专利名称：异质太阳能电池及其制造方法
异质太阳能电池及其制造方法本发明涉及异质太阳能电池，其含有硅、掺杂的硅层和隧道钝化层。该电池通过正 面上的铟-锡氧化物层和背面上的铝层封闭。此外，本发明还涉及制备异质太阳能电池的 方法。可从市场得到具有非晶态硅发射层的基于晶片的晶态硅-太阳能电池(异质太阳 能电池)。为此，使用经η掺杂或ρ掺杂的单晶硅作为原料(M. Tanaka等人，Jnp. J. Appl. Phys.，Vol. 31，(1992)，S. 3518 ；3522 和 MJchmidt 等人，Thin Solid Films 515(2007)， S. 7475)。在其受照面上首先涂以非常薄(约1 lOnm)的本征(未掺杂的)非晶态硅层。 然后再涂以也是非常薄(约1 lOnm)的经掺杂的非晶态硅层，其掺杂与基极掺杂相反。最 后设置一种透明的导电氧化物如铟-锡氧化物(ITO)和薄金属接触。在该晶态晶片的非受 照背面上先涂以非常薄(约1 lOnm)的本征(未掺杂的)非晶态硅层和接着涂以非常薄 (约1 lOnm)的经掺杂的非晶态硅层，该层适配于基极掺杂。最后涂以金属层，其作为该 太阳能电池的接触。该非晶态的硅层当前是借助于等离子体增强化学气相沉积(PEOO^i)制备的，该 透明导电氧化物(ITO)是借助于溅射法制备的。该异质硅太阳能电池的效率对晶态硅和非晶态发射层(或本征非晶态硅层)之间 界面的缺陷状态非常敏感。该界面的小缺陷密度目前主要是通过晶态晶片的合适预处理 (例如、湿化学予页处理，如见 H. Angermann, et al. , Material Science and Engineering B, Vol, 73, (2000), S. 178)和通过本征的或掺杂的非晶态硅层本身来实现的。使界面钝化的另一种可能性可通过使固定电荷的定位尽可能靠近待钝化的界面 层来实现(A. Aberle et al.，J. Appl. Phys. 71(9), (1992)，S. 4422)。这种可能性在当前的 硅异质太阳能电池结构中并未被针对性的利用。此外，由现有技术已知的用于制备异质太阳能电池的方法是借助于PECVD沉积非 晶态层。一旦该表面的分布状况不均勻，则该待沉积物质在纹理状锥状面的峰端和谷中会 有非常不同的沉积。这需要对纹理状锥状面进行预处理(M.Tanaka，et al.，Jnp. J. Appl. Phys.，Vol. 31，(1992)，S. 3518-3522)。由此，本发明的目的是排除现有技术的缺点并提供一种异质太阳能电池，其在高 的界面缺陷密度和纹理状锥状面的短路方面呈明显的稳定性，并能较快速处理。本发明的目的是通过具有权利要求1的特征的异质太阳能电池实现的。权利要求 17涉及用于制备异质太阳能电池的方法。其它有利的实施方案列于从属权利要求中。根据本发明，制备一种异质太阳能电池，其包含配置在晶态的、经掺杂的硅晶片 (c-Si层)的正面表面上并由非晶态的、与C-Si层相反掺杂的硅层(a-Si层)组成的发射 层以及其上配置有正面接触的ITO层(铟-锡氧化物层)和配置在背面上的金属化层，其 中至少在c-Si层的正面表面和发射层之间设置有一层隧道钝化层。通过这种结构使达到的高效率变得明显更稳定。这与层密度和层的均勻性有关。隧道钝化层的厚度优选选择为使量子力学隧道电流流动。这特别对带隙I ^ 2ev 的钝化层有效。
异质太阳能电池可在正面和背面表面上具有隧道钝化层。通过使用隧道钝化层，至今常用的、昂贵的晶片预净化方法就变得不重要了。相 反，甚至可完全不用预净化，由此能更快制备异质太阳能电池，这又附加有低成本的优点。异质太阳能电池的隧道钝化层或绝缘层的材料本身宜选自氧化铝、氧化硅和/或 氮化硅。隧道钝化层优选选用氧化铝Al2O3，因为该材料具有多种优点。该氧化铝层具有非 常高的所引入的负电荷密度，因此产生非常好的钝化质量。此外，氧化铝可借助于原子层沉 积法或类似操作的PECVD法在几乎任意表面形态上均勻沉积。由此在垂直侧面上的生长速 率与平面区上的生长速率相同。在隧道钝化层或绝缘层中可引入附加的固定电荷(如通过 Cs+离子的离子注入)。在一优选实施方案中，由氧化铝制成的隧道钝化层的厚度为0. 1 lOnm，因为这 种层厚不仅使电荷载流子的量子力学隧穿成为可能，而且使表面钝化成为可能。在根据本发明的异质太阳能电池中，该氧化铝层Al2O3 (或其它铝-氧化学计量式) 和绝缘层(如SiOx)与随后的固定电荷的引入(如通过Cs+离子的离子注入)一起不仅直 接沉积在经预净化的(需要时，弱的预净化或不处理)和纹理化的正面上，而且也直接沉积 在经反射优化的背面表面上。经引入的氧化铝层的负电荷明显增强了钝化效果。因为氧化 铝比晶态和非晶态的硅具有更高的带隙，所以一方面必需尽可能小地选择层厚，以能够通 过该层产生电荷载流子的量子力学隧穿，另一方面具有足够的层厚，以确保钝化作用。为满 足这两个要求，有利的是层厚保持为几埃至几十埃范围。因为层厚例如可通过使用原子层 沉积法(ALD)(或类似操作的PECVD法)非常精确地调节，所以可确保高度的可重复性。该 层可附加引入体系中或代替本征非晶态层。通过使用ALD法(或类似操作的PECVD法)也 可同时确保该纹理状锥状面的均勻覆盖。通过引入薄的隧道钝化层(如Al2O3)的非勻质太阳能电池和制备方法的主要优点 是 纹理状锥状面的均勻覆盖 可大幅降低对晶态晶片的预净化要求或需要时可完全弃用 需要时可放松对尽可能平缓的等离子体沉积的要求(如Al2O3确保了钝化作 用)。由此可使用较高的生长率，结果是加快处理过程 整体上是明显更稳定的方法需要时还可弃用非掺杂(本征的)的非晶态层，并由此缩短和简化制备过程。因此，可通过所述隧道层的使用来提高总的η型和/或？型(基极晶片)异质太 阴能电池的效率。优选地，发射层由与C-Si层相反掺杂的a-Si层和本征硅层(i_Si层)组成。与c-Si层相反掺杂的a-Si层的厚度优选为1 lOnm。由此确保层的均勻。层厚 还可确保异质太阳能电池的结构。在一种变化方案中，异质太阳能电池的i-Si层的选定厚度为1 lOnm。由此未掺 杂的i-Si层的层厚保持尽可能小。本征硅层和非晶态硅层也可用于钝化。优选地，在背面表面与金属化层之间设置与C-Si层相同掺杂的非晶态硅层。在异质太阳能电池的一种替代实施方案中，非晶态硅层的厚度为1 30nm。
在另一种实施方案中，在金属化层和设置于背面表面上且与晶态硅层相同掺杂的 非晶态硅层之间设置有一层本征硅层。该本征硅层的厚度优选为1 lOnm。该晶态硅层优选是η掺杂的或ρ掺杂的。该层的厚度优选为20 2000 μ m。在该异质太阳能电池的另一种实施方案中，在发射层中形成的与c-Si层相反掺 杂的非晶态硅层是η掺杂的或ρ掺杂的。在背面表面和金属化层之间设置的且与晶态硅层相同掺杂的非晶态硅层可以是η 掺杂的或P掺杂的。此外，本发明还涉及用于制备该前述异质太阳能电池的方法。所述至少一层隧道钝化层优选借助于原子层沉积法或PECVD法沉积。这种原子层 沉积法(或类似操作的PECVD法)产生纹理状锥状面均勻覆盖，从而降低对晶态晶片的预 净化要求或使其成为不必要的。该隧道钝化层或绝缘层优选由氧化铝、氧化硅和/或氮化硅组成或含氧化铝、氧 化硅和/或氮化硅。其也可含Cs+离子。接着可将固定电荷(如通过Cs+离子的离子注入) 引入隧道钝化层或绝缘层中。这类层使该电荷载流子的量子力学隧穿以及钝化成为可能。 由于原子层沉积法或类似操作的PECVD法可以非常精密地调节，所以可确保该层的精确沉 积。此外，由于这些隧道层提供了钝化作用，所以可放松对该非晶态Si层的温和等离子体 沉积的要求。由此可使用较高的生长速率，并由此可加快处理过程。另一种方法变化方案的特征在于，至少一层隧道钝化层包含氧化铝、氧化硅和/ 或氮化硅和/或由其组成。氧化铝也可具有除Al2O3之外的化学计量式。此外，可在绝缘层 (如SiO2)沉积后引入固定电荷(如通过Cs+离子的离子注入)。下面将参考以下附
图1 3来更详细地解释本发明的目的，但不应将所述目的限 于此处所述的具体实施方案。本发明的目的和方法适于晶态晶片的任意表面(优选纹理状 锥状面)。图1示出一种具有正面的隧道钝化层和发射层的异质太阳能电池的结构；图2示出一种具有正面的隧道钝化层和发射层和包括隧道钝化层在内的附加背 面涂层的异质太阳能电池的结构；图3示出一种具有正面的隧道钝化层和发射层和包括隧道钝化层在内的附加背 面涂层的异质太阳能电池的结构，该背面涂层包含另一本征层。在图1中，示出该异质太阳能电池1的一种实施方案，其中在该Si晶片7的晶态 正面表面上配置有发射层12。该晶态硅层7是η掺杂的，且具有约200 μ m的厚度。借助于 ALD或PECVD沉积厚度为0. 1 IOnm的隧道钝化层(如氧化铝层(Al2O3)) 6。接着设置未 掺杂的本征非晶态硅层5。该层厚度为1 lOnm。朝向正面或受照面的ρ掺杂的非晶态硅 层4的厚度为1 lOnm。由此层4和5构成发射层12。借助于溅射法在其上设置透明的 导电氧化物层(ITO) 3，且层厚约为SOnm(与ITO的折射系数有关)。在该异质太阳能电池 的背面上设置铝层8。该层以及异质太阳能电池的正面接触2是用作接触。图2示出一种平面硅异质太阳能电池1的层结构，其具有正面发射层和附加的背 面涂层。借助于ALD或类似操作的PECVD法在厚度为200 μ m的η掺杂的晶态硅层7的两 侧上设置隧道钝化层(如氧化铝层)6或9。该(氧化铝)层的厚度为0. 1 lOnm。在该
6异质太阳能电池的正面上相继是厚度为1 IOnm的ρ掺杂的非晶态硅层4和厚度为SOnm 的ITO层3。在正面上为太阳能电池提供有金属接触2。该异质太阳能电池1的背面形成 封闭的铝层8。在铝层8和氧化铝层9之间插入η掺杂的非晶态硅层10。所述硅层厚度为 1 30nmo图3示出一种具有正面发射层12和附加的背面涂层的异质太阳能电池1，该背面 涂层包含另一本征层11。该异质太阳能电池由铝层8构成。其邻接层是1 30nm厚的η 掺杂的非晶态硅层10。在该层上设置有厚度为1 IOnm的非晶态本征硅层11。在η掺杂 的或P掺杂的晶态硅层7和非晶态的本征硅层11之间含有隧道钝化层9。所述隧道钝化层 厚度为0. 1 lOnm。在厚度为200nm的η掺杂的晶态硅层7的正面上设置有厚度为0. 1 IOnm的另一隧道钝化层6。其上面接着是厚度为1 IOnm的非晶态的本征硅层5。在厚度 约为SOnm的ITO层3和该非晶态的本征硅层5之间设置有层厚度为1 IOnm的ρ掺杂的 非晶态硅层4。在该异质太阳能电池1的正面上设置有金属接触2。实施方案1该非晶态硅层借助于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备。这里所用的发电 机功率和频率为2 200W和13. 56MHz 2GHz。该气流为1 IOOsccm的硅烷SiH4、0 IOOsccm的氢H2,借助于乙硼烷KH6掺杂和1 50sCCm的膦PH3(1 5%的H2溶解)。该 基底温度为100 300°C。在该异质太阳能电池的制备过程中，在PECVD-装置中的通用压 力为IO1 IO-5Hibar (与所用的等离子体源有关)。基础压力应选择为小于l(T5mbar。在平 行板反应器情况下，电极间距为0. 5 5cm。工艺持续时间由沉积速率和所需层厚得出，且 为5 60秒。该隧道钝化层(如Al2O3)借助于原子层沉积(ALD)或类似操作的PECVD法 沉积。该铝氧化物层以两循环制备。环循1包括沉积经激化的三甲基铝，循环2中用O2氧 化该层。该经沉积的三甲基铝借助于距基底较远(5 50cm)的与所述相当的等离子体源 激化。这时该基底温度为室温至350°C。
权利要求
1.一种异质太阳能电池(1)，其包括配置在晶态的经掺杂的硅晶片(C-Si层)(7)的正 面表面上且由非晶态的与所述c-Si层相反掺杂的硅层(a-Si层)(4)形成的发射层(12) 以及配置在其上的具有正面接触( 的ITO层C3)和配置在背面上的金属化层(8)，其特征 在于，至少在所述c-Si层(7)的正面表面和发射层(12)之间设置有隧道钝化层(6)。
2.根据权利要求1的异质太阳能电池(1)，其特征在于，在所述正面和背面表面上设置 有隧道钝化层(6，9)。
3.根据前述权利要求之一的异质太阳能电池(1)，其特征在于，所述隧道钝化层(6，9) 的厚度选择使量子力学隧道电流流动。
4.根据前述权利要求之一的异质太阳能电池(1)，其特征在于，所述隧道钝化层(6，9) 由氧化铝、氧化硅和/或氮化硅组成和/或包含氧化铝、氧化硅和/或氮化硅。
5.根据权利要求4的异质太阳能电池(1)，其特征在于，在所述隧道钝化层(6，9)中注 入离子，优选铯离子。
6.根据权利要求4或5的异质太阳能电池(1)，其特征在于，由氧化铝制成的所述隧道 钝化层(6，9)的厚度为0. 1 10nm。
7.根据前述权利要求之一的异质太阳能电池(1)，其特征在于，所述发射层(1 由与 所述c-Si层相反掺杂的a-Si层(4)和本征硅层(i-Si层)( 组成。
8.根据权利要求7的异质太阳能电池(1)，其特征在于，所述a-Si层(4)的厚度为1 IOnm0
9.根据权利要求7或8的异质太阳能电池(1)，其特征在于，所述i-Si层(5)的厚度 为1 IOnm0
10.根据前述权利要求之一的异质太阳能电池(1)，其特征在于，在所述背面表面和所 述金属化层(8)之间设置有与所述C-Si层相同掺杂的a-Si层(10)。
11.根据权利要求10的异质太阳能电池(1)，其特征在于，所述a-Si层(10)的厚度为 1 30nmo
12.根据权利要求10或11的异质太阳能电池(1)，其特征在于，在所述金属化层(8) 和设置于所述背面表面上且与c-Si层相同掺杂的所述a-Si层(10)之间设置有本征硅层 (i-Si 层)(11)。
13.根据权利要求12的异质太阳能电池(1)，其特征在于，所述i-Si层(11)的厚度为 1 IOnm0
14.根据前述权利要求之一的异质太阳能电池(1)，其特征在于，所述c-Si层(7)是η 掺杂的或P掺杂的。
15.根据前述权利要求之一的异质太阳能电池(1)，其特征在于，所述c-Si层(7)的厚 度为20 2000 μ m。
16.根据权利要求7 15之一的异质太阳能电池(1)，其特征在于，在所述发射层(12) 中包含的且与所述c-Si层相反掺杂的a-Si层(4)是η掺杂的或ρ掺杂的。
17.根据权利要求10 16之一的异质太阳能电池(1)，其特征在于，在所述背面表面 和金属化层⑶之间设置的且与所述c-Si层相同掺杂的所述a-Si层(10)是η掺杂的或 P掺杂的。
18.一种用于制造根据权利要求1 17之一的异质太阳能电池(1)方法，其特征在于，借助于原子层沉积或类似操作的PECVD法沉积至少一层隧道钝化层(6，9)。
19.根据前述权利要求的用于制造异质太阳能电池(1)的方法，其特征在于，沉积可包 含Cs+离子的氧化铝层、氧化硅层和/或氮化硅层作为隧道钝化层(6，9)。
全文摘要
本发明涉及一种异质太阳能电池，其包含硅、经掺杂的硅层和隧道钝化层。该电池通过正面上的铟-锡氧化物层和背面上的铝层封闭。本发明还涉及一种制造异质太阳能电池的方法。
文档编号H01L31/072GK102144303SQ200980134388
公开日2011年8月3日 申请日期2009年8月12日 优先权日2008年9月3日
发明者斯特凡·格隆茨, 达米安·皮施 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司