專利名稱：基于tco薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光伏器件與技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于TCO薄膜和鍵合技術(shù) 的太陽能電池。
背景技術(shù)：
太陽能電池可以直接將太陽光能轉(zhuǎn)變成電能，解決目前全球面臨的能源危機(jī)，因 此構(gòu)造低成本、高效率的太陽能電池成為國內(nèi)外光伏行業(yè)的研究重點(diǎn)。目前具有單個(gè)或多 個(gè)PN結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體太陽能電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用航天、軍事、衛(wèi)星、景觀照明和家庭用電等 技術(shù)領(lǐng)域。太陽能電池利用了材料的光伏特效應(yīng)，即器件暴露在光線下時(shí)產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象。 目前常用的太陽能電池多由半導(dǎo)體材料制成，采用PN結(jié)結(jié)構(gòu)或肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)(包括MIS 和SIS電池結(jié)構(gòu))。單個(gè)PN結(jié)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率，但電池制作工藝復(fù)雜，成本較 高；肖特基勢(shì)壘(包括MIS和SIS結(jié)構(gòu))太陽能電池制作工藝簡單，但轉(zhuǎn)換效率較低，應(yīng)用 范圍較小。因此，構(gòu)造一種工藝簡單的新結(jié)構(gòu)高效太陽能電池是其能夠被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)太陽能電池高的轉(zhuǎn)換效率，國內(nèi)外都開始嘗試采用多個(gè)結(jié)來構(gòu)造太陽能 電池，結(jié)與結(jié)之間通過隧道結(jié)或晶片鍵合連接，這樣可以有效的利用太陽光譜，提高電池 效率。文獻(xiàn) 1 :"c. Μ. Fetzer, R. R. King, P. C. Colter, et al, J. Cryst. Growth 261 (2-3) (2004)341-348” 和文獻(xiàn) 2 :‘‘R. R. King，D. C. Law，K. Μ. Edmondson，et al, Appl. Phys. Lett. 90(18) (2007) 183516 :1_3”中報(bào)導(dǎo)的多結(jié)太陽能電池具有較高的效率，但其生產(chǎn)工藝 復(fù)雜，成本較高，難以廣泛利用；文獻(xiàn) 3 :"J. Μ. Zahler, K. Tanabe，C. Ladous，et al, Appl. Phys. Lett. 91(1) (2007)012108 1-3” 和文獻(xiàn) 4 :"M. J. Archer, D. C. Law, S. Mesropian, et al，Appl. Phys. Lett. 92(10) (2008) 103503 :1_3”中報(bào)道了一種利用鍵合技術(shù)制造單結(jié)和雙 結(jié)電池的方法，利用這種方法可以降低材料成本，但其制作工藝復(fù)雜，效率提升不明顯。因 此，半導(dǎo)體PN結(jié)太陽能電池還不能實(shí)現(xiàn)低成本高效率大規(guī)模的生產(chǎn)，也就無法得到推廣。肖特基勢(shì)壘(包括MIS和SIS電池結(jié)構(gòu))太陽能電池因?yàn)槠浜唵蔚墓に?，一直被?們所研究，近幾年SIS電池成為研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)5 :"v. Μ. Botnaryuk, L. V. Gorchak, et al，Tech. Phys. 43(5) (1998)546-9”和文獻(xiàn) 6 :‘‘0.Malik，F(xiàn). J. De la Hidalga-ff,et al, Journal of Non-Crystalline Solids 354 (2008) 2472-2477” 報(bào)道了利用 ITO 制作的不同 半導(dǎo)體材料的SIS太陽能電池，其工藝簡單，利于生產(chǎn)，但效率相對(duì)單個(gè)PN結(jié)要低很多，這 限制了其應(yīng)用范圍。綜上所述，目前太陽能電池研究的兩個(gè)目標(biāo)是降低成本和提高轉(zhuǎn)換效率，其中降 低成本包括使用較少、低廉的材料實(shí)現(xiàn)等價(jià)的輸出功率和減少電池生產(chǎn)工藝步驟和工藝成 本；提高轉(zhuǎn)換效率主要是通過多個(gè)不同帶隙結(jié)的串聯(lián)以更加有效的利用太陽光譜。因此借 助于現(xiàn)有生產(chǎn)手段，用最低的成本實(shí)現(xiàn)最大的輸出效率是太陽能電池的未來發(fā)展趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電 池結(jié)構(gòu)，解決目前太陽能電池生產(chǎn)成本高和轉(zhuǎn)化效率低的問題，達(dá)到同時(shí)降低生產(chǎn)工藝成 本和提高電池輸出效率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電池，包括一下電極；一 N型材料層，該N型材料層制作在下電極上；一第一 TCO薄膜層，該第一 TCO薄膜層制作在N型材料層上；一第二 TCO薄膜層，該第二 TCO薄膜層鍵合在第一 TCO薄膜層上；一 P型材料層，該P(yáng)型材料層制作在第二 TCO薄膜層上；一上圖形電極，該上圖形電極制作在P型材料層上。其中N型材料層和P型材料層為厚度不同的同種材料，或是帶隙合理組合的異種 材料。其中N型材料層和P型材料層為單晶、多晶或非晶。其中第一、第二 TCO薄膜層是寬帶隙透明導(dǎo)電材料。其中第一、第二 TCO薄膜層的材料為Sn02、In2O3或ΙΤ0。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的高效太陽能電池，由于上下兩層 異型材料與TCO之間能形成肖特基勢(shì)壘或SIS結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)型層，且兩層半導(dǎo)體材料在光照 下產(chǎn)生的剩余電子向下(N型材料)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的剩余空穴向上(P型材料)運(yùn)動(dòng)，故相當(dāng)于 兩個(gè)電池是串聯(lián)在一起。當(dāng)上下兩個(gè)子電池在串聯(lián)狀態(tài)下產(chǎn)生相同的光生載流子時(shí)，該結(jié) 構(gòu)電池可以獲得最大的輸出效率，開路電壓近似于兩個(gè)子電池電壓的疊加。即此種結(jié)構(gòu)電 池有效的利用了太陽光譜，提高了輸出電壓。2、本發(fā)明提供的這種基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的高效太陽能電池，兩層半導(dǎo)體材 料可以是同種材料，特別適用于間接帶隙材料，如Si材料，合理選擇上層材料厚度，使其有 效吸收短波長光子后產(chǎn)生的光生載流子等價(jià)于下層材料吸收長波長光子后產(chǎn)生的光生載 流子，則該電池可實(shí)現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)換效率。3、本發(fā)明提供的這種基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的高效太陽能電池，可根據(jù)TCO薄 膜的要求選擇不同的材料和生長工藝，以使得子電池與其之間形成最大的勢(shì)壘；半導(dǎo)體材 料也可以根據(jù)要求選擇單晶、多晶或非晶。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施方式及附圖詳細(xì)說明如后，其 中圖1為本發(fā)明提供的基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的高效太陽能電池垂直剖面結(jié)構(gòu)示 意圖；其中兩層半導(dǎo)體中間為TCO薄膜，薄膜中間虛線代表鍵合界面，上電極為優(yōu)化后的條 形電極需同時(shí)保證電池有效的受光面積和較低的接觸電阻，部分電池結(jié)構(gòu)中也可采用透明 電極。圖2為本發(fā)明提供的基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的高效太陽能電池生產(chǎn)工藝步驟示意圖。圖3為本發(fā)明以半導(dǎo)體材料Si為例構(gòu)造的高效太陽能電池能帶結(jié)構(gòu)圖；其中圖 3(a)為ITO和P型、N型硅的能級(jí)分布，圖3(b)為該結(jié)構(gòu)太陽能電池能帶分布圖。圖4為本發(fā)明以P型GaAs和N型Si為例構(gòu)造的高效太陽能電池能帶結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于T⑶薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電池，包括一下電極 10;一 N型材料層20，該N型材料層20制作在下電極10上；一第一 TCO薄膜層30，該第一 TCO薄膜層30制作在N型材料層20上；一第二 TCO薄膜層40，該第二 TCO薄膜層40鍵合在第一 TCO薄膜層30上；所述的第一、第二 TCO薄膜層30、40是寬帶隙透明導(dǎo)電材料，該第一、第二 TCO薄 膜層30、40的材料為SnO2、In2O3或ITO ；一 P型材料層50，該P(yáng)型材料層50制作在第二 TCO薄膜層40上；所述的該N型材料層20和P型材料層50為厚度不同的同種材料，或是帶隙合理 組合的異種材料，該N型材料層20和P型材料層50為單晶、多晶或非晶；一上圖形電極60，該上圖形電極60制作在P型材料層50上。再如圖1所示，該太陽能電池包括N型材料層20、P型材料層50和第一 TCO薄膜 層30、第二 TCO薄膜層40 ；其中，所述N型材料層20、P型材料層50可采用同種材料，也可 采用具有不同帶隙的異種材料，如P-InP與N-Si、P-GaN與N-GaAs等；所述第一 TCO薄膜層 30、第二 TCO薄膜層40分別生長在兩個(gè)異型體材料上，然后利用晶片鍵合構(gòu)造單片太陽能 電池。上述N型材料層20和P型材料層50可以是單晶、多晶或非晶半導(dǎo)體材料。上述第一 TCO薄膜層30和第二 TCO薄膜層40是寬帶隙透明導(dǎo)電材料，如Sn02、 In2O3 或 ITO 等。上述第一 TCO薄膜層30和第二 TCO薄膜層40分別沉積在兩層異型半導(dǎo)體材料 上，TCO與半導(dǎo)體材料形成較高的肖特基勢(shì)壘，或者通過對(duì)半導(dǎo)體材料的合理的摻雜和表面 氧化，構(gòu)造成SIS電池結(jié)構(gòu)。上述沉積第一 TCO薄膜層30和第二 TCO薄膜層40后的兩片半導(dǎo)體材料，經(jīng)表面 處理后通過鍵合技術(shù)構(gòu)造單片結(jié)構(gòu)，最后上下兩面分別做上圖形電極60和下電極10，形成 簡單高效太陽能電池。如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的高效太陽能電池制 作工藝步驟示意圖。其中以P型材料層50作為太陽能電池的上層材料，一般其材料帶隙較 大(大于下層材料帶隙)，如果和下層的N型材料層20為同種材料，則必須優(yōu)化其厚度，主 要可以通過體材料減薄或鍵合后腐蝕實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料與TCO之間有較高的勢(shì) 壘，一般還需要對(duì)半導(dǎo)體材料表面做一定的處理，如采用Si材料時(shí)在其表面生長十埃左右 的氧化層或者對(duì)半導(dǎo)體材料表面進(jìn)行鈍化處理以減少表面態(tài)。所生長的第一 TCO薄膜層30 和第二 TCO薄膜層40載流子濃度控制需滿足導(dǎo)電需要，一般約為1021cm3，費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo) 帶內(nèi)，約比導(dǎo)帶底高0. 6eV，功函數(shù)約為4. 5-4. SeV ；為了確定薄膜厚度還需考慮其減反射特性，即鍵合后的第一 TCO薄膜層30和第二 TCO薄膜層40的總厚度對(duì)下層電池吸收的某 個(gè)固定波長的光起到減反射作用。通過鍵合技術(shù)使兩層材料成為單片結(jié)構(gòu)，能夠承受一定 的機(jī)械外力和溫度變化，以利于后續(xù)工藝的實(shí)現(xiàn)，此外還必須保證兩片之間良好的電導(dǎo)通。 為了得到好的鍵合界面，一般需要對(duì)TCO表面進(jìn)行清洗處理或其他改進(jìn)工藝。根據(jù)圖1和圖2所述的這種基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的高效太陽能電池結(jié)構(gòu)和工 藝，以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的高效太陽能電池進(jìn) 一步詳細(xì)說明。實(shí)施例一本實(shí)例中P型材料層20和N型材料層50均為單晶Si，其帶隙為1. 12eV。其中P 型硅位于電池上層，厚度一般小于100微米，主要吸收短波長光子；N型硅位于電池下層，厚 度約為300微米，可以吸收透過上層硅的長波長光子，電池底部不需要進(jìn)行任何的處理就 可以實(shí)現(xiàn)光子的完全吸收。第一、第二 TCO薄膜層30、40選為ΙΤ0，每層厚度約為80nm，為 了在ITO與Si之間得到較高的勢(shì)壘，一般對(duì)硅表面進(jìn)行氧化處理，如熱氧化或H2O2浸泡，氧 化層厚度為十埃左右。經(jīng)上述處理以后可以在硅表面形成強(qiáng)反型層，勢(shì)壘高度會(huì)被大大提 高，兩個(gè)鍵合前子電池可以認(rèn)為是SIS結(jié)構(gòu)電池。鍵合后電池可以在上表面鍍抗反射涂層 以增加光的吸收。為了提高載流子的收集效率和實(shí)現(xiàn)上圖形電極60和下電極10與Si的 理想歐姆接觸，可以在上下與電極接觸的Si表面進(jìn)行重?fù)诫s。上述電池結(jié)構(gòu)能帶圖如圖3所示，其中圖3(a)為ITO及P_Si、N_Si相對(duì)于真空 的能級(jí)分布圖，如果ITO費(fèi)米能級(jí)處于Si帶隙中央位置，則理論上可與N型、P型硅形成最 佳肖特基勢(shì)壘；圖3(b)為該結(jié)構(gòu)電池的能帶圖，P型Si能帶向下彎曲，剩余電子向右運(yùn)動(dòng)； N型Si能帶向上彎曲，剩余空穴向左運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于兩個(gè)SIS電池串聯(lián)。當(dāng)上層P-Si構(gòu)造的 SIS電池與下層N-Si構(gòu)造的SIS電池所收集的光生載流子相同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)電池最大 的輸出效率，其開路電壓約等于兩個(gè)子電池開路電壓之和。實(shí)施例二本實(shí)例中P型材料層20和N型材料層50分別為單晶GaAs和單晶Si。GaAs帶隙 大于Si，位于電池上層，吸收大于其帶隙的光子，其厚度僅需要幾微米，且因?yàn)槠溆休^大的 電子親和勢(shì)，不需要借助絕緣層也能夠與ITO形成較高的肖特基勢(shì)壘。其他構(gòu)造與實(shí)施例 1類似，具體電池能帶圖可參照附圖4。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電池，包括一下電極；一N型材料層，該N型材料層制作在下電極上；一第一TCO薄膜層，該第一TCO薄膜層制作在N型材料層上；一第二TCO薄膜層，該第二TCO薄膜層鍵合在第一TCO薄膜層上；一P型材料層，該P(yáng)型材料層制作在第二TCO薄膜層上；一上圖形電極，該上圖形電極制作在P型材料層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電池，其中N型材料層和 P型材料層為厚度不同的同種材料，或是帶隙合理組合的異種材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電池，其中N型材料 層和P型材料層為單晶、多晶或非晶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電池，其中第一、第二TCO 薄膜層是寬帶隙透明導(dǎo)電材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電池，其中第一、第二 TCO薄膜層的材料為Sn02、In2O3或ΙΤ0。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于TCO薄膜和鍵合技術(shù)的太陽能電池，包括一下電極；一N型材料層，該N型材料層制作在下電極上；一第一TCO薄膜層，該第一TCO薄膜層制作在N型材料層上；一第二TCO薄膜層，該第二TCO薄膜層鍵合在第一TCO薄膜層上；一P型材料層，該P(yáng)型材料層制作在第二TCO薄膜層上；一上圖形電極，該上圖形電極制作在P型材料層上。
文檔編號(hào)H01L31/042GK101882638SQ20101019613
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者劉安金, 周文君, 彭紅玲, 鄭婉華, 陳微, 馬紹棟 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所