CN102956720A - 一种太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能电池及其制作方法，该太阳能电池包括硅衬底以及在所述硅衬底背光面一侧的背反射层，所述背反射层包括叠置地至少两层硅含量不同的SiX层，其中，X表示碳、氧或氮。该太阳能电池不仅光生电流高，而且结构稳定，从而可以长期保持稳定的光生电流。此外，本发明提供的太阳能电池的制备工艺简单，且易于操作，适于大规模生产。

Description

一种太阳能电池及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种太阳能电池及其制作方法。

背景技术

太阳能电池是一种通过光伏效应将太阳光转化为电能的半导体器件，其主要原料为硅片(多晶硅)。近年来，由于硅原料价格的快速上涨，成为制约光伏产业发展的瓶颈。

为了降低生产成本，太阳能电池逐渐向薄片化发展，如硅片的厚度由300μm(微米)降低到200μm，而且逐渐向100μm以下发展。然而，硅属于非直接跃迁型材料，硅片的厚度越薄，入射光子从硅片背面透射出去的越多，这将导致入射光的利用率偏低，从而降低太阳能电池的光电转化效率，而且开路电压也会受到影响。

其中，中国发明专利CN200810224180.6一种太阳能电池，是

在硅片不受光一侧的表面制备了多孔硅布拉格反射器，通过多孔硅布

拉格反射器延长光子在硅片中的光学路径，以此来提高太阳能电池的光电转换效率。

然而，这类太阳能电池存在以下缺点：其一，多孔硅中存在大量的悬挂键和界面态，载流子在收集过程中容易复合，从而导致光生电流降低；其二，多孔硅形貌的稳定性差，背反射效果容易降低；其三，多孔硅的制备工艺复杂、且难控制，很难实现产业化。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种太阳能电池，入射光可以在其内发生多次反射，从而延长光子在晶体硅内的路径长度，以使该太阳能电池能够产生稳定的光生电流，而且结构稳定，制作工艺简单。

本发明还提供一种太阳能电池的制作方法，该方法不仅可以制备出光生电流和结构稳定的太阳能电池，而且工艺简单，易于大规模生产。

解决上述技术问题的所采用的技术方案是提供一种太阳能电池，包括硅衬底以及在所述硅衬底背光面一侧的背反射层，所述背反射层包括叠置地至少两层硅含量不同的SiX层，其中，X表示碳、氧或氮。

优选地，所述SiX层中硅颗粒尺寸均为纳米级。

优选地，多层所述SiX层中的硅含量交替变换。

优选地，每一所述SiX层中硅的重量百分比含量为40～80％。

优选地，所述硅衬底的厚度为50～200纳米。

优选地，每一所述SiX层的厚度与折射率满足布拉格反射中的四分之一波长定律。

优选地，在所述SiX层中的硅颗粒尺寸为80～120纳米。

本发明还提供一种太阳能电池的制作方法，包括以下步骤：

在硅衬底不受光一侧的表面制作叠置的至少两层硅含量不同的SiX层，其中，X表示碳、氧或氮。

太阳能电池的制作方法还包括以下步骤：

在900～1250℃的温度下对所述SiX层进行退火工艺，从而使所述SiX层中形成纳米级的硅颗粒。

优选地，每制作一层所述SiX层即对其实施退火工艺。

优选地，将所有所述SiX层制作完成之后再进行退火工艺。

优选地，所述退火工艺是在900～1250℃的温度下保温10～30分钟。

优选地，所述退火工艺采用激光退火工艺或热退火。

优选地，所述SiX层是通过化学气相沉积或物理气相沉积方式制作。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的太阳能电池，背反射层采用至少两层硅含量不同的SiX层，而且每一SiX层中的硅颗粒尺寸均为纳米级，该背反射层具有良好的背场钝化性能，从而可以减少载流子在传输过程中的复合，进而可以提高太阳能电池的光生电流。另外，背反射层中的至少两层硅含量不同的SiX层可以使光子被多次反射，延长了光子在硅衬底内的路径，从而提高入射光的利用率。而且，纳米级的硅颗粒是良好的上转换媒介，可以使长波光子上转换为能够被硅衬底吸收的短波光子，从而可以进一步提高太阳能电池光生电流。此外，该背反射层的制备工艺简单，且易于操作，适于大规模生产；而且该背反射层的结构稳定，从而可以使其反射效率保持稳定，进而使太阳能电池的转化效率保持稳定。

另外，本发明提供的太阳能电池的制作方法不仅工艺简单，且易于操作，适于大规模生产；而且制作的太阳能电池还具有以下优点：其一，制作出的太阳能电池的背反射层为至少两层硅含量不同的SiX层，而且每一SiX层中的硅颗粒尺寸均为纳米级，该背反射层具有良好的背场钝化性能，从而可以减少载流子在传输过程中的复合，进而可以提高太阳能电池的光生电流。其二，背反射层中的至少两层硅含量不同的SiX层可以使光子被多次反射，延长了光子在硅衬底内的路径，从而提高入射光的利用率。其三，纳米级的硅颗粒是良好的上转换媒介，可以使长波光子上转换为能够被硅衬底吸收的短波光子，从而可以进一步提高太阳能电池光生电流。其四，背反射层的结构稳定，可以使其反射效率保持稳定，从而使太阳能电池的转化效率保持稳定。

附图说明

图1为本发明提供的太阳能电池的结构简图；

图2为本发明提供的一实施例中背反射层的结构简图；

图3为本发明提供的变型实施例中背反射层的结构简图；

图4为本发明提供的太阳能电池的制作方法的流程图；

图5a为通过PECVD工艺制作的背反射层的结构示意图；

图5b为退火处理后背反射层的结构示意图；

图6a为通过本发明提供的太阳能电池的制作方法获得的背反射层的截面SEM照片；以及

图6b为通过本发明提供的太阳能电池的制作方法获得的背反射层的另一张截面SEM照片。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的太阳能电池及其制作方法进行详细描述。

图1为本发明提供的太阳能电池的结构简图。请参阅图1，本实施例提供的太阳能电池包括硅衬底1、N型硅2、减反射层3、前电极4、背反射层5以及背面电极6。其中，N型硅2、减反射层3以及前电极4自硅衬底1起依次叠置在硅衬底1的受光面一侧。背反射层5和背面电极6自硅衬底1起依次叠置在硅衬底1的背光面一侧。而且，硅衬底1为P型硅衬底，其厚度为100μm，在硅衬底1和N型硅2之间形成PN结(图中未示出)。

图2为本发明提供的一实施例中背反射层的结构简图。请参阅图2，背反射层5包括叠置设置的两层硅含量不同的SiX层，而且每一SiX层中硅颗粒尺寸均为纳米级，其中，X表示碳、氧或氮。每一SiX层中硅的重量百分比含量在40～80％，硅颗粒尺寸为80～120内米。而且，每一SiX层的厚度与折射率满足布拉格反射中的四分之一波长定律，从而使背反射层5具有两重布拉格反射镜的功能。

本实施例中，背反射层5中的硅颗粒尺寸为纳米级，纳米晶硅颗粒可以使太阳能电池的光谱发生上转换，即，将不能由硅衬底1吸收的长波长的红外光子转换为短波长的可见光光子，这可以使反射的长波长红外光子以及由太阳能电池自身发热辐射产生的长波长红外光子上转换为可见光光子，从而被硅衬底1吸收，产生二次载流子，进而提高太阳能电池的光生电流。

第一SiX层51中硅的重量百分比含量为78.3％，厚度为86nm(纳米)；第SiX层52中硅的重量百分比含量为45.6％，厚度为68nm。这种结构的背反射层5可以使光子在太阳能电池片中被多次反射，延长了光子在硅衬底内的路径，从而提高入射光的利用率，进而提高光生电流。本实施例所述太阳能电池片可以将在900～1100nm波段的外量子效率提高10～15％。

图3为本发明提供的变型实施例中背反射层的结构简图。请参阅图3，作为上述实施例的一个变型实施例，背反射层5包括叠置的六层SiX层，六层SiX层的硅含量交替变化，即，第一SiX层51、第二SiX层52和第三SiX层53硅的重量百分比含量分别为40％、55％以及80％，厚度分别为50nm、75nm以及100nm；第四SiX层54、第五SiX层55和第六SiX层56硅的重量百分比含量分别为40％、55％以及80％，厚度分别为50nm、75nm以及100nm。变型实施例所述的背反射层5可以使太阳能电池片在900～1100nm波段的外量子效率提高11～16％。

需要说明的是，上述实施例中，背反射层5的结构包括六层SiX层，而且硅含量交替变换，然而本发明并不局限于此。背反射层5只要包括两层或两层以上任意数量的SiX层，而且相邻的两层SiX层的硅含量不同，即可以使光子在太阳能电池片中被多次反射，延长了光子在硅衬底内的路径，从而提高入射光的利用率，进而提高光生电流。

还需说明的是，不论背反射层5中包含几层硅含量不同的SiX层，所有各层SiX层的硅含量可以各不相同，也可以交替变换。当背反射层5中各层SiX层的硅含量交替变换时，交替周期可以是两层以上的任意层数。

需要进一步说明的是，虽然上述实施例中，硅衬底1的厚度为100μm，但即使硅衬底1的厚度为50μm，采用上述实施例提供的背反射层结构，同样可以使太阳能电池在900～1100nm波段的外量子效率达到16.5～18.5％。不难理解，当硅衬底1的厚度大于100m时，采用上述背反射层显然可以延长光子在硅衬底内的路径，从而提高入射光的利用率。本发明相对于现有技术的主要优点是：即使硅衬底的厚度为50～200纳米，也可以使太阳能电池在900～1100nm波段的外量子效率达到17.5～18.5％，从而提高提高入射光的利用率，进而提高光生电流。

上述实施例提供的太阳能电池，背反射层采用至少两层硅含量不同的SiX层，而且每一SiX层中的硅颗粒尺寸均为纳米级，该背反射层具有良好的背场钝化性能，从而可以减少载流子在传输过程中的复合，进而可以提高太阳能电池的光生电流。另外，背反射层中的至少两层硅含量不同的SiX层可以使光子被多次反射，延长了光子在硅衬底内的路径，从而提高入射光的利用率。而且，纳米级的硅颗粒是良好的上转换媒介，可以使长波光子上转换为能够被硅衬底吸收的短波光子，从而可以进一步提高太阳能电池光生电流。此外，该背反射层的制备工艺简单，且易于操作，适于大规模生产；而且该背反射层的结构稳定，从而可以使其反射效率保持稳定，进而使太阳能电池的转化效率保持稳定。

本实施例还提供一种太阳能电池的制作方法。图4为本发明提供的太阳能电池的制作方法的流程图。请参阅图4，本实施例提供的太阳能电池的制作方法包括以下步骤：

步骤s1，清洗硅衬底、并进行制绒处理。

硅衬底采用P型硅衬底。清洗、制绒的方法与现有技术完全相同，如，采用超声清洗和/或等离子体清洗，目的是将硅衬底表面的灰尘等污染物去除。制绒可以采用酸或碱处理，以提高硅衬底的陷光作用。

步骤s2，扩散、刻边以及PSG处理。

扩散的目的在于形成PN结。硅衬底为P型硅，掺入磷后可以使电子发生移动，从而形成PN结。刻边处理是将硅沉淀边缘的PN结断开，防止短路。PSG(去磷硅玻璃工艺)处理是去除硅衬底表面的P-Si玻璃层，为制作减反射膜做准备。扩散、刻边以及PSG处理与现有技术完全相同，这里不再详细描述。

步骤s3，制作减反膜。

减反射膜可以是ZnS/MgF₂双层减反膜，也可以是Si₃N₄膜，制作方法可以采用PECVD(化学气相沉积)沉积技术，也可以采用其它蒸镀技术，具体地的制作过程与现有技术相同，这里不再赘述。

步骤s4，制作背反射层。

通过PECVD(等离子体化学气相沉积)工艺在硅衬底的背光面制作不同硅含量的SiX(X＝C，O，N)层。SiX可以是Si_1-XC_X、SiO_X或者SiN_X，如SiC、SiO₂或者Si₃N₄。本实施例以制作两层SiX层为例，第一SiX层中硅的重量百分比含量为78.3％，厚度为86nm；第二SiX层中硅的重量百分比含量为45.6％，厚度为68nm。

需要说明的是，SiX层也可以采用其它工艺制作，如物理气相沉积等工艺制作，只要使SiX层的厚度和折射率能够满足布拉格反射中的四分之一定律即可。

步骤s5，制作背面电极。

背面电极的制作方法与现有技术完全相同，这里不再赘述。

步骤s6，退火处理。

退火处理是将PECVD工艺制作的第一SiX层和第二SiX层的结构转变成纳米晶硅颗粒结构。退火温度为950～1250℃，保温时间10～30min。退火处理可以采用仅针对背反射层的激光，也可以通过其它热退火方式。

SiX(X＝C，O，N)层的折射率取决于该层内的硅含量，而且不同硅含量层经退火后形成的纳米晶硅颗粒数量也与该层的硅含量正相关，因此通过控制SiX(X＝C，O，N)层内的硅含量，可以同时调节折射率与纳米晶硅颗粒的数量，从而调节背反射层的反射效果。

图5a为通过PECVD工艺制作的背反射层的结构示意图。图5b为退火处理后背反射层的结构示意图。请一并参阅图5a和图5b，退火处理后背反射层的结构发生了转变，式(1)示出了SiX层的转变过程：

$\mathrm{Si}{(O,N,C)}_X\→\left(\frac{x}{2}\right)\mathrm{Si}(O_2,N_{4/3},C)+(1-\frac{x}{2})\mathrm{Si}---\left(1\right)$

图6a为通过本发明提供的太阳能电池的制作方法获得的背反射层的截面SEM照片。图6b为通过本发明提供的太阳能电池的制作方法获得的背反射层的另一张截面SEM照片。请参阅图6a和图6b，经退火处理后，背反射层中的SiX转变为纳米颗粒结构。

需要说明的是，本实施例是在背面电极制作完成后，对第一SiX层和第二SiX层进行退火。然而，本发明并不局限于此。本发明也可以在第一SiX层和第二SiX层制作完成之后，背面电极制作之前进行退火工艺。当然，也可以在第一SiX层制作完成后即对其进行退火，然后再制作第二SiX层，并对其进行退火，之后再制作背面电极。

太阳能电池制备完成后，在背面激光打孔，形成背面点接触电池，然后进行外量子效率的测试。测试表明，太阳能电池在900～1100nm波段的外量子效率达到16.5～18.5％。

本实施例提供的太阳能电池的制作方法不仅工艺简单，且易于操作，适于大规模生产；而且制作的太阳能电池还具有以下优点：其一，制作出的太阳能电池的背反射层为至少两层硅含量不同的SiX层，而且每一SiX层中的硅颗粒尺寸均为纳米级，该背反射层具有良好的背场钝化性能，从而可以减少载流子在传输过程中的复合，进而可以提高太阳能电池的光生电流。其二，背反射层中的至少两层硅含量不同的SiX层可以使光子被多次反射，延长了光子在硅衬底内的路径，从而提高入射光的利用率。其三，纳米级的硅颗粒是良好的上转换媒介，可以使长波光子上转换为能够被硅衬底吸收的短波光子，从而可以进一步提高太阳能电池光生电流。其四，背反射层的结构稳定，可以使其反射效率保持稳定，从而使太阳能电池的转化效率保持稳定。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种太阳能电池，包括硅衬底以及在所述硅衬底背光面一侧的背反射层，其特征在于，所述背反射层包括叠置地至少两层硅含量不同的SiX层，其中，X表示碳、氧或氮。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述SiX层中硅颗粒尺寸均为纳米级。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，多层所述SiX层中的硅含量交替变换。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，每一所述SiX层中硅的重量百分比含量为40～80％。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述硅衬底的厚度为50～200纳米。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的太阳能电池，其特征在于，每一所述SiX层的厚度与折射率满足布拉格反射中的四分之一波长定律。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的太阳能电池，其特征在于，在所述SiX层中的硅颗粒尺寸为80～120纳米。

8.一种太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在硅衬底不受光一侧的表面制作叠置的至少两层硅含量不同的SiX层，其中，X表示碳、氧或氮。

9.根据权利要求8所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，方法，还包括以下步骤：

在900～1250℃的温度下对所述SiX层进行退火工艺，从而使所述SiX层中形成纳米级的硅颗粒。

10.根据权利要求9所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，每制作一层所述SiX层即对其实施退火工艺。

11.根据权利要求9所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，将所有所述SiX层制作完成之后再进行退火工艺。

12.根据权利要求10或11所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述退火工艺是在900～1250℃的温度下保温10～30分钟。

13.根据权利要求9所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述退火工艺采用激光退火工艺或热退火。

14.根据权利要求8所述的太阳能电池的制作方法，其特征在于，所述SiX层是通过化学气相沉积或物理气相沉积方式制作。

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