專利名稱：基于p型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能電池，具體涉及一種基于P型硅片的黃銅礦類半 導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽電池。
背景技術(shù)：
當今世界，常規(guī)能源的持續(xù)使用帶來了能源緊缺以及環(huán)境惡化等一系列 經(jīng)濟和社會問題，解決上述問題的最好途經(jīng)是大力發(fā)展和推廣可再生能源。 在可再生能源中，太陽能發(fā)電由于地域性限制小、應(yīng)用范圍廣、基本無污染、 可持續(xù)利用率髙等優(yōu)點，成為世界各國競相發(fā)展的目標。目前，太陽能發(fā)電 在可再生能源中所占比重還很小，主要原因是使用成本過高。因此，開發(fā)髙 效率、低成本的太陽能電池，使其成本接近甚至低于常規(guī)能源成本，將有著 舉足輕重而又意義深遠的作用。目前，現(xiàn)有的各類太陽能電池中，晶體硅太陽電池占了 90%的市場份額， 其中單晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率超過了 17%,多晶硅電池轉(zhuǎn)化效率也在15~16%。 盡管在實驗室中小面積的晶體硅電池的最高轉(zhuǎn)化效率接近25%,但由于其工 藝與結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不利于規(guī)?；a(chǎn)及應(yīng)用。因此，在成本不太髙，工藝 不太復(fù)雜的前提下，各國都在從新的器件結(jié)構(gòu)努力，開發(fā)效率更髙的晶體硅 類太陽電池及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。其中，基于晶體硅的異質(zhì)結(jié)太陽電池是一個熱 點的方向。如一種基于P型硅襯底的太陽能電池，參見附圖l所示，包括依 次疊層結(jié)合的受光面電極1、 N型非晶硅層2、本征非晶硅層3、 P型硅襯底 4和背電極5。其實驗室轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)突破18%,產(chǎn)業(yè)化的電池片的轉(zhuǎn)化效 率也已經(jīng)達到19%。該類電池具有如下幾大優(yōu)點(1)由于非晶硅的帶隙在 1.7eV以上，與晶體硅的1.12eV相比更高，從而形成更強的內(nèi)建電場，大幅 度地提髙開路電壓；(2)采用低溫(200'C以內(nèi))沉積方式形成PIN結(jié)，避免了 常規(guī)硅電池工藝的高溫擴散(約900'C)工藝，既減少了生產(chǎn)能耗，又避免了髙 溫產(chǎn)生的形變及熱損傷，減少了碎片率；(3)在沉積非晶硅層形成PIN結(jié)的 同時，帶來了很好的表面鈍化作用。然而，上述HIT結(jié)構(gòu)的太陽能電池存在如下問題(1)由于非晶硅材料 有很多的界面態(tài)和缺陷，載流子遷移率比較低，影響了光生電流的收集；(2) 非晶硅材料本身有光致衰退作用，要降低該類電池的效率衰減，必須盡可能 地采用N型硅片為襯底，限制了其原材料的選擇范圍；(3)非晶硅材料和晶 體硅材料的光吸收系數(shù)都不是很髙，要提髙長波響應(yīng)，要求硅片的厚度不能 太薄，也限制了電池向薄型化方向發(fā)展的潛力。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太 陽電池，以獲得較髙的轉(zhuǎn)化效率。為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種基于P型硅片的 黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽電池，包括依次疊層結(jié)合的受光面電極、透 明導(dǎo)電層、N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜、P型晶體硅、P+背表面場和背金屬電極， 形成NPP+的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。上文中，所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜與P型晶體硅形成異質(zhì)PN結(jié)，有 如下優(yōu)點(1)由于有高的光吸收系數(shù)，N型層可以比較薄，P型晶體硅的 厚度也可以進一步減??；(2)由于有髙的光吸收系數(shù)，再加上透明導(dǎo)電層兼 有減反射作用，N型層無需做類似絨面的陷光結(jié)構(gòu)；(3)可以調(diào)整帶隙，按 照受光順序形成從髙到低的帶隙梯度分布，以達到與太陽光譜匹配形成分段 吸收的目的；這樣既增加光生電流，又增大開路電壓；(4)由于N型黃銅礦 半導(dǎo)體薄膜本身載流子遷移率比較髙，再加上可以做成很高結(jié)晶質(zhì)量，因而可以更好地收集光生電流。上述技術(shù)方案中，所述受光面電極為Al、 Ag、 Au、 Ni、 Cu/Ni、 Al/Ni 或Ti/Pd/Ag電極，其厚度為100nm 400fim。優(yōu)選的厚度為20 200fim。該 受光面電極主要起到收集電流的作用。上述技術(shù)方案中，所述透明導(dǎo)電層為ITO、 Sn02: F(FTO)、 CdSn04、 CuGa02、 Culn02、 SrCu202、 Sn02、 ln203或摻雜的ZnO層，其厚度為 80~1000nm。優(yōu)選的厚度為100~500nm。所述摻雜的ZnO層為摻B、 Al、 Ga或In等的ZnO層。該透明導(dǎo)電層具有較高的透光性和電導(dǎo)率，除了起到 收集電流的作用外，還可通過優(yōu)化厚度起到良好的減弱表面反射的作用。上述技術(shù)方案中，所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜(7)為按照ABC2的原子配 比形成的化合物，其中A為Cu、 Ag中的一種元素或二種元素的組合，B 為Al、 Ga、 In中的一種元素或多種元素的組合，C為S、 Se、 Te中的一種 元素或多種元素的組合；其厚度為5nm 3nm，帶隙為1.02~3.5eV。優(yōu)選的厚 度為10~300證。與之相應(yīng)的另一種技術(shù)方案是，所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜為層疊的多 層結(jié)構(gòu)，按照受光順序其帶隙從3.5eV到1.02eV形成由髙到低分布。 上文中，這類N型黃銅礦半導(dǎo)體具有如下特點(1) 可以做成髙結(jié)晶質(zhì)量的薄膜，且晶格常數(shù)與硅(a-5.43A)比較接近， 晶格失配在-2.3%到+6.8%，因而可以與硅形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)；(2) 是直接帶隙半導(dǎo)體，其光吸收系數(shù)是目前所有半導(dǎo)體類里最髙的， 在可見與紫外光區(qū)都在105/cm，平均比晶體硅髙2個數(shù)量級；(3) 是自調(diào)整半導(dǎo)體，表現(xiàn)為兩方面 一是調(diào)整不同主族元素比例，可 以直接由其化學組成的調(diào)變得到P型或N型的不同導(dǎo)電類型，而不必借助外 加雜質(zhì)；二是在同一主族內(nèi)搭配不同比例的元素，可以調(diào)整帶隙，調(diào)整范圍 在1.02~3.5eV;(4) 沒有光致衰退效應(yīng)，且有很好的抗輻射性能，適合于太空應(yīng)用。 上述技術(shù)方案中，所述P+背表面場的厚度為0.1~2pm，并采用鋁摻雜，摻雜濃度為1X1018~1X102Q/Cm3。優(yōu)選的厚度為0.1~0.5pm。 N+背表面場的 作用是形成高低結(jié)，進一步提升開路電壓，同時還可起到背表面鈍化的作用。上述技術(shù)方案中，所述背金屬電極為Al、 Ag、 Au、 Ni、 Cu/Ni、 Al/Ni 或Ti/Pd/Ag電極，其厚度為100nm~400nm。優(yōu)選的厚度為20~200nm。背 金屬電極采用背部全覆蓋，其作用是收集背電流，同時增加波反射，提髙N 型硅片對長波的吸收。上述技術(shù)方案中，所述P型晶體硅為單晶硅、太陽能級或金屬級多晶硅、 帶狀硅，其厚度為100 350jim,摻雜濃度為lX1015~lX1017/cm3。上述技術(shù)方案中，在所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜和P型晶體硅之間還設(shè) 有一層本征硅薄膜層，形成NIPP+的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述本征硅薄膜層的厚度 為3~50nm。優(yōu)選的厚度為5~15nm。該本征硅薄膜層的作用是減少界面缺陷 態(tài)，增加表面鈍化效應(yīng)；特別是對于金屬含量較高或缺陷態(tài)密度較多的低級別P型硅片(如金屬級或帶狀硅)。由于上述技術(shù)方案的采用，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點-1. 本發(fā)明采用了 N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜與P型晶體硅形成異質(zhì)PN結(jié)， 具有更好的光譜響應(yīng)，尤其是在紫外和可見光波段，從而可以提升短路電流； 且在正面可形成梯度帶隙，類似于多結(jié)的堆疊效應(yīng)，大幅度地提升開路電壓 和填充因子；最終得到的太陽電池的轉(zhuǎn)化效率在19%以上。2. 本發(fā)明的太陽電池耐輻射好，效率衰退小。


附圖1是背景技術(shù)中太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖2是本發(fā)明實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖3是本發(fā)明實施例一的J-V曲線圖； 附圖4是本發(fā)明實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖5是本發(fā)明實施例二的J-V曲線圖； 附圖6是本發(fā)明實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖7是本發(fā)明實施例三的J-V曲線圖。其中1、受光面電極；2、 P型非晶硅層；3、本征非晶硅層；4、 N型 硅襯底；5、背電極；6、透明導(dǎo)電層；7、 N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜；8、 P型 晶體硅；9、 P+背表面場；10、背金屬電極；11、本征硅薄膜層。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述 實施例一參見附圖2~3所示， 一種基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太 陽電池，包括依次疊層結(jié)合的受光面電極1、透明導(dǎo)電層6、 N型黃銅礦半 導(dǎo)體薄膜7、 P型晶體硅8、 P+背表面場9和背金屬電極10，形成NPP+的異 質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。上文中，所述受光面電極為Ag電極，其厚度為20fim;該受光面電極主 要起到收集電流的作用。所述透明導(dǎo)電層為ITO層，其厚度為200nm;該透 明導(dǎo)電層具有較高的透光性和電導(dǎo)率，除了起到收集電流的作用外，還可通過優(yōu)化厚度起到良好的減弱表面反射的作用。上述技術(shù)方案中，所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜為 CuInGaS2——N型，帶隙為1.7eV,厚度為8nm CuInS2——N型，帶隙為1.54eV，厚度為8nm所述P+背表面場的厚度為0.2jim,并采用鋁摻雜，摻雜濃度為2X 1019/cm3; P+背表面場的作用是形成髙低結(jié)，進一步提升開路電壓，同時還 可起到背表面鈍化的作用。所述背金屬電極為Al電極，其厚度為100pm;背金屬電極采用背部全 覆蓋，其作用是收集背電流，同時增加波反射，提髙P型硅片對長波的吸收。上述技術(shù)方案中，所述P型晶體硅為單晶硅，其厚度為200pm，摻雜濃 度5X1016/cm3。上文中，這類N型黃銅礦半導(dǎo)體具有如下特點(1) 可以做成髙結(jié)晶質(zhì)量的薄膜，且晶格常數(shù)與硅(a-5.43A)比較接近， 晶格失配在-2.3%到+6.8%，因而可以與硅形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)；(2) 是直接帶隙半導(dǎo)體，其光吸收系數(shù)是目前所有半導(dǎo)體類里最高的， 在可見與紫外光區(qū)都在105/cm，平均比晶體硅髙2個數(shù)量級；(3) 是自調(diào)整半導(dǎo)體，表現(xiàn)為兩方面 一是調(diào)整不同主族元素比例，可 以直接由其化學組成的調(diào)變得到P型或N型的不同導(dǎo)電類型，而不必借助外 加雜質(zhì)；二是在同一主族內(nèi)搭配不同比例的元素，可以調(diào)整帶隙，調(diào)整范圍 在L02 3.5eV;(4) 沒有光致衰退效應(yīng)，且有很好的抗輻射性能，適合于太空應(yīng)用。 因而，所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜與P型晶體硅形成異質(zhì)PN結(jié)，有如下優(yōu)點(1)由于有髙的光吸收系數(shù)，P型層可以比較薄，P型晶體硅的厚 度也可以進一步減??；(2)由于有高的光吸收系數(shù)，再加上透明導(dǎo)電層兼有 減反射作用，N型層無需做類似絨面的陷光結(jié)構(gòu)；(3)可以調(diào)整帶隙，按照 受光順序形成從髙到低的帶隙梯度分布，以達到與太陽光譜匹配形成分段吸 收的目的；這樣既增加光生電流，又增大開路電壓；(4)由于N型黃銅礦半 導(dǎo)體薄膜本身載流子遷移率比較髙，再加上可以做成很髙結(jié)晶質(zhì)量，因而可以更好地收集光生電流。經(jīng)過AMPS-1D計算擬合，得到的理論轉(zhuǎn)化效率達到20.371%，詳見圖3
實施例二
參見附圖4~5所示， 一種基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太 陽電池，包括依次疊層結(jié)合的受光面電極1、透明導(dǎo)電層6、 N型黃銅礦半 導(dǎo)體薄膜7、 P型晶體硅8、 P+背表面場9和背金屬電極10。在所述N型黃 銅礦半導(dǎo)體薄膜和P型晶體硅之間還設(shè)有一層本征硅薄膜層11，形成NIPP+ 的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述本征硅薄膜層的厚度為5nm。
上文中，所述受光面電極為Ag電極，其厚度為20jim;該受光面電極主 要起到收集電流的作用。所述透明導(dǎo)電層為ITO層，其厚度為200nm;該透 明導(dǎo)電層具有較髙的透光性和電導(dǎo)率，除了起到收集電流的作用外，還可通 過優(yōu)化厚度起到良好的減弱表面反射的作用。
上述技術(shù)方案中，所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜為
CuInGaS2——N型，帶隙為1.8eV，厚度為1.2nm
CuInS2——N型，帶隙為1.54eV，厚度為15nm
所述P+背表面場的厚度為0.2fim,并采用鋁摻雜，摻雜濃度為2X 1019/cm3; P+背表面場的作用是形成高低結(jié)，進一步提升開路電壓，同時還 可起到背表面鈍化的作用。
所述背金屬電極為Al電極，其厚度為lOOfim;背金屬電極采用背部全 覆蓋，其作用是收集背電流，同時增加波反射，提髙P型硅片對長波的吸收。
上述技術(shù)方案中，所述P型晶體硅為單晶硅，其厚度為160fim。摻雜濃 度5X1016/cm3。
經(jīng)過AMPS-1D計算擬合，得到的理論轉(zhuǎn)化效率達到19.519%，詳見圖
4-
實施例三
參見附圖6 7所示， 一種基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太 陽電池，包括依次疊層結(jié)合的受光面電極1、透明導(dǎo)電層6、 N型黃銅礦半 導(dǎo)體薄膜7、 P型晶體硅8、 P+背表面場9和背金屬電極10,形成NPP+的異 質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
上文中，所述受光面電極為Ag電極，其厚度為20pm;該受光面電極主 要起到收集電流的作用。所述透明導(dǎo)電層為ITO層，其厚度為300tim;該透
9明導(dǎo)電層具有較髙的透光性和電導(dǎo)率，除了起到收集電流的作用外，還可通 過優(yōu)化厚度起到良好的減弱表面反射的作用。
上述技術(shù)方案中，所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜為
AgIn(SSe)2——N型，帶隙為1.93eV，厚度為2jim
所述P+背表面場的厚度為0.2fim,并采用硼摻雜，摻雜濃度為2X 1019/cm3; P+背表面場的作用是形成髙低結(jié)，進一步提升開路電壓，同時還 可起到背表面鈍化的作用。
所述背金屬電極為Al電極，其厚度為100jim;背金屬電極采用背部全 覆蓋，其作用是收集背電流，同時增加長波反射，提高P型硅片對長波的吸 收。
上述技術(shù)方案中，所述P型晶體硅為單晶硅，其厚度為220jim。摻雜濃 度5X1016/cm3。
經(jīng)過AMPS-1D計算擬合，得到的理論轉(zhuǎn)化效率達到22.867%,詳見圖
權(quán)利要求
1.一種基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽電池，其特征在于包括依次疊層結(jié)合的受光面電極(1)、透明導(dǎo)電層(6)、N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜(7)、P型晶體硅(8)、P+背表面場(9)和背金屬電極(10)，形成NPP+的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié) 太陽電池，其特征在于所述受光面電極(l)為Al、 Ag、 Au、 Ni、 Cu/Ni、 Al/Ni或Ti/Pd/Ag電極，其厚度為100nm 400阿。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié) 太陽電池，其特征在于所述透明導(dǎo)電層(6)為ITO、Sn02: F (FTO)、 CdSn04、 CuGa02、 Culn02、 SrCu202、 Sn02、 ln203或摻雜的ZnO層，其厚度為 80~1000證。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié) 太陽電池，其特征在于所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜(7)為按照ABC2的原子 配比形成的化合物，其中A為Cu、 Ag中的一種元素或二種元素的組合， B為Al、 Ga、 In中的一種元素或多種元素的組合，C為S、 Se、 Te中的一 種元素或多種元素的組合；其厚度為5nm 3fim，帶隙為1.02~3.5eV。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié) 太陽電池，其特征在于所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜為層疊的多層結(jié)構(gòu)，按 照受光順序其帶隙從3.5eV到1.02eV形成由高到低分布。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié) 太陽電池，其特征在于所述P+背表面場(9)的厚度為0.1~2nm，并釆用硼、 鋁或鎵摻雜，摻雜濃度為lX1018~lX102Q/cm3。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié) 太陽電池，其特征在于所述背金屬電極(10)為Al、 Ag、 Au、 Ni、 Cu/Ni、 A薩或Ti/Pd/Ag電極，其厚度為100nm~400nm。
8. 根據(jù)權(quán) 利要求1所述的基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié) 太陽電池，其特征在于所述P型晶體硅(8)為單晶硅、太陽能級或金屬級多 晶硅、帶狀硅，其厚度為100~350nm，摻雜濃度為lX10l5~lX1017/cm3。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié) 太陽電池，其特征在于在所述N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜和P型晶體硅之間還設(shè)有一層本征硅薄膜層(ll),形成NIPP+的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，所述本征硅薄膜層 的厚度為3~50nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求14所述的基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì) 結(jié)太陽電池，其特征在于所述本征硅薄膜層(ll)的厚度為5-15nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于P型硅片的黃銅礦類半導(dǎo)體薄膜異質(zhì)結(jié)太陽電池，包括依次疊層結(jié)合的受光面電極、透明導(dǎo)電層、N型黃銅礦半導(dǎo)體薄膜、P型晶體硅、P⁺背表面場和背金屬電極，形成NPP⁺的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的太陽電池具有更好的光譜響應(yīng)，尤其是在紫外和可見光波段，從而可以提升短路電流；且在正面可形成梯度帶隙，類似于多結(jié)的堆疊效應(yīng)，大幅度地提升開路電壓和填充因子；最終得到的太陽電池的轉(zhuǎn)化效率在19％以上。
文檔編號H01L31/042GK101621085SQ20091018386
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月3日
發(fā)明者堅 吳, 王栩生, 章靈軍 申請人:蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司;常熟阿特斯陽光電力科技有限公司;阿特斯光伏電力(洛陽)有限公司;阿特斯光伏電子(常熟)有限公司;阿特斯太陽能光電(蘇州)有限公司;阿特斯光伏科技(蘇州)有限公司;常熟阿特斯太陽能電力有限公司