專利名稱：一種硅基埋柵薄膜太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池技術(shù)，尤其涉及一種硅基薄膜太陽能電池。
背景技術(shù)：
光子、電子和聲子都是能量的載體。太陽能電池作為光電能量轉(zhuǎn)換器件，主要是光子和電子之間相互交換能量，同時(shí)有聲子參與這個(gè)交換過程。這種能量的相互作用主要發(fā)生在太陽電池材料表面數(shù)微米的范圍內(nèi)，這為制造薄膜太陽電池提供了物理基礎(chǔ)。由于太陽光具有彌散性，為了獲得數(shù)百瓦的電功率，往往需要數(shù)平方米的太陽電池器件。為了降低成本，發(fā)展大面積微米量級(jí)的薄膜太陽電池十分必要。薄膜太陽電池的基本工作原理是利用半導(dǎo)體材料構(gòu)成的PN結(jié)，光照在太陽能電池內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，經(jīng)過 PN結(jié)電場作用，通過電極引出形成光電流。與多晶硅及單晶硅太陽能電池相比，薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率較低，這與構(gòu)成薄膜太陽能電池的材料為非晶硅材料有關(guān)。非晶硅材料中的缺陷密度大，導(dǎo)致光生載流子在薄膜中的復(fù)合率高，從而降低了電池的轉(zhuǎn)換效率。但是， 由于薄膜太陽能電池的生產(chǎn)成本低，可以淀積在各種類型的襯底甚至可用柔性襯底，薄膜太陽能電池具有了性價(jià)比高的特點(diǎn)，成為了繼晶體硅太陽能電池后的第二代太陽能電池。現(xiàn)在人們生產(chǎn)的主流薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)如圖1所示，從上而下分別為透明頂電極1、底電極4、p型非晶硅2和N型非晶硅3及絕緣襯底5組成。P型非晶硅2和N型非晶硅3疊合連接，在疊合處構(gòu)成一個(gè)PN結(jié)，頂電極1和底電極4分別置于P型非晶硅2 上端面和N型非晶硅3下端面，最終形成一單結(jié)非晶硅薄膜太陽能電池。目前主流工業(yè)化薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率大約為7%-10%，由于非晶硅薄膜材料性能提高十分困難，為了進(jìn)一步提高薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)新型薄膜電池結(jié)構(gòu)顯得十分重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有較高太陽能轉(zhuǎn)換效率的硅基薄膜太陽能電池，上述目的由下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
所述硅基埋柵薄膜太陽能電池，包括一頂電極、一與襯底連接的底電極、P型硅薄膜和 N型硅薄膜，其中所述頂電極被N型硅薄膜所包裹，所述P型硅薄膜包裹在N型硅薄膜的周圍，在P型硅薄膜與N型硅薄膜的結(jié)合面上形成閉合環(huán)狀的PN結(jié)，所述底電極與N型硅薄膜連接。所述太陽能電池的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述P型硅薄膜和N型硅薄膜的為非晶硅或
多晶硅薄膜。所述太陽能電池的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述頂電極和底電極為鋁或銀材料制成的電極，或摻氟氧化鋅或氧化銦硒透明材料制成的電極。所述硅基埋柵薄膜太陽能電池的制作方法，包括如下步驟1)制備底電極；
2)第一次淀積P型硅薄膜，在所述底電極上進(jìn)行硅薄膜淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行P型雜質(zhì)的重?fù)诫s，在底電極上形成P+硅薄膜層；
3)第二次淀積P型硅薄膜，在所述P+硅薄膜上繼續(xù)淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行P型雜質(zhì)的摻雜，在P+硅薄膜層上形成P-硅薄膜層；
4)第一次淀積N型硅薄膜，在所述P-硅薄膜上繼續(xù)淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行N型雜質(zhì)的摻雜，在P-硅薄膜層上形成N-型硅薄膜層；
5)形成歐姆接觸區(qū)，將鏤空有電極窗口的絲網(wǎng)覆蓋于所述N-型硅薄膜上，在電極窗口處的N-型硅薄膜上進(jìn)行N型雜質(zhì)的重?fù)诫s，在電極窗口處的N-型硅薄膜層上形成N+型硅薄膜；
6)制備頂電極，在上述N+型硅薄膜上進(jìn)行頂電極淀積，形成頂電極，去除絲網(wǎng)；
7)第二次淀積N型硅薄膜，在去除絲網(wǎng)后的N-型硅薄膜層上及頂電極上繼續(xù)硅薄膜淀積，同時(shí)進(jìn)行N型雜質(zhì)的摻雜，形成包圍頂電極的N-型硅薄膜層；
8)激光刻蝕P型硅薄膜通槽，在上述N型硅薄膜層兩側(cè)用激光刻蝕出連通所述P-硅薄膜層的通槽；
9)第三次淀積P型硅薄膜，對上述通槽繼續(xù)進(jìn)行硅薄膜淀積，在淀積硅薄膜的同時(shí)進(jìn)行P型雜質(zhì)的摻雜，形成包圍N型硅薄膜的P-硅薄膜層。所述太陽能電池制作方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述P型雜質(zhì)的重?fù)诫s所形成的 P-硅薄膜層，其硅薄膜中摻雜硼元素B的濃度達(dá)IO13 1015，所述P型雜質(zhì)的摻雜所形成的 P+硅薄膜層，硅薄膜中摻雜硼元素B的濃度達(dá)IO17 1019，所述N型雜質(zhì)的重?fù)诫s所形成的 N-硅薄膜層，硅薄膜中摻雜磷元素P的濃度達(dá)IO13 1015，所述N型雜質(zhì)的摻雜所形成的N 硅薄膜層，是指硅薄膜中摻雜磷元素P的濃度達(dá)IO17 1019。所述太陽能電池制作方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述第一、二、三次淀積P型硅薄膜和所述第一、二次淀積N型硅薄膜都采用等離子化學(xué)增強(qiáng)氣相沉積儀進(jìn)行的淀積。
所述太陽能電池制作方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述通槽寬度與N型硅薄膜層的寬度比為 1 :22 1 :18ο所述太陽能電池制作方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述底電極是通過磁控濺射鋁在襯底上形成導(dǎo)電的鋁或銀薄膜。所述太陽能電池制作方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述頂電極是采用磁控濺射方法進(jìn)行制備的。本發(fā)明的薄膜太陽能電池與現(xiàn)有的薄膜太陽能電池相比，電池的頂電極位于N型薄膜區(qū)內(nèi)，N型硅薄膜被P型硅薄膜所包裹，形成一個(gè)閉合環(huán)狀的PN結(jié)，該閉合環(huán)形的PN結(jié)與底電極平行的上下兩面都可以接受光的輻射，提高了太陽能電池的受光面積，從而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的頂電極可以使用鋁和銀等金屬材料，而不局限于主流薄膜太陽能電池的透明電極，可以減小電池電極的制作難度，提高電池電極的導(dǎo)電性。本發(fā)明的疊層太陽能電池的制備工藝與現(xiàn)有薄膜電池生產(chǎn)工藝兼容，可利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品更新?lián)Q代所需投入的設(shè)備成本極低。


圖1是現(xiàn)有薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的硅基埋柵薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是制備底電極的工藝過程示意圖。圖5是第二次淀積P型硅薄膜的工藝過程示意圖。圖6是第一次淀積N型硅薄膜的工藝過程示意圖。圖7是形成歐姆接觸區(qū)的工藝過程示意圖。圖8是制備頂電極的工藝過程示意圖。圖9是頂電極制備好后去掉覆蓋絲網(wǎng)的工藝過程示意圖。圖10是第二次淀積N型硅薄膜的工藝過程示意圖。圖11是激光刻蝕P型硅薄膜通槽的工藝過程示意圖。圖12是形成本發(fā)明太陽能電池具體結(jié)構(gòu)的示工藝過程意圖。圖13是本發(fā)明多晶硅薄膜太陽電池與普通薄膜電池光譜響應(yīng)比較圖。圖14是本發(fā)明非晶硅、多晶硅薄膜太陽電池的光譜響應(yīng)比較圖。圖15是本發(fā)明多晶硅薄膜太陽電池N型硅薄膜厚度對電池光譜響應(yīng)的影響。圖16是本發(fā)明多晶硅薄膜太陽電池N型硅薄膜雜質(zhì)濃度對電池光譜響應(yīng)的影響。圖中，1-襯底，2-底電極，3-P型硅薄膜層，4-N型硅薄膜層，5-頂電極，6-PN結(jié)， 7-N型雜質(zhì)，8絲網(wǎng)。
具體實(shí)施例方式對照圖2，本實(shí)施例的硅基埋柵薄膜太陽能電池主要由襯底1、底電極2、P型硅薄膜層3、N型硅薄膜層4和頂電極5組成。其中的N型硅薄膜層4和P型硅薄膜層3可以由非晶硅薄膜或多晶硅薄膜通過摻雜硼元素(P型)和磷元素(N型)雜質(zhì)形成，該硅薄膜的禁帶寬度大致為1. 1-1. 7ev。底電極2位于襯底5上并與P型硅薄膜層3連接。P型硅薄膜層3包裹在N型硅薄膜層4的周圍，在P型硅薄膜與N型硅薄膜的結(jié)合面上形成閉合環(huán)狀的PN結(jié)6，底電極2與P型硅薄膜層3連接。上述的硅基埋柵薄膜太陽能電池用下述工藝過程制作
1)采用磁控濺射鋁的方法來制備底電極。當(dāng)然也可用磁控濺射銀或氟氧化鋅或氧化銦硒透明材料在襯底上形成導(dǎo)電鋁薄膜，見圖3。2)第一次淀積P型硅薄膜，在上述底電極上，用等離子化學(xué)增強(qiáng)氣相沉積儀進(jìn)行硅薄膜淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行P型雜質(zhì)(硼元素B)的重?fù)诫s，摻雜濃度在IO17 1019，在底電極上形成P+硅薄膜層，見圖4。3)第二次淀積P型硅薄膜，用等離子化學(xué)增強(qiáng)氣相沉積儀在上述P+硅薄膜上繼續(xù)淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行P型雜質(zhì)的摻雜，摻雜濃度在IO13 1015，在P+硅薄膜層上形成 P-硅薄膜層，見圖5。4)第一次淀積N型硅薄膜，用等離子化學(xué)增強(qiáng)氣相沉積儀在上述P-硅薄膜上繼續(xù)淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行N型雜質(zhì)(磷元素P)的摻雜，摻雜濃度在IO13 1015，在P-硅薄膜層上形成N-型硅薄膜層，見圖6。5)形成歐姆接觸區(qū)，將中心部分鏤空有電極窗口的絲網(wǎng)覆蓋于在上述N-型硅薄膜上，在電極窗口處的N-型硅薄膜上進(jìn)行N型雜質(zhì)的重?fù)诫s，摻雜濃度在IO17 1019，在電極窗口處的N-型硅薄膜層上形成N+型硅薄膜，見圖7。6)制備頂電極，采用磁控濺射方法在上述N+型硅薄膜上進(jìn)行頂電極淀積，形成鋁 (Al)導(dǎo)電條的頂電極，之后去除絲網(wǎng)，見圖8、圖9。7)第二次淀積N型硅薄膜，在去除絲網(wǎng)后的N-型硅薄膜層上及頂電極上，用等離子化學(xué)增強(qiáng)氣相沉積儀對上述的頂電極上及去除絲網(wǎng)后的N-型硅薄膜層上繼續(xù)硅薄膜淀積，在淀積硅薄膜的同時(shí)進(jìn)行N型雜質(zhì)的摻雜，形成包圍頂電極的N-型硅薄膜，見圖10。8)激光刻蝕P型硅薄膜通槽，在上述N型硅薄膜層兩側(cè)用激光刻蝕出連通所述 P-硅薄膜層的通槽，通槽寬度與N型硅薄膜層的寬度比為1 :22 1 :18，較佳比例為1 :20， 見圖11。9)第三次淀積P型硅薄膜。對上述N型硅薄膜層及兩側(cè)的通道繼續(xù)進(jìn)行硅薄膜淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行P型雜質(zhì)的摻雜，摻雜濃度在IO13 1015，形成包圍N型硅薄膜的 P-硅薄膜層該P(yáng)-硅薄膜層通過所述通槽連接第二次淀積的P-型硅薄膜層，使整個(gè)P-型硅薄膜層包裹在N型硅薄膜層外周側(cè)，見圖12。本發(fā)明的硅基埋柵薄膜太陽能電池的形成PN結(jié)的N型區(qū)位于P型區(qū)中，形成閉合環(huán)形的PN結(jié)，該P(yáng)N結(jié)與底電極平行的上下兩面都可以接受光的輻射，提高了太陽能電池的受光面積，從而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。頂電極位于N型區(qū)中。本發(fā)明通過SILVAC0 軟件的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具有較佳的光電性能，SILVAC0軟件仿真結(jié)果為IEEE (美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì))所認(rèn)可。下面是具體的相關(guān)性能檢測試驗(yàn)的實(shí)施例。實(shí)施例1，多晶硅薄膜電池光譜響應(yīng)仿真試驗(yàn)。該試驗(yàn)的結(jié)果請參見圖13，兩種電池的光譜響應(yīng)變化趨勢相同，都是在300 700nm波段隨著波長的增加而增加，到700nm以后光譜響應(yīng)強(qiáng)度下降。本發(fā)明電池在整個(gè)太陽光譜區(qū)的響應(yīng)強(qiáng)度較多晶硅薄膜太陽能電池均有所增強(qiáng)。 通過對整個(gè)光譜響應(yīng)的積分可以看出，本發(fā)明電池的光譜響應(yīng)比多晶硅薄膜太陽能電池增強(qiáng)約30%。這表明本發(fā)明電池中的矩形PN結(jié)可以有效的提高多晶硅薄膜電池的光譜響應(yīng)。 這是因?yàn)楸景l(fā)明電池中的矩形PN結(jié)的兩個(gè)面與底電極平行，增加了電池的受光面，由于這兩個(gè)面一個(gè)靠近表面，一個(gè)靠近底電極，所以，該結(jié)構(gòu)不僅僅提高了相同面積上電池的有效受光面，而且對于短波和長波光線的吸收都有利，因此，在AMI. 5條件下，仿真的所有波段的光譜響應(yīng)都有所增加，且效果較為明顯。實(shí)施例2，非晶硅薄膜電池光譜響應(yīng)仿真試驗(yàn)。該試驗(yàn)的結(jié)果請參見圖14，該圖中比較了本發(fā)明的電池分別應(yīng)用非晶硅和多晶硅薄膜作為電池中的半導(dǎo)體材料的光譜響應(yīng)強(qiáng)度。從圖14中可以看出，非晶硅電池比多晶硅電池的光譜響應(yīng)電流有所下降，但整體變化趨勢不變，這說明應(yīng)用本發(fā)明所制備的太陽能電池可以使用不同的半導(dǎo)體材料作為電池中的光電材料。非晶硅電池的光電響應(yīng)下降與非晶硅的缺陷密度較大，導(dǎo)致光生電流復(fù)合率上升有關(guān)。實(shí)施例3，多晶硅薄膜太陽電池N型硅薄膜厚度對電池光譜響應(yīng)的影響
該試驗(yàn)的結(jié)果請參見圖15。圖中所示為N型硅薄膜厚度分別0. 6、1. 1、1. 6、2. 1、2. 6μπι 的多晶硅薄膜電池的光譜響應(yīng)。從圖中可以看出隨著多晶硅薄膜厚度的增加，在300-850nm 波段光譜響應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，特別是在600-750nm的波段增強(qiáng)比較明顯。這說明，隨著N型硅薄膜厚度的增加，長波吸收增強(qiáng)，但光譜響應(yīng)的增強(qiáng)幅度減小。 實(shí)施例4，多晶硅薄膜太陽電池N型硅薄膜雜質(zhì)濃度電池光譜響應(yīng)的影響
該試驗(yàn)的結(jié)果請參見圖16。圖中所示為N型硅薄膜中雜質(zhì)濃度分別5el4、lel5、5el5、 Iel6、5el6、lel7的多晶硅薄膜電池的光譜響應(yīng)。從圖中可以看出隨著多晶硅薄膜中雜質(zhì)濃度的增加，電池的光譜響應(yīng)變化不明顯。但是，局部放大后如圖7可以看出電池的光譜響應(yīng)先增強(qiáng)后減弱，這是由于隨著太陽能電池中雜質(zhì)的濃度的增加，電池中硅薄膜的導(dǎo)電性增加，但是當(dāng)硅薄膜中的雜質(zhì)濃度過高，必然導(dǎo)致電池中光生電流復(fù)合率上升，從而電池的光譜響應(yīng)強(qiáng)度隨著硅薄膜中雜質(zhì)濃度的先增加后下降。
權(quán)利要求
1.一種硅基埋柵薄膜太陽能電池，包括一頂電極、一與襯底連接的底電極、P型硅薄膜和N型硅薄膜，其中所述頂電極被N型硅薄膜所包裹，所述P型硅薄膜包裹在N型硅薄膜的周圍，在P型硅薄膜與N型硅薄膜的結(jié)合面上形成閉合環(huán)狀的PN結(jié)，所述底電極與N型硅薄膜連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基埋柵薄膜太陽能電池，其特征在于所述P型硅薄膜和N型硅薄膜的為非晶硅或多晶硅薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅基埋柵薄膜太陽能電池，其特征在于所述頂電極和底電極為鋁或銀材料制成的電極，或摻氟氧化鋅或氧化銦硒透明制成的電極。
4.如權(quán)利要求1所述一種硅基埋柵薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于包括如下步驟1)制備底電極；2)第一次淀積P型硅薄膜，在所述底電極上進(jìn)行硅薄膜淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行P型雜質(zhì)的重?fù)诫s，在底電極上形成P+硅薄膜層；3)第二次淀積P型硅薄膜，在所述P+硅薄膜上繼續(xù)淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行P型雜質(zhì)的摻雜，在P+硅薄膜層上形成P-硅薄膜層；4)第一次淀積N型硅薄膜，在所述P-硅薄膜上繼續(xù)淀積，在淀積的同時(shí)進(jìn)行N型雜質(zhì)的摻雜，在P-硅薄膜層上形成N-型硅薄膜層；5)形成歐姆接觸區(qū)，將鏤空有電極窗口的絲網(wǎng)覆蓋于所述N-型硅薄膜上，在電極窗口處的N-型硅薄膜上進(jìn)行N型雜質(zhì)的重?fù)诫s，在電極窗口處的N-型硅薄膜層上形成N+型硅薄膜；6)制備頂電極，在上述N+型硅薄膜上進(jìn)行頂電極淀積，形成頂電極，去除絲網(wǎng)；7)第二次淀積N型硅薄膜，在去除絲網(wǎng)后的N-型硅薄膜層上及頂電極上繼續(xù)硅薄膜淀積，同時(shí)進(jìn)行N型雜質(zhì)的摻雜，形成包圍頂電極的N-型硅薄膜層；8)激光刻蝕P型硅薄膜通槽，在上述N型硅薄膜層兩側(cè)用激光刻蝕出連通所述P-硅薄膜層的通槽；9)第三次淀積P型硅薄膜，對上述通槽繼續(xù)進(jìn)行硅薄膜淀積，在淀積硅薄膜的同時(shí)進(jìn)行P型雜質(zhì)的摻雜，形成包圍N型硅薄膜的P-硅薄膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種硅基埋柵薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于所述 P型雜質(zhì)的重?fù)诫s所形成的P-硅薄膜層，其硅薄膜中摻雜硼元素B的濃度達(dá)1O13 1015，所述P型雜質(zhì)的摻雜所形成的P+硅薄膜層，硅薄膜中摻雜硼元素B的濃度達(dá)IO17 1019，所述 N型雜質(zhì)的重?fù)诫s所形成的N-硅薄膜層，硅薄膜中摻雜磷元素P的濃度達(dá)IO13 1015，所述 N型雜質(zhì)的摻雜所形成的N硅薄膜層，是指硅薄膜中摻雜磷元素P的濃度達(dá)IO17 1019。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種硅基埋柵薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于所述第一、二、三次淀積P型硅薄膜和所述第一、二次淀積N型硅薄膜都采用等離子化學(xué)增強(qiáng)氣相沉積儀進(jìn)行的淀積。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種硅基埋柵薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于所述通槽寬度與N型硅薄膜層的寬度比為1 :22 1 :18。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種硅基埋柵薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于所述底電極是通過磁控濺射鋁在襯底上形成導(dǎo)電的鋁或銀薄膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種硅基埋柵薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于所述頂電極是采用磁控濺射方法進(jìn)行制備的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅基薄膜太陽能電池，包括一頂電極、一與襯底連接的底電極、P型硅薄膜和N型硅薄膜，其中所述頂電極被N型硅薄膜所包裹，所述P型硅薄膜包裹在N型硅薄膜的周圍，在P型硅薄膜與N型硅薄膜的結(jié)合面上形成閉合環(huán)狀的PN結(jié)，所述底電極與N型硅薄膜連接。其制作步驟是1)制備底電極；2)第一次淀積P型硅薄膜；3)第二次淀積P型硅薄膜；4)第一次淀積N型硅薄膜；5)形成歐姆接觸區(qū)；6)制備頂電極；7)第二次淀積N型硅薄膜；8)激光刻蝕P型硅薄膜通槽；9)第三次淀積P型硅薄膜。優(yōu)點(diǎn)是提高了太陽能電池的受光面積，從而提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)制作容易，成本低。
文檔編號(hào)H01L31/0352GK102280501SQ20111021904
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月2日
發(fā)明者朱海峰, 王強(qiáng), 章國安, 花國然, 陸健 申請人:南通大學(xué)