具有硅異質(zhì)結(jié)的光伏電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有硅異質(zhì)結(jié)的光伏電池以及用于制造這種電池的方法。
【背景技術(shù)】
[0002 ]不同于通過P摻雜娃晶體/ η-摻雜娃晶體結(jié)來獲得內(nèi)建電場的常規(guī)同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，在具有娃異質(zhì)結(jié)的太陽能電池(通常用“Silicon HeteroJunct1n solar cell，娃異質(zhì)結(jié)太陽能電池”的首字母縮寫SHJ來表示)中，對于光伏效應(yīng)來說不可缺少的內(nèi)建電場是通過淀積在η摻雜硅晶體襯底(通常記為c-Si(n))的襯底上的ρ或ρ+摻雜氫化非晶硅層(通常記為a-S1:H(p))而產(chǎn)生的。
[0003]相對地，還存在具有這樣的硅異質(zhì)結(jié)的電池:其中硅晶體襯底為ρ摻雜的，而氫化非晶硅層為η或η+摻雜的。
[0004]來自非晶硅(非晶硅可以在低溫下淀積)的異質(zhì)結(jié)的制造能夠使得施加于硅晶體襯底的熱預(yù)算最小化，從而避免硅晶體襯底的性能變差。
[0005]與襯底的類型相反的摻雜層形成光伏電池的發(fā)射極(l’6metteur)。
[0006]在襯底的另一表面上，與襯底相同類型的摻雜非晶或微晶硅層形成了排斥電場(champelectrique rgpulsif)。如果所述層位于襯底的背面(S卩，與旨在接收太陽福射的正面相對的面)，則用術(shù)語“背面場” (Back Surface Field，BSF)來表示;如果所述層存在于正面，則被稱為“正面場”(Front Surface Field,FSF) ο
[0007]該層具有驅(qū)逐襯底的少數(shù)載流子(S卩，如果襯底為p摻雜的則為電子，如果襯底為η摻雜的則為空穴)的作用，從而避免與形成在與發(fā)射極相對的電池的面上的接觸(contact)復(fù)合。
[0008]電池對光子的吸收表現(xiàn)為電子/空穴對的產(chǎn)生，在通過異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生的本征電場的作用下，所述電子/空穴對分離，使得光生少數(shù)載流子移向這些載流子為多子的區(qū)域。
[0009]因此，在P型的襯底中，光生電子移向η+型的發(fā)射極，而空穴移向ρ+型的排斥場層；在η型的襯底中，光生空穴移向ρ+型的發(fā)射極，而電子移向η+型的排斥場層。
[0010]電接觸形成在電池的正面和背面上，以便收集所述光生載流子。
[0011]為了避免界面處的復(fù)合并且增大轉(zhuǎn)化效率，已知在襯底與摻雜非晶硅的每層之間插入鈍化層(例如，本征氫化非晶硅(通常記為a_S1:H(i))層)，以從優(yōu)異的a-S1:H(i)/c-Si(η或ρ)界面性能獲益，并且增大電池的開路電壓(Voc)。
[0012]界面處的復(fù)合陷阱的低濃度由a_S1:H(i)層中的摻雜雜質(zhì)的缺失而得以解釋。
[0013]圖1為示出了具有異質(zhì)結(jié)(其中襯底I為η型的)的光伏電池的原理的立體視圖。
[0014]雖然此處未示出，但是襯底的兩面通常都進(jìn)行織構(gòu)，以使得反射現(xiàn)象最小化。
[0015]旨在接收太陽輻射的電池的正面由標(biāo)記F來表示，與正面相對的背面由標(biāo)記B來表不O
[0016]異質(zhì)結(jié)由位于襯底的正面的ρ+型摻雜非晶硅層3形成。
[0017]在所述層3與襯底I之間插入了本征非晶硅的鈍化層2。
[0018]至于襯底I的背面，覆蓋有本征非晶硅的鈍化層4，并且覆蓋有η+摻雜非晶硅層5。
[0019]兩個摻雜非晶硅層3、5中的每個覆蓋有透明導(dǎo)電材料層6、7。
[0020]最后，在電池的正面和背面上分別形成有電接觸8、9。
[0021]Kinoshita等人的文章展示了用于提高具有異質(zhì)結(jié)的光伏電池的效率的不同解決方案[Kinoshitall]。
[0022]出于該目的，該文章的作者關(guān)注于非晶硅層和透明導(dǎo)電材料的優(yōu)化，關(guān)注于電接觸的優(yōu)化并且關(guān)注于光學(xué)限制的改進(jìn)。
[0023]然而，這種電池中存在復(fù)合，這會降低電池的效率。
[0024]因此，本發(fā)明的目標(biāo)在于設(shè)計一種光伏電池，其中這種復(fù)合得到最小化或者甚至得到禁止。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025]為了尋求上述缺陷的應(yīng)對方法，提出了一種具有硅異質(zhì)結(jié)的光伏電池，其包括η或P型慘雜的娃晶體襯底，其中:
[0026]襯底的第一主面相繼地覆蓋有鈍化層、P或ρ+型摻雜的非晶或微晶硅層以及透明導(dǎo)電材料層，
[0027]-襯底的第二主面相繼地覆蓋有η或η+型摻雜的非晶或微晶硅層以及透明導(dǎo)電材料層。
[0028]根據(jù)本發(fā)明，在襯底與η或η+型摻雜的非晶或微晶硅層之間，所述電池包括晶體半導(dǎo)電材料的層，所述晶體半導(dǎo)電材料具有與硅的導(dǎo)帶基本對齊的導(dǎo)帶以及比硅的禁帶更大的禁帶，從而使得所述晶體半導(dǎo)電材料的層促進(jìn)電子的流通，而限制空穴從襯底到η或η+型摻雜的非晶或微晶硅層的流通。插入在襯底與η或η+型摻雜的非晶或微晶硅層之間的所述晶體半導(dǎo)電材料選自氮化鎵和銦鎵氮。
[0029]“基本對齊的導(dǎo)帶”指的是兩種材料的導(dǎo)帶之間的差的絕對值小于0.leV。
[0030]在本文中，術(shù)語“相繼地”指的是相對于襯底的主面堆疊各個層的次序，而未必意味著兩個相繼的層是直接接觸的(即，它們具有共同的界面)。
[0031]“透明導(dǎo)電材料”指的是對太陽輻射透明的導(dǎo)電材料。
[0032]“本征硅”指的是不包含任何摻雜劑或者至少在材料的形成期間沒有故意引入摻雜劑的硅。在任何情況下，如果激活的摻雜劑的濃度小于11Vcm3，則認(rèn)為硅為本征的。
[0033]為了該目的，非晶或晶體形態(tài)的本征硅的淀積在沒有受到摻雜雜質(zhì)污染的腔室內(nèi)執(zhí)行。
[0034]“摻雜娃”(η或ρ)指的是激活的摻雜劑的濃度大于11Vcm3的硅。
[0035]“重?fù)诫s娃”(η+或ρ+)指的是激活的摻雜劑的濃度大于11Vcm3的硅。
[0036]以特別有利的方式，襯底第二主面具有使硅的晶面(111)顯露出來的織構(gòu)。
[0037]根據(jù)實(shí)施方案，所述晶體半導(dǎo)電材料層的厚度包括在0.5nm與50nm之間，優(yōu)選地包括在I nm與I Onm之間。
[0038]另一個目標(biāo)涉及一種用于制造具有如上所述硅異質(zhì)結(jié)的光伏電池的方法。
[0039]根據(jù)該方法:
[0040]在η或ρ摻雜硅晶體襯底的第一主面上，相繼地形成鈍化層、ρ或ρ+型摻雜的非晶或微晶硅層、透明導(dǎo)電材料層以及載流子的第一收集極，
[0041]在襯底的第二主面上，相繼地形成η或η+型摻雜的非晶或微晶硅層、透明導(dǎo)電材料層以及載流子的第二收集極，
[0042]在形成所述η或η+型摻雜的非晶或微晶硅層之前，通過外延而在襯底上形成半導(dǎo)電材料的層，所述半導(dǎo)電材料具有與硅的導(dǎo)帶基本對齊的導(dǎo)帶以及比硅的禁帶更大的禁帶。所述晶體半導(dǎo)電材料為氮化鎵或銦鎵氮。
[0043]在外延步驟之前，有益地對襯底的第二面進(jìn)行織構(gòu)，以形成使硅的晶面(111)顯露出來的金字塔形。
[0044]根據(jù)實(shí)施方案，晶體半導(dǎo)電導(dǎo)電材料為氮化鎵，并且氮化鎵層通過分子束外延(MBE)或者通過金屬有機(jī)化合物氣相外延(MOVPE)而形成。
[0045]所述氮化鎵層的外延溫度有益地包括在600與800°C之間。
[0046]半導(dǎo)電晶體材料層的厚度包括在0.5nm與50nm之間，優(yōu)選地包括在Inm與1nm之間。
【附圖說明】
[0047]本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從參照所附附圖的隨后的詳細(xì)說明中顯現(xiàn)，所附附圖中:
[0048]-圖1為具有硅異質(zhì)結(jié)的光伏電池的立體方塊圖，
[0049]-圖2A示出了包括η型襯底的具有常規(guī)異質(zhì)結(jié)的光伏電池的能帶圖，
[0050]-圖2Β示出了包括ρ型襯底的具有常規(guī)異質(zhì)結(jié)的光伏電池的能帶圖，
[0051]-圖3Α是包括η型襯底的具有根據(jù)本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)的光伏電池的截面視圖，
[0052]-圖3Β示出了包括ρ型襯底的具有根據(jù)本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)的光伏電池的能帶圖，
[0053]-圖4Α是包括η型襯底的具有根據(jù)本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)的光伏電池的截面視圖，
[0054]-圖4Β示出了包括ρ型襯底的具有根據(jù)本發(fā)明的異質(zhì)結(jié)的光伏電池的能帶圖，
[0055]-圖5示出了硅以及對于不同銦含量的銦鎵氮的價帶和導(dǎo)帶的位置，
[0056]-圖6示出了這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)上執(zhí)行數(shù)值模擬以展示根據(jù)本發(fā)明的晶體半導(dǎo)電材料層的效果，
[0057]-圖7Α和圖7Β分別示出了在陽極處和陰極處的第一模擬結(jié)構(gòu)的能帶圖；圖7C和圖7D分別示出了在陽極處和陰極處的第二模擬結(jié)構(gòu)的能帶圖，
[0058]-圖8顯示了對于第一結(jié)構(gòu)(曲線a)和對于第二結(jié)構(gòu)(曲線b)，根據(jù)陽極處的偏壓的陰極電流的變化，
[0059]-圖9A顯示了對于第一結(jié)構(gòu)(曲線a)和對于第二結(jié)構(gòu)(曲線b)，根據(jù)陽極處的偏壓的在陽極處的空穴電流的變化，
[0060]-圖9B顯示了對于第一結(jié)構(gòu)(曲線a)和對于第二結(jié)構(gòu)(曲線b)，取決于陽極處的偏壓的在陰極處的空穴電流的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0061]為了尋求具有異質(zhì)結(jié)的光伏電池中存在復(fù)合的應(yīng)對方法，發(fā)明人根據(jù)這些電池的能帶圖來分析這些復(fù)合的起因。
[0062]圖2A和圖2B分別顯示了襯底為η摻雜的常規(guī)的具有硅異質(zhì)結(jié)的電池的能帶圖和襯底為P摻雜的常規(guī)硅異質(zhì)結(jié)電池的能帶圖。
[0063]這些圖來自[Hekmatshoarll]ο
[0064]應(yīng)當(dāng)注意的是，在這些圖上并未示出正面和背面上的透明導(dǎo)電材料層，這僅對于短路(court-circuit)的電池有效。
[0065]導(dǎo)帶和價帶分別由附圖標(biāo)記Ec和Ev來表示，線Ef代表費(fèi)米能級。
[0066]電子由標(biāo)記e來表示，空穴由標(biāo)記h來表示。
[0067]如圖2