高效薄膜晶硅太阳电池及其自主能源芯片集成技术制造技术

本发明专利技术提出了一种高效薄膜晶硅太阳电池及其自主能源集成芯片的制备方法，该方法采用了硅薄膜外延技术，克服了CMOS集成电路和太阳电池对硅材料掺杂浓度要求不同之间的矛盾；太阳电池采用本征非晶硅层/N型非晶硅层/透明导电膜异质结结构，提高了开路电压和转换效率，有利于提高芯片有效面积和集成度；利用了SOI材料中埋氧层的钝化和光学特性，可以提高薄膜晶硅太阳电池性能。该集成技术中，采用了两次ITO技术，克服了高温热处理对太阳电池性能，特别是开路电压的影响。本发明专利技术的制备方法与CMOS工艺具有兼容性，适用于大规模的工业生产。

【技术实现步骤摘要】
高效薄膜晶硅太阳电池及其自主能源芯片集成技术
本专利技术涉及半导体和光伏领域，特别是涉及一种特别是涉及一种高效薄膜晶硅太阳电池及其自主能源芯片集成技术。
技术介绍
集成电路是信息技术和信息产业的基础。近年来，以硅集成电路为核心的微电子技术得到了迅速的发展，其发展基本上遵循摩尔定律，已经进入到14nm节点技术时代，芯片的能耗也得到了大大降低。但是，在一些特殊应用中，如分布式无线传感器、微机器人、航空航天等的特殊应用场合，希望所采用的芯片能够实现能源自给，以减轻器件能源供给和设备整体重量等方面的问题。太阳电池是一种被大家所认可的最有潜力的绿色能源之一，可为航空航天等特殊条件下应用的集成电路提供长期的能源。目前，主流的硅太阳电池是发展最成熟，且其制备技术与集成电路技术基本兼容，是被认可的实现自主能源芯片的最理性的能源选择之一。2011年Chang-LeeChen等人在IEEESOI会议上发表的论文《SOICircuitspoweredbyEmbeddedSolarCell》中介绍了一种集成了太阳电池的集成电路，该技术充分利用了绝缘体上硅(SOI)材料具有低功耗、高速、提高集成度、耐高温和抗辐照等优点。但是该技术存在以下缺点：第一、其太阳电池基于常规的晶硅太阳电池结构，由于半导体用硅材料与太阳电池硅材料的要求不同，为提高电池性能，需要另外选定SOI的衬底硅材料，特别是其掺杂浓度需要调整；第二、该太阳电池的发射极和基极掺杂都是基于CMOS工艺制备的，电池开路电压通常<630mV，限制了电池转换效率，这就需要更大芯片面积，不利于提供芯片集成度和降低成本；第三、通常集成电路芯片在封装之前需要对衬底减薄，这会使制备太阳电池的衬底受到损伤，大大了降低形成于该衬底上的太阳电池的性能。因此，需要一种可行的办法，在充分利用SOI材料的有优点的基础上，以实现高性能太阳电池及其为基础的自主能源芯片集成技术。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种高效薄膜晶硅太阳电池及其自主能源芯片集成技术，用于解决现有技术中的太阳电池集成电路存在的整体尺寸比较大，不利于芯片的集成度和降低成本的问题，以及对衬底减薄时会对衬底造成损伤，进而大大降低太阳电池性能的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种高效薄膜晶硅太阳电池的制备方法，所述高效薄膜晶硅太阳电池至少包括以下步骤：至少包括以下步骤：1)提供一SOI衬底，所述SOI衬底由下至上依次包括背衬底、埋氧层和顶层硅；2)在所述顶层硅上依次形成P型高掺杂浓度的硅外延层和P型低掺杂浓度的硅外延层；3)在所述P型低掺杂浓度的硅外延层上形成发射极层；4)在所述发射极层上定义刻蚀区域，对所述刻蚀区域进行刻蚀以形成沟槽，所述沟槽至少包括基极区域沟槽；所述沟槽贯穿所述发射极层，所述沟槽的底部位于所述P型低掺杂浓度的硅外延层内或延伸至所述P型高掺杂浓度的硅外延层上表面；5)在所述基极区域沟槽底部制备基极电极；6)在所述发射极层上制备发射极电极；7)将步骤6)所得到的结构进行退火热处理。优选地，在步骤2)中，所采用化学气相沉积法在所述顶层硅上外延生长所述P型高掺杂浓度的硅外延层和P型低掺杂浓度的硅外延层。可选地，在步骤3)中，在所述P型低掺杂浓度的硅外延层上制备发射极层包括以下步骤：31)采用离子注入或离子扩散技术在所述P型低掺杂浓度的硅外延层上形成高掺杂浓度的N型硅层；掺杂元素为磷元素；32)采用PECVD工艺在所述高掺杂浓度的N型硅层上形成氮化硅钝化层。可选地，在步骤3)中，在所述P型低掺杂浓度的硅外延层上制备发射极层包括以下步骤：31)采用PECVD工艺依次在所述P型低掺杂浓度的硅外延层上形成本征非晶硅层和N型非晶硅层；32)采用溅射或反应等离子沉积在所述N型非晶硅层上形成透明导电膜。优选地，在步骤4)中，采用湿法刻蚀工艺、电化学腐蚀工艺或RIE干法刻蚀工艺去除所述发射极层中的所述透明导电膜，所述湿法刻蚀工艺中所使用的腐蚀溶液为稀释HCl溶液，所述电化学腐蚀工艺中所使用的腐蚀溶液为质量分数为5％～15％的NaOH溶液。优选地，在步骤4)中，所述刻蚀区域还包括位于所述太阳电池的基极区域外侧的隔离槽。优选地，采用丝网印刷或蒸镀技术制备所述基极电极和所述发射极电极。优选地，在步骤7)中，所述退火热处理在N2、Ar或空气气氛条件下进行，所述退火热处理的温度为150℃～350℃。本专利技术还提供一种高效薄膜晶硅太阳电池，所述太阳电池至少包括：SOI衬底，由下至上依次包括背衬底、埋氧层和顶层硅；外延层，包括P型高掺杂浓度的硅外延层和P型低掺杂浓度的硅外延层；所述P型高掺杂浓度的硅外延层位于所述顶层硅的上表面，所述P型低掺杂浓度的硅外延层位于所述P型高掺杂浓度的硅外延层的上表面；发射极层，凸设于所述P型低掺杂浓度的硅外延层的上表面；沟槽，至少包括基极区域沟槽；所述沟槽贯穿所述发射极层，所述沟槽的底部位于所述P型低掺杂浓度的硅外延层内或延伸至所述P型高掺杂浓度的硅外延层上表面；基极电极，位于所述基极区域沟槽的底部；发射极电极，位于所述发射极层上。优选地，所述顶层硅的厚度为20nm～200nm，所述埋氧层的厚度为200～500nm；所述背衬底为硅衬底、陶瓷衬底或蓝宝石衬底。优选地，所述外延层的材料为单晶硅和/或多晶硅；所述P型高掺杂浓度的硅外延层的厚度为0.05μm～2μm，P型元素掺杂的浓度为5×1017～5×1019cm-3；所述P型低掺杂浓度的硅外延层的厚度为1μm～50μm，P型元素掺杂的浓度为5×1015～5×1017cm-3。优选地，所述发射极层为包括高掺杂浓度的N型硅层/氮化硅钝化层结构；或为包括本征非晶硅层/N型非晶硅层/透明导电膜结构的异质结结构，所述本征非晶硅层的厚度为1nm～10nm，所述N型非晶硅层的厚度为1nm～10nm，所述透明导电膜的厚度为60nm～120nm。优选地，所述基极电极与所述凸台结构构成台面结构，所述基极电极与所述凸台结构之间的间距为5μm～200μm。优选地，所述基极电极与所述凸台结构构成梳状结构，所述基极电极与所述凸台结构之间的间距为0.5μm～2μm。优选地，所述高效薄膜晶硅太阳电池还包括隔离槽，所述隔离槽位于所述基极区域的外侧，且所述隔离槽与相邻的所述基极电极之间设有所述凸台结构。优选地，所述基极电极为铝电极，所述发射极电极为银电极。本专利技术还提供一种基于高效薄膜晶硅太阳电池的自主能源集成芯片，所述自主能源集成芯片至少包括：如上所述的任一项方案所述的高效薄膜晶硅太阳电池和/或其阵列，位于所述SOI衬底上；CMOS集成电路，位于所述高效薄膜晶硅太阳电池和/或其阵列一侧的所述SOI衬底或外延层上；所述CMOS集成电路由CMOS晶体管及其金属连接组成；互连结构，适于连接所述CMOS集成电路的电极与太阳电池和/或其阵列的电极；以及隔离结构，位于相邻所述CMOS晶体管之间、相邻所述CMOS晶体管与高效薄膜晶硅太阳电池之间和相邻所述高效薄膜晶硅太阳电池之间的所述顶层硅内，或位于相邻所述CMOS晶体管之间、相邻所述CMOS晶体管与高效薄膜晶硅太阳电池之间和相邻所述高效薄膜晶硅太阳电池之间的所述顶层硅与所述外延层内。优选地，所述CMOS集成电路包括高电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效薄膜晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：1)提供一SOI衬底，所述SOI衬底由下至上依次包括背衬底、埋氧层和顶层硅；2)在所述顶层硅上依次形成P型高掺杂浓度的硅外延层和P型低掺杂浓度的硅外延层；3)在所述P型低掺杂浓度的硅外延层上形成发射极层；4)在所述发射极层上定义刻蚀区域，对所述刻蚀区域进行刻蚀以形成沟槽，所述沟槽至少包括基极区域沟槽；所述沟槽贯穿所述发射极层，所述沟槽的底部位于所述P型低掺杂浓度的硅外延层内或延伸至所述P型高掺杂浓度的硅外延层上表面；5)在所述基极区域沟槽底部制备基极电极；6)在所述发射极层上制备发射极电极；7)将步骤6)所得到的结构进行退火热处理。

【技术特征摘要】
1.一种高效薄膜晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：1)提供一SOI衬底，所述SOI衬底由下至上依次包括背衬底、埋氧层和顶层硅；2)在所述顶层硅上依次形成P型高掺杂浓度的硅外延层和P型低掺杂浓度的硅外延层；3)在所述P型低掺杂浓度的硅外延层上形成发射极层；具体方法为：首先采用离子注入或离子扩散技术在所述P型低掺杂浓度的硅外延层上形成高掺杂浓度的N型硅层；所述掺杂元素为磷元素；然后采用PECVD工艺在所述高掺杂浓度的N型硅层上形成氮化硅钝化层；或首先采用PECVD工艺依次在所述P型低掺杂浓度的硅外延层上形成本征非晶硅层和N型非晶硅层；然后采用溅射或反应等离子沉积在所述N型非晶硅层上形成透明导电膜；4)在所述发射极层上定义刻蚀区域，对所述刻蚀区域进行刻蚀以形成沟槽，所述沟槽至少包括基极区域沟槽；所述沟槽贯穿所述发射极层，所述沟槽的底部位于所述P型低掺杂浓度的硅外延层内或延伸至所述P型高掺杂浓度的硅外延层上表面；5)在所述基极区域沟槽底部制备基极电极；6)在所述发射极层上制备发射极电极；7)将步骤6)所得到的结构进行退火热处理。2.根据权利要求1所述的高效薄膜晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：在步骤2)中，所采用化学气相沉积法在所述顶层硅上外延生长所述P型高掺杂浓度的硅外延层和P型低掺杂浓度的硅外延层。3.根据权利要求1所述的高效薄膜晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：在步骤4)中，采用湿法刻蚀工艺、电化学腐蚀工艺或RIE干法刻蚀工艺去除所述发射极层中的所述透明导电膜，所述湿法刻蚀工艺中所使用的腐蚀溶液为稀释HCl溶液，所述电化学腐蚀工艺中所使用的腐蚀溶液为质量分数为5％～15％的NaOH溶液。4.根据权利要求1所述的高效薄膜晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：在步骤4)中，所述沟槽还包括位于所述基极区域沟槽外侧的隔离槽。5.根据权利要求1所述的高效薄膜晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：采用丝网印刷或蒸镀技术制备所述基极电极和所述发射极电极。6.根据权利要求1所述的高效薄膜晶硅太阳电池的制备方法，其特征在于：在步骤7)中，所述退火热处理在N2、Ar或空气气氛条件下进行，所述退火热处理的温度为150℃～350℃。7.一种高效薄膜晶硅太阳电池，其特征在于：所述太阳电池至少包括：SOI衬底，由下至上依次包括背衬底、埋氧层和顶层硅；外延层，包括P型高掺杂浓度的硅外延层和P型低掺杂浓度的硅外延层；所述P型高掺杂浓度的硅外延层位于所述顶层硅的上表面，所述P型低掺杂浓度的硅外延层位于所述P型高掺杂浓度的硅外延层的上表面；发射极层，凸设于所述P型低掺杂浓度的硅外延层的上表面；所述发射极层为包括高掺杂浓度的N型硅层/氮化硅钝化层结构；或为包括本征非晶硅层/N型非晶硅层/透明导电膜结构的异质结结构，所述本征非晶硅层的厚度为1nm～10nm，所述N型非晶硅层的厚度为1nm～10nm，所述透明导电膜的厚度为60nm～120nm；沟槽，至少包括基极区域沟槽；所述沟槽贯穿所述发射极层，所述沟槽的底部位于所述P型低掺杂浓度的硅外延层内或延伸至所述P型高掺杂浓度的硅外延层上表面；所述沟槽将所述发射极层和所述P型低掺杂浓度的硅外延层分割为由所述P型低掺杂浓度的硅外延层与所述发射极层堆叠的凸台结构或由所述P型高掺杂浓度的硅外延层、所述P型低掺杂浓度的硅外延层与所述发射极层堆叠的凸台结构；基极电极，位于所述基极区域沟槽的底部；发射极电极，位于所述发射极层上。8.根据权利要求7所述的高效薄膜晶硅太阳电池，其特征在于：所述顶层硅的厚度为20nm～200nm，所述埋氧层的厚度为200～500nm；所述背衬底为硅衬底、陶瓷衬底或蓝宝石衬底。9.根据权利要求7所述的高效薄膜晶硅太阳电池，其特征在于：所述外延层的材料为单晶硅和/或多晶硅；所述P型高掺杂浓度的硅外延层的厚度为0.05μm～2μm，P型元素掺杂的浓度为5×1017～5×1019cm-3；所述P型低掺杂浓度的硅外延层的厚度为1μm～50μm，P型元素掺杂的浓度为5×1015～5×1017cm-3。10.根据权利要求7所述的高效薄膜晶硅太阳电池，其特征在于：所述基极电极与所述凸台结构构成台面结构，所述基极电极与所述凸台结构之间的间距为5μm～200μm。11.根据权利要求7所述的高效薄膜晶硅太阳电池，其特征在于：所述基极电极与所述凸台结构构成梳状结构，所述基极电极与所述凸台结构之间的间距为0.5μm～2μm。12.根据权利要求7所述的高效薄膜晶硅太阳电池，其特征在于：所述沟槽还包括隔离槽，所述隔离槽位于所述基极区域沟槽的外侧。13.根据权利要求7所述的高效薄膜晶硅太阳电池，其特征在于：所述基极电极为铝电极，所述发射极电极为银电极。14.一种基于高效薄膜晶硅太阳电池的自主能源集成芯片，其特征在于：所述自主能源集成芯片至少包括：权利要求7至13中任一项所述的高效薄膜晶硅太阳电池和/或其阵列，位于所述SOI衬底上；CMOS集成电路，位于所述高效薄膜晶硅太阳电池和/或其阵列一侧的所述SOI衬底或外延层上；所述CMOS集成电路由CMOS晶体管及其金属连接组成；互连结构，适于连接所述CMOS集成电路的电极与太阳电池和/或其阵列的电极；以及隔离结构，位于相邻所述CMOS晶体管之间、相邻所述CMOS晶体管与高效薄膜晶硅太阳电池之间和相邻所述高效薄膜晶硅太阳电池之间的所述顶层硅内，或位于相邻所述CMOS晶体管之间、相邻所述CMOS晶体管与高效薄膜晶硅太阳电池之间和相邻所述高效薄膜晶硅太阳电池之间的所述顶层硅与所述外延层内。15.根据权利要求14所述的基于高效薄膜晶硅太阳电池的自主能源集成芯片，其特征在于：所述CMOS集成电路包括高电位电极和低电位电极；所述高效薄膜晶硅太阳电池和/或其阵列的基极电极通过所述互连结构与所述集成电路的高电位电极相连接，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞剑涛，端伟元，俞健，刘正新，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31