专利名称：非晶硅－晶体硅异质结太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏发电技术，尤其是由晶体硅和非晶硅组合制成的太阳电池。
背景技术：
公知典型的晶体硅太阳电池具有如图1所示的结构，包括依次叠层结合的受光面电极1、钝化/减反射膜2、N型硅扩散层3、P型硅衬底层4和背电极5。
公知典型的晶体硅太阳电池的光电转换效率为15％左右。由于晶体硅太阳电池的P区和N区采用同样的晶体硅材料，具有相同的能带结构，其禁带宽度的典型值为1.12ev。粗略的说，在光电转化的量子过程中，能量等于硅禁带宽度的光量子可以在硅材料中激发出空穴-电子对，并最终转化为电能，当硅材料所吸收光量子能量hv大于晶体硅的禁带宽度Eg时，也只能激发出具有相同能量的空穴-电子对，在跃迁过程中电子-空穴对所吸收的光能量不超过材料的禁带宽度值。而多余的能量hv-Eg最终将转化为热量耗散掉，从而，降低了光电转换的效率。
非晶硅的能带结构具有比晶体硅宽的禁带宽度，典型的非晶硅禁带宽度为1.7ev～2.0ev，这样当吸收能量较高光子的能量时，其转换成电能的比例便较禁带宽度较小的晶体硅为高。但是，能量低于1.7ev的光量子将不能激发出空穴-电子对，即这部分光能将不能转化为电能。如果将两种材料组合，由不同禁带宽度的材料吸收具有不同能量的光量子，便可将更多的光能转换为电能。
基于这一点，日本SANYO公司开发了一种叫做HIT的技术，“HIT”太阳电池的结构如图2所示，与已知典型太阳电池不同的是，其具有光伏效应的PN结是由非晶硅和P型单晶硅构成，其非晶硅层包含N型非晶硅层6和本征非晶硅层7。SANYO的非晶硅/单晶硅异质结太阳电池使用禁带宽度不同的非晶硅和单晶硅形成PN结，利用两种材料吸收不同能量的光量子，可以提高电池的光电转换效率。但是，此种结构有一个缺点，由于非晶硅材料存在较多的界面态和缺陷，为了保证光生载流子漂移过势垒区，形成光生电流，必须限制N型非晶硅层的厚度，引入本征非晶硅层。这样势必增加N型薄层横向传导电阻，造成较大的电压降，影响电池的光电转换效率。
发明内容
为了克服晶体硅太阳电池、非晶硅太阳电池，特别是HIT结构电池的不足，达到既发挥不同半导体材料层对特定频率光波的高效吸收转化，又减少顶层材料的横向传输电阻的效果，本发明提供一种具有非晶硅-晶体硅异质结结构的太阳电池。利用本发明可以得到比普通晶体硅太阳电池更高的光电转换效率；比普通非晶硅太阳电池更好的长期使用稳定性和更高的光电转换效率；比单纯的非晶硅-单晶硅异质结太阳电池具有更低的串联电阻，更易于得到较高的光电转换效率。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是提供一种非晶硅-晶体硅异质结太阳电池，该太阳电池包括依顺序叠层结合的受光面电极、N型硅扩散层、P型硅衬底层和背电极；在受光面电极与N型硅扩散层间还包括有一层非晶硅薄膜层；该非晶硅薄膜层与N型硅扩散层形成异质高低结结构。上述N型硅扩散层和P型硅衬底层，也可以是P型硅扩散层或N型硅衬底层。上述非晶硅薄膜层可以是单一组份的非晶硅，也可以是非均匀组分的非晶硅，还可以是两种以上组份非晶硅膜的组合。例如使用N型非晶硅和本征非晶硅的组合；上述非晶硅薄膜层的厚度在数个纳米到数百纳米之间；上述非晶硅薄膜层表面的电极既可以是与非晶硅层形成欧姆接触，也可以是与非晶硅薄膜层下方晶体硅层形成欧姆接触，所述的欧姆接触包括但不限于高复合效应、隧道效应以及其它现有半导体技术中的欧姆接触结构。此外，在上述的非晶硅薄膜层表面还可以附加一层以钝化表面或以减少光线反射为目的的氧化硅膜、氮化硅膜或氧化钛膜等陶瓷类薄膜；还可以在所述的晶体硅与非晶体硅薄膜层接触的表面制成以减少入射光反射为目的的周期性或非周期性的突起或凹陷的结构。
本发明非晶硅-晶体硅异质结太阳电池达到了如下的有益效果首先由于非晶硅能带的禁带宽度达1.7ev～2.0ev，较晶体硅禁带宽度1.12ev为宽。这样，非晶硅层吸收能量大于1.7ev的光量子，可以在相同的量子产额情况下产生较高的输出电压。对于不被非晶硅吸收的能量介于1.7～1.12ev的光量子，可以认为非晶硅层是透明的窗口。这些光量子可以直接到达下面的晶体硅层激发出电子-空穴对，这是具有不同禁带宽度的半导体材料形成异质结带来的好处。
第二，通过适当调整N型非晶硅层和N型扩散层的掺杂水平，可以调整其电子费米能级的位置，在异质结N型晶体硅一端形成所谓“二维电子气”，这些“二维电子气”具有较高的电子迁移率，非常有利于N型扩散层中光伏电流的传导，减小串联电阻，降低电极栅线的覆盖率，提高光电转换效率。
第三，N型非晶硅和N型晶体硅形成的高低异质结电场有利于N型扩散区的光生非平衡载流子空穴的漂移运动，减小非平衡少数载流子的复合，非晶硅淀积过程中的氢离子有利于饱和器件表面和体内的硅悬挂键。
图1是公知晶体硅太阳电池的结构简图；图2是SANYO公司的“HIT”太阳电池结构；图3是本发明非晶硅-晶体硅异质结太阳电池的结构示意图；图4是本发明的太阳电池能带结构。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
图3是本发明以P型衬底材料为例的一个实施例，非晶硅-晶体硅异质结太阳电池的结构示意图，包括受光面电极1、N型硅扩散层3、P型硅衬底层4和背电极5。本发明在太阳电池受光面一侧，在受光面电极1与N型硅扩散层3之间还制备有一层非晶硅薄膜层8，非晶硅薄膜层8与N型硅扩散层3形成异质高低结结构，即非晶硅与其所接触的晶体硅具有相同的导电类型。因此，本发明不同材料间的叠层顺序为受光面电极1、非晶硅薄膜层8、与非晶硅同型号的N型硅扩散层3，与扩散层晶体硅形成PN结的P型硅衬底层4和背电极5。
为了实现这样一种结构，可以首先在P型晶体硅衬底上通过传统的扩散工艺形成PN结，然后在N型扩散层上生长一层N型非晶硅薄膜，形成高低结。在形成PN结的材料的两侧，制有电极结构并形成良好的欧姆接触，这种欧姆接触，可以是高复合、隧道或其它能有效传导电流的机构，在背光一侧电极同时制有高低结(能带)和背反射结构。
上述N型硅扩散层和P型硅衬底层，也可以是P型硅扩散层或N型硅衬底层。
上述非晶硅薄膜层8可以是单一组份的非晶硅，也可以是非均匀成分的非晶硅，还可以是两种以上组份非晶硅膜的组合。例如形成一种N型导电类型非晶硅膜+本征型非晶硅膜附着在N型导电类型的晶体硅表面。
非晶硅薄膜层8的厚度在数个纳米到数百纳米之间。
非晶硅薄膜层8表面的电极既可以是与非晶硅层形成欧姆接触，也可以是与非晶硅薄膜层8下方晶体硅层形成欧姆接触，所述的欧姆接触包括但不限于高复合效应、隧道效应以及其它现有半导体技术中的欧姆接触结构。
此外，还可以在非晶硅薄膜层8表面附加一层以钝化表面或以减少光线反射为目的氧化硅膜、氮化硅膜或氧化钛膜等陶瓷类薄膜。还可以在所述的晶体硅与非晶体硅薄膜层8接触的表面制成以减少入射光反射为目的的织构结构，这种结构具体为受光面内周期性或非周期性的突起或凹陷。比如一种顶端向上的边长尺寸在微米数量级的随机排列的“金字塔”突起；一种顶端向下的、周期排列的“倒金字塔”凹陷，或一些随机分布的腐蚀坑。
下面例举一典型的实施例，本专利只涉及这样一种新型的太阳电池结构，而非具体的工艺。为实施这样的太阳电池结构可以使用多种已成熟的半导体工艺。
首先我们可以采用典型的晶体硅太阳电池工艺制作一个N+P结，表面磷扩散浓度1018-1019/cm3原子，经表面处理后。接下来用PECVD(等离子增强化学气相淀积)的方法淀积一层N型非晶硅，非晶硅的掺杂水平和厚度需经过计算和试验确定。最后经丝网印刷和烧结的方法制备电极。烧结的工艺参数也十分重要，要与非晶硅厚度和工艺温度相匹配。正面、背面的电极结构可以分别制作，这样便可以得到本发明需要的太阳电池结构。
由于采用了上述的结构，本发明因而达到了如下的有益效果由于非晶硅能带的禁带宽度达1.7ev～2.0ev，较晶体硅禁带宽度1.1 2ev为宽。这样，非晶硅层吸收能量大于1.7ev的光量子，可以在相同的量子产额情况下产生较高的输出电压。对于不被非晶硅吸收的能量介于1.7～1.12ev的光量子，可以认为非晶硅层是透明的窗口。这些光量子可以直接到达下面的晶体硅层激发出电子-空穴对，这是具有不同禁带宽度的半导体材料形成异质结带来的好处。
图4所示的是本发明的太阳电池能带结构。适当调整N型非晶硅层和N型扩散层的掺杂水平，可以调整其电子费米能级的位置，当平衡态电子费米能级Ef处于如图4所示的位置时，可以在异质结N型晶体硅一端形成所谓“二维电子气”。图4中，9指出了在非晶硅、晶体硅间形成的二维电子气所处的位置，10代表非晶硅的禁带宽度Eg1，11代表晶体硅的禁带宽度Eg2，12代表器件统一的费米能级Eg的位置。这些“二维电子气”在垂直于电池表面方向运动时，处于能量的势阱中；然而在平行于电池表面方向的电子运动则不受束缚。且由于这些“二维电子气”源于非晶半导体一侧的扩散，远离电离杂质中心，因而具有较高的电子迁移率。这层“二层电子气”非常有利于N型扩散层中光伏电流的传导，减小串联电阻，降低电极栅线的覆盖率，提高光电转换效率。
此外，N型非晶硅和N型晶体硅形成的高低异质结电场有利于N型扩散区的光生非平衡载流子空穴的漂移运动，减小非平衡少数载流子的复合，非晶硅淀积过程中的氢离子有利于饱和器件表面和体内的硅悬挂键。
权利要求
1.一种非晶硅—晶体硅异质结太阳电池，包括依顺序叠层结合的受光面电极、N型硅扩散层、P型硅衬底层和背电极；其特征在于，在受光面电极与N型硅扩散层间还包括有一层非晶硅薄膜层，该非晶硅薄膜层与N型硅扩散层形成异质高低结结构。
2.根据权利要求书1所述的太阳电池，其特征在于所述的N型硅扩散层和P型硅衬底层，可以是P型硅扩散层或N型硅衬底层。
3.根据权利要求书1所述的太阳电池，其特征在于所述的非晶硅薄膜层可以是单一均匀组份的非晶硅，也可以是单一非均匀组分的非晶硅，还可以是两种以上组份非晶硅膜的组合。
4.根据权利要求书1、2或3所述的太阳电池，其特征在于所述的非晶硅薄膜层的厚度在数个纳米到数百纳米之间。
5.根据权利要求书1所述的太阳电池，其特征在于所述的非晶硅薄膜层表面的电极既可以是与非晶硅层形成欧姆接触，也可以是与非晶硅薄膜层下方晶体硅层形成欧姆接触，所述的欧姆接触包括高复合效应或隧道效应的欧姆接触结构。
6.根据权利要求书1所述的太阳电池，其特征在于在所述的非晶硅薄膜层表面还可以附加有一层包括氧化硅膜、氮化硅膜或氧化钛膜的陶瓷类薄膜。
7.根据权利要求书1所述的太阳电池，其特征在于在所述的晶体硅与非晶体硅薄膜层接触的表面可以制成周期性或非周期性的突起或凹陷的结构。
全文摘要
本发明公开了一种非晶硅－晶体硅异质结太阳电池的结构，在太阳电池受光面电极与N型硅扩散层间还包括有一层非晶硅薄膜层；该非晶硅薄膜层与N型硅扩散层形成异质高低结结构。本发明利用不同性质半导体材料不同的光吸收特性和半导体异质结带来的二维电子气效应，达到了比普通的晶体硅太阳电池更高光电转换效率；比普通非晶硅太阳电池更好的长期使用稳定性和更高的光电转换效率；以及比单纯的非晶硅－单晶硅异质结太阳电池具有更低的串联电阻，更易于得到较高的光电转换效率。
文档编号H01L31/0747GK101043058SQ20061002487
公开日2007年9月26日 申请日期2006年3月20日 优先权日2006年3月20日
发明者袁晓, 李涛勇 申请人:上海太阳能科技有限公司