專利名稱：一種具有陷光結(jié)構(gòu)的硅薄膜光電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種新型硅薄膜光電池，屬子太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域。 技術(shù)背景化石能源的逐步枯竭和環(huán)保問題使得可再生能源的發(fā)展變得越來越重要，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要 方向?？稍偕茉粗饕L(fēng)能、潮汐能、生物能、水能和太陽能等，其中太陽能的利用包括光熱和光電 兩個方向。光熱的利用在中國發(fā)展非?？欤柲軣崴麟S處可見，但光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并不十分樂觀。當 前光電池的主體是晶硅電池，由于需要大量的單晶或多晶硅材料，使得發(fā)電成本比當前主流發(fā)電技術(shù)的成 本高數(shù)十倍，阻礙了其正常發(fā)展。根據(jù)粗略統(tǒng)計，中國晶硅電池產(chǎn)量雖然只占世界的10%左右，但在國內(nèi) 銷售的也只有其中的10%, 90%的產(chǎn)量銷售到國外，造成了原料和市場都在國外的現(xiàn)象。目前國際上許多 國家為了鼓勵發(fā)展太陽能發(fā)電都采取了巨額政府補貼的方式，使得公司和家庭都有利可圖，從而一定程度 上剌激了產(chǎn)業(yè)發(fā)展。即使如此，太陽能發(fā)電容量依然很小。降低成本是發(fā)展太陽能光電產(chǎn)業(yè)的唯一途徑，不少人認為，只有太陽能電池價格降低到每平米30歐 元，才能真正成為有實際意義的新能源，而這一價格僅為當前晶硅電池的兒十分之一。解決這一問題的根 本途徑上發(fā)展薄膜硅電池，而且必須采用非常簡單的工藝技術(shù)，具有高速薄膜沉積能力。為此，還必須在 電池結(jié)構(gòu)上有重大創(chuàng)新，總的薄膜厚度必須小于1微米，最好是小于500納米，為提高生產(chǎn)效率打下基礎(chǔ)。當前薄膜硅光電池產(chǎn)品以非晶硅電池為主，效率較低，還存在退化問題。對于非晶硅薄膜電池，由 于基本是直接帶隙，所以光吸收系數(shù)很大，厚度l微米就足夠了。非晶硅薄膜電池成本基本為晶硅電池的 三分之一，但效率也基本為三分之一，相比沒有什么優(yōu)勢。多晶硅薄膜光電池是發(fā)展方向之一，效率可以達到15%以上。由于多晶硅薄膜為間接帶隙，因此吸 收系數(shù)小，需要10微米的厚度才能將入射光基本吸收，這樣的厚度無疑將導(dǎo)致成本的提高。解決這一問 題的手段是采用所謂的陷光結(jié)構(gòu)，即讓光在硅薄膜中來回多發(fā)射幾次，這樣就可以在較小的膜厚條件下達 到全部吸收的效果。當前已經(jīng)報道的陷光結(jié)構(gòu)人部分是在玻璃襯底上加工出起伏表面，再在其上沉積多晶硅薄膜，形成 光電池。也有的報道是先沉積多晶硅薄膜，然后在其上形成起伏表面。起伏表面的形成方法很多，如沉積 一層氧化錫薄膜，自然形成起伏表面。也有采用光刻和刻蝕方法形成起伏表面的報道，但由于起伏的橫向 尺寸太大，陷光作用很小。附圖1和2為已有的具有陷光結(jié)構(gòu)的光電池示意圖。由于起伏結(jié)構(gòu)的橫向尺寸 大于波長，因此在起伏面上光表現(xiàn)為反射而不是散射或漫射，相當大一部分沒被吸收的光又返回到電池薄 膜外面去了。針對所述的問題，本發(fā)明提出一種新型多晶硅薄膜光電池結(jié)構(gòu)，成功的解決了光電轉(zhuǎn)換效率和制作 成本間的矛盾，為光電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了可靠的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
基于散射、反射、全反射、減反射等光學(xué)原理，本發(fā)明提出并實現(xiàn)了一種新型結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜光電池。具有新型陷光結(jié)構(gòu)的硅薄膜光電池，基本結(jié)構(gòu)由下而上為玻璃基片、二氧化硅隔離層、透明導(dǎo)電薄 膜、P型半導(dǎo)體硅層、IS1半絕緣硅層、N型半導(dǎo)體硅層、銀和抗氧化金屬組成的復(fù)合薄膜反射電極，其區(qū) 別與已有結(jié)構(gòu)光電池的基本特征在于在所述的反射電極下面的硅層具有在低熔點金屬非連續(xù)島狀薄膜保護下刻蝕形成的橫向尺寸和厚度方向尺寸都小亍300納米的小島狀的起伏表面，所述的起伏表面是刻蝕N 型半導(dǎo)體硅層形成。本發(fā)明中的透明導(dǎo)電薄膜一般采用摻銻氧化錫、摻鋁或摻鎵氧化鋅、氧化銦錫等金屬氧化物，它們 的折射率一般為2左右，如果將其厚度控制在60納米左右，還可以起到陽光減反射薄膜的作用。本發(fā)明中的復(fù)合薄膜反射電極中的抗氧化金屬一般選用鋁，這樣即廉價效果又好，選用鉻、鎳等金 屬也可，效果相同，但成本稍高。以下詳細解釋本發(fā)明與已有技術(shù)相比的突出技術(shù)效果。本發(fā)明中，半導(dǎo)體硅層具有橫向尺寸和厚度方向尺寸都小于300納米的小島結(jié)構(gòu)。由于薄膜硅的折 射率達到4，而陽光中能量密度最大的波長為500納米左右，在薄膜硅中的光波長為125納米。如果島狀 結(jié)構(gòu)的橫向尺寸大于500納米，相當于4個波長大小，則對光的反射與平面發(fā)射相差不大，這就是當前已 有的陷光結(jié)構(gòu)效果不佳的根本原因。本發(fā)明中，這一尺寸小于300納米，光在到達這一起伏面時，完全達 到漫反射的效果，基本均勻分布在2冗立體角內(nèi)。在硅層與二氧化硅層的界面以及玻璃與空氣界面上，這些 漫反射的光98%被反射回來，進行的二次吸收。由于硅層的吸收，即使往返10次，透出去的光也不可能 超過10%，這樣本發(fā)明的技術(shù)效果就突現(xiàn)出來了。對于最好的多晶硅薄膜，當厚度為10微米時，入射的 光可基本被吸收，因此一般的薄膜硅光電池厚度應(yīng)大于10微米，這就導(dǎo)致了制作成本極高，而無法產(chǎn)業(yè) 化。對于一般的多晶硅薄膜，厚度為5微米時，入射光就基本被吸收，即使這一的厚度，也是產(chǎn)業(yè)化所不 允許的。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，硅層的厚度只要達到1微米，就可以實現(xiàn)入射光90%以上被吸收，回到空氣 中的不到10%,這是已有任何具有陷光結(jié)構(gòu)的光電池所遠遠不能達到的。在已有的各類具有陷光結(jié)構(gòu)的薄膜光電池中，陷光結(jié)構(gòu)都放在光的入射面，或者至少在入射面和反 射面上都有陷光結(jié)構(gòu)。而本發(fā)明恰恰相反，入射面為平面結(jié)構(gòu)，陷光結(jié)構(gòu)只位于反射面上。從嚴格的意義 上講，只有本發(fā)明的結(jié)構(gòu)才能稱得上是陷光結(jié)構(gòu)，而已有的陷光結(jié)構(gòu)基本上都是提高了光的入射比例，而 不是真正將光陷于硅層中。己有的制備光電池陷光結(jié)構(gòu)的方法很多，包括傳統(tǒng)的光刻膠保護下的刻蝕、酸蝕玻璃、噴沙打毛玻 璃等。但這樣制備出的結(jié)構(gòu)橫向尺寸都遠遠大于波長，因此技術(shù)效果差。采用當前微電子技術(shù)中的最高分 辨率的光刻和刻蝕方式當然可以制備出最好的陷光結(jié)構(gòu)，但那只能在平方厘米量級的面積上進行制備，完 全不可能用于光電池工業(yè)中。大面積光刻的最高精度不可能優(yōu)于1微米，即使這樣的精度也是光電池產(chǎn)業(yè) 所不允許的。本發(fā)明采用了金屬薄膜作掩膜進行刻蝕，低熔點金屬薄膜沉積中，只要襯底加熱到一定程度就可以 生成非連續(xù)島狀薄膜，以其為掩膜刻蝕硅表面，效果非常好，而且成本極低，完全可以用于規(guī)?；a(chǎn)。 以錫薄膜為例，只要襯底加熱到IOO攝氏度就可產(chǎn)生很好的島狀結(jié)構(gòu)，甚至常溫下也能產(chǎn)生島狀結(jié)構(gòu)。在 生產(chǎn)工藝中，襯底不加溫或加溫很低是至關(guān)重要的。本發(fā)明中的二氧化硅層的作用是阻擋玻璃中的鈉離子進入到硅層中，降低其光電轉(zhuǎn)換性能，該層的 厚度沒有特殊要求，只要大于IOO納米就可以了，太厚則需要較長的沉積時間，工藝上不合理。采用二氧 化硅而不采用廣泛應(yīng)用的氮化硅，是由于二氧化硅的折射率與玻璃基本相同，因此選擇其厚度時不必考慮 光學(xué)效應(yīng)。如果采用氮化硅，由于其折射率大于玻璃的折射率，因此必需要考慮光學(xué)效應(yīng)。選擇二氧化硅 的另一個原因是當采用廉價的濺射方式沉積時，同樣的功率條件下，其沉積速率是氮化硅的3倍，這非常 有利于規(guī)?；a(chǎn)。需要說明的是，本發(fā)明只對多晶硅薄膜光電池有效，對于非晶硅光電池，由于其吸收系數(shù)極大，根 本不需要本發(fā)明所述的陷光結(jié)構(gòu)。關(guān)于多晶硅薄膜的制備，已經(jīng)有很多成熟的方法，如金屬誘導(dǎo)生長、固相晶化、氫環(huán)境下生長子晶 再濺射沉積等，其中適合大生產(chǎn)的為金屬誘導(dǎo)子晶聯(lián)合固相晶化方法，本發(fā)明中將采用濺射沉積非晶硅薄 膜，再用金屬誘導(dǎo)和固相晶化的方法，具體步驟可在相關(guān)文獻中發(fā)現(xiàn)。


圖1和圖2為已有具有陷光結(jié)構(gòu)的光電池結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明的一種刻蝕N型半導(dǎo)體硅層的光電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的陷光結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合

本發(fā)明的實施方式。圖3表示本發(fā)明之一的具有陷光結(jié)構(gòu)的硅薄膜光電池，基本結(jié)構(gòu)由下而上為玻璃基片10、 二氧化硅 隔離層ll、透明導(dǎo)電薄膜12、 P型半導(dǎo)體硅層13、 I型半絕緣硅層14、經(jīng)過刻蝕的N型半導(dǎo)體硅層15、 銀和抗氧化金厲組成的復(fù)合薄膜反射電極16，其中在反射電極下面的硅層具有在^M點金屬非連續(xù)島狀薄膜保護下刻蝕形成的橫向尺寸和厚度方向尺寸都小于300納米的小島狀的起伏表面。 以下以具體例子進一步闡述本發(fā)明。實施例l:以硼硅玻璃為襯底，用反應(yīng)濺射方法先沉積一層厚度150納米的二氧化硅作為隔離層，再 沉積一層厚度60納米的摻鋁氧化鋅作為透明電極兼陽光減反射層。用磁控濺射沉積非晶硅薄膜，再用金 屬誘導(dǎo)聯(lián)合固相晶化方法制備P型硅、I型硅和N型硅，厚度分別是30納米、400納米和50納米。在得 到的基片上沉積厚度30納米的錫薄膜，沉積時襯底加溫到100度。以錫膜為掩模，進行等離子刻蝕，刻 蝕深度為30納米，然后在硝酸中腐蝕掉錫膜。在得到的基片上進行常規(guī)的N型接觸層處理后，沉積50納 米的銀反射電極和IOO納米的鋁保護層。實施例2:以硼硅玻璃為襯底，用反應(yīng)濺射方法先沉積一層厚度150納米的二氧化硅作為隔離層，再 沉積一層厚度60納米的氧化銦錫作為透明電極兼陽光減反射層。用磁控濺射沉積非晶硅薄膜，再用金屬 誘導(dǎo)聯(lián)合固相晶化方法制備P型硅、I型硅和N型硅，厚度分別是30納米、800納米和50納米。在得到 的基片上沉積厚度30納米的鉍薄膜，沉積時襯底加溫到200度。以鉍膜為掩模，進行等離子刻蝕，刻蝕 深度為25納米，然后在硝酸中腐蝕掉鉍膜。在得到的基片上進行常規(guī)的N型接觸層處理后，沉積50納米 的銀反射電極和IOO納米的鋁保護層。實施例3:以硼硅玻璃為襯底，用反應(yīng)濺射方法先沉積一層厚度150納米的二氧化硅作為阻擋層，再 沉積一層厚度60納米的氧化銦錫作為透明電極兼陽光減反射層。用磁控濺射沉積非晶硅薄膜，再用金屬 誘導(dǎo)聯(lián)合固相晶化方法制備P型硅、I型硅和N型硅，厚度分別是30納米、800納米和50納米。在得到 的基片上沉積厚度20納米的銦薄膜，沉積時襯底加溫到200度。以銦膜為掩模，進行等離子刻蝕，亥IJ蝕 深度為25納米，然后在鹽酸中腐蝕掉銦膜。在得到的基片上進行常規(guī)的N型接觸層處理后，沉積50納米 的銀反射電極和IOO納米的鋁保護層。
權(quán)利要求
1. 一種具有陷光結(jié)構(gòu)的硅薄膜光電池，基本結(jié)構(gòu)由下而上為玻璃基片10、二氧化硅隔離層11、透明導(dǎo)電薄膜12、P型半導(dǎo)體硅層13、I型半絕緣硅層14、N型半導(dǎo)體硅層15、銀和抗氧化金屬組成的復(fù)合薄膜反射電極16，其特征在于在所述的反射電極下面的硅層具有在低熔點金屬非連續(xù)島狀薄膜保護下刻蝕形成的橫向尺寸和厚度方向尺寸都小于300納米的小島狀的起伏表面。
2. —種具有陷光結(jié)構(gòu)的硅薄膜光電池的制備方法，其過程依次包括制備二氧化硅隔離層、制備透明導(dǎo) 電薄膜、制備P型半導(dǎo)體硅層、制備I型半絕緣硅層、制備N型半導(dǎo)體硅層、制備銀反射薄膜、制備 抗氧化金屬薄膜，其特征在于，在制備銀反射薄膜之前，對N型半導(dǎo)體硅層進行刻蝕，其步驟為1) 制備一層金屬錫、鉛、銦或鉍薄膜，制備時控制襯底溫度，使之成為非連續(xù)島狀薄膜；2) 以該島狀薄膜為掩模，對N型半導(dǎo)體硅層進行干法或濕法刻蝕；3) 在酸中腐蝕掉剩余掩模；4) 繼續(xù)制備銀反射薄膜和抗氧化金屬薄膜。
全文摘要
一種具有陷光結(jié)構(gòu)的硅薄膜光電池，屬于太陽能利用領(lǐng)域?；窘Y(jié)構(gòu)由下而上為玻璃基片、二氧化硅層、透明導(dǎo)電薄膜、P型半導(dǎo)體硅層、I型半絕緣硅層、N型半導(dǎo)體硅層、銀和抗氧化金屬組成的復(fù)合薄膜反射電極。在反射電極下面的硅層具有在低熔點金屬非連續(xù)島狀薄膜保護下刻蝕形成的橫向尺寸和厚度方向尺寸都小于300納米的小島狀的起伏表面。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、效果好、適合規(guī)模化量產(chǎn)的特點，適合大面積硅薄膜光電池的應(yīng)用。
文檔編號H01L31/077GK101257055SQ20071007962
公開日2008年9月3日 申請日期2007年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月28日
發(fā)明者李德杰 申請人:李德杰