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CN101305472B - 高效太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

高效太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效太阳能电池。更具体地，提供了一种包括第一导电型半导体基板、在第一导电型半导体基板上形成且具有与该基板导电型相反导电型的第二导电型半导体层、在其间界面上的p-n结、与第一导电型半导体基板的至少一部分接触的后电极、与第二导电型半导体层的至少一部分接触的前电极及在第一导电型半导体基板的后表面和/或第二导电型半导体层的前表面上顺序形成的氮氧化硅钝化层和氮化硅减反射层的太阳能电池及其制备方法。

Description

高效太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效太阳能电池。更具体地，本发明涉及一种太阳能电池，该太阳能电池经在与第一导电型半导体基板形成p-n结且具有与第一导电型半导体基板导电型相反导电型的第二导电型半导体层上顺序形成氮氧化硅钝化层和氮化硅减反射层，通过由钝化层和减反射层组成的双反射膜结构最小化吸收光的反射率，同时通过钝化层有效地防止在半导体表面发生的载流子复合(carrier recombination)而能够改进光电转换效率。此外，本发明提供了一种制备太阳能电池的方法，该方法能够通过原位连续形成双反射膜结构的批量生产能力而降低生产成本。
背景技术
近年来，随着对环境问题和能源耗尽问题的持续关注，太阳能电池作为一种可选择的应用大量能量来源的能源已引起了注意，并且其不具有与环境污染有关的问题并且具有高能效。
太阳能电池可分为采用太阳的热量产生必要的蒸汽能量以使涡轮旋转的太阳能热电池和利用半导体的性质将光子转换成电能的光电太阳能电池。特别地，已经积极进行了大量的关于光电太阳能电池的研究，在这些光电太阳能电池中，通过光的吸收产生的p-型半导体的电子和n-型半导体的空穴转换成电能。
因为依靠吸收光的量确定产生的电子和空穴的数量和控制生成的电流的量，所以制备光电太阳能电池需考虑的重要因素是降低吸收光的反射率。因此，为了降低光的反射率，采用减反射层，或者采用在形成的电极端子时使入射光屏蔽区域最小化的方法。特别地，已经积极地进行了各种尝试和努力以开发能够达到高减反射率的减反射层。在各种太阳能电池中，占据太阳能电池市场的大部分且包括单晶、多晶薄膜(single-crystalline，poly-or multi-crystalline thin films)的晶体硅太阳能电池有遭受减反射层的成分扩散至硅的可能性，因此广泛地采用在减反射层和硅层之间具有单独的钝化层的双反射膜结构。
例如，美国专利号4927770公开了一种采用氮化硅减反射层降低吸收光的反射率和通过在氮化硅和硅半导体层之间形成氧化硅钝化层而钝化硅半导体层的表面的方法。但是，因为关于钝化层和减反射层的沉积，通过化学气相沉积(CVD)沉积氧化硅，而通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积氮化硅，所以这种技术具有工艺不连续性的缺点。
此外，韩国专利公开号2003-0079265公开了一种通过采用由作为钝化层的非晶硅薄膜和作为减反射层的氮化硅组成的双反射膜结构而以非晶硅薄膜钝化硅半导体层的技术。但是，因为该技术采用了非晶硅薄膜，所以很难获得期望程度的减反射效率。另外，根据该韩国专利，在低于450℃的低温下必须进行烘干工艺，并且因此在电极的形成中不能使用丝网印刷法，于是导致需要如激光设备的昂贵设备。也就是说，该方法有例如复杂的制备工艺和明显提高的生产成本的各种问题，因此将其应用于实际中是困难的。
同时，美国专利号6518200公开了一种制备在基板上形成由氮氧化硅和氮化硅组成的层的复合微电子层的方法，在所述基板中形成有太阳能电池、传感器图像阵列、显示图像阵列或类似物。但是，该专利涉及一种将氮氧化硅和氮化硅用作用于电流收集的介电材料的技术并且因此如下所述，该专利与采用氮氧化硅和氮化硅作为太阳能电池的钝化层和减反射层的本发明明显不同。
发明内容
因此，本发明用于解决上述问题及其它要解决的技术问题。
也就是说，针对上述问题作出了本发明，并且本发明的一个目的是提供一种具有通过由氮氧化硅钝化层和氮化硅减反射层组成的双反射膜结构进一步最小化吸收光的反射率同时通过钝化层有效地防止在半导体表面发生的载流子复合而能够改进光电转换效率的结构的太阳能电池。
本发明的另一个目的是提供一种通过原位工艺连续形成双反射膜结构而能够达到低成本的批量生产能力的太阳能电池。
本发明的另一个目的是提供一种制备上述太阳能电池的方法。
附图说明
根据下列详细描述和附图，将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1为根据本发明的一个实施方式的由半导体基板、钝化层和减反射层组成的太阳能电池的示意图。
具体实施方式
在下文中，将更详细描述本发明。
根据本发明的一个方面，通过提供包括第一导电型半导体基板、在第一导电型半导体基板上形成且具有与该基板导电型相反导电型的第二导电型半导体层、在其间界面上的p-n结、与第一导电型半导体基板的至少一部分接触的后电极、与第二导电型半导体层的至少一部分接触的前电极及在第一导电型半导体基板的后表面和/或第二导电型半导体层的前表面上顺序形成的氮氧化硅钝化层和氮化硅减反射层的太阳能电池可实现上述和其它的目的。
因此，根据本发明的太阳能电池具有在第二导电型半导体层和氮化硅减反射层之间包含氮氧化硅钝化层的结构并且因此钝化层和减反射层一起形成了双反射膜结构，该双反射膜结构因此能够通过最小化吸收光的反射率，同时通过钝化层有效地防止在半导体表面发生的载流子复合而进一步改进太阳能电池效率。
优选地，在第二导电型半导体层的前表面上形成钝化层和减反射层。在一个优选的实施方式中，在第二导电型半导体层上形成厚度为1～40nm的钝化层，并且将在钝化层上形成的减反射层制备成具有1.9～2.3的折射率。
第一导电型半导体基板为掺杂如硼(B)、镓(Ga)、铟(In)等周期表第III族元素的p-型硅基板。第二导电型半导体层为掺杂如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等周期表第V族元素的n-型发射层。第一导电型半导体基板和第二导电型半导体层彼此接触而形成p-n结。
图1示意性示出根据本发明的一个实施方式的太阳能电池的构造，该示意图仅为了便于容易理解而不应该解释为限制本发明的范围。
参照图1，具有与基板导电型相反导电型的第二导电型半导体层12形成于第一导电型半导体基板11上，并且因此在其间界面上形成p-n结13。氮氧化硅钝化层14形成于第二导电型半导体层12上，并且氮化硅减反射层15形成于钝化层14上。
后电极21与第一导电型半导体基板11形成电相连。然而，前电极22与第二导电型半导体层12相连，并且穿过钝化层14和减反射层15而从减反射层15的顶端向上突出。
根据本发明的另一方面，提供了一种制备太阳能电池的方法，该方法包括：
(a)在第一导电型半导体基板上形成具有与基板导电型相反导电型的第二导电型半导体层，从而在其间界面上形成p-n结；
(b)在第二导电型半导体层上形成氮氧化硅钝化层；
(c)在所述钝化层上形成氮化硅减反射层；
(d)在第一导电型半导体基板的后表面上形成电极；和
(e)在所述减反射层上形成与第二导电型半导体层连接的电极。
在下文中，将逐步地具体描述根据本发明的太阳能电池的制备。
在步骤(a)中，作为p-型硅基板的第一导电型半导体基板掺杂了如B、Ga、In等的第III族元素，作为n-型发射层的第二导电型半导体层掺杂了如P、As、Sb等的第V族元素，并且可通过本技术领域已知的常规方法(例如高温扩散)于其间形成p-n结。
在步骤(b)和(c)中，例如通过系列等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法，可连续进行在第二导电型半导体层上形成钝化层和在钝化层上形成减反射层。因此，由于相应制备工艺的简化而能够降低太阳能电池的制备成本。
在步骤(d)中，例如通过将含铝(Al)的糊状物丝网印刷在第一导电型半导体基板上并且烘干印刷的糊状物可形成后电极。
另外，在步骤(c)中，当形成前电极时，例如通过将含银(Ag)的糊状物丝网印刷在减反射层的上部并烘干印刷的糊状物，可形成通过钝化层和减反射层与第二导电型半导体层连接的前电极。
可通过本技术领域已知的常规方法进行除了氮氧化硅钝化层外的剩余部件的制备并且因此将省略其详细的描述。
此外，一些上述制备步骤可以不同工艺顺序进行，或可以一起进行。例如，形成电极的步骤(d)和步骤(c)可以相反顺序进行。如果必要，通过相应的糊状物形成图形后，步骤(d)和步骤(c)可与烘干工艺一起进行。
实施例
现在，参照如下实施例将更详细地描述本发明。这些实施例仅用于示例本发明并且不应该解释为限制本发明的范围和实质。
[实施例1]
在掺杂硼的p-型硅基板上形成掺杂磷的n-型发射层以形成p-n结。通过PECVD法在n-型发射层上沉积厚度为30nm的作为钝化层的氮氧化硅(SiOxNy)。之后，通过PECVD法，在氮氧化硅钝化层上沉积作为减反射层的折射率为1.9的氮化硅(SiNx)。接着，将含铝的糊状物丝网印刷在p-型硅基板上并且将含银的糊状物丝网印刷在氮化硅层上，从而形成图形。将产生的结构在约800℃温度下烘干大约30秒以同时形成与p-型硅基板连接的后电极和与n-型发射层连接的前电极，从而制备太阳能电池。
[比较实施例1]
除了用二氧化硅(SiO2)代替氮氧化硅作为钝化层沉积在n-型发射层上之外，以和实施例1相同的方式制备太阳能电池。
[比较实施例2]
除了不将氮氧化硅钝化层沉积在n-型发射层上之外，以和实施例1相同的方式制备太阳能电池。
[实验实施例1]
为了测量在实施例1和比较实施例1和2中制备的太阳能电池的效率，分别测量了开路电压(Voc)和短路电流(Jsc)。之后，基于测量的Voc和Jsc值，测量了填充系数(FF)和太阳能电池效率。得到的结果在表1中示出。这里，填充系数(FF)定义为(Vmp x Jmp)/(Voc x Jsc)，其中，Jmp和Vmp表示在最大功率点的电流密度和电压。太阳能电池效率指Pmax/Pin，其中，Pmax表示由电池产生的最大功率和功率输入，Pin定义为进入系统的入射光强，也就是，每单位时间供给系统的光能量。
<表1>
 实施例编号   反射膜的组分  Jsc(mA)   Voc(V)   FF(％)   效率(％)
 实施例1   SiOxNy/SiNx   32.7   0.620   79.0   16.01
 比较实施例1   SiO2/SiNx   32.7   0.616   78.8   15.87
 比较实施例2   SiNx   32.4   0.618   78.5   15.71
从表1的结果可以看出，与二氧化硅钝化层的双反射膜结构(比较实施例1)和仅由氮化硅层组成的减反射层(比较实施例2)相比，根据本发明的实施例1的太阳能电池显示了明显增大的Voc值而Jsc值未减小，这证明了太阳能电池效率提高了0.14％或更高。这种电池效率的改进在本发明所属技术领域中是值得注意的结果，并且相信是由于双反射膜结构使吸收光的反射率最小化，同时通过氮氧化硅钝化层有效地防止在半导体表面发生的载流子复合。
工业实用性
从上述内容明显看出，通过提供由钝化层和减反射层组成的双反射膜结构而使吸收光的反射率最小化同时通过钝化层有效地防止在半导体表面发生的载流子复合，根据本发明的太阳能电池能够实现光电转换效率的明显改进。另外，本发明通过经双反射膜结构的原位连续形成的批量生产能力能够明显降低生产成本。
尽管为了示例目的公开了本发明的优选实施方式，那些本领域的技术人员将会理解，不偏离在所附权利要求中公开的本发明的范围和实质，各种修正、增加和替代是可能的。

Claims (7)

1.一种具有双反射膜结构的太阳能电池，该太阳能电池包括：
第一导电型半导体基板；
在第一导电型半导体基板上形成的第二导电型半导体层，所述第二导电型与第一导电型相反；
在所述第二导电型半导体层上形成的由SiOxNy制得的钝化层；
在所述钝化层上顺序形成的由氮化硅制得的减反射层；
前电极通过所述减反射层和钝化层与所述第二导电型半导体层接触；以及
后电极与所述第一导电型半导体基板接触，
其中，所述双反射膜结构由钝化层和减反射层组成。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述钝化层的厚度为1～40nm。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，所述减反射层的折射率为1.9～2.3。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中，第一导电型半导体基板为p-型硅基板，并且第二导电型半导体层为n-型发射层。
5.一种制备具有双反射膜结构的太阳能电池的方法，该方法包括：
(a)在第一导电型半导体基板上形成与所述基板的第一导电型相反的第二导电型半导体层，从而在其间界面上形成p-n结；
(b)在第二导电型半导体层上形成SiOxNy钝化层；
(c)在所述钝化层上形成氮化硅减反射层；
(d)在第一导电型半导体基板的后表面上形成后电极；和
(e)形成通过所述减反射层和钝化层与第二导电型半导体层连接的前电极，
其中通过等离子体增强化学气相沉积法原位连续进行所述(b)和(c)以形成所述双反射膜结构。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，第一导电型半导体基板为p-型硅基板，并且第二导电型半导体层为n-型发射层。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述前电极是通过将含银的糊状物丝网印刷在所述减反射层的上部并烘干印刷的糊状物而形成的，并且所述后电极是通过将含铝的糊状物丝网印刷在第一导电型半导体基板上并烘干印刷的糊状物而形成的。
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