專利名稱：一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體太陽(yáng)能光伏電池的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新的提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)。在太陽(yáng)能光伏電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層上，增加包括透明的導(dǎo)電薄膜層的附加層，在透明的導(dǎo)電薄膜層上施加電壓，向具有電荷俘獲能力的透明絕緣介質(zhì)層中注入電子，被其俘獲。被具有電荷俘獲能力的透明絕緣介質(zhì)層俘獲的電子，會(huì)改變太陽(yáng)能光伏電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層下面半導(dǎo)體材料的表面電勢(shì)，表面能帶，和表面空間電荷區(qū)，達(dá)到降低光生載流子的有效表面復(fù)合速率，使更多的在半導(dǎo)體表面附近的光生少數(shù)載流子被收集，貢獻(xiàn)到太陽(yáng)能光伏電池的輸出光電流中，太陽(yáng)能光伏電池輸出的光電流增加，提高了太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能光伏電池屬于太陽(yáng)能利用的兩種方式中的一種，有硅太陽(yáng)能光伏電池， III-V族，和硫化鎘等半導(dǎo)體化合物材料的太陽(yáng)能光伏電池，以及有機(jī)高分子材料的太陽(yáng)能光伏電池等。太陽(yáng)能光伏電池還可分為單晶太陽(yáng)能光伏電池，多晶太陽(yáng)能光伏電池，微晶或非晶薄膜太陽(yáng)能光伏電池等。在以N型單晶硅，或N型多晶硅半導(dǎo)體材料為襯底制造的P-N結(jié)(P在N上)硅太陽(yáng)能光伏電池中，存在一個(gè)光生載流子的“死層”區(qū)域，且太陽(yáng)短波段光產(chǎn)生的光生載流子多位于這個(gè)區(qū)域。由于在這類型太陽(yáng)能光伏電池中的“死層”區(qū)域存在和界面復(fù)合的影響， 在這個(gè)“死層”區(qū)域和其鄰近區(qū)域中的光生數(shù)載流子會(huì)復(fù)合掉，不產(chǎn)生光電流，對(duì)太陽(yáng)能光伏電池的輸出光電流沒(méi)有貢獻(xiàn)。結(jié)果是，其短波響應(yīng)很差，限制了太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的提高。采用氮化硅膜等鈍化界面缺陷的技術(shù)，能降低光生載流子的有效表面復(fù)合速率， 達(dá)到提高太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率的目的。淺結(jié)、密柵及“死層”薄特征的紫光電池，都能降低了 “死層”區(qū)域的影響，改善電池的短波響應(yīng)，達(dá)到提高太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率的目的。但這些技術(shù)都不能完全消除電池中“死層”區(qū)域的存在。而且，電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層與半導(dǎo)體交界面的界面缺陷能級(jí)，作為光生載流子的復(fù)合中心對(duì)半導(dǎo)體表面附近光生載流子的不利影響仍然存在。選用P型硅半導(dǎo)體材料作為襯底制造的太陽(yáng)能光伏電池，避免了在p-n結(jié)(P在 N上)的太陽(yáng)能光伏電池中的“死層”區(qū)域的影響，提高了太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。但是，電池前表面的Si半導(dǎo)體的界面缺陷能級(jí)，作為光生載流子的復(fù)合中心對(duì)半導(dǎo)體表面附近的光生載流子的不利影響仍然存在。而且，在實(shí)際生產(chǎn)中，不得不實(shí)施的η型重?fù)诫s，還可能會(huì)半導(dǎo)體的表面附近形成俄歇復(fù)合的“死層”區(qū)域，對(duì)太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率有不利影響。2009年，F(xiàn)raunhofer ISE宣布，開(kāi)發(fā)出帶負(fù)電荷的氧化鋁(Al2O3)薄膜層，并替代S^2薄膜層作為η型Si襯底制造的太陽(yáng)能光伏電池的表面掩膜層。帶負(fù)電荷的氧化鋁(Al2O3)薄膜層的應(yīng)用，避免了 SiO2層中所含的氧化物電荷，如正離子鈉(Na+)，對(duì)η型單晶硅太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率的不利影響，提高η型單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率到了 23.4%。然而，即使是氧化鋁(Al2O3)薄膜層中的負(fù)電荷面密度達(dá)到IO1H2Am2，它也只能避免半導(dǎo)體中表面空間電荷區(qū)為耗盡層時(shí)對(duì)光生載流子的不利影響，但電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層與半導(dǎo)體交界面的界面缺陷能級(jí)，作為光生載流子的復(fù)合中心對(duì)半導(dǎo)體表面附近的光生載流子的不利影響仍然存在，限制了 η型單晶硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。

發(fā)明內(nèi)容
本技術(shù)發(fā)明的目的，提出了一種新的提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)方法， 在太陽(yáng)能光伏電池前表面的透明絕緣介質(zhì)掩膜層上，增加包括透明的導(dǎo)電薄膜層的附加層，在透明的導(dǎo)電薄膜層上施加電壓，作用電子隧道穿過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入具有負(fù)電荷俘獲能力的透明絕緣介質(zhì)薄膜層(電荷俘獲層)中，被其俘獲。可以控制注入到電荷俘獲層中的隧穿電子的數(shù)量，到達(dá)改變太陽(yáng)能光伏電池前表面的透明絕緣介質(zhì)掩膜層下面的半導(dǎo)體材料的表面電勢(shì)和表面電場(chǎng)，將半導(dǎo)體材料表面空間電荷區(qū)由耗盡(反型)的狀態(tài)變成堆積狀態(tài)，即消除了半導(dǎo)體中表面空間電荷區(qū)為耗盡(反型)的狀態(tài)對(duì)光生載流子的不利影響；還能達(dá)到使半導(dǎo)體的表面能帶向上彎曲，表面能帶中的導(dǎo)帶遠(yuǎn)離禁帶中央附近的界面缺陷能級(jí)， 減弱了界面缺陷能級(jí)作為光生載流子的復(fù)合中心對(duì)半導(dǎo)體附近光生載流子的不利影響；這都有利于降低光生載流子的有效表面復(fù)合速率。不僅如此，太陽(yáng)光在半導(dǎo)體表面附近的區(qū)域中產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子，在半導(dǎo)體表面電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下離開(kāi)，向ρ-η結(jié)區(qū)域移動(dòng)。這些光生少數(shù)載流子會(huì)被更多的收集成為光生電流，貢獻(xiàn)到太陽(yáng)能光伏電池的輸出光電流中。 太陽(yáng)能光伏電池輸出的光電流增加，提高了太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。注入隧穿電子的方法可以反復(fù)實(shí)施，消除電荷俘獲層中被俘獲的隧穿電子的逃逸，對(duì)太陽(yáng)能光伏電池的輸出光電流和轉(zhuǎn)換效率降低的不利影響。本發(fā)明的技術(shù)方案如下在N型半導(dǎo)體襯底制造的Ρ-η結(jié)(P在N上)太陽(yáng)能光伏電池的太陽(yáng)光入射面上， 即太陽(yáng)能光伏電池前表面的氧化物介質(zhì)掩膜層上面，依次增加包括透明的負(fù)電荷俘獲層， 氧化物介質(zhì)薄膜層和透明的導(dǎo)電薄膜層的附加層，附加層與太陽(yáng)能光伏電池前表面的氧化物介質(zhì)薄膜層一起，在電池前表面的半導(dǎo)體Ρ-η結(jié)上，構(gòu)成透明的導(dǎo)電薄膜層(TC)-氧化物介質(zhì)薄膜層(0)-電荷俘獲層(N)-氧化物介質(zhì)薄膜層(0)，即TC-O-N-O的結(jié)構(gòu)。在TC-O-N-O 的結(jié)構(gòu)中，一氧化物介質(zhì)薄膜層(0)的厚度超薄，電子在電壓的作用下能隧道穿過(guò)該層勢(shì)壘；另一氧化物介質(zhì)薄膜層(0)的厚度較厚，隧穿電子的阻擋層。透明的導(dǎo)電薄膜層的厚度，透明的負(fù)電荷俘獲層的厚度，和較厚的物介質(zhì)薄膜層(0)的厚度要調(diào)節(jié)，匹配較薄的物介質(zhì)薄膜層(0)的厚度滿足在太陽(yáng)能光伏電池前表面抗太陽(yáng)光反射的干涉相消的條件。對(duì)于附加層中氧化物介質(zhì)薄膜層是厚度較薄的氧化物介質(zhì)薄膜層，在透明的導(dǎo)電薄膜層上施加負(fù)電壓，作用電子隧道穿過(guò)這層超薄的氧化物介質(zhì)薄膜層的勢(shì)壘，進(jìn)入其下層的電荷俘獲層，太陽(yáng)能光伏電池前表面的氧化物介質(zhì)掩膜層阻擋隧穿電子進(jìn)入其下的半導(dǎo)體材料，隧穿電子在電荷俘獲層中被俘獲。被電荷俘獲層俘獲的隧穿電子，將改變P型半導(dǎo)體的表面電勢(shì)和表面電場(chǎng)，使P型半導(dǎo)體表面的能帶向上移動(dòng)，表面空間電荷區(qū)中的耗盡層寬度減少。電荷俘獲層俘獲的隧穿電子越多，所帶負(fù)電荷的面密度越高，P型半導(dǎo)體表面的能帶經(jīng)平帶向上彎曲，表面空間電荷區(qū)中的耗盡層消失，變?yōu)槎逊e狀態(tài)，太陽(yáng)能光伏電池的“死層”區(qū)域基本消失。P型半導(dǎo)體的表面能帶繼續(xù)向上彎曲，表面能帶中導(dǎo)帶會(huì)遠(yuǎn)離禁帶中央附近的界面缺陷能級(jí)，即P型半導(dǎo)體表面能帶中的導(dǎo)帶遠(yuǎn)離光生載流子的復(fù)合中心。半導(dǎo)體能帶向上彎曲和耗盡層的消失都有利于光生載流子的有效表面復(fù)合速率迅速降低。 不論是短波段，還是長(zhǎng)波段太陽(yáng)光在P型半導(dǎo)體表面附近的區(qū)域中產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子，會(huì)被更多的收集成為光生電流，并貢獻(xiàn)到太陽(yáng)能光伏電池的輸出電流中，從而得到最大的太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率。


圖1.是-種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)的示意圖。
圖2.是-種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)的實(shí)施方案-的示意圖。
圖2.是-種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)的實(shí)施方案二的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖2，以Si半導(dǎo)體材料的p-n結(jié)(P在N上)太陽(yáng)能光伏電池示意圖， 具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。實(shí)施例僅用于示例本發(fā)明，而不應(yīng)該解釋為限制本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)。如圖2:實(shí)施方案一 11和15是太陽(yáng)能電池的輸出電極，12是致密和無(wú)針孔SiO2掩模層， 13和14是Si半導(dǎo)體太陽(yáng)能光伏電池的p-n結(jié)。在S^2掩模層12上，增加沉積包括氮化硅 Si3N4(或Al2O3)的電荷俘獲層24，超薄的SiO2層23，和氧化銦錫(ITO)透明的導(dǎo)電薄膜層 22的附加層。附加層與電池前表面的SiO2掩模層12在電池前表面的半導(dǎo)體p-n結(jié)表面上形成，氧化銦錫(ITO)透明的導(dǎo)電薄膜層22^02層23^3隊(duì)(或Al2O3)電荷俘獲層M-SW2 層12，即TC-O-N-O的結(jié)構(gòu)。在氧化銦錫(ITO)透明的導(dǎo)電薄膜層22上制做接觸電極21。 透明的導(dǎo)電薄膜層的電極21和附加層與太陽(yáng)能光伏電池的輸出電極11和15隔離。Si3N4 電荷俘獲層M上層的超薄的SW2層23很薄，電子能在電壓的作用下隧道穿過(guò)其勢(shì)壘。其下層的電池S^2掩模層12較厚，是隧穿電子的阻擋層。沉積的Si3N4電荷俘獲層M，氧化銦錫(ITO)透明的導(dǎo)電薄膜層22和SW2掩模層12的厚度要調(diào)節(jié)，匹配超薄的SW2層23 的厚度，滿足太陽(yáng)能光伏電池前表面的抗太陽(yáng)光反射的干涉相消條件。在透明的導(dǎo)電薄膜層的接觸電極21上施加負(fù)電壓，增大負(fù)電壓，作用透明的導(dǎo)電薄膜層22中的電子隧穿過(guò)超薄的SiO2層23的勢(shì)壘，進(jìn)入Si3N4電荷俘獲層M，被其俘獲。 持續(xù)施加負(fù)電壓一段時(shí)間，使Si3N4電荷俘獲層M俘獲的隧穿電子數(shù)量達(dá)到面密度IO1Vcm2 以上，太陽(yáng)能光伏電池中的輸出光電流達(dá)到最大。斷開(kāi)接觸電極21上施加負(fù)電壓，太陽(yáng)能光伏電池中的輸出光電流仍保持最大，即得到最大的太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率。如圖 3實(shí)施方案二 11和15是太陽(yáng)能電池的輸出電極，12是超薄的致密和無(wú)針孔S^2掩膜層，13和14是Si半導(dǎo)體太陽(yáng)能光伏電池的p-n結(jié)。在S^2掩膜層12上，增加沉積包括氮化硅Si3N4 (或Al2O3)的電荷俘獲層M，較厚的SiO2層23，和氧化銦錫(ITO)透明的導(dǎo)電薄膜層22的附加層。附加層與電池前表面的S^2掩模層12在電池前表面的半導(dǎo)體p-n 結(jié)表面上形成，氧化銦錫(ITO)透明的導(dǎo)電薄膜層22^02層23^3隊(duì)(或Al2O3)電荷俘獲層M-SW2層12，即TC-O-N-O的結(jié)構(gòu)。在氧化銦錫(ITO)透明的導(dǎo)電薄膜層22上制做接觸電極21。透明的導(dǎo)電薄膜層22的電極21和附加層與太陽(yáng)能光伏電池的輸出電極11和 15隔離。Si3N4電荷俘獲層M下層的超薄的SW2層12很薄，電子能在電壓的作用下隧道穿過(guò)其勢(shì)壘；其上層的SiO2層23較厚，是隧穿電子的阻擋層。沉積的Si3N4電荷俘獲層24， SiO2層23和氧化銦錫(ITO)透明的導(dǎo)電薄膜層22的厚度要調(diào)節(jié)，匹配超薄SW2掩膜層12 的厚度，滿足太陽(yáng)能光伏電池的抗太陽(yáng)光反射的干涉相消條件。 在透明的導(dǎo)電薄膜層的接觸電極21上施加正電壓，增大正電壓，作用半導(dǎo)體中的電子隧穿過(guò)超薄的SiO2層12，進(jìn)入SiNx負(fù)電荷俘獲層M，被其俘獲。持續(xù)施加正電壓一段時(shí)間，到Si3N4電荷俘獲層M俘獲的隧穿電子數(shù)量達(dá)到面密度IO1Vcm2以上。斷開(kāi)接觸電極21上施加的正電壓，太陽(yáng)能光伏電池中的輸出光電流將達(dá)到最大，即得到最大的太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1.一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，在太陽(yáng)能光伏電池前表面的透明絕緣介質(zhì)掩膜層表面上，增加包括透明的導(dǎo)電薄膜層的附加層，在透明的導(dǎo)電薄膜層施上加電壓，向其下面的具有負(fù)電荷俘獲能力的透明絕緣介質(zhì)薄膜層注入電子，電子隧道穿過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入具有負(fù)電荷俘獲能力的透明絕緣介質(zhì)薄膜層中，被其俘獲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，太陽(yáng)能光伏電池是用η型半導(dǎo)體襯底制造的，具有p-n結(jié)或p-i-n結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能光伏電池，太陽(yáng)能光伏電池前表面的透明絕緣介質(zhì)掩膜層是SiO2薄膜層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，太陽(yáng)能光伏電池前表面的透明絕緣介質(zhì)掩膜層與其下的半導(dǎo)體材料的交界面是光學(xué)平面，或者非光學(xué)平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是， 附加層中還包括氧化物介質(zhì)薄膜層，和透明的負(fù)電荷俘獲薄膜層，并與太陽(yáng)能光伏電池前表面的SiO2薄膜層一起，在電池前表面的半導(dǎo)體材料表面上，構(gòu)成透明的導(dǎo)電薄膜層 (TC)-氧化物介質(zhì)薄膜層(0)-透明的負(fù)電荷俘獲薄膜層(N)-太陽(yáng)能光伏電池前表面的氧化物介質(zhì)薄膜層(0)，即TC-O-N-O的結(jié)構(gòu)層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，2和4所述的一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是， 附加層覆蓋太陽(yáng)能光伏電池前表面區(qū)域，與太陽(yáng)能光伏電池的輸出電極隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，在 TC-O-N-O的結(jié)構(gòu)中，其中一氧化物介質(zhì)薄膜層的厚度較薄，電子在電壓的作用下能隧道穿過(guò)其勢(shì)壘；另一氧化物介質(zhì)薄膜層的厚度較厚，是隧穿電子的阻擋層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，2，4和6所述的一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，隧穿氧化物介質(zhì)薄膜層勢(shì)壘進(jìn)入透明的負(fù)電荷俘獲薄膜層中的電子，被阻擋在該層內(nèi)， 并被其俘獲，俘獲隧穿電子的負(fù)電荷俘獲薄膜層顯帶負(fù)電荷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1，2，4和6所述的一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，太陽(yáng)能光伏電池前表面的透明導(dǎo)電薄膜層的厚度，透明負(fù)電荷俘獲薄膜層的厚度，和較厚的SiO2層的厚度要調(diào)節(jié)，匹配超薄MO2層的厚度，滿足抗太陽(yáng)光反射的干涉相消條件。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高太陽(yáng)能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)。在太陽(yáng)能光伏電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層上增加包括透明的導(dǎo)電薄膜層的附加層，在透明的導(dǎo)電薄膜層上施加電壓，向透明的負(fù)電荷俘獲層注入電子，并被其俘獲，達(dá)到改變位于太陽(yáng)能光伏電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層下面的半導(dǎo)體材料的表面電勢(shì)，表面空間電荷區(qū)和表面能帶。半導(dǎo)體的表面空間電荷區(qū)由耗盡(或反型)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎逊e狀態(tài)，和表面能帶中的導(dǎo)帶移動(dòng)到遠(yuǎn)離禁帶中央附近的界面缺陷能級(jí)，都有利于降低光生載流子的有效表面復(fù)合速率，更多地收集光生少數(shù)載流子，增加太陽(yáng)能光伏電池的光電流輸出，提高太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK102315314SQ20101022887
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者石鄖熙 申請(qǐng)人:石鄖熙