专利名称：基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种太阳能应用技术领域的方法，具体是一种基于氢化微晶硅薄 膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方法。
背景技术：
二十一世纪，能源危机和环境污染已经成为全球关注的问题。开发绿色能源成为 解决能源危机的主要方法。其中太阳电池的发展随着全球对于新能源开发的重视而有长足 的进步，无论是晶体硅电池还是薄膜电池，降低成本、提高效率是其发展的主流方向。晶体 硅电池的成本受到硅材料的限制，成本降低的空间有限；薄膜电池由于转换效率低并且易 受到S-W效应的影响导致其稳定性较差。为了在获得高效率的同时能够降低成本，结合晶 体硅高稳定性、高效率与非晶硅的低成本于一体的异质结电池成为研究开发的热点。经过对现有技术的检索发现，1994年日本Sanyo集团开发出一种新型的电池结 构，即在晶体硅与高掺杂的非晶硅层中加入一层本征非晶硅层，形成HIT(Heterojunction with intrinsic thin layer)结构。由于本征非晶硅中含有一定量的H，沉积到晶体硅表 面时对晶体硅表面起到一定的钝化作用，同时在晶体硅与高掺杂的非晶硅之间起到缓冲层 的作用，有效提高了电池的效率并且制作过程中温度低。进一步检索发现，Sanyo集团研发的以N型晶体硅为衬底的HIT电池实验室已经获 得23%的转换效率，并且产业化生产了一定量的HIT电池组件，效率也高达19%。由于界 面特性是影响异质结电池性能的关键因素，除了 Sanyo集团，其它研究单位均未能达到如 此高的转换效率，即使是在软件模拟上也还是与Sanyo集团的实验结果有一定距离。Sanyo 集团是以N型晶体硅作衬底获得很高的效率，然而由于制作高质量的P型非晶硅薄膜难度 较大，且以N型晶体硅作衬底时，背面场不可以使用Al背场，因此考虑到工艺和成本上的因 素，目前很多研究单位还是将研究重点放在以P型晶体硅为衬底的异质结电池上。非晶硅/ 晶体硅异质结电池由于电池发射区小于200°C的低沉积温度，高开路电压以及低温度系数 (<-0. 25%)使得该结构电池成为最近几年研究的热点。目前晶体硅常用的钝化薄膜是Si02、SiNx, a-SiC等薄膜，这些薄膜中高密度的正 电荷对高掺杂P-type晶体硅的表面钝化来说是不利的。这是因为高密度正电荷会引起电 子的聚集，从而导致表面复合速率的增强。而对于轻掺杂P-type c-Si来说，这些富含正电 荷的介质在P-type晶体硅表面的钝化对载流子注入水平有着明显的依赖，且随着载流子 注入水平的降低其钝化质量也随之降低，而这对于在低注入水平条件下5 · IO14Cm-3, AMI. 5 工作的电池来说是不利的。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异 质结太阳电池的制备方法，结合了晶体硅与氢化硅基薄膜低温工艺和物性可调控的特点， 可实现P型硅片表面的有效钝化和PN结制成，在硅片背表面采用原子层沉积(和等离子体增强的化学气相沉积)制备Al2O3或Al203/Si0x钝化膜，由于Al2O3薄膜中负电荷的密度高 达IO11cnT2，该钝化膜能降低光生少数载流子在背表面复合的几率，提高电池的长波光量子 效率，为光生载流子的输运和收集创造条件，从而提高电池的光电转换效率。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤第一步、采用碱溶液和酸溶液分别对P型单晶硅和多晶硅片进行表面预清洗织构 处理，得到位于单晶硅表面的金字塔结构以及位于多晶硅表面的腐蚀坑。所述的碱溶液为NaOH或KOH或其组合；所述的酸溶液为HN03、HF或HCl或其组合。所述的硅片的厚度为200 μ m，该硅片的面积为125 X 125mm2，其电阻率为1Ω .Cm0所述的表面预清洗织构处理是指用1-5%的酸溶液去除硅片表面的SiO2层，对P 型单晶硅片在浓度小于5%的碱溶液在50-100°C左右制备金字塔形状绒面，然后采用去离 子水超声清洗并吹干。第二步、用热丝化学气相沉积系统在硅片表面制备氢化微晶硅薄膜并形成PN结， 具体是指采用热丝化学气相沉积设备，以硅烷、磷烷和氢气为反应气体，在制绒后的P型 单晶硅片上依次沉积得到本征微晶硅薄膜和掺杂微晶硅薄膜，用以形成PN结。第三步、采用原子层沉积和等离子体增强的化学气相沉积技术制备背表面的Al2O3 薄膜或Al203/Si0x双层钝化膜，形成电池的背表面场，降低少数载流子的复合，提高电池开 路电压。第四步、采用溅射方法在氢化微晶硅薄膜表面沉积透明导电氧化物薄膜，作为表 面电极；所述的溅射方法，是指以ITO作为溅射靶材，在室温条件下通入体积比为 1/0. 2-1/1的氩气和氧气，设定溅射功率为20-200瓦，本底真空约1 X 10_3pa，通过溅射靶材 将原子沉积到硅片的发射区上，制备得到的透明导电氧化物薄膜的厚度为50-100nm。第五步、采用丝网印刷背面电极、丝网印刷正面电极，经过合金化过程后，形成太 阳电池。所述的丝网印刷背面Al浆和背电极为采用丝网印刷工艺印刷背表面场和背电 极。所述的丝网印刷正面电极为采用丝网印刷工艺印刷银浆形成正电极。所述的合金化过程为在100-800°C内进行金属电极和硅的合金化过程，目的是 形成欧姆接触，最终完成太阳电池制备。本发明涉及上述方法制备得到的基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池， 包括正面电极、ITO透明导电膜、N-type氢化微晶硅层、氢化本征微晶硅层、P型晶体硅、背 面铝膜层、背表面场和背面电极，其中本征氢化微晶硅层位于P-type硅衬底的正面(即受 光面)，ITO透明导电膜和N-type氢化微晶硅层依次位于氢化本征微晶硅层外侧，背面铝膜 层和背表面场依次位于P-type硅衬底的背面(即背光面)，正面电极和背面电极分别位于 ITO透明导电膜和背表面场外侧。本发明由于有物性可调控的氢化微晶硅薄膜材料作为电池的发射区，决定了太阳 电池会有高的开路电压，电池背表面有优质的Al2O3薄膜或Al203/Si0x双层钝化膜，决定了 电池在长波光范围有更强的光谱响应，意味着同样光辐照强度下，该结构电池输出功率将更大。此外，所用的化学气相沉积系统设备成本低，工艺简单且成膜温度低，能耗小，工艺窗 口大，氢化微晶硅薄膜的带隙和晶化度可调控，光学禁带宽度在1.5-2. 3eV范围，与常规丝 网印刷工艺结合的铝背场，能够提升电池的热稳定性。本发明的太阳电池结构为透明导电氧化物薄膜/N型氢化微晶硅/本征氢化微晶 硅/P型晶体硅/Al2O3薄膜或Al203/Si0x双层钝化膜，该结构电池工艺制程基本在低温条件 下完成，有利于产业化，所增加的成本很低，但电池的输出性能会有很大提升，同时本发明 受到上海市科委-应用材料国际科技合作基金课题(No. 08520741400)的资助。
图1为本发明流程示意图。图2为本发明太阳电池结构图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例采用半导体清洗工艺对P型单晶硅片表面预清洗和表面织 构。所用硅片厚度约200 μ m，面积125X 125mm2准方片，电阻率1 Ω ^m,用约1-5%的氢氟 酸去除硅片表面的SiO2层。接下来对P型单晶硅片在浓度小于3%的NaOH和异丙醇(IPA) 的混合溶液中在80°C左右制备金字塔形状绒面。然后采用去离子水超声清洗，并用氮气吹 干。用热丝化学气相沉积系统在P型单晶硅绒面上依次制备本征的氢化微晶硅薄膜 和掺杂的氢化微晶硅薄膜，薄膜厚度在5-50nm之间，掺杂微晶硅薄膜与晶体硅片之间形成
PN结。采用原子层沉积和等离子体增强的化学气相沉积技术制备背表面的Al2O3薄膜， 厚度约lOOnm，形成电池的背面钝化层和背场。溅射靶材采用ITO材料，在室温条件下通入氩气和氧气，氩气和氧气的比例约为 1/0. 2-1/1，溅射功率约为20-200瓦，本底真空约1 X 10_3pa，通过溅射靶材将原子沉积到硅 片的发射区上，透明导电氧化物薄膜的厚度约为80nm作为表面电极；采用丝网印刷背面电极、丝网印刷正面电极，经过合金化过程后，形成太阳电池。本实施例对氢化微晶硅薄膜钝化晶体硅表面悬挂键和缺陷，采用热丝化学汽相沉 积(HWCVD)系统在< 250°C低温条件下制备硅薄膜，通过控制工艺条件(温度，气压，时间， 功率等)，获得氢化微晶硅(μ c-Si: H)薄膜材料，依据氢气在原料气体(硅烷，氢气等)中 的比例不同，氢化微晶硅薄膜的晶粒尺寸为20-100nm，晶态比为5_50%，薄膜的生长速率 为1-8A/S,光学禁带宽度为1. 5-2. 3eV，沉积该混合相薄膜后硅片少子寿命能提高约90%。 这种混合相薄膜制备设备不昂贵，薄膜沉积速率高，无等离子对硅表面的轰击损伤，薄膜晶 态比可调控范围大，材料禁带宽度大，薄膜中氢含量可调控，因薄膜中不含有大量固定正电 荷，所以非常适合对P型硅表面进行钝化以及N型掺杂的微晶硅薄膜结合后能形成优质的 PN结。
如图1所示，本实施例涉及的微晶硅/晶体硅异质结太阳电池结构，即氢化微晶硅 /晶体硅/Al2O3薄膜/铝背场，采用热丝化学气相沉积(HWCVD)方法制备氢化微晶硅薄膜， 作为太阳电池前表面的发射区和缓冲层，从而形成PN异质结，在P型晶体硅背表面采用ALD 方法沉积Al2O3薄膜，作为P型硅的表面钝化膜，之后通过丝网印刷工艺制作铝背场，电池的 前电极和背电极采用常规丝网印刷工艺形成合金。这种结构电池能有效降低光生少数载流 子在背表面的复合，并有助于提高太阳电池的开路电压和短路电流，最终增强太阳电池的 光电转换效率。本实施例制备高效率微晶硅/晶体硅异质结太阳电池。采用掺杂的氢化微晶硅 薄膜作为发射区与晶体硅基底形成PN结，并将本征氢化微晶硅薄膜应用到该PN之间来钝 化晶体硅表面的悬挂键和缺陷态，有利于电池开路电压的提升。本实施例采用A1203薄膜 作为背表面钝化层能有效降低少数载流子在背面复合，提高电池的长波光谱响应和开路电 压。电极的制备和背场的形成是低成本的丝网印刷技术，这种钝化技术对越来越薄的晶体 硅太阳电池非常重要，其工艺流程如图1所示，能明显改善电池在长波光部分的光谱响应 和开路电压，从而提高电池的转换效率。首先用化学试剂(酸溶液，碱溶液)去除硅片表面的损伤层，并对表面进行织构化 处理，目的是增强硅片表面的光捕获能力。其次是采用HWCVD系统制备氢化微晶硅薄膜发 射区，与晶体硅形成PN结，通过ALD系统用Al (CH3)和氧气作为反应气源在低于500°C的温 度下将Al(CH3)分解，并与氧结合，从而获得对P型硅表面有钝化作用的薄膜。接下来的工 艺步骤是常规的丝网印刷电极和合金化，最终形成氢化微晶硅/晶体硅异质结太阳电池。如图2所示，本实施例制备得到的太阳电池包括正面电极1、ITO透明导电膜2、 N-type氢化微晶硅层3、本征氢化微晶硅层4、背面铝膜层5、背面电极6、背表面场7和 P-type硅衬底8，其中氢化本征微晶硅层4和背面铝膜层5分别位于P_type硅衬底8的 正面和背面，ITO透明导电膜2和N-type氢化微晶硅层3依次位于氢化本征微晶硅层4外 侧，背表面场7位于背面铝膜层5外侧，正面电极1和背面电极6分别位于ITO透明导电膜 2和背表面场7上。本实施例可以采用P型CZ单晶硅片来制备太阳电池，在没有背表面Al2O3钝化膜 和非晶硅薄膜做发射区的条件下，实验室能获得的太阳电池最高效率为18.4%。采用本发 明专利的制备方法，通过建立模型和计算机模拟，发现电池的开路电压可达到680mV，光电 转换效率可达到22. 7%，结果如表1所示。表lN-type氢化微晶硅/P_type晶体硅异质结太阳电池实验和模拟数据
权利要求
一种基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、采用碱溶液和酸溶液分别对P型单晶硅和多晶硅片进行表面预清洗织构处理，得到位于单晶硅表面的金字塔结构以及位于多晶硅表面的腐蚀坑；第二步、用热丝化学气相沉积系统在硅片表面制备氢化微晶硅薄膜并形成PN结，具体是指采用热丝化学气相沉积设备，以硅烷、磷烷和氢气为反应气体，在制绒后的p型单晶硅片上依次沉积得到本征微晶硅薄膜和掺杂微晶硅薄膜，用以形成PN结；第三步、采用原子层沉积和等离子体增强的化学气相沉积技术制备背表面的Al2O3薄膜或Al2O3/SiOx双层钝化膜，形成电池的背表面场，降低少数载流子的复合，提高电池开路电压；第四步、采用溅射方法在氢化微晶硅薄膜表面沉积透明导电氧化物薄膜，作为表面电极；第五步、采用丝网印刷背面电极、丝网印刷正面电极，经过合金化过程后，形成太阳电池。
2.根据权利要求1所述的基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方法， 其特征是，所述的碱溶液为NaOH或KOH或其组合。
3.根据权利要求1所述的基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方法， 其特征是，所述的酸溶液为HN03、HF或HCl或其组合。
4.根据权利要求1所述的基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方 法，其特征是，所述的硅片的厚度为200μπι，该硅片的面积为125Χ 125mm2，其电阻率为 1 Ω · cm。
5.根据权利要求1所述的基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方法， 其特征是，所述的表面预清洗织构处理是指用1-5%的酸溶液去除硅片表面的SiO2层，对 P型单晶硅片在浓度小于5%的碱溶液在50-100°C左右制备金字塔形状绒面，然后采用去 离子水超声清洗并吹干。
6.根据权利要求1所述的基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方 法，其特征是，所述的溅射方法，是指以ITO作为溅射靶材，在室温条件下通入体积比为 1/0. 2-1/1的氩气和氧气，设定溅射功率为20-200瓦，本底真空约1 X 10_3pa，通过溅射靶材 将原子沉积到硅片的发射区上，制备得到的透明导电氧化物薄膜的厚度为50-100nm。
全文摘要
一种太阳能应用技术领域的基于氢化微晶硅薄膜的晶体硅异质结太阳电池的制备方法，结合了晶体硅与氢化硅基薄膜低温工艺和物性可调控的特点，可实现P型硅片表面的有效钝化和PN结制成，在硅片背表面采用原子层沉积(和等离子体增强的化学气相沉积)制备Al2O3或Al2O3/SiOx钝化膜，由于Al2O3薄膜中负电荷的密度高达1011cm-2，该钝化膜能降低光生少数载流子在背表面复合的几率，提高电池的长波光量子效率，为光生载流子的输运和收集创造条件，从而提高电池的光电转换效率。
文档编号H01L31/18GK101976710SQ20101051010
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者司新文, 孟凡英, 张松, 李翔, 汪建强, 程雪梅, 韩涛, 黄建华 申请人:上海交通大学