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一種局域化發射區結構的太陽能電池及其制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201210073692.3

申請日:

2012.03.19

公開號:

CN102593207B

公開日:

2015.01.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 31/0352申請日:20120319|||公開
IPC分類號: H01L31/0352; H01L31/0224; H01L31/075(2012.01)I; H01L31/18 主分類號: H01L31/0352
申請人: 廈門大學
發明人: 劉寶林; 張玲; 朱麗虹
地址: 361005 福建省廈門市思明南路422號
優先權:
專利代理機構: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200 代理人: 馬應森
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210073692.3

授權公告號:

102593207B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.21|||2012.09.19|||2012.07.18

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種局域化發射區結構的太陽能電池及其制備方法,涉及一種太陽能電池。局域化發射區結構的太陽能電池設有襯底,在襯底表面外延本征半導體層,本征半導體層上設有凹槽,在凹槽內通過擴散或外延等方法形成半導體層,在半導體層上分別蒸鍍上電極和減反膜,在襯底底部蒸鍍背電極,當襯底為p型半導體層時,半導體層為n型半導體層;當襯底為n型半導體層時,半導體層為p型半導體層。將襯底生長本征半導體層;在樣品熱生長或沉積一層遮擋層;在樣品上表面刻出圖形,去除遮擋層,刻出凹槽;在凹槽內形成半導體層,去除遮擋層形成發射區;沉積上電極,剝離;在樣品上表面刻出上電極的反圖形后沉積減反膜,剝離;在樣品背面沉積背電極。

權利要求書

1.一種局域化發射區結構的太陽能電池,其特征在于設有襯底,在襯底表面外延本征半
導體層(i層),所述本征半導體層(i層)上設有凹槽,在凹槽內通過擴散或外延等方法形成
半導體層,在半導體層上分別蒸鍍上電極和減反膜,在襯底底部蒸鍍背電極,當所述襯底為
p型半導體層時,所述半導體層為n型半導體層;當所述襯底為n型半導體層時,所述半導
體層為p型半導體層。
2.如權利要求1所述的一種局域化發射區結構的太陽能電池,其特征在于所述本征半導
體層(i層)的厚度為1~500μm。
3.如權利要求1所述的一種局域化發射區結構的太陽能電池,其特征在于所述上電極選
自鋁上電極、鈦上電極、鈀上電極、銀上電極、鎳上電極或金上電極;所述減反膜可選自氮
化硅減反膜或氧化鈦減反膜;所述p型半導體層可選自p型單晶硅層或多晶硅層;所述本征
半導體層可選自本征單晶硅層或多晶硅層;所述n型半導體層可選自n型單晶硅層或多晶硅
層,所述背電極可選自鋁背電極、鈦背電極、鈀背電極、銀背電極、鎳背電極或金背電極。
4.如權利要求1所述的一種局域化發射區結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于包
括以下步驟:
1)將襯底進行標準清洗后,放入外延生長設備生長本征半導體層(i層),生長結束;所
述襯底為p型襯底或n型襯底;
2)在樣品的所有表面熱生長或沉積一層遮擋層;
3)采用光刻技術在樣品的上表面刻出條狀圖形,去除圖形中的遮擋層,然后采用刻蝕技
術在去除遮擋層的區域刻出凹槽,并去除光刻膠;
4)采用擴散或外延等方法在樣品的凹槽內形成半導體層,然后去除樣品所有表面的遮擋
層,形成所述局域化的發射區;所述半導體層為n型半導體層或p型半導體層;
5)采用光刻技術在樣品的上表面刻出上電極圖形后,沉積上電極,然后剝離;
6)采用光刻技術在樣品的上表面刻出上電極的反圖形后,沉積減反膜,然后剝離;
7)在經過處理的樣品背面沉積背電極,最后對電極進行退火。
5.如權利要求4所述的一種局域化發射區結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于在
步驟1)中,所述p型襯底采用p型單晶硅襯底或多晶硅襯底;所述n型襯底采用n型單晶
硅襯底或多晶硅襯底。
6.如權利要求4所述的一種局域化發射區結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于在
步驟1)中,所述本征半導體層(i層)采用本征單晶硅層或多晶硅層,所述本征半導體層(i
層)的厚度最好為1~500μm。
7.如權利要求4所述的一種局域化發射區結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于在
步驟2)中,所述遮擋層采用SiO2層。
8.如權利要求4所述的一種局域化發射區結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于在
步驟3)中,所述條狀圖形是用于刻出凹槽的區域圖形。
9.如權利要求4所述的一種局域化發射區結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于在
步驟3)中,所述凹槽的深度為1~500μm,所述凹槽的寬度為1~50μm,所述凹槽的間距為
50~500μm。
10.如權利要求4所述的一種局域化發射區結構的太陽能電池的制備方法,其特征在于
在步驟4)中,所述擴散的深度為0.2~10μm。

說明書

一種局域化發射區結構的太陽能電池及其制備方法

技術領域

本發明涉及一種太陽能電池,特別是涉及一種局域化發射區結構的太陽能電池及其制備
方法。

背景技術

目前應用最為普遍的化石能源,數量有限,即將枯竭。據報道,全球已探明的石油儲量
只能用到2020年,天然氣只能用到2040年左右,煤炭也只能維持一二百年([1]趙玉文.光伏
發電在本世紀我國能源發展中的戰略地位.2001年中國太陽能學會學術會議論文集,杭州,
2001:1.)。而且,在使用這些化石能源的同時,也會對地球環境如空氣、氣候等產生很大的影
響,對人類的生存與發展造成極大的危害。能源危機、環境污染與溫室效應是人類正面臨的
重大挑戰。能源與人類社會的生存和發展息息相關,開發新能源和可再生清潔能源成為21世
紀最具決定影響的技術領域之一。

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源,太陽照射地球一小時的能量相當
于世界一年的總消費能量。太陽能的有效利用已經成為人類的共識,作為太陽能利用的重要
手段之一,對太陽能電池即光伏發電的研究與開發也變得日益重要。目前太陽能電池主要以
硅系太陽能電池為主,超過89%的光伏市場由硅系列太陽能電池所占領,硅基太陽能電池的
研究和開發得到廣泛的重視。而在硅系列太陽電池中,以單晶硅太陽電池轉換效率最高,技
術也最為成熟,在當前的光伏應用領域占主導地位。

目前,單晶硅太陽能電池在結構上最常采用的是p-n結構,這種p-n結構的發射區覆蓋
了電池的整個表面,而太陽光在硅表面就有強烈的吸收,這就阻擋了部分太陽光入射到空間
電荷區,降低了光生載流子的收集幾率。同時,通過在電池的整個表面擴散形成發射區較容
易在表面形成死層。在死層中少子壽命非常短,光生載流子的收集幾率接近于0([2]Martin?
A.Green,Solar?Cells?Operating?Principles,Technology,and?System?Applications,145~147)。因此,
目前這種常用結構的單晶硅電池在短波段的光譜響應較小,這阻礙了電池轉換效率的進一步
提高。

發明內容

本發明的目的在于針對現有的單晶硅太陽能電池對高轉換效率的要求,提供一種局域化
發射區結構的太陽能電池及其制備方法。

所述局域化發射區結構的太陽能電池設有襯底,在襯底表面外延本征半導體層(i層),
所述本征半導體層(i層)上設有凹槽,在凹槽內通過擴散或外延等方法形成半導體層,在半
導體層上分別蒸鍍上電極和減反膜,在襯底底部蒸鍍背電極,當所述襯底為p型半導體層時,
所述半導體層為n型半導體層;當所述襯底為n型半導體層時,所述半導體層為p型半導體
層。

所述本征半導體層(i層)的厚度可為1~500μm。

在本征半導體層(i層)上通過限定區域的刻槽并擴散,形成具有局域化發射區的PIN結
構。在本征半導體層上具有局域化發射區的PIN結構。

所述上電極可選自鋁(Al)上電極、鈦(Ti)上電極、鈀(Pd)上電極、銀(Ag)上電極、鎳
(Ni)上電極或金(Au)上電極等,所述減反膜可選自氮化硅(Si3N4)減反膜或氧化鈦(TiO2)
減反膜等透明絕緣材料,所述p型半導體層可選自p型單晶硅層或多晶硅層等半導體材料,
所述本征半導體層可選自本征單晶硅層或多晶硅層等,所述n型半導體層可選自n型單晶硅
層或多晶硅層等半導體材料,所述背電極可選自鋁(Al)背電極、鈦(Ti)背電極、鈀(Pd)背電
極、銀(Ag)背電極、鎳(Ni)背電極或金(Au)背電極等。

所述局域化發射區結構的太陽能電池的制備方法包括以下步驟:

1)將襯底進行標準清洗后,放入外延生長設備生長本征半導體層(i層),生長結束;所
述襯底為p型襯底或n型襯底;

2)在樣品的所有表面熱生長或沉積一層遮擋層;

3)采用光刻技術在樣品的上表面刻出條狀圖形,去除圖形中的遮擋層,然后采用刻蝕技
術在去除遮擋層的區域刻出凹槽,并去除光刻膠;

4)采用擴散或外延等方法在樣品的凹槽內形成半導體層,然后去除樣品所有表面的遮擋
層,形成所述局域化的發射區;所述半導體層為n型半導體層或p型半導體層;

5)采用光刻技術在樣品的上表面刻出上電極圖形后,沉積上電極,然后剝離;

6)采用光刻技術在樣品的上表面刻出上電極的反圖形后,沉積減反膜,然后剝離;

7)在經過處理的樣品背面沉積背電極,最后對電極進行退火。

在步驟1)中,所述p型襯底可采用p型單晶硅襯底或多晶硅襯底等半導體材料;所述n
型襯底可采用n型單晶硅襯底或多晶硅襯底等半導體材料;所述外延生長設備可采用分子束
外延(MBE)、超高真空化學氣相沉積(UHV-CVD)、金屬有機物化學氣相沉積(MOVPE)、
液相外延(LPE)等外延生長設備;所述本征半導體層(i層)可采用本征單晶硅層或多晶硅
層等半導體材料,其厚度最好為1~500μm。

在步驟2)中,所述遮擋層可采用SiO2層等,用于阻止擴散。

在步驟3)中,所述條狀圖形是用于刻出凹槽的區域圖形,所述凹槽的深度最好為1~
500μm,所述凹槽的寬度最好為1~50μm,所述凹槽的間距最好為50~500μm。

在步驟4)中,所述擴散的深度最好為0.2~10μm。

在步驟5)中,所述上電極可采用鋁(Al)上電極、鈦(Ti)上電極、鈀(Pd)上電極、銀(Ag)
上電極、鎳(Ni)上電極、金(Au)上電極等金屬材料。

在步驟6)中,所述減反膜可采用氮化硅(Si3N4)減反膜或氧化鈦(TiO2)減反膜等透
明絕緣材料。

在步驟7)中,所述背電極可采用鋁(Al)背電極、鈦(Ti)背電極、鈀(Pd)背電極、銀(Ag)
背電極、鎳(Ni)背電極或金(Au)背電極等金屬材料。

本發明提供的局域化發射區結構的太陽能電池其優異之處在于:與目前常用的p-n結構
比較,本發明所述局域化發射區結構主要是通過對發射區的局域化,使得表面處就存在空間
電荷區,大大提高了光生載流子的收集幾率,提高了電池在短波段的光譜響應。同時,通過
對發射區的局域化可以減少表面處死層的出現,從而提高光生載流子的收集幾率。并且,通
過刻槽埋柵的方法可以有效減少上電極的遮光面積。因此,本發明所述局域化發射區結構提
供了一種提高單晶硅等太陽能電池轉換效率的解決方法。

附圖說明

圖1為本發明所述局域化發射區結構的太陽能電池的剖面結構組成示意圖。在圖1中,
各標記為:1為上電極,2為減反膜,3為襯底,4為本征半導體層(i層),5為半導體層,6
為背電極;hv表示太陽光,其箭頭表示太陽光的入射方向;在圖1中包含3個重復單元,可
根據實際樣品尺寸改變重復單元數目。

圖2為本發明所述局域化發射區結構的太陽能電池中上電極的正面示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖具體說明本發明的技術方案。

參見圖1和2,所述局域化發射區結構的太陽能電池實施例設有襯底5,在襯底5表面外
延本征半導體層(i層)4,所述本征半導體層(i層)4上設有凹槽,在凹槽內通過擴散或外
延等方法形成半導體層3,在半導體層上分別蒸鍍上電極1和減反膜2,在襯底5底部蒸鍍背
電極6,當所述襯底5為p型半導體層時,所述半導體層3為n型半導體層;當所述襯底5
為n型半導體層時,所述半導體層3為p型半導體層。

以下給出所述局域化發射區結構的太陽能電池制備方法的實施例。

1)將n型單晶硅襯底進行標準清洗后,放入液相外延設備(LPE)生長200μm厚度的本
征硅層(i層),生長結束。

2)采用熱生長的方法在樣品的所有表面生長一層厚度為100nm的SiO2。

3)采用光刻技術在樣品上表面的SiO2層刻出條狀圖形,去除圖形中的SiO2,然后采用
刻蝕技術在去除遮擋層的區域刻出凹槽,所述凹槽深度為190μm,凹槽寬度為2μm,凹槽間
距為200μm,然后去除光刻膠。

4)將樣品進行p型擴散(擴硼),擴散深度為0.3μm。然后用氫氟酸去除樣品所有表面
的SiO2層。這樣就形成了所述局域化的發射區。

5)采用光刻技術在樣品的上表面刻出凹槽圖形后,在凹槽內沉積金屬鋁作為上電極,然
后剝離。

6)采用光刻技術在樣品的上表面刻出上電極的反圖形后,沉積氮化硅(Si3N4)作為減
反膜,然后剝離。

7)在經過處理的樣品背面沉積金屬鋁作為背電極,最后對電極進行退火。

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一種 局域 發射 結構 太陽能電池 及其 制備 方法
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