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一种局域化发射区结构的太阳能电池及其制备方法.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201210073692.3

申请日:

2012.03.19

公开号:

CN102593207B

公开日:

2015.01.21

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01L 31/0352申请日:20120319|||公开
IPC分类号: H01L31/0352; H01L31/0224; H01L31/075(2012.01)I; H01L31/18 主分类号: H01L31/0352
申请人: 厦门大学
发明人: 刘宝林; 张玲; 朱丽虹
地址: 361005 福建省厦门市思明南路422号
优先权:
专利代理机构: 厦门南强之路专利事务所(普通合伙) 35200 代理人: 马应森
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法律状态
申请(专利)号:

CN201210073692.3

授权太阳城集团号:

102593207B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.21|||2012.09.19|||2012.07.18

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

一种局域化发射区结构的太阳能电池及其制备方法,涉及一种太阳能电池。局域化发射区结构的太阳能电池设有衬底,在衬底表面外延本征半导体层,本征半导体层上设有凹槽,在凹槽内通过扩散或外延等方法形成半导体层,在半导体层上分别蒸镀上电极和减反膜,在衬底底部蒸镀背电极,当衬底为p型半导体层时,半导体层为n型半导体层;当衬底为n型半导体层时,半导体层为p型半导体层。将衬底生长本征半导体层;在样品热生长或沉积一层遮挡层;在样品上表面刻出图形,去除遮挡层,刻出凹槽;在凹槽内形成半导体层,去除遮挡层形成发射区;沉积上电极,剥离;在样品上表面刻出上电极的反图形后沉积减反膜,剥离;在样品背面沉积背电极。

权利要求书

1.一种局域化发射区结构的太阳能电池,其特征在于设有衬底,在衬底表面外延本征半
导体层(i层),所述本征半导体层(i层)上设有凹槽,在凹槽内通过扩散或外延等方法形成
半导体层,在半导体层上分别蒸镀上电极和减反膜,在衬底底部蒸镀背电极,当所述衬底为
p型半导体层时,所述半导体层为n型半导体层;当所述衬底为n型半导体层时,所述半导
体层为p型半导体层。
2.如权利要求1所述的一种局域化发射区结构的太阳能电池,其特征在于所述本征半导
体层(i层)的厚度为1~500μm。
3.如权利要求1所述的一种局域化发射区结构的太阳能电池,其特征在于所述上电极选
自铝上电极、钛上电极、钯上电极、银上电极、镍上电极或金上电极;所述减反膜可选自氮
化硅减反膜或氧化钛减反膜;所述p型半导体层可选自p型单晶硅层或多晶硅层;所述本征
半导体层可选自本征单晶硅层或多晶硅层;所述n型半导体层可选自n型单晶硅层或多晶硅
层,所述背电极可选自铝背电极、钛背电极、钯背电极、银背电极、镍背电极或金背电极。
4.如权利要求1所述的一种局域化发射区结构的太阳能电池的制备方法,其特征在于包
括以下步骤:
1)将衬底进行标准清洗后,放入外延生长设备生长本征半导体层(i层),生长结束;所
述衬底为p型衬底或n型衬底;
2)在样品的所有表面热生长或沉积一层遮挡层;
3)采用光刻技术在样品的上表面刻出条状图形,去除图形中的遮挡层,然后采用刻蚀技
术在去除遮挡层的区域刻出凹槽,并去除光刻胶;
4)采用扩散或外延等方法在样品的凹槽内形成半导体层,然后去除样品所有表面的遮挡
层,形成所述局域化的发射区;所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层;
5)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极图形后,沉积上电极,然后剥离;
6)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的反图形后,沉积减反膜,然后剥离;
7)在经过处理的样品背面沉积背电极,最后对电极进行退火。
5.如权利要求4所述的一种局域化发射区结构的太阳能电池的制备方法,其特征在于在
步骤1)中,所述p型衬底采用p型单晶硅衬底或多晶硅衬底;所述n型衬底采用n型单晶
硅衬底或多晶硅衬底。
6.如权利要求4所述的一种局域化发射区结构的太阳能电池的制备方法,其特征在于在
步骤1)中,所述本征半导体层(i层)采用本征单晶硅层或多晶硅层,所述本征半导体层(i
层)的厚度最好为1~500μm。
7.如权利要求4所述的一种局域化发射区结构的太阳能电池的制备方法,其特征在于在
步骤2)中,所述遮挡层采用SiO2层。
8.如权利要求4所述的一种局域化发射区结构的太阳能电池的制备方法,其特征在于在
步骤3)中,所述条状图形是用于刻出凹槽的区域图形。
9.如权利要求4所述的一种局域化发射区结构的太阳能电池的制备方法,其特征在于在
步骤3)中,所述凹槽的深度为1~500μm,所述凹槽的宽度为1~50μm,所述凹槽的间距为
50~500μm。
10.如权利要求4所述的一种局域化发射区结构的太阳能电池的制备方法,其特征在于
在步骤4)中,所述扩散的深度为0.2~10μm。

说明书

一种局域化发射区结构的太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池,特别是涉及一种局域化发射区结构的太阳能电池及其制备
方法。

背景技术

目前应用最为普遍的化石能源,数量有限,即将枯竭。据报道,全球已探明的石油储量
只能用到2020年,天然气只能用到2040年左右,煤炭也只能维持一二百年([1]赵玉文.光伏
发电在本世纪我国能源发展中的战略地位.2001年中国太阳能学会学术会议论文集,杭州,
2001:1.)。而且,在使用这些化石能源的同时,也会对地球环境如空气、气候等产生很大的影
响,对人类的生存与发展造成极大的危害。能源危机、环境污染与温室效应是人类正面临的
重大挑战。能源与人类社会的生存和发展息息相关,开发新能源和可再生清洁能源成为21世
纪最具决定影响的技术领域之一。

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,太阳照射地球一小时的能量相当
于世界一年的总消费能量。太阳能的有效利用已经成为人类的共识,作为太阳能利用的重要
手段之一,对太阳能电池即光伏发电的研究与开发也变得日益重要。目前太阳能电池主要以
硅系太阳能电池为主,超过89%的光伏市场由硅系列太阳能电池所占领,硅基太阳能电池的
研究和开发得到广泛的重视。而在硅系列太阳电池中,以单晶硅太阳电池转换效率最高,技
术也最为成熟,在当前的光伏应用领域占主导地位。

目前,单晶硅太阳能电池在结构上最常采用的是p-n结构,这种p-n结构的发射区覆盖
了电池的整个表面,而太阳光在硅表面就有强烈的吸收,这就阻挡了部分太阳光入射到空间
电荷区,降低了光生载流子的收集几率。同时,通过在电池的整个表面扩散形成发射区较容
易在表面形成死层。在死层中少子寿命非常短,光生载流子的收集几率接近于0([2]Martin 
A.Green,Solar Cells Operating Principles,Technology,and System Applications,145~147)。因此,
目前这种常用结构的单晶硅电池在短波段的光谱响应较小,这阻碍了电池转换效率的进一步
提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的单晶硅太阳能电池对高转换效率的要求,提供一种局域化
发射区结构的太阳能电池及其制备方法。

所述局域化发射区结构的太阳能电池设有衬底,在衬底表面外延本征半导体层(i层),
所述本征半导体层(i层)上设有凹槽,在凹槽内通过扩散或外延等方法形成半导体层,在半
导体层上分别蒸镀上电极和减反膜,在衬底底部蒸镀背电极,当所述衬底为p型半导体层时,
所述半导体层为n型半导体层;当所述衬底为n型半导体层时,所述半导体层为p型半导体
层。

所述本征半导体层(i层)的厚度可为1~500μm。

在本征半导体层(i层)上通过限定区域的刻槽并扩散,形成具有局域化发射区的PIN结
构。在本征半导体层上具有局域化发射区的PIN结构。

所述上电极可选自铝(Al)上电极、钛(Ti)上电极、钯(Pd)上电极、银(Ag)上电极、镍
(Ni)上电极或金(Au)上电极等,所述减反膜可选自氮化硅(Si3N4)减反膜或氧化钛(TiO2)
减反膜等透明绝缘材料,所述p型半导体层可选自p型单晶硅层或多晶硅层等半导体材料,
所述本征半导体层可选自本征单晶硅层或多晶硅层等,所述n型半导体层可选自n型单晶硅
层或多晶硅层等半导体材料,所述背电极可选自铝(Al)背电极、钛(Ti)背电极、钯(Pd)背电
极、银(Ag)背电极、镍(Ni)背电极或金(Au)背电极等。

所述局域化发射区结构的太阳能电池的制备方法包括以下步骤:

1)将衬底进行标准清洗后,放入外延生长设备生长本征半导体层(i层),生长结束;所
述衬底为p型衬底或n型衬底;

2)在样品的所有表面热生长或沉积一层遮挡层;

3)采用光刻技术在样品的上表面刻出条状图形,去除图形中的遮挡层,然后采用刻蚀技
术在去除遮挡层的区域刻出凹槽,并去除光刻胶;

4)采用扩散或外延等方法在样品的凹槽内形成半导体层,然后去除样品所有表面的遮挡
层,形成所述局域化的发射区;所述半导体层为n型半导体层或p型半导体层;

5)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极图形后,沉积上电极,然后剥离;

6)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的反图形后,沉积减反膜,然后剥离;

7)在经过处理的样品背面沉积背电极,最后对电极进行退火。

在步骤1)中,所述p型衬底可采用p型单晶硅衬底或多晶硅衬底等半导体材料;所述n
型衬底可采用n型单晶硅衬底或多晶硅衬底等半导体材料;所述外延生长设备可采用分子束
外延(MBE)、超高真空化学气相沉积(UHV-CVD)、金属有机物化学气相沉积(MOVPE)、
液相外延(LPE)等外延生长设备;所述本征半导体层(i层)可采用本征单晶硅层或多晶硅
层等半导体材料,其厚度最好为1~500μm。

在步骤2)中,所述遮挡层可采用SiO2层等,用于阻止扩散。

在步骤3)中,所述条状图形是用于刻出凹槽的区域图形,所述凹槽的深度最好为1~
500μm,所述凹槽的宽度最好为1~50μm,所述凹槽的间距最好为50~500μm。

在步骤4)中,所述扩散的深度最好为0.2~10μm。

在步骤5)中,所述上电极可采用铝(Al)上电极、钛(Ti)上电极、钯(Pd)上电极、银(Ag)
上电极、镍(Ni)上电极、金(Au)上电极等金属材料。

在步骤6)中,所述减反膜可采用氮化硅(Si3N4)减反膜或氧化钛(TiO2)减反膜等透
明绝缘材料。

在步骤7)中,所述背电极可采用铝(Al)背电极、钛(Ti)背电极、钯(Pd)背电极、银(Ag)
背电极、镍(Ni)背电极或金(Au)背电极等金属材料。

本发明提供的局域化发射区结构的太阳能电池其优异之处在于:与目前常用的p-n结构
比较,本发明所述局域化发射区结构主要是通过对发射区的局域化,使得表面处就存在空间
电荷区,大大提高了光生载流子的收集几率,提高了电池在短波段的光谱响应。同时,通过
对发射区的局域化可以减少表面处死层的出现,从而提高光生载流子的收集几率。并且,通
过刻槽埋栅的方法可以有效减少上电极的遮光面积。因此,本发明所述局域化发射区结构提
供了一种提高单晶硅等太阳能电池转换效率的解决方法。

附图说明

图1为本发明所述局域化发射区结构的太阳能电池的剖面结构组成示意图。在图1中,
各标记为:1为上电极,2为减反膜,3为衬底,4为本征半导体层(i层),5为半导体层,6
为背电极;hv表示太阳光,其箭头表示太阳光的入射方向;在图1中包含3个重复单元,可
根据实际样品尺寸改变重复单元数目。

图2为本发明所述局域化发射区结构的太阳能电池中上电极的正面示意图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明的技术方案。

参见图1和2,所述局域化发射区结构的太阳能电池实施例设有衬底5,在衬底5表面外
延本征半导体层(i层)4,所述本征半导体层(i层)4上设有凹槽,在凹槽内通过扩散或外
延等方法形成半导体层3,在半导体层上分别蒸镀上电极1和减反膜2,在衬底5底部蒸镀背
电极6,当所述衬底5为p型半导体层时,所述半导体层3为n型半导体层;当所述衬底5
为n型半导体层时,所述半导体层3为p型半导体层。

以下给出所述局域化发射区结构的太阳能电池制备方法的实施例。

1)将n型单晶硅衬底进行标准清洗后,放入液相外延设备(LPE)生长200μm厚度的本
征硅层(i层),生长结束。

2)采用热生长的方法在样品的所有表面生长一层厚度为100nm的SiO2。

3)采用光刻技术在样品上表面的SiO2层刻出条状图形,去除图形中的SiO2,然后采用
刻蚀技术在去除遮挡层的区域刻出凹槽,所述凹槽深度为190μm,凹槽宽度为2μm,凹槽间
距为200μm,然后去除光刻胶。

4)将样品进行p型扩散(扩硼),扩散深度为0.3μm。然后用氢氟酸去除样品所有表面
的SiO2层。这样就形成了所述局域化的发射区。

5)采用光刻技术在样品的上表面刻出凹槽图形后,在凹槽内沉积金属铝作为上电极,然
后剥离。

6)采用光刻技术在样品的上表面刻出上电极的反图形后,沉积氮化硅(Si3N4)作为减
反膜,然后剥离。

7)在经过处理的样品背面沉积金属铝作为背电极,最后对电极进行退火。

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一种 局域 发射 结构 太阳能电池 及其 制备 方法
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