专利名称：硅基高效双结太阳能电池的制造方法
技术领域：
本发明属于无机材料技术领域的太阳能电池领域，涉及一种硅基高效双结太阳能电池的 制造方法。
背景技术：
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太阳能是一种洁净、无污染、取之不尽用之不竭的自然能源，人类赖以生存的自然资源 几乎全部转换于太阳能，将太阳能直接转换为电能是大规模利用太阳能的一项重要技术基础。 自1954年贝尔实验室开发出效率为6%的第一个多品硅太阳电池以来，现在太阳电池市场以 每年35%的速度递增。
由下-传统晶体硅电池具有相对较高的转换效率和相对较低的成本，逐渐成为市场的主导 产品。而其它种类的薄膜屯池由于技术不是很成熟，似乎很难在短期内替代硅系太阳能电池。 市场上使用最多的是单品硅和多品硅太阳电池，而硅太阳电池转换效率的理论极限只有25%， 当前，单品硅太阳电池的最高转换效率只有18%，要想再进一步提卨已经非常困难，如何进 一歩提高硅太阳电池的转换效率具有重要的现实意义。由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比 其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能； 高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的 点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。 由于硅材料本身禁带宽度的限制，使得硅太阳能电池只能吸收一定波段的光，其余波段的光 不能被吸收而浪费掉，因此单结太阳能电池的理论转换效率一般较低。
太阳光光谱B了以被分成连续的若千部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成 电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的较宽能隙材 料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度地 将光能变成电能。
针对太阳光谱，在不同的波段选取不同禁带宽度的半导体材料做成多个太阳能子电池， 最后将这些子电池串联形成多结太阳能电池，从而可以极大程度地提高太阳能电池的转换效 率。由于部分化合物半导体材料的禁带宽度可调，因此，选取恰当的实验方法制备能够吸收 不同波段的化合物半导体材料能够解决当今电池效率相对较低的难题。
近年来，磁场强度超过10T的超导强磁场的应用已受到人们的广泛重视。强磁场因其强 大的磁化作用，可以使得非铁磁性物质也能显示出内禀磁性，如水、塑料、木材等可在强磁场中悬浮。与普通磁场作用于宏观的物体不同，强磁场能够将高强度的磁能传递到物质的原 子尺度，改变原子的排列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能产生深远的影响。 在材料制备中，磁场能控制材料生长过程中的形态、大小、分布和取向等，从而影响材料的 组织结构，最终获得具有优良性能的新材料。通过磁场的磁化效应制备多结太阳能电池的技 术尚没有出现
发明内容
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本发明的目的是提供一种硅基高效双结太阳能电池的制造方法，通过该方法可以在品体 硅电池上再叠加制备一层子电池，从而解决目前传统电池效率较低的技术难题。
本发明的技术方案如下 一种硅基高效多结太阳能电池的制造方法，所述太阳能电池结
构为Si/GaAs双层结构，基底子电池为Si的PN结电池、顶层子电池为GaAs的PN结电池， 顶层子电池直接外延生长在硅电池衬底上，该方法具有以下丄艺歩骤
a. 在磁场下采用化学腐蚀的方法在单品硅片表面生长致密均匀的绒面，再在高温扩散炉 中扩散形成PN结形成底层电池，刻蚀后再清洗去掉硅片表面的磷硅玻璃；
b. 在制备好PN结的硅片N型面上使用MBE外延生长GaAs电池；
c. 在制备好PN结GaAs电池表面蒸镀减反射膜；
d. 使用丝网印刷机在双层电池的硅片P型面制备形成电池的背电极和背电场，印刷的背 电极和背电场构成底层电极经烧结后形成欧姆接触；
e. 使用磁控溅射仪在电池的顶层制备顶层电极，在顶层GaAs电池的N型面溅射金属电 极形成欧姆接触；
f. 获得高效双结太阳能电池。
MBE (分子束外延)是目前生长各种半导体薄膜的重要方法之一，生长过程中可以通过 精确控制各个蒸发源的蒸发温度、蒸发时间等参数，并结合各种原位监控手段，实现对外延 薄膜的厚度、成分的控制，实现亚单原子层精度的生长。
进 -歩地，所述歩骤a中磁场下采用化学腐蚀的方法在单晶硅片表面生K:致密均匀的绒 面是指将单晶硅片放入配好反应液的绒面制备反应器中使其反应，同时将绒面制备反应器 放置于10T以F磁场中，所述反应液的配比为氢氧化钠或氢氧化钾质量百分数为0.05% 15%，乙醇或异丙醇的质量百分数为5% 30%，硅酸钠的质量百分数为0.05% 3%;反应液 的温度保持在5(TC 10(TC，绒面制备时间10 45分钟。
进一歩地，所述歩骤b中使用MBE外延生长GaAs电池是指先生长N型重掺杂的GalnP窗口层；接着生长忖型重掺杂03八3层(>1+-03八3)，再生长？型重掺杂0仏8层(？+-0&八3)，形
成隧道结；先生长P型重掺杂的GalnP作为GaAs电池的背场，生长P型重掺杂的GaAs基 底层，生长N型重掺杂的GaAs发射层，生长N型重掺杂的GalnP窗口层，最后生长N型重
掺杂的0认8接触层^+-0&八8)用作欧姆接触，形成顶层电池。
进一歩地，歩骤c中GaAs电池表面蒸镀减反射膜是指在GaAs电池的N型面上使用 PECVD生长减反射膜SiNx或Ti02 。
本发明的技术效果在于首先在磁场下采用化学腐蚀的方法在单品硅片表面生长底层电 池，然后通过MBE在硅电池上外延生长双结电池，通过MBE方式可以精确控制材料的生长 及各层材料的厚度，由于两层不同的材料具有不同的禁带宽度，每种材料可以吸收不同波谱 范围内的太阳光，电池的吸收光谱变宽，大量的太阳光被电池吸收，从而进一歩提高了太阳 能电池的光电转换效率。
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图1为本发明的双结太阳能电池的结构示意图2为本发明的隧道结示意图3位本发明的顶层电池示意图； .
附图标号说明
l一底层电极，2 —底层电池，3—底层电池窗口层，4一隧道结，5 —顶层电池，6 —减反 射膜，7 —顶层电极。
4-l—N+-GaAs层，4-2—P+-GaAs层，5-l—顶层电池背场，5-2 —顶层电池基层，5-3 — 顶层电池发射层，5-4—顶层电池窗口层，5-5 —欧姆接触层。
具体实施例方式
现结合附图对实施例做进一歩描述
如图1所示，为双结太阳能电池的结构，为Si/GaAs双层结构，底层电池2为Si的PN 结电池、顶层电池5为GaAs的PN结电池，顶层电池5直接外延生长在硅电池衬底上。 硅基高效双结太阳能电池的制备方法
首先使用180pm厚的P型单晶硅通过化学腐蚀的方法制作太阳能电池，在磁场中进行高 效绒面的制备，即将单晶硅片放入配好反应液的绒面制备反应器中使其反应，同时将绒面
制备反应器放置于10T以下磁场中，所述反应液的配比为氢氧化钠或氢氧化钾质量百分数 为0.05% 15%，乙醇或异丙醇的质量百分数为5% 30%，硅酸钠的质量百分数为0.05% 3%;反应液的温度保持在50'C 10(TC，绒面制备时间10 45分钟。
之后在高温扩散炉中通过精确控制工艺条件进行PN结的制备，形成底层电池2，对扩 散后的硅片刻蚀后，在氢氟酸溶液中清洗去掉硅片表面的磷硅玻璃。
将扩散好PN结的硅片底层电池2进行MBE生长先生长一层200nm厚N型掺杂浓度 lxio18cm-3的GalnP窗口层3;生长一层10nm厚N型掺杂浓度lxl019crQ-3的N+-GaAs层4-1 ， 再生长一层lOnm厚的P型掺杂浓度5xl019cm—3的P+-GaAs层4-2，形成隧道结4;先生长一 层50nm厚P型掺杂浓度5xl018Cm—3的GalnP层作为顶层电池背场5-1，接着生长一层3mhi 厚P型掺杂浓度2xl017Cm—3的GaAs层作为顶层电池基层5-2，接着生长一层lOOnm厚的N 型掺杂浓度lxl018cm—3的GaAs层作为顶层电池发射层5-3，再生长一层lOOnm厚的N型重 掺杂浓度lxl018Cm—3的GalnP层作为顶层电池窗口层5-4，最后生长一层lOnm厚的N型重掺 杂浓度lxl019cm—3的GaAs层作为欧姆接触层5-5，形成顶层电池5。
在GaAs顶层电池4上进行PECVD (等离子体化学气相沉积法)减反射膜6生长，生 长一层60nm厚的SiNx或Ti02。对于单品硅电池来说， 一般可以采用Ti02、 Si02、 Sn02、 ZnS、 MgF2单层或双层减反射膜。在制好绒面的电池表面上蒸镀减反射膜后可以使反射率降 至2%左右。减反射膜不但能减少光反射，提高电流密度，还可以保护电池不被污染，防止 电极变色，提高电池的稳定性。
使用丝网印刷技术在双层电池的硅片P型面上印刷两条500nrn厚的导电银浆作为背电 极，经烘干炉烘干后再印刷一层500nm厚的铝浆作为背电场，印刷的背电极和背电场构成底 层电极l，经烧结后形成欧姆接触。
将双结电池放入磁控溅射仪中，在N型重掺杂的GaAs层上溅射一层100nm厚的金属层， 光刻后形成梳状顶层电极7，氮气中30(TC退火后形成欧姆接触。
通过上述方法制造的硅基双结太阳能电池，使用太阳能模拟器测试后，结果表明多结太 阳能电池的光电转换效率甚佳，电池效率大于28%。通过MBE技术在硅电池上外延生长双 结电池，可以精确控制材料的生长及各层材料的厚度，从而进一歩提高太阳能电池的效率。
权利要求
1. 一种硅基高效双结太阳能电池的制造方法，所述太阳能电池结构为Si/GaAs双层结构，基底电池为Si的PN结电池、顶层电池为GaAs的PN结电池，顶层电池直接外延生长在硅电池衬底上，其特征在于该方法具有以下工艺步骤a. 在磁场下采用化学腐蚀的方法在单晶硅片表面生长致密均匀的绒面，再在高温扩散炉中扩散形成PN结形成底层电池，刻蚀后再清洗去掉硅片表面的磷硅玻璃；b. 在制备好PN结的硅片N型面上使用MBE外延生长GaAs电池；c. 在制备好PN结GaAs电池表面蒸镀减反射膜；d. 使用丝网印刷机在双层电池的硅片P型面制备形成电池的背电极和背电场，印刷的背电极和背电场构成底层电极经烧结后形成欧姆接触；e. 使用磁控溅射仪在电池的顶层制备顶层电极，在双层电池的GaAs层的N型面溅射金属电极形成欧姆接触；f. 获得高效多结太阳能电池。
2. 根据权利要求1所述的硅基高效双结太阳能电池的制造方法，其特征在于所述歩骤a中磁场下采用化学腐蚀的方法在单品硅片表面生长致密均匀的绒面是指将 单晶硅片放入配好反应液的绒面制备反应器中使其反应，同时将绒面制备反应器放置于 10T以下磁场中，所述反应液的配比为氢氧化钠或氢氧化钾质量百分数为0.05% 15%， 乙醇或异丙醇的质量百分数为5% 30%，硅酸钠的质量百分数为0.05% 3%;反应液的 温度保持在50'C 10(TC，绒面制备时间10 45分钟。
3. 根据权利要求l所述的硅基高效双结太阳能电池的制造方法，其特征在于 所述歩骤b中使用MBE外延生长GaAs电池是指先生长N型重掺杂的GalnP窗口层； 接着生长N型重掺杂GaAs层，再生长P型重掺杂GaAs层，形成隧道结；先生长P型重 掺杂的GalnP作为GaAs电池的背场，生长P型重掺杂的GaAs基底层，生长N型重掺杂 的GaAs发射层，生长N型重掺杂的GalnP窗口层，最后生长N型重掺杂的GaAs接触层 用作欧姆接触，形成顶层电池。
4. 根据权利要求l'所述的硅基高效双结太阳能电池的制造方法，其特征在于所述歩骤c中GaAs电池表面蒸镀减反射膜是指在GaAs电池的N型面上使用PECVD生 长减反射膜SiNx或Ti02。
全文摘要
本发明公开了一种硅基高效多结太阳能电池的制造方法，首先在磁场下采用化学腐蚀的方法在单晶硅片表面生长致密均匀的绒面，再在高温扩散炉中扩散形成PN结形成底层电池，刻蚀后再清洗去掉硅片表面的磷硅玻璃；其次，在制备好PN结的硅片N型面上使用MBE外延生长GaAs电池；再在制备好PN结GaAs电池表面蒸镀减反射膜；然后使用丝网印刷机在双层电池的硅片P型面制备形成电池的背电极和背电场，印刷的背电极和背电场构成底层电极经烧结后形成欧姆接触；最后使用磁控溅射仪在电池的顶层制备顶层电极，在顶层GaAs电池的N型面溅射金属电极形成欧姆接触；从而获得高效双结太阳能电池。
文档编号H01L31/18GK101521248SQ20091005691
公开日2009年9月2日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者张根发, 杨文平, 苏青峰, 韩新江 申请人:上海联孚新能源科技有限公司