJ/cm2至lOOOmJ/cm2之间，其波长在1064 纳米至200纳米之间。所述辐照是采用一次扫描或多次扫描的方式进行，或者是采用大光斑一次辐照或多次辐照进行，且扫描或辐照不破坏太阳能电池的表面形貌。所述掺杂区域中的杂质形成过饱和替位激活是掺杂区域中的杂质在太阳能电池基底材料表层中的晶格替位率高于的静态热平衡所给出的替位掺杂浓度，并由这些过饱和的替位杂质电离后施放出更多的载流子。图1示出了本发明采用超快激光器辐照太阳能电池基片的侧面的示意图。图2示出了单侧激光辐照后的电池静态能带图(无光照静态)，由于η型掺杂区一侧受到超快激光掺杂，其费米能级超过导带；图3示出了单侧激光辐照后的电池动态能带图(阳光照动态)，准费米能级4因激光辐照而超过了导带，Ρ、η型区之间的准费米能级Enf和Epf之差为开路电压。基于上述提高太阳能电池效率的方法，本发明实施例提供了一种制备高效率太阳能电池的方法，该方法包括步骤1 采用扩散设备对ρ型硅衬底迎光面进行扩磷；其中，采用扩散设备对P型硅衬底迎光面进行扩磷，形成正常的η型硅层。步骤2 采用超快激光器对已掺杂的ρ型硅衬底表面η型硅层进行辐照；其中，该超快激光器的脉冲激光为脉冲宽度在飞秒、皮秒和纳秒数量级的大功率超快激光，其单脉冲功率密度在lOmJ/cm2至lOOOmJ/cm2之间，其波长在1064纳米至200纳米之间，使η型硅层中的间隙杂质转变为替位杂质，形成超常重掺η.型层的掺杂浓度。步骤3 采用丝网印刷机对ρ型硅衬底背面刷印铝浆并烘烤，再在P型硅衬底正面刷印银浆栅电极并烧结，完成一个太阳能电池片的制备。基于上述提高太阳能电池效率的方法，本发明实施例还提供了一种制备高效率太阳能电池的方法，该方法包括对第一导电类型硅衬底迎光面进行掺杂，在表面形成重掺第二导电类型硅层；对第一导电类型硅衬底背光面进行掺杂，在背表面形成重掺第一导电类型硅层；采用超快激光器对迎光面已掺杂的第二导电类型硅层进行辐照，对背光面已掺杂的第一导电类型硅层进行辐照；以及采用丝网印刷机对第一导电类型硅衬底背面刷印导电浆料并烘烤，再在第二导电类型硅层上刷印浆料栅电极并烧结，完成一个太阳能电池片的制备。基于上述提高太阳能电池效率的方法，本发明实施例又提供了一种制备高效率太阳能电池的方法，该方法包括对第一导电类型硅衬底迎光面进行掺杂，在表面形成重掺第一导电类型硅层；对第一导电类型硅衬底背光面进行掺杂，在背表面形成半导体结，并有重掺第一导电类型硅区和第二导电类型硅区；采用超快激光器对迎光面已掺杂的第一导电类型硅层进行辐照，对背光面已掺杂的第一导电类型硅区和第二导电类型硅区进行辐照；以及采用丝网印刷机对背光面印刷导电浆料并烘烤，采用高能激光束对衬底背面第一导电类型硅区和第二导电类型硅区进行隔离，完成一个太阳能电池片的制备。上述制备高效率太阳能电池的方法中，所述的硅是晶体硅，或者是多晶硅。所述采用超快激光器对已掺杂的硅衬底迎光面和背光面进行辐照的步骤中，该超快激光器的脉冲激光为脉冲宽度在飞秒、皮秒和纳秒数量级的大功率超快激光，其单脉冲功率密度在IOmJ/ cm2至lOOOmJ/cm2之间，其波长在1064纳米至200纳米之间，使η型硅层中的间隙杂质转变为替位激活杂质，形成超常重掺层的载流子浓度，其辐照后的载流子浓度应在lX1019/cm3 至1 X 1021/cm3之间，并由电池转换效率的最高值来确定。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种提高太阳能电池效率的方法，其特征在于，该方法是采用脉冲激光对太阳能电池掺杂区域进行辐照，使掺杂区域中的杂质形成过饱和替位掺杂、且被激活，减少间隙掺杂数量，从而改善半导体结质量，减少载流子复合，达到提高短路电流和开路电压，最终实现提高太阳能电池的效率。
2.根据权利要求1所述的提高太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述太阳能电池是由晶体硅、多晶硅、微晶硅、纳晶硅、非晶硅、铜铟镓硒、硫化镉或砷化镓制作而成的太阳能电池。
3.根据权利要求1所述的提高太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述脉冲激光为脉冲宽度在飞秒、皮秒和纳秒数量级的大功率超快激光，其单脉冲功率密度在lOmJ/cm2至 1000mJ/cm2之间，其波长在1064纳米至200纳米之间。
4.根据权利要求1所述的提高太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述辐照是采用一次扫描或多次扫描的方式进行，或者是采用大光斑一次辐照或多次辐照进行，且扫描或辐照不破坏太阳能电池的表面形貌。
5.根据权利要求1所述的提高太阳能电池效率的方法，其特征在于，所述掺杂区域中的杂质形成过饱和替位掺杂、且被激活是指杂质在太阳能电池基底材料表层中的晶格替位率高于的静态热平衡所给出的替位掺杂浓度，并由这些过饱和的替位杂质电离后施放出更多的载流子。
6.一种基于权利要求1所述方法制备高效率太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括采用扩散设备对P型硅衬底迎光面进行扩磷，在表面形成重掺η型硅层；采用超快激光器对已掺杂的η型硅层进行辐照；采用丝网印刷机对P型硅衬底背面刷印铝浆并烘烤，再在η型硅层上刷印银浆栅电极并烧结，完成一个太阳能电池片的制备。
7.一种基于权利要求1所述方法制备高效率太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括对第一导电类型硅衬底迎光面进行掺杂，在表面形成重掺第二导电类型硅层；对第一导电类型硅衬底背光面进行掺杂，在背表面形成重掺第一导电类型硅层；采用超快激光器对迎光面已掺杂的第二导电类型硅层进行辐照，对背光面已掺杂的第一导电类型硅层进行辐照；采用丝网印刷机对第一导电类型硅衬底背面刷印导电浆料并烘烤，再在第二导电类型硅层上刷印浆料栅电极并烧结，完成一个太阳能电池片的制备。
8.一种基于权利要求1所述方法制备高效率太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括对第一导电类型硅衬底迎光面进行掺杂，在表面形成重掺第一导电类型硅层；对第一导电类型硅衬底背光面进行掺杂，在背表面形成半导体结，并有重掺第一导电类型硅区和第二导电类型硅区；采用超快激光器对迎光面已掺杂的第一导电类型硅层进行辐照，对背光面已掺杂的第一导电类型硅区和第二导电类型硅区进行辐照；采用丝网印刷机对背光面印刷导电浆料并烘烤，采用高能激光束对衬底背面第一导电类型硅区和第二导电类型硅区进行隔离，完成一个太阳能电池片的制备。
9.根据权利要求6、7或8中任一项所述的方法，其特征在于，所述的硅是晶体硅，或者是多晶娃。
10.根据权利要求6、7或8中任一项所述的方法，其特征在于，所述采用超快激光器对硅衬底迎光面和背光面进行辐照的步骤中，该超快激光器的脉冲激光为脉冲宽度在飞秒、 皮秒和纳秒数量级的大功率超快激光，其单脉冲功率密度在lOmJ/cm2至lOOOmJ/cm2之间， 其波长在1064纳米至200纳米之间，使η型硅层中的间隙杂质转变为替位激活杂质，形成超常重掺层的载流子浓度，其辐照后的载流子浓度应在1 X 1019/cm3至1 X 1021/cm3之间，并由电池转换效率的最高值来确定。
全文摘要
本发明公开了一种提高太阳能电池效率的方法，该方法是采用脉冲激光对太阳能电池掺杂区域进行辐照，使掺杂区域中的杂质形成过饱和替位掺杂、且被激活，减少间隙掺杂数量，从而改善半导体结质量，减少载流子复合，达到提高短路电流和开路电压、最终实现提高太阳能电池效率之目的。
文档编号B23K26/00GK102280526SQ20111021892
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年2月21日
发明者梁鹏, 范玉杰, 邢宇鹏, 韩培德 申请人:中国科学院半导体研究所