專利名稱：一種提高太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體太陽能光伏電池的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新的提高太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)。在太陽能光伏電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層上，增加包括透明的導電薄膜層的附加層，在透明的導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，會改變太陽能光伏電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層下面半導體材料的表面電勢，表面能帶，和表面空間電荷區(qū)，達到降低光生載流子的有效表面復合速率，使更多的在半導體表面附近的光生少數(shù)載流子被收集，貢獻到太陽能光伏電池的輸出光電流中，太陽能光伏電池輸出的光電流增加，提高了太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。
背景技術(shù)：
太陽能光伏電池屬于太陽能利用的兩種方式中的一種，有硅太陽能光伏電池， III-V族，和硫化鎘等半導體化合物材料的太陽能光伏電池，以及有機高分子材料的太陽能光伏電池等。太陽能光伏電池還可分為單晶太陽能光伏電池，多晶太陽能光伏電池，微晶或非晶薄膜太陽能光伏電池等。在以N型單晶硅，或N型多晶硅半導體材料為襯底制造的P-N結(jié)(P在N上)硅太陽能光伏電池中，存在一個光生載流子的“死層”區(qū)域，且太陽短波段光產(chǎn)生的光生載流子多位于這個區(qū)域。由于在這類型太陽能光伏電池中的“死層”區(qū)域存在和界面復合的影響， 在這個“死層”區(qū)域和其鄰近區(qū)域中的光生數(shù)載流子會復合掉，不產(chǎn)生光電流，對太陽能光伏電池的輸出光電流沒有貢獻。結(jié)果是，其短波響應很差，限制了太陽能光伏電池轉(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合速率， 達到提高太陽能光伏電池的轉(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，達到提高太陽能光伏電池的轉(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)掩膜層與半導體交界面的界面缺陷能級，作為光生載流子的復合中心對半導體表面附近光生載流子的不利影響仍然存在。選用P型硅半導體材料作為襯底制造的太陽能光伏電池，避免了在p-n結(jié)(P在 N上)的太陽能光伏電池中的“死層”區(qū)域的影響，提高了太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。但是，電池前表面的Si半導體的界面缺陷能級，作為光生載流子的復合中心對半導體表面附近的光生載流子的不利影響仍然存在。而且，在實際生產(chǎn)中，不得不實施的η型重摻雜，還可能會半導體的表面附近形成俄歇復合的“死層”區(qū)域，對太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率有不利影響。2009年，F(xiàn)raunhofer ISE宣布，開發(fā)出帶負電荷的氧化鋁(Al2O3)薄膜層，并替代S^2薄膜層作為η型Si襯底制造的太陽能光伏電池的表面掩膜層。帶負電荷的氧化鋁(Al2O3)薄膜層的應用，避免了 SiO2層中所含的氧化物電荷，如正離子鈉(Na+)，對η型單晶硅太陽能光伏電池的轉(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)薄膜層中的負電荷面密度達到IO1H2Am2，它也只能避免半導體中表面空間電荷區(qū)為耗盡層時對光生載流子的不利影響，但電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層與半導體交界面的界面缺陷能級，作為光生載流子的復合中心對半導體表面附近的光生載流子的不利影響仍然存在，限制了 η型單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的進一步提升。

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能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)方法， 在太陽能光伏電池前表面的透明絕緣介質(zhì)掩膜層上，增加包括透明的導電薄膜層的附加層，在透明的導電薄膜層上施加電壓，作用電子隧道穿過勢壘進入具有負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?？梢钥刂谱⑷氲诫姾煞@層中的隧穿電子的數(shù)量，到達改變太陽能光伏電池前表面的透明絕緣介質(zhì)掩膜層下面的半導體材料的表面電勢和表面電場，將半導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)，即消除了半導體中表面空間電荷區(qū)為耗盡(反型)的狀態(tài)對光生載流子的不利影響；還能達到使半導體的表面能帶向上彎曲，表面能帶中的導帶遠離禁帶中央附近的界面缺陷能級， 減弱了界面缺陷能級作為光生載流子的復合中心對半導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合速率。不僅如此，太陽光在半導體表面附近的區(qū)域中產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子，在半導體表面電場的驅(qū)動下離開，向ρ-η結(jié)區(qū)域移動。這些光生少數(shù)載流子會被更多的收集成為光生電流，貢獻到太陽能光伏電池的輸出光電流中。 太陽能光伏電池輸出的光電流增加，提高了太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。注入隧穿電子的方法可以反復實施，消除電荷俘獲層中被俘獲的隧穿電子的逃逸，對太陽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型半導體襯底制造的Ρ-η結(jié)(P在N上)太陽能光伏電池的太陽光入射面上， 即太陽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電荷俘獲層， 氧化物介質(zhì)薄膜層和透明的導電薄膜層的附加層，附加層與太陽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體Ρ-η結(jié)上，構(gòu)成透明的導電薄膜層(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該層勢壘；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。透明的導電薄膜層的厚度，透明的負電荷俘獲層的厚度，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)的厚度滿足在太陽能光伏電池前表面抗太陽光反射的干涉相消的條件。對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，在透明的導電薄膜層上施加負電壓，作用電子隧道穿過這層超薄的氧化物介質(zhì)薄膜層的勢壘，進入其下層的電荷俘獲層，太陽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入其下的半導體材料，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型半導體的表面電勢和表面電場，使P型半導體表面的能帶向上移動，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，所帶負電荷的面密度越高，P型半導體表面的能帶經(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)，太陽能光伏電池的“死層”區(qū)域基本消失。P型半導體的表面能帶繼續(xù)向上彎曲，表面能帶中導帶會遠離禁帶中央附近的界面缺陷能級，即P型半導體表面能帶中的導帶遠離光生載流子的復合中心。半導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合速率迅速降低。 不論是短波段，還是長波段太陽光在P型半導體表面附近的區(qū)域中產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子，會被更多的收集成為光生電流，并貢獻到太陽能光伏電池的輸出電流中，從而得到最大的太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率。


圖1.是-種提高太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)的示意圖。
圖2.是-種提高太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)的實施方案-的示意圖。
圖2.是-種提高太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)的實施方案二的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖2，以Si半導體材料的p-n結(jié)(P在N上)太陽能光伏電池示意圖， 具體說明本發(fā)明的實施方式。實施例僅用于示例本發(fā)明，而不應該解釋為限制本發(fā)明的范圍和實質(zhì)。如圖2:實施方案一 11和15是太陽能電池的輸出電極，12是致密和無針孔SiO2掩模層， 13和14是Si半導體太陽能光伏電池的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體p-n結(jié)表面上形成，氧化銦錫(ITO)透明的導電薄膜層22^02層23^3隊(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)透明的導電薄膜層22上制做接觸電極21。 透明的導電薄膜層的電極21和附加層與太陽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其勢壘。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，滿足太陽能光伏電池前表面的抗太陽光反射的干涉相消條件。在透明的導電薄膜層的接觸電極21上施加負電壓，增大負電壓，作用透明的導電薄膜層22中的電子隧穿過超薄的SiO2層23的勢壘，進入Si3N4電荷俘獲層M，被其俘獲。 持續(xù)施加負電壓一段時間，使Si3N4電荷俘獲層M俘獲的隧穿電子數(shù)量達到面密度IO1Vcm2 以上，太陽能光伏電池中的輸出光電流達到最大。斷開接觸電極21上施加負電壓，太陽能光伏電池中的輸出光電流仍保持最大，即得到最大的太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率。如圖 3實施方案二 11和15是太陽能電池的輸出電極，12是超薄的致密和無針孔S^2掩膜層，13和14是Si半導體太陽能光伏電池的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體p-n 結(jié)表面上形成，氧化銦錫(ITO)透明的導電薄膜層22^02層23^3隊(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)透明的導電薄膜層22上制做接觸電極21。透明的導電薄膜層22的電極21和附加層與太陽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其勢壘；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，滿足太陽能光伏電池的抗太陽光反射的干涉相消條件。 在透明的導電薄膜層的接觸電極21上施加正電壓，增大正電壓，作用半導體中的電子隧穿過超薄的SiO2層12，進入SiNx負電荷俘獲層M，被其俘獲。持續(xù)施加正電壓一段時間，到Si3N4電荷俘獲層M俘獲的隧穿電子數(shù)量達到面密度IO1Vcm2以上。斷開接觸電極21上施加的正電壓，太陽能光伏電池中的輸出光電流將達到最大，即得到最大的太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1.一種提高太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，在太陽能光伏電池前表面的透明絕緣介質(zhì)掩膜層表面上，增加包括透明的導電薄膜層的附加層，在透明的導電薄膜層施上加電壓，向其下面的具有負電荷俘獲能力的透明絕緣介質(zhì)薄膜層注入電子，電子隧道穿過勢壘進入具有負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能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，太陽能光伏電池是用η型半導體襯底制造的，具有p-n結(jié)或p-i-n結(jié)構(gòu)的太陽能光伏電池，太陽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能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，太陽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體材料的交界面是光學平面，或者非光學平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種提高太陽能光伏電池轉(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，和透明的負電荷俘獲薄膜層，并與太陽能光伏電池前表面的SiO2薄膜層一起，在電池前表面的半導體材料表面上，構(gòu)成透明的導電薄膜層 (TC)-氧化物介質(zhì)薄膜層(0)-透明的負電荷俘獲薄膜層(N)-太陽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， 附加層覆蓋太陽能光伏電池前表面區(qū)域，與太陽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其勢壘；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)薄膜層勢壘進入透明的負電荷俘獲薄膜層中的電子，被阻擋在該層內(nèi)， 并被其俘獲，俘獲隧穿電子的負電荷俘獲薄膜層顯帶負電荷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1，2，4和6所述的一種提高太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)，其特征是，太陽能光伏電池前表面的透明導電薄膜層的厚度，透明負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，滿足抗太陽光反射的干涉相消條件。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導體太陽能光伏電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)。在太陽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電薄膜層的附加層，在透明的導電薄膜層上施加電壓，向透明的負電荷俘獲層注入電子，并被其俘獲，達到改變位于太陽能光伏電池前表面的絕緣介質(zhì)掩膜層下面的半導體材料的表面電勢，表面空間電荷區(qū)和表面能帶。半導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)，和表面能帶中的導帶移動到遠離禁帶中央附近的界面缺陷能級，都有利于降低光生載流子的有效表面復合速率，更多地收集光生少數(shù)載流子，增加太陽能光伏電池的光電流輸出，提高太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/0224GK102315314SQ20101022887
公開日2012年1月11日 申請日期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 申請人:石鄖熙