專利名稱：一種鋁誘導(dǎo)晶化多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁誘導(dǎo)晶化多晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)及制備方法，屬于晶硅薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)今傳統(tǒng)化石能源日益枯竭，太陽(yáng)能發(fā)電作為一種環(huán)境友好的清潔型能源技術(shù)，勢(shì)必成為今后重點(diǎn)發(fā)展的方向。硅材料具有合適的禁帶寬度、較高的光電轉(zhuǎn)化效率、環(huán)境友好且成本低的原料、便于產(chǎn)業(yè)化等特點(diǎn)，因此硅基太陽(yáng)能電池是目前應(yīng)用最為廣泛的一類太陽(yáng)能電池技術(shù)。硅基太陽(yáng)能電池主要包括晶體硅太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池，他們分別有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。晶體硅電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率和良好的穩(wěn)定性，但是由于晶硅價(jià)格和繁瑣的電池工藝導(dǎo)致電池價(jià)格居高不下，且很難大幅降低成本。非晶硅薄膜電池的原料成本相對(duì)低廉，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和自動(dòng)化生產(chǎn)，但其存在光致衰退效應(yīng)，電池性能不穩(wěn)定，且效率低于晶體硅電池。多晶硅薄膜電池結(jié)合了晶體硅電池和薄膜電池工藝的特點(diǎn)，在玻璃襯底上完成多晶硅材料的制備，既克服了晶體硅電池成本高、工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，又解決了非晶硅薄膜電池穩(wěn)定性差的問題。
直接在異質(zhì)襯底(例如玻璃)上生長(zhǎng)多晶硅薄膜效率很低，因此多晶硅薄膜電池通常選擇在籽晶層上外延或者間接晶化非晶硅膜的工藝。前一種工藝首先要獲得晶化率高的籽晶層，后續(xù)再進(jìn)行外延。但外延溫度高于玻璃軟化溫度，故不能在玻璃襯底上完成。后一種方法是首先沉積在玻璃上生長(zhǎng)非晶的電池結(jié)構(gòu)，后續(xù)再進(jìn)行晶化處理。晶化處理方式有固相晶化和激光晶化兩種。固相晶化過程需要10-100小時(shí)，效率較低；激光晶化受激光穿透深度影響，不能晶化厚度較厚的硅薄膜。然而多晶硅是間接帶隙半導(dǎo)體，如何在不增加硅薄膜厚度的同時(shí)，提高吸收層對(duì)光子吸收效率，是目前存在的難題。雖然可以在玻璃襯底上制備多晶硅薄膜電池，但是生產(chǎn)效率和電池效率都要低于晶體硅電池和非晶硅薄膜電池。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提出一種通過鋁誘導(dǎo)晶化，同時(shí)獲得背反射層和背表面場(chǎng)層的多晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)及其制備方法，以提升電池效率，且新工藝與現(xiàn)有薄膜工藝融合性好。
本發(fā)明中的一種鋁誘導(dǎo)晶化多晶硅薄膜電池，其結(jié)構(gòu)依次包括:玻璃襯底、金屬鋁背反射層、P+型背表面場(chǎng)層、P型吸收層、N+型發(fā)射層，在P+型背表面場(chǎng)層和N+型發(fā)射層上均有金屬電極。進(jìn)一步鋁背反射層為絨面結(jié)構(gòu)，P+型背表面場(chǎng)層為多晶硅薄膜層，P型吸收層為P型多晶硅吸收層，N+型發(fā)射層為N+型非晶硅發(fā)射層或N+型多晶硅發(fā)射層，若是為N+型非晶硅發(fā)射層則在P型吸收層和N+型發(fā)射層之間還有一本征非晶硅發(fā)射層i。
上述一種鋁誘導(dǎo)晶化多晶硅薄膜電池的制備方法，其特征在于，采用鋁誘導(dǎo)晶化工藝，具體包括以下步驟:
(I)首先在玻璃襯底上依次沉積非晶硅薄膜和鋁薄膜，厚度范圍分別為100_150nm之間和100-120nm之間，經(jīng)過450-500°C退火處理1-5小時(shí)，硅層和鋁層位置會(huì)發(fā)生互換，同時(shí)非晶硅轉(zhuǎn)變成晶粒尺寸為5-10 μ m的多晶硅。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在該厚度的范圍內(nèi)，可以在底層獲得絨面結(jié)構(gòu)的鋁背反射層，在頂層獲得連續(xù)的P+背表面場(chǎng)層，最優(yōu)厚度組合為非晶硅薄膜120nm，鋁薄膜lOOnm。薄膜制備可以采用蒸鍍、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等多種制備方式中的一種或兩種組合。
(2)在上述制備的P+多晶硅薄膜表面繼續(xù)制備太陽(yáng)能電池的P型吸收層和N+型發(fā)射層結(jié)構(gòu)，兩種方案如下:
(a)沉積P型非晶硅吸收層和和N+型非晶硅發(fā)射層，經(jīng)過后續(xù)晶化工藝，得到P型多晶硅吸收層和N+型多晶硅發(fā)射層，最終形成具有鋁背反射層的P+/P/N+型同質(zhì)結(jié)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。晶化工藝可以采用固相晶化或者激光晶化等晶化方式。
或(b)沉積P型非晶硅吸收層，經(jīng)過后續(xù)晶化工藝，得到P型多晶硅吸收層，形成具有鋁背反射層的P+/P型多晶硅薄膜結(jié)構(gòu)。晶化工藝可以采用固相晶化或者激光晶化等晶化方式。在P型多晶硅吸收層上繼續(xù)沉積i/N+型的非晶硅發(fā)射層薄膜，最終形成具有鋁背反射層的Ρ+/ΡΛ/Ν+型異質(zhì)結(jié)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池。薄膜制備可以采用蒸鍍、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等做種制備方式。
(3)隨后在電池表面派射金屬電極。
優(yōu)選步驟(2)P型吸收層厚度1.5-2 μ m和的N+型發(fā)射層的厚度15_30nm，本征非晶娃層為15_30nm。
有益效果:本發(fā)明提出了一種有效降低吸收層厚度的電池結(jié)構(gòu)和制備方法，增強(qiáng)了電池對(duì)光子的吸收。理論上可以降低原先電池50%的厚度，大幅節(jié)約原料成本。另外，新型電池結(jié)構(gòu)中采用到的制備方法都是目前實(shí)際生產(chǎn)中常用到的退火和鍍膜設(shè)備，能與現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝結(jié)合，在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用前景良好。


附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，下面將將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1為鋁誘導(dǎo)晶化工藝退火前結(jié)構(gòu)示意附圖標(biāo)記:1.襯底，2.退火前非晶硅薄膜，3.退火前鋁薄膜；
圖2為鋁誘導(dǎo)晶化工藝退火后結(jié)構(gòu)示意圖
附圖標(biāo)記:1.襯底，4.退火后鋁薄膜，5.退火后多晶硅薄膜
圖3為實(shí)施例1制備同質(zhì)結(jié)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意附圖標(biāo)記:1.襯底，4.鋁背反射層，5.P+型背表面場(chǎng)層，6.電極，7.P型多晶硅吸收層，8.N+型多晶硅發(fā)射層；
圖4為實(shí)施例2制備異質(zhì)結(jié)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖
附圖標(biāo)記:1.襯底，4.鋁背反射層，5.P+型背表面場(chǎng)層，6.電極，7.P型多晶硅吸收層，9.本征非晶硅發(fā)射層，10.N+型非晶硅發(fā)射層。
具體實(shí)施方式
:
本發(fā)明提供了一種鋁誘導(dǎo)晶化多晶硅薄膜電池結(jié)構(gòu)及其制備方法，多晶硅薄膜電池依次結(jié)構(gòu)為:玻璃襯底、金屬鋁背反層、P+型背表面場(chǎng)層、P型吸收層、N+型發(fā)射層、金屬電極，其特征在于，金屬鋁背反層和P+背表面場(chǎng)層是通過鋁誘導(dǎo)晶化工藝同時(shí)制備的。在P+背表面場(chǎng)層上采用薄膜工藝和晶化工藝，先后制備吸收層和發(fā)射層，根據(jù)發(fā)射層工藝的不同，可以選擇性的得到同質(zhì)結(jié)電池或異質(zhì)結(jié)電池。
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，本使用新型絕非局限于所陳述的實(shí)施例:
實(shí)施例1
(I)如圖1所示，選擇150 X 150 X 3mm的超白浮法玻璃一片作為多晶硅薄膜電池的襯底1，采用PECVD生長(zhǎng)非晶硅薄膜2。PECVD工藝條件:背底真空高于10_7Torr，襯底溫度為150-180° C，壓強(qiáng)為0.36-0.5Torr，射頻功率2.5-20W，頻率為13.56MHz，氣體SiH4流量為4-10sccm，非晶娃薄膜2的厚度為100_150nm。
(2)隨后用磁控濺射沉積鋁薄膜3。濺射工藝條件:背底真空高于10_7Torr，襯底溫度為室溫，壓強(qiáng)為0.005-0.0lTorr，射頻功率100-200W，頻率為13.56MHz，氣體Ar流量為10-20sccm,鋁薄膜3的厚度為100_120nm。
(3)將雙層薄膜在真空退火爐內(nèi)進(jìn)行退火，經(jīng)過450-500° C退火1_5小時(shí)，獲得了如圖2所示的層交換后的鋁薄膜4和多晶硅薄膜5。
(4)在經(jīng)過退火的薄膜表面繼續(xù)依次沉積1.5-2 μ m的P型非晶娃薄膜和15_30nm的N+型非晶硅薄膜，經(jīng)過550° C真空退火12h，獲得圖3所示中的P型多晶硅吸收層7和N+型多晶硅發(fā)射層8，隨后在電池表面濺射銀電極6，形成P+/P/N+型同質(zhì)結(jié)多晶硅薄膜電池。
實(shí)施例2
(I)如圖1所示，選擇150 X 150 X 3mm的超白浮法玻璃一片作為多晶硅薄膜電池的襯底1，采用PECVD生長(zhǎng)非晶硅薄膜2。PECVD工藝條件:背底真空高于10_7Torr，襯底溫度為150-180° C，壓強(qiáng)為0.36-0.5Torr，射頻功率2.5-20W，頻率為13.56MHz，氣體SiH4流量為4-10sccm，非晶娃薄膜2的厚度為100_150nm。
(2)隨后用磁控濺射沉積鋁薄膜3。濺射工藝條件:背底真空高于10_7Torr，襯底溫度為室溫，壓強(qiáng)為0.005-0.0lTorr，射頻功率100-200W，頻率為13.56MHz，氣體Ar流量為10-20sccm,鋁薄膜3的厚度為100_120nm。
(3)對(duì)獲得的雙層薄膜在真空退火爐內(nèi)進(jìn)行退火，經(jīng)過450-500° C退火1_5小時(shí)，獲得了如圖2所示的層交換后的鋁薄膜4和多晶硅薄膜5。
(4)在經(jīng)過退火的薄膜表面繼續(xù)沉積1.5-2 μ m的P型非晶硅薄膜，經(jīng)過550° C真空退火12h，獲得圖4所示中的P型多晶硅吸收層7，隨后采用PECVD在吸收層表面沉積的本征非晶硅發(fā)射層9和的N+型非晶硅發(fā)射層10，本征非晶硅層和N+型非晶硅層的厚度均為10-20nm。在電池表面濺射銀電極6，形成P+/P/i/N+型異質(zhì)結(jié)多晶硅薄膜電池。
權(quán)利要求
1.一種鋁誘導(dǎo)晶化多晶硅薄膜電池，其特征在于，其結(jié)構(gòu)依次包括:玻璃襯底、金屬鋁背反射層、P+型背表面場(chǎng)層、P型吸收層、N+型發(fā)射層，在P+型背表面場(chǎng)層和N+型發(fā)射層上均有金屬電極。
2.權(quán)利要求1的一種鋁誘導(dǎo)晶化多晶硅薄膜電池，其特征在于，鋁背反射層為絨面結(jié)構(gòu)，P+型背表面場(chǎng)層為多晶硅薄膜層，P型吸收層為P型多晶硅吸收層，N+型發(fā)射層為N+型非晶硅發(fā)射層或N+型多晶硅發(fā)射層，若是為N+型非晶硅發(fā)射層則在P型吸收層和N+型發(fā)射層之間還有一本征非晶娃發(fā)射層i。
3.制備權(quán)利要求1或2的一種鋁誘導(dǎo)晶化多晶硅薄膜電池的方法，其特征在于，采用鋁誘導(dǎo)晶化工藝，具體包括以下步驟: (O首先在玻璃襯底上依次沉積非晶硅薄膜和鋁薄膜，厚度范圍分別為100-150nm之間和100-120nm之間，經(jīng)過450-500°C退火處理1-5小時(shí)，硅層和鋁層位置會(huì)發(fā)生互換，同時(shí)非晶硅轉(zhuǎn)變成晶粒尺寸為5-10 μ m的多晶硅； (2)在上述制備的P+多晶硅薄膜表面繼續(xù)制備太陽(yáng)能電池的P型吸收層和N+型發(fā)射層結(jié)構(gòu)，兩種方案如下: (a)沉積P型非晶硅吸收層和和N+型非晶硅發(fā)射層，經(jīng)過后續(xù)晶化工藝，得到P型多晶硅吸收層和N+型多晶硅發(fā)射層，最終形成具有鋁背反射層的P+/P/N+型同質(zhì)結(jié)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池； 或(b)沉積P型非晶硅吸收層，經(jīng)過后續(xù)晶化工藝，得到P型多晶硅吸收層，形成具有鋁背反射層的P+/P型多晶硅薄膜結(jié)構(gòu)；在P型多晶硅吸收層上繼續(xù)沉積i/N+型的非晶硅發(fā)射層薄膜，最終形成具有鋁背反射層的Ρ+/ΡΛ/Ν+型異質(zhì)結(jié)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池； (3)隨后在電池表面濺射金屬電極。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟(I)中非晶硅薄膜為120nm， 鋁薄膜為lOOnm。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟(I)中薄膜制備采用蒸鍍、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等多種制備方式中的一種或兩種組合。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，晶化工藝采用固相晶化或者激光晶化的晶化方式。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟(2)薄膜制備采用蒸鍍、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積的一種或幾種制備方式。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，步驟(2)P型吸收層厚度1.5-2 μ m和的N+型發(fā)射層的厚度15-30nm，i型非晶硅層為15_30nm。
全文摘要
一種鋁誘導(dǎo)晶化多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池及制備方法，屬于晶硅薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)依次包括玻璃襯底、金屬鋁背反射層、P+型背表面場(chǎng)層、P型吸收層、N+型發(fā)射層，在P+型背表面場(chǎng)層和N+型發(fā)射層上均有金屬電極。采用鋁誘導(dǎo)晶化工藝，在玻璃襯底上依次沉積非晶硅薄膜和鋁薄膜，厚度范圍分別為100-150nm之間和100-120nm之間，經(jīng)過450-500℃退火處理1-5小時(shí)，硅層和鋁層位置會(huì)發(fā)生互換，同時(shí)非晶硅轉(zhuǎn)變成晶粒尺寸為5-10μm的多晶硅，繼續(xù)制備太陽(yáng)能電池的P型吸收層、N+型發(fā)射層結(jié)構(gòu)和金屬電極。本發(fā)明理論上可以降低原先電池50%的厚度，大幅節(jié)約原料成本。
文檔編號(hào)H01L31/075GK103137765SQ20131004491
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者張銘, 王濤, 嚴(yán)輝, 沈華龍, 王波, 宋雪梅, 朱滿康, 侯育冬, 劉晶冰, 汪浩 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)