具有氧化物隧穿结的太阳能电池制造技术

本发明专利技术的一个实施例提供具有氧化物隧穿结的太阳能电池。该太阳能电池包括基极层；与所述基极层相邻的量子隧穿势垒(QTB)层；发射极；表面电场层；前侧电极；以及背侧电极。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2011年5月4日、申请号为201110120153.6、专利技术名称为“具有氧化物隧穿结的太阳能电池”的中国专利技术专利申请的分案申请。相关申请本专利技术要求于2010年5月4日提交的、专利技术人是Jiunn Benjamin Heng,ChentaoYu,Zheng Xu和Jianming Fu、名称为“Solar Cell with Hetero Tunneling Junction(HTJ)”、代理人案卷号为SSP10-1002PSP的美国临时申请No.61/331,158的权益。
本公开总体涉及太阳能电池。更具体而言，本公开涉及基于隧穿结结构的太阳能电池，该隧穿结结构使用电介质材料(例如氧化硅)来形成隧穿层。
技术介绍
通过使用化石燃料造成的负面环境影响及其提升的成本已导致对更洁净、廉价替代能源的急切需求。在不同形式的替代能源中，太阳能因其洁净性和广泛可用性而受到青睐。太阳能电池利用光电效应将光转换成电。有许多种太阳能电池结构，并且一种典型的太阳能电池包含pn结，该pn结包括p型掺杂层和n型掺杂层。此外，还有不基于pn结的其他类型的太阳能电池。例如，太阳能电池可以基于金属绝缘体半导体(MIS)结构，该MIS结构包括位于金属或高导电层与掺杂的半导体层之间的超薄电介质或绝缘界面隧穿层。在基于pn结的太阳能电池中，被吸收的光产生载流子。这些载流子扩散进入pn结并由内建电场分离，从而产生穿过器件和外部电路系统的电流。在确定太阳能电池质量中的重要度量是其能量转换效率，其定义为当太阳能电池连接至电路时转换功率(从被吸收的光转换成电能)与收集功率的比率。为了提高转换效率，太阳能电池结构应当允许光生载流子有效地输运到电极。载流子损失的重要途径之一是在电池表面处的少数载流子的复合。因此，优异的表面钝化对于太阳能电池性能而言是重要的，这是因为它直接影响开路电压(Voc)。注意到良好的Voc意味着使得能够在更高温度下获得更好的太阳能电池性能的良好的温度系数。对于同质结太阳能电池而言，因存在的自由键所导致的在太阳能电池表面处的少数载流子复合可以明显降低表面钝化。此外，由掺杂剂扩散形成的较厚、重掺杂发射极层通常导致更差的少数载流子复合以及大幅度减弱短波长响应。诸如Si异质结(SHJ)太阳能电池之类的异质结太阳能电池因无定形Si(a-Si)层和晶态Si(c-Si)基极层之间的固有带隙偏移而往往具有较好的表面钝化，带隙偏移通过形成多数载流子的势垒来降低表面复合速度。a-Si层通过氢化作用修复已有的Si自由键，从而也钝化c-Si基极层的表面。然而，通常形成发射极的a-Si层是重掺杂的，从而导致表面钝化降低并导致短波长响应减弱。为了减轻增加的少数载流子表面复合，本征a-Si层可以嵌入重掺杂a-Si层和c-Si基极层之间。在基于MIS的太阳能电池中，诸如具有特定固定界面电荷的氧化硅之类的绝缘层被嵌入金属层和半导体层(诸如掺杂的c-Si层)之间，并在掺杂的c-Si中引起反型层。在反型层和c-Si之间的界面处的内建表面电场允许待分开和收集为少数载流子的电荷通过隧穿通过超薄绝缘(或氧化物)层来行进通过高导电空间电荷区域。极低的表面复合速度可以通过反型层的表面钝化和反型“发射极”层的低缺陷态密度来实现。为了避免引入与载流子隧穿通过厚电介质层相关的高串联电阻，隧道氧化物层需要低于20或30埃。图1A展示示出示例性金属绝缘体半导体(MIS)太阳能电池(现有技术)的图。MIS太阳能电池100包括掺杂有一种类型掺杂剂的硅衬底层102、薄绝缘层104、顶部金属栅106和底部金属接触层108。图1A中的箭头表示入射的太阳光。尽管利用小尺度上的基于MIS的太阳能电池可以实现良好的效率，但是难于将基于MIS的太阳能电池按比例增加至可制造的尺寸，这是因为反型层的差的导电性要求用于电流收集的密集金属栅。此外，在氧化物层中掺杂的铯(Cs)(其被引入以引起反型层)是不稳定的。另一方面，所有基于超高效率单晶Si的太阳能电池结构都被特别设计用以通过优异的表面钝化来获得高Voc。太阳能电池效率的电流记录保持者是在如美国专利NO.4,927,770中描述的基于叉指式背接触(IBC)结构的太阳能电池。在基于IBC的太阳能电池中，良好的Voc是通过前表面和背表面氧化物钝化层以及后部叉指式发射极和基极点接触来实现的。对IBC结构做出的进一步的改进在美国专利NO.7,737,357中示出，其中后部叉指式发射极和基极接触被隧道SiO2层上形成的掺杂a-Si接触替代。这种方法导致由隧道氧化物和a-Si引起的异质结电场提供的非常好的表面钝化，这导致大于700mV的Voc。美国专利No.5,705,828公开了双侧异质结太阳能电池，其也是基于优异表面钝化的高效率太阳能电池。双侧异质结太阳能电池通过实施高质量本征a-Si界面层可以实现具有较高开路电压(Voc)(诸如大于715mV)的高效率。本征a-Si层降低表面自由键的数量并提供固有异质结带隙偏移，这产生了有利的异质结电场以用于减小泄漏电流。已提出通过改进表面钝化来获取高效率太阳能电池的其他方法。美国专利No.7,164,150还描述了用于通过在沉积本征a-Si期间引入二氧化碳(CO2)气体来抑制c-Si基极层和本征a-Si层之间界面处载流子复合的方法。太阳能电池的Voc可以通过调节a-Si沉积期间的工艺条件来提高。美国专利No.4,404,422描述了基于MIS的太阳能电池，该太阳能电池实施超薄隧穿氧化物层来形成非常低的界面态密度而不提高与隧穿通过电介质层有关的串联电阻。基于MIS的太阳能电池结构的不同变化形式在美国专利No.4,828,628和美国专利No.4,343,962中描述。这些太阳能电池通过在c-Si基极中引起反型层来获得良好的性能。对氧化物层和引起反型的发射极的使用分别引起表面钝化和表面缺陷态的降低。这些效果的组合导致优异的少数载流子复合速度。然而，仍需要进一步改进以获取具有更好性能的太阳能电池以及实现具有高于23％的效率的太阳能电池的可能。更高Voc(高于750mV)是具有极低温度系数(低于0.25％/℃)的超高性能太阳能电池的关键条件。为了实现这样的高Voc，希望获取诸如低于1×1011/cm2之类的非常低的缺陷界面态密度(Dit)。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例提供基于隧穿结的太阳能电池。太阳能电池包括基极层；与基极层相邻的量子隧穿势垒(QTB)层；发射极层；表面电场层；前侧电极；背侧电极。在实施例的变化形式中，基极层包括以下项至少之一：单晶硅晶圆，外延生长晶态Si(c-Si)薄膜。在另一种变化形式中，调节外延生长c-Si薄膜的掺杂分布。在实施例的变化形式中，基极层包括基本上位于薄膜的中部的本征Si薄层，并且本征Si层的厚度位于1nm和10nm之间。在实施例的变化形式中，QTB层包括以下项至少之一：氧化硅(SiOx)、加氢SiOx、氮化硅(SiNx)、加氢SiNx、氧化铝(AlOx)、氮氧化硅(SiON)和加氢SiON。在实施例的变化形式中，QTB层具有1埃至50埃的厚度。在实施例的变化形式中，使用以下至少一项技术来形成QTB层：热氧化、原子层沉积、湿式氧化或蒸汽氧化、低压自由基氧化和等离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于隧穿结的太阳能电池的制造方法，包括：获取用于太阳能电池的基极层；同时形成基本上覆盖所述基极层的整个前表面的前侧量子隧穿势垒(QTB)层和基本上覆盖所述基极层的整个背表面的背侧量子隧穿势垒层；形成在所述背侧量子隧穿势垒层上的发射极层；形成在所述前侧量子隧穿势垒层上的前表面电场(FSF)层；形成在所述前表面电场层上的前侧电极；以及形成在所述发射极层上的背侧电极。

【技术特征摘要】
2010.05.04 US 61/331,158;2010.11.12 US 12/945,7921.一种基于隧穿结的太阳能电池的制造方法，包括：获取用于太阳能电池的基极层；同时形成基本上覆盖所述基极层的整个前表面的前侧量子隧穿势垒(QTB)层和基本上覆盖所述基极层的整个背表面的背侧量子隧穿势垒层；形成在所述背侧量子隧穿势垒层上的发射极层；形成在所述前侧量子隧穿势垒层上的前表面电场(FSF)层；形成在所述前表面电场层上的前侧电极；以及形成在所述发射极层上的背侧电极。2.根据权利要求1的方法，其中所述基极层包括以下项中至少一项：单晶硅晶圆；以及外延生长晶态Si(c-Si)薄膜。3.根据权利要求2的方法，其中调节所述外延生长晶态Si薄膜的掺杂分布。4.根据权利要求1的方法，其中所述基极层包括基本上位于所述基极层中部的本征Si薄层，并且其中所述本征Si层的厚度位于1nm和10nm之间。5.根据权利要求1的方法，其中所述前侧量子隧穿势垒层和所述背侧量子隧穿势垒层中的每个量子隧穿势垒层包括以下项中至少一项：氧化硅(SiOx)；加氢SiOx；氮化硅(SiNx)；加氢SiNx；氧化铝(AlOx)；氮氧化硅(SiON)；以及加氢SiON。6.根据权利要求5的方法，其中所述前侧量子隧穿势垒层和所述背侧量子隧穿势垒层中的每个量子隧穿势垒层包括SiOx或加氢SiOx，其中x小于2。7.根据权利要求1的方法，其中所述前侧量子隧穿势垒层和所述背侧量子隧穿势垒层中的每个量子隧穿势垒层的厚度位于1埃和50埃之间。8.根据权利要求1的方法，其中使用以下技术中至少一项来形成所述前侧量子隧穿势垒层和所述背侧量子隧穿势垒层中的每个量子隧穿势垒层：热氧化；原子层沉积；湿式氧化或蒸汽氧化；低压自由基氧化；以及等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。9.根据权利要求1的方法，还包括在所述发射极层、所述前表面电场层或这两者上形成透明导电氧化物(TCO)层。10.根据权利要求1的方法，其中所述发射极层和/或所述前表面电场层包括无定形Si(a-Si)。11.根据权利要求10的方法，其中所述发射极层包括掺碳无定形Si。12.根据权利要求10的方法，其中所述发射极层和/或所述前表面电场层包括未掺杂无定形Si。13.根据权利要求10的方法，其中所述发射极层和/或所述前表面电场层包括缓变掺杂无定形Si(a-Si)。14.根据权利要求13的方法，其中所述缓变掺杂无定形Si的掺杂浓度在1×1015/cm3至5×1020/cm3之间。15.根据权利要求13的方法，其中用于所述缓变掺杂无定形Si的n型掺杂剂包括磷，并且其中用于缓变掺杂无定形Si的p型掺杂剂包括硼。16.根据权利要求1的方法，其中所述基极层的n型施主或p型受主掺杂浓度在1×1014/cm3至1×1018/cm3之间。17.根据权利要求16的方法，其中所述发射极层的掺杂类型与所述基极层的掺杂类型相反，并且其中所述前...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·B·衡，游晨涛，徐征，傅建明，
申请(专利权)人：光城公司，
类型：发明
国别省市：美国;US