基于p型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结太阳电池的制作方法

专利名称：基于p型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结太阳电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能电池，具体涉及一种基于P型硅片的黄铜矿类半 导体薄膜异质结太阳电池。
背景技术：
当今世界，常规能源的持续使用带来了能源紧缺以及环境恶化等一系列 经济和社会问题，解决上述问题的最好途经是大力发展和推广可再生能源。 在可再生能源中，太阳能发电由于地域性限制小、应用范围广、基本无污染、 可持续利用率髙等优点，成为世界各国竞相发展的目标。目前，太阳能发电 在可再生能源中所占比重还很小，主要原因是使用成本过高。因此，开发髙 效率、低成本的太阳能电池，使其成本接近甚至低于常规能源成本，将有着 举足轻重而又意义深远的作用。目前，现有的各类太阳能电池中，晶体硅太阳电池占了 90%的市场份额， 其中单晶硅电池的转化效率超过了 17%,多晶硅电池转化效率也在15~16%。 尽管在实验室中小面积的晶体硅电池的最高转化效率接近25%,但由于其工 艺与结构过于复杂，不利于规模化生产及应用。因此，在成本不太髙，工艺 不太复杂的前提下，各国都在从新的器件结构努力，开发效率更髙的晶体硅 类太阳电池及其产业化技术。其中，基于晶体硅的异质结太阳电池是一个热 点的方向。如一种基于P型硅衬底的太阳能电池，参见附图l所示，包括依 次叠层结合的受光面电极1、 N型非晶硅层2、本征非晶硅层3、 P型硅衬底 4和背电极5。其实验室转化效率已经突破18%,产业化的电池片的转化效 率也已经达到19%。该类电池具有如下几大优点(1)由于非晶硅的带隙在 1.7eV以上，与晶体硅的1.12eV相比更高，从而形成更强的内建电场，大幅 度地提髙开路电压；(2)采用低温(200'C以内)沉积方式形成PIN结，避免了 常规硅电池工艺的高温扩散(约900'C)工艺，既减少了生产能耗，又避免了髙 温产生的形变及热损伤，减少了碎片率；(3)在沉积非晶硅层形成PIN结的 同时，带来了很好的表面钝化作用。然而，上述HIT结构的太阳能电池存在如下问题(1)由于非晶硅材料 有很多的界面态和缺陷，载流子迁移率比较低，影响了光生电流的收集；(2) 非晶硅材料本身有光致衰退作用，要降低该类电池的效率衰减，必须尽可能 地采用N型硅片为衬底，限制了其原材料的选择范围；(3)非晶硅材料和晶 体硅材料的光吸收系数都不是很髙，要提髙长波响应，要求硅片的厚度不能 太薄，也限制了电池向薄型化方向发展的潜力。发明内容本发明的目的是提供一种基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结太 阳电池，以获得较髙的转化效率。为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是 一种基于P型硅片的 黄铜矿类半导体薄膜异质结太阳电池，包括依次叠层结合的受光面电极、透 明导电层、N型黄铜矿半导体薄膜、P型晶体硅、P+背表面场和背金属电极， 形成NPP+的异质结结构。上文中，所述N型黄铜矿半导体薄膜与P型晶体硅形成异质PN结，有 如下优点(1)由于有高的光吸收系数，N型层可以比较薄，P型晶体硅的 厚度也可以进一步减薄；(2)由于有髙的光吸收系数，再加上透明导电层兼 有减反射作用，N型层无需做类似绒面的陷光结构；(3)可以调整带隙，按 照受光顺序形成从髙到低的带隙梯度分布，以达到与太阳光谱匹配形成分段 吸收的目的；这样既增加光生电流，又增大开路电压；(4)由于N型黄铜矿 半导体薄膜本身载流子迁移率比较髙，再加上可以做成很高结晶质量，因而可以更好地收集光生电流。上述技术方案中，所述受光面电极为Al、 Ag、 Au、 Ni、 Cu/Ni、 Al/Ni 或Ti/Pd/Ag电极，其厚度为100nm 400fim。优选的厚度为20 200fim。该 受光面电极主要起到收集电流的作用。上述技术方案中，所述透明导电层为ITO、 Sn02: F(FTO)、 CdSn04、 CuGa02、 Culn02、 SrCu202、 Sn02、 ln203或掺杂的ZnO层，其厚度为 80~1000nm。优选的厚度为100~500nm。所述掺杂的ZnO层为掺B、 Al、 Ga或In等的ZnO层。该透明导电层具有较高的透光性和电导率，除了起到 收集电流的作用外，还可通过优化厚度起到良好的减弱表面反射的作用。上述技术方案中，所述N型黄铜矿半导体薄膜(7)为按照ABC2的原子配 比形成的化合物，其中A为Cu、 Ag中的一种元素或二种元素的组合，B 为Al、 Ga、 In中的一种元素或多种元素的组合，C为S、 Se、 Te中的一种 元素或多种元素的组合；其厚度为5nm 3nm，带隙为1.02~3.5eV。优选的厚 度为10~300證。与之相应的另一种技术方案是，所述N型黄铜矿半导体薄膜为层叠的多 层结构，按照受光顺序其带隙从3.5eV到1.02eV形成由髙到低分布。 上文中，这类N型黄铜矿半导体具有如下特点(1) 可以做成髙结晶质量的薄膜，且晶格常数与硅(a-5.43A)比较接近， 晶格失配在-2.3%到+6.8%，因而可以与硅形成结构稳定的异质结；(2) 是直接带隙半导体，其光吸收系数是目前所有半导体类里最髙的， 在可见与紫外光区都在105/cm，平均比晶体硅髙2个数量级；(3) 是自调整半导体，表现为两方面 一是调整不同主族元素比例，可 以直接由其化学组成的调变得到P型或N型的不同导电类型，而不必借助外 加杂质；二是在同一主族内搭配不同比例的元素，可以调整带隙，调整范围 在1.02~3.5eV;(4) 没有光致衰退效应，且有很好的抗辐射性能，适合于太空应用。 上述技术方案中，所述P+背表面场的厚度为0.1~2pm，并采用铝掺杂，掺杂浓度为1X1018~1X102Q/Cm3。优选的厚度为0.1~0.5pm。 N+背表面场的 作用是形成高低结，进一步提升开路电压，同时还可起到背表面钝化的作用。上述技术方案中，所述背金属电极为Al、 Ag、 Au、 Ni、 Cu/Ni、 Al/Ni 或Ti/Pd/Ag电极，其厚度为100nm~400nm。优选的厚度为20~200nm。背 金属电极采用背部全覆盖，其作用是收集背电流，同时增加波反射，提髙N 型硅片对长波的吸收。上述技术方案中，所述P型晶体硅为单晶硅、太阳能级或金属级多晶硅、 带状硅，其厚度为100 350jim,掺杂浓度为lX1015~lX1017/cm3。上述技术方案中，在所述N型黄铜矿半导体薄膜和P型晶体硅之间还设 有一层本征硅薄膜层，形成NIPP+的异质结结构，所述本征硅薄膜层的厚度 为3~50nm。优选的厚度为5~15nm。该本征硅薄膜层的作用是减少界面缺陷 态，增加表面钝化效应；特别是对于金属含量较高或缺陷态密度较多的低级别P型硅片(如金属级或带状硅)。由于上述技术方案的采用，与现有技术相比，本发明具有如下优点-1. 本发明采用了 N型黄铜矿半导体薄膜与P型晶体硅形成异质PN结， 具有更好的光谱响应，尤其是在紫外和可见光波段，从而可以提升短路电流； 且在正面可形成梯度带隙，类似于多结的堆叠效应，大幅度地提升开路电压 和填充因子；最终得到的太阳电池的转化效率在19%以上。2. 本发明的太阳电池耐辐射好，效率衰退小。


附图1是背景技术中太阳能电池的结构示意图； 附图2是本发明实施例一的结构示意图； 附图3是本发明实施例一的J-V曲线图； 附图4是本发明实施例二的结构示意图； 附图5是本发明实施例二的J-V曲线图； 附图6是本发明实施例三的结构示意图； 附图7是本发明实施例三的J-V曲线图。其中1、受光面电极；2、 P型非晶硅层；3、本征非晶硅层；4、 N型 硅衬底；5、背电极；6、透明导电层；7、 N型黄铜矿半导体薄膜；8、 P型 晶体硅；9、 P+背表面场；10、背金属电极；11、本征硅薄膜层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 实施例一参见附图2~3所示， 一种基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结太 阳电池，包括依次叠层结合的受光面电极1、透明导电层6、 N型黄铜矿半 导体薄膜7、 P型晶体硅8、 P+背表面场9和背金属电极10，形成NPP+的异 质结结构。上文中，所述受光面电极为Ag电极，其厚度为20fim;该受光面电极主 要起到收集电流的作用。所述透明导电层为ITO层，其厚度为200nm;该透 明导电层具有较高的透光性和电导率，除了起到收集电流的作用外，还可通过优化厚度起到良好的减弱表面反射的作用。上述技术方案中，所述N型黄铜矿半导体薄膜为 CuInGaS2——N型，带隙为1.7eV,厚度为8nm CuInS2——N型，带隙为1.54eV，厚度为8nm所述P+背表面场的厚度为0.2jim,并采用铝掺杂，掺杂浓度为2X 1019/cm3; P+背表面场的作用是形成髙低结，进一步提升开路电压，同时还 可起到背表面钝化的作用。所述背金属电极为Al电极，其厚度为100pm;背金属电极采用背部全 覆盖，其作用是收集背电流，同时增加波反射，提髙P型硅片对长波的吸收。上述技术方案中，所述P型晶体硅为单晶硅，其厚度为200pm，掺杂浓 度5X1016/cm3。上文中，这类N型黄铜矿半导体具有如下特点(1) 可以做成髙结晶质量的薄膜，且晶格常数与硅(a-5.43A)比较接近， 晶格失配在-2.3%到+6.8%，因而可以与硅形成结构稳定的异质结；(2) 是直接带隙半导体，其光吸收系数是目前所有半导体类里最高的， 在可见与紫外光区都在105/cm，平均比晶体硅髙2个数量级；(3) 是自调整半导体，表现为两方面 一是调整不同主族元素比例，可 以直接由其化学组成的调变得到P型或N型的不同导电类型，而不必借助外 加杂质；二是在同一主族内搭配不同比例的元素，可以调整带隙，调整范围 在L02 3.5eV;(4) 没有光致衰退效应，且有很好的抗辐射性能，适合于太空应用。 因而，所述N型黄铜矿半导体薄膜与P型晶体硅形成异质PN结，有如下优点(1)由于有髙的光吸收系数，P型层可以比较薄，P型晶体硅的厚 度也可以进一步减薄；(2)由于有高的光吸收系数，再加上透明导电层兼有 减反射作用，N型层无需做类似绒面的陷光结构；(3)可以调整带隙，按照 受光顺序形成从髙到低的带隙梯度分布，以达到与太阳光谱匹配形成分段吸 收的目的；这样既增加光生电流，又增大开路电压；(4)由于N型黄铜矿半 导体薄膜本身载流子迁移率比较髙，再加上可以做成很髙结晶质量，因而可以更好地收集光生电流。经过AMPS-1D计算拟合，得到的理论转化效率达到20.371%，详见图3
实施例二
参见附图4~5所示， 一种基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结太 阳电池，包括依次叠层结合的受光面电极1、透明导电层6、 N型黄铜矿半 导体薄膜7、 P型晶体硅8、 P+背表面场9和背金属电极10。在所述N型黄 铜矿半导体薄膜和P型晶体硅之间还设有一层本征硅薄膜层11，形成NIPP+ 的异质结结构，所述本征硅薄膜层的厚度为5nm。
上文中，所述受光面电极为Ag电极，其厚度为20jim;该受光面电极主 要起到收集电流的作用。所述透明导电层为ITO层，其厚度为200nm;该透 明导电层具有较髙的透光性和电导率，除了起到收集电流的作用外，还可通 过优化厚度起到良好的减弱表面反射的作用。
上述技术方案中，所述N型黄铜矿半导体薄膜为
CuInGaS2——N型，带隙为1.8eV，厚度为1.2nm
CuInS2——N型，带隙为1.54eV，厚度为15nm
所述P+背表面场的厚度为0.2fim,并采用铝掺杂，掺杂浓度为2X 1019/cm3; P+背表面场的作用是形成高低结，进一步提升开路电压，同时还 可起到背表面钝化的作用。
所述背金属电极为Al电极，其厚度为lOOfim;背金属电极采用背部全 覆盖，其作用是收集背电流，同时增加波反射，提髙P型硅片对长波的吸收。
上述技术方案中，所述P型晶体硅为单晶硅，其厚度为160fim。掺杂浓 度5X1016/cm3。
经过AMPS-1D计算拟合，得到的理论转化效率达到19.519%，详见图
4-
实施例三
参见附图6 7所示， 一种基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结太 阳电池，包括依次叠层结合的受光面电极1、透明导电层6、 N型黄铜矿半 导体薄膜7、 P型晶体硅8、 P+背表面场9和背金属电极10,形成NPP+的异 质结结构。
上文中，所述受光面电极为Ag电极，其厚度为20pm;该受光面电极主 要起到收集电流的作用。所述透明导电层为ITO层，其厚度为300tim;该透
9明导电层具有较髙的透光性和电导率，除了起到收集电流的作用外，还可通 过优化厚度起到良好的减弱表面反射的作用。
上述技术方案中，所述N型黄铜矿半导体薄膜为
AgIn(SSe)2——N型，带隙为1.93eV，厚度为2jim
所述P+背表面场的厚度为0.2fim,并采用硼掺杂，掺杂浓度为2X 1019/cm3; P+背表面场的作用是形成髙低结，进一步提升开路电压，同时还 可起到背表面钝化的作用。
所述背金属电极为Al电极，其厚度为100jim;背金属电极采用背部全 覆盖，其作用是收集背电流，同时增加长波反射，提高P型硅片对长波的吸 收。
上述技术方案中，所述P型晶体硅为单晶硅，其厚度为220jim。掺杂浓 度5X1016/cm3。
经过AMPS-1D计算拟合，得到的理论转化效率达到22.867%,详见图
权利要求
1.一种基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结太阳电池，其特征在于包括依次叠层结合的受光面电极(1)、透明导电层(6)、N型黄铜矿半导体薄膜(7)、P型晶体硅(8)、P+背表面场(9)和背金属电极(10)，形成NPP+的异质结结构。
2. 根据权利要求1所述的基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结 太阳电池，其特征在于所述受光面电极(l)为Al、 Ag、 Au、 Ni、 Cu/Ni、 Al/Ni或Ti/Pd/Ag电极，其厚度为100nm 400阿。
3. 根据权利要求1所述的基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结 太阳电池，其特征在于所述透明导电层(6)为ITO、Sn02: F (FTO)、 CdSn04、 CuGa02、 Culn02、 SrCu202、 Sn02、 ln203或掺杂的ZnO层，其厚度为 80~1000證。
4. 根据权利要求1所述的基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结 太阳电池，其特征在于所述N型黄铜矿半导体薄膜(7)为按照ABC2的原子 配比形成的化合物，其中A为Cu、 Ag中的一种元素或二种元素的组合， B为Al、 Ga、 In中的一种元素或多种元素的组合，C为S、 Se、 Te中的一 种元素或多种元素的组合；其厚度为5nm 3fim，带隙为1.02~3.5eV。
5. 根据权利要求1所述的基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结 太阳电池，其特征在于所述N型黄铜矿半导体薄膜为层叠的多层结构，按 照受光顺序其带隙从3.5eV到1.02eV形成由高到低分布。
6. 根据权利要求1所述的基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结 太阳电池，其特征在于所述P+背表面场(9)的厚度为0.1~2nm，并釆用硼、 铝或镓掺杂，掺杂浓度为lX1018~lX102Q/cm3。
7. 根据权利要求1所述的基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结 太阳电池，其特征在于所述背金属电极(10)为Al、 Ag、 Au、 Ni、 Cu/Ni、 A薩或Ti/Pd/Ag电极，其厚度为100nm~400nm。
8. 根据权 利要求1所述的基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结 太阳电池，其特征在于所述P型晶体硅(8)为单晶硅、太阳能级或金属级多 晶硅、带状硅，其厚度为100~350nm，掺杂浓度为lX10l5~lX1017/cm3。
9. 根据权利要求1所述的基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结 太阳电池，其特征在于在所述N型黄铜矿半导体薄膜和P型晶体硅之间还设有一层本征硅薄膜层(ll),形成NIPP+的异质结结构，所述本征硅薄膜层 的厚度为3~50nm。
10.根据权利要求14所述的基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质 结太阳电池，其特征在于所述本征硅薄膜层(ll)的厚度为5-15nm。
全文摘要
本发明公开了一种基于P型硅片的黄铜矿类半导体薄膜异质结太阳电池，包括依次叠层结合的受光面电极、透明导电层、N型黄铜矿半导体薄膜、P型晶体硅、P⁺背表面场和背金属电极，形成NPP⁺的异质结结构。本发明的太阳电池具有更好的光谱响应，尤其是在紫外和可见光波段，从而可以提升短路电流；且在正面可形成梯度带隙，类似于多结的堆叠效应，大幅度地提升开路电压和填充因子；最终得到的太阳电池的转化效率在19％以上。
文档编号H01L31/042GK101621085SQ20091018386
公开日2010年1月6日 申请日期2009年8月3日 优先权日2009年8月3日
发明者坚 吴, 王栩生, 章灵军 申请人:苏州阿特斯阳光电力科技有限公司;常熟阿特斯阳光电力科技有限公司;阿特斯光伏电力(洛阳)有限公司;阿特斯光伏电子(常熟)有限公司;阿特斯太阳能光电(苏州)有限公司;阿特斯光伏科技(苏州)有限公司;常熟阿特斯太阳能电力有限公司