專(zhuān)利名稱(chēng)：新型sinp硅藍(lán)紫光電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型SINP結(jié)構(gòu)硅光電池的制備方法，屬新型硅太陽(yáng)能電池制備方法方 法技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在能源逐漸匱乏的當(dāng)今社會(huì)，人們急需找到一種可再生能源來(lái)代替非可再生能源。眾所 周知，太陽(yáng)給了地球無(wú)窮無(wú)盡地?zé)崃浚虼巳藗儼涯繕?biāo)指向了太陽(yáng)。
藍(lán)紫光增強(qiáng)型硅光伏器件在太陽(yáng)電池、光度、色度及光學(xué)精密測(cè)量等方面都有重要的應(yīng) 用。近年來(lái),從防止地球溫室效應(yīng)、保護(hù)環(huán)境和替代石油能源出發(fā),利用太陽(yáng)能發(fā)電受到極大的 重視。目前，單晶硅太陽(yáng)電池產(chǎn)量位居各種光伏電池之首,但是由于在紫光以及波長(zhǎng)小于紫光的 部分,常規(guī)晶硅的光譜響應(yīng)比太陽(yáng)光其他波長(zhǎng)的低,嚴(yán)重限制了晶硅電池的光電轉(zhuǎn)換效率和晶 硅材料的利用率。因此,提高晶硅在波長(zhǎng)小于0.4微米部分的光譜響應(yīng)是光伏電池產(chǎn)業(yè)待以解 決的重要問(wèn)題。太陽(yáng)光譜峰值波長(zhǎng)為480nm，提高硅光電池的藍(lán)紫光響應(yīng)將可顯著提升太陽(yáng) 能電池的短路電流及光電轉(zhuǎn)換效率。由于晶硅對(duì)短波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)很大，平均透入深度小； 并且光生載流子的產(chǎn)生率隨光進(jìn)入器件表面的距離呈指數(shù)式衰減，大多數(shù)光生載流子產(chǎn)生在 硅的表面附近。而用傳統(tǒng)擴(kuò)散方法制作的n+p結(jié)硅光電池，發(fā)射區(qū)近表面存在一高磷濃度的"死 層"；該區(qū)域晶格畸變大,位錯(cuò)密度高，嚴(yán)重影響了短波長(zhǎng)光生載流子的收集效率，造成常規(guī)晶 硅光電池藍(lán)紫光響應(yīng)的迅速下降。
1981年Green等人在第15屆IEEE光伏專(zhuān)家會(huì)議上首次提出MINP (金屬一薄絕緣膜 ^NP)硅太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，從此之后，對(duì)該結(jié)構(gòu)電池的研究開(kāi)始受到重視。MINP結(jié)構(gòu)光電池 是一種改進(jìn)型pn結(jié)太陽(yáng)電池，它綜合了MIS和pn結(jié)太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)，從而使其開(kāi)路電壓以 及光電轉(zhuǎn)換效率有了明顯的突破。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)己有技術(shù)存在的缺陷，提供一種新型硅基SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池 及其制備方法。
不增加復(fù)雜工藝的基礎(chǔ)上，有效地提高硅光電池400 600nm藍(lán)紫光波段的量子效率。 為上述目的，本發(fā)明根據(jù)半導(dǎo)體能帶工程，原創(chuàng)性地設(shè)計(jì)并研制出晶硅pn結(jié)與寬帶隙ITO
透明導(dǎo)電薄膜相結(jié)合的一種新型SINP異質(zhì)面光電池(SINP是semiconductor/insulator/叩結(jié)構(gòu)
的縮寫(xiě)，即半導(dǎo)體-絕緣體-NP)。
本發(fā)明為達(dá)到上述目的，采用下述技術(shù)方案一種新型硅基SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池，包括一片P-型硅單晶片襯底，其特征在于所述襯 底的正面上依次有一層n-型區(qū)、 一層超薄Si02層和一層ITO減反射/收集電極膜，所述ITO 減反射/收集電膜的表面上有Cu柵指電極；所述襯底的背面有一層Al層。
上述襯底的晶向?yàn)?100)，電阻率為1 2.0Gcm，厚度為220pm士30nm，所述超薄Si02 層厚度為15 20A，所述ITO減反射/收集電膜厚度為70nm士7nm，所述Cu柵指電極的厚度 為l|_im±0.1nm。
一種新型硅基SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池制備方法，用于制備上述電池，其特征在于具體制 備步驟如下
a. 選用P型、晶向?yàn)?100)、電阻率為2Q.cm、厚度220^im±30|im的硅單晶片為襯底；
b. 經(jīng)常規(guī)化學(xué)清洗及制絨后，用P0Cl3液態(tài)源熱擴(kuò)散形成n—型區(qū)；
c. 去除正面的磷硅玻璃(HF:H2O=l:10);
d. 然后在硅片背面蒸A1層；
e. 將襯底在400 500°C， N2:02=4:l條件下熱氧化15 30分鐘生長(zhǎng)一層15 20A超薄 Si02層，背面Al合金化同時(shí)進(jìn)行；
f. 繼而射頻磁控濺射高透光率、高導(dǎo)電率的ITO減反射/收集電極膜；
g. 通過(guò)金屬掩模版直流磁控濺射Ol柵指電極；
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
本新型SINP硅藍(lán)紫光電池采用淺pn結(jié)、鋁背場(chǎng)、超薄Si02鈍化層及ITO透明導(dǎo)電薄膜 等先進(jìn)技術(shù)。其中淺結(jié)減少了普通光電池發(fā)射區(qū)由于重?fù)诫s帶來(lái)的影響，如禁帶寬度收縮效 應(yīng)，重?fù)诫s后Auger復(fù)合及近表面高濃度磷固溶區(qū)"死層"的影響以提高藍(lán)紫光響應(yīng)。采用低 溫?zé)嵫趸夹g(shù)生長(zhǎng)的超薄Si02層不僅有效地鈍化硅表面，飽和硅表面懸掛鍵，降低表面復(fù)合 中心濃度，減小表面復(fù)合速率(高表面復(fù)合速率是制約光伏器件短波響應(yīng)的另一重要因素)； 而且作為緩沖層，減小ITO與晶硅的晶格失配，降低ITO薄膜的內(nèi)應(yīng)力。同時(shí)允許載流子(電 子)在如此之薄的Si02層中，通過(guò)隧道效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電輸運(yùn)，收集光生載流子。超薄Si02層
對(duì)載流子電子和空穴的傳輸阻礙各不相同。由量子力學(xué)，對(duì)電子隧道系數(shù)為e—"2，而對(duì)空穴
隧道系數(shù)為e— 2。超薄Si02層對(duì)電子勢(shì)壘高度Z"-3'1^，而對(duì)空穴勢(shì)壘高度^=3'8^。 所以其可以單向抑制空穴的傳輸，又因?yàn)槠涑?厚度僅為15 20A)對(duì)光生載流子電子基
本無(wú)阻礙作用。從而減小器件反向暗電流，改善光伏特性。ITO是重?fù)胶?jiǎn)并寬帶隙半導(dǎo)體， 采用射頻磁控濺射的方法把高透光率(可見(jiàn)光波段丁>95%)，高電導(dǎo)率(p-9xlO-5Q，cm)的
4ITO薄膜沉積在光電池正面。ITO寬帶隙約3.9eV,成為窄帶隙晶硅的異質(zhì)面光學(xué)窗口。同時(shí) 該減發(fā)射膜在硅太陽(yáng)響應(yīng)光譜，尤其在短波范圍內(nèi)，具有良好的透光性能。它不僅密封超薄 Si02層，提高電池穩(wěn)定性；而且兼作大面積收集電極，克服淺結(jié)帶來(lái)的大方塊電阻的弊端。 在光電池的背表面建立一個(gè)摻雜區(qū)，形成鋁背表面場(chǎng)高低結(jié)對(duì)p區(qū)少子有阻擋和反射作用。 這樣， 一方面使背表面的復(fù)合作用減少，同時(shí)還可以將射向背表面的光反射回正面,增加長(zhǎng)波 長(zhǎng)光的吸收路程，提高p-n結(jié)對(duì)光生載流子的收集效率，從而提高光電池的長(zhǎng)波響應(yīng)。
對(duì)所制新型SINP光電池在AM1.5 100mW/cn^、25'C條件下進(jìn)行測(cè)試，藍(lán)紫光及常規(guī)SINP 光電池開(kāi)路電壓Voc分別為570及550mW，短路電流密度Jsc高達(dá)49.73 mA/cn^及41.43 mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率T]則為13.66%及11.06%。


圖1是本發(fā)明新型硅基SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。 圖2是圖1示例電池的外形尺寸圖。 圖3是圖1示例電池中詳細(xì)尺寸圖。
圖4是圖1示例電池AM1.5 100mW/cn^光照下J-V曲線。
圖5是圖4相對(duì)應(yīng)的AM1.5光照下SINP藍(lán)紫光電池轉(zhuǎn)換效率J-V曲線。
圖6是圖1示例電池內(nèi)、外量子效率。
圖7是圖1示例電池響應(yīng)率。 具體實(shí)施方法
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于后。 實(shí)施例l
本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下
參見(jiàn)圖l，本新型硅基SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池，包括一片P-型硅單晶片襯底1，其特征在 于所述襯底1的正面上依次有一層n-型區(qū)2、 一層超薄Si02層3和一層ITO減反射/收集電極 膜4，所述ITO減反射/收集電膜4的表面上有Cu柵指電極5;所述襯底1的背面有一層Al 層(6)。
參見(jiàn)圖1、圖2和圖3，上述襯底1的晶向?yàn)?100)，電阻率為1 2.0acm，厚度為 220pm±3(Vm，所述超薄Si02層3厚度為15 20A，所述ITO減反射/收集電膜4厚度為 70nm±7nm，所述Cu柵指電極5的厚度為lnm士0.1(am。
參見(jiàn)圖l、圖2和圖3，本新型硅基SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池制備方法，具體制備步驟如下 fl)選用P型、晶向?yàn)?100)、電阻率為2Q'cm、厚度22(Him的硅單晶片為襯底。(2) 由標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗技術(shù)，先將硅片在75。CNH40H:H202:H20混合比1: 1: 5混合溶液 中超聲波清洗10分鐘。去離子水清洗后，然后在75'C HC1:H202:氏0混合比1:1:6，混合溶 液中超聲波清洗10分鐘。
(3) 絨面制備。對(duì)于(100)的p型直拉襯底(1)，在85X: NaOH:H20=1.4% (質(zhì)量比) 溶液中化學(xué)腐蝕40分鐘。由于NaOH對(duì)單晶硅片腐蝕具有各向異性，可以制備金字塔形絨面 結(jié)構(gòu)。如果是第1次配液制絨，需在NaOH:H20-1.4。/。(質(zhì)量比)溶液中加入0.2% (質(zhì)量比) 的Na2Si03，可提高絨面制作效果。用去離子水沖洗。
(4) 將襯底l在稀鹽酸(HC1:H20=1:6)清洗，然后去離子水清洗后，用普通N2氣吹干。
(5) 在開(kāi)管擴(kuò)散爐中用POCl3液態(tài)源熱擴(kuò)散磷形成n發(fā)射區(qū)2，擴(kuò)散源流量范圍為 40ml/min-45ml/min,擴(kuò)散源溫度控制在0'C，擴(kuò)散溫度控制在845'C-854'C之間，大N2流量 1L/min,擴(kuò)散時(shí)間25min。可獲得發(fā)射區(qū)薄層電阻40Q/口,結(jié)深0.35微米。另夕卜，還可減小擴(kuò)散 時(shí)間或用低溫磷擴(kuò)散工藝、離子注入等方法制備更淺的pn結(jié)。
(6) 將硅片在HF:H2C^1:10溶液中浸泡7分鐘，去除正面的磷硅玻璃及硅表面自然氧化 層。然后用去離子水清洗，普通N2氣吹干。
(7) 在硅片背面用真空蒸發(fā)2微米厚的A1金屬電極膜6。
(8) 將襯底1在400 500°C， N2:02=4:l條件下熱氧化15 30分鐘生長(zhǎng)一層15 20A超 薄Si02層，背面A1合金化同時(shí)進(jìn)行。另外還可用以下兩種方法制備超薄SixOyNz層3:
① 在450—50(TC的N2/02 (流量比4: 1;常壓)氣氛中微熱氧化10 15分鐘生長(zhǎng)超薄 I層。隨后對(duì)I層進(jìn)行低溫(480°C)、低壓(50Pa) NHs退火；時(shí)間10 15分鐘，NH3流量 為2L/min。
② 在NH3中直接制備超薄I層。低溫(480°C)、低壓(50Pa)氨處理時(shí)間 20分鐘， NH3流量為2L/min。
(9) 用JGP450型雙室超高真空多功能磁控濺射設(shè)備射頻磁控濺射高透光率、高導(dǎo)電率的 ITO減反射/收集電極膜(4)。本底真空度2xl0，a，濺射功率100W;工作氣體純Ar，工作 壓強(qiáng)lPa;襯底溫度300。C,靶基距7cm，濺射時(shí)間25分鐘。
(10) 用JGP450型雙室超高真空多功能磁控濺射設(shè)備通過(guò)金屬掩模版直流磁控濺射1微 米厚的Cu柵指電極5。本底真空度2xlO^Pa，濺射功率100W;工作氣體純Ar，工作壓強(qiáng)1Pa; 襯底溫度室溫，靶基距7cm,濺射時(shí)間60分鐘。
Cll)用WXQH160型金剛石外圓下切割/劃片機(jī)切去電池片邊緣部分，防止光電池邊緣短 路，增大并聯(lián)電阻。
6本發(fā)明用熱擴(kuò)散磷形成淺結(jié)、低溫?zé)嵫趸L(zhǎng)超薄Si02層及射頻磁控濺射ITO減反射/ 收集電極膜，在2"cm的晶硅襯底上成功制備了高量子效率的藍(lán)紫光增強(qiáng)型SINP光電池。 磁控濺射沉積的ITO薄膜結(jié)晶度高，并且具有高紫外一可見(jiàn)光透過(guò)率及優(yōu)異的電學(xué)性能(見(jiàn) 圖4 圖7)。室溫下士1V時(shí)，SINP藍(lán)紫光電池整流比為324.7， 二極管理想因子n=1.84， AM1.5 100mW/cn^光照下，光電轉(zhuǎn)換效率11=13.66%。由于在SINP結(jié)構(gòu)中，光電流可以通過(guò)高結(jié)晶 度、高載流子遷移率的ITO薄膜橫向輸運(yùn)，避免了高磷濃度n發(fā)射區(qū)中橫向輸運(yùn)的復(fù)合，降 低了發(fā)射區(qū)橫向電阻影響引起的功率損耗，新型SINP藍(lán)紫光電池短路電流密度高達(dá) JSC-49.73 mA/cm2，顯示出良好的電學(xué)及光伏特性(見(jiàn)圖4和圖5)。在500nm波長(zhǎng)，藍(lán)紫光 增強(qiáng)型SINP光電池外量子效率及響應(yīng)率高達(dá)70%及285 mA/W (見(jiàn)圖6和圖7);在800nm 波長(zhǎng)，峰值響應(yīng)率為487 mA/W (見(jiàn)圖7)。器件光譜響應(yīng)擬和計(jì)算結(jié)果表明新型SINP藍(lán)紫光 電池的高量子效率得益于淺結(jié)以及高導(dǎo)電率、對(duì)藍(lán)紫光具有良好減反射效果的ITO薄膜的應(yīng) 用與結(jié)合。新型ITO/Si02/np晶硅SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，有一定的發(fā)展 前途，并有推廣應(yīng)用之美景。
權(quán)利要求
1、一種新型硅基SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池，包括一片P-型硅單晶片襯底(1)，其特征在于所述襯底(1)的正面上依次有一層n-型區(qū)(2)、一層超薄SiO2層(3)和一層ITO減反射/收集電極膜(4)，所述ITO減反射/收集電膜(4)的表面上有Cu柵指電極(5)；所述襯底(1)的背面有一層Al層(6)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型硅基SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池，其特征在于所述襯底(1)的晶 向?yàn)?100)，電阻率為1 2.0Q cm，厚度為220nm土3(Vm，所述超薄Si02層(3)厚度為15 20A，所述ITO減反射/收集電膜(4)厚度為70nm士7nm，所述Cu柵指電極(5)的厚度為lf_im±0.1^imo
3、 一種新型硅基SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池制備方法，用于制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型硅基 SINP結(jié)構(gòu)藍(lán)紫光電池，其特征在于具體制備步驟如下a. 選用P型、晶向?yàn)?100)、電阻率為2Q'cm、厚度220^m土30^im的硅單晶片為襯底 (1);b. 經(jīng)常規(guī)化學(xué)清洗及制絨后，用POCl3液態(tài)源熱擴(kuò)散形成n—型區(qū)(2);c. 去除正面的磷硅玻璃(HF:H2O=l:10);d. 然后在硅片背面蒸A1層(6);e. 將襯底(1)在400 500。C, N2:02=4:l條件下熱氧化15 30分鐘生長(zhǎng)一層15 20A 超薄Si02層(3)，背面A1合金化同時(shí)進(jìn)行；f. 繼而射頻磁控濺射高透光率、高導(dǎo)電率的ITO減反射/收集電極膜(4);g. 通過(guò)金屬掩模版直流磁控濺射Cu柵指電極(5);
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型SINP結(jié)構(gòu)硅藍(lán)紫光電池及其制備方法。本發(fā)明采用熱擴(kuò)散磷形成淺結(jié)、低溫?zé)嵫趸L(zhǎng)超薄SiO₂層、射頻磁控濺射ITO減反射/收集電極膜制備了一種新型ITO/SiO₂/np藍(lán)紫光增強(qiáng)型SINP硅光電池。本發(fā)明的制備方法是選用P型、晶向?yàn)?100)、電阻率為2Ω·cm、厚度220μm的硅單晶片為襯底。經(jīng)常規(guī)化學(xué)清洗及制絨后，用POCl₃液態(tài)源熱擴(kuò)散形成n區(qū)(本文采用不同熱擴(kuò)散工藝制作兩塊新型SINP光電池，其中一塊是發(fā)射區(qū)方塊電阻10Ω/□，結(jié)深1μm的(深結(jié))常規(guī)SINP光電池；另一塊為發(fā)射區(qū)方塊電阻37Ω/□，結(jié)深0.4μm的(淺結(jié))SINP硅藍(lán)紫光電池)。去除正面的磷硅玻璃(HF∶H₂O＝1∶10)；然后在硅片背面蒸Al；將硅片在400～500℃，N₂∶O₂＝4∶1條件下熱氧化15～30分鐘生長(zhǎng)一層15～20超薄SiO₂層，背面Al合金化同時(shí)進(jìn)行。繼而射頻磁控濺射高透光率、高導(dǎo)電率的ITO減反射/收集電極膜(ITO薄膜也被沉積在玻璃上以研究其光電特性)，通過(guò)金屬掩模版直流磁控濺射Cu柵指電極。最后用金剛石外圓下切割/劃片機(jī)切去電池片邊緣部分，防止光電池邊緣短路。
文檔編號(hào)H01L31/068GK101587913SQ20091005387
公開(kāi)日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者波 何, 磊 趙, 馬忠權(quán) 申請(qǐng)人:上海大學(xué)