硅异质结太阳能电池制造技术

本发明专利技术涉及一种硅异质结太阳能电池，其相继地包括：掺杂的晶体硅衬底(1)；钝化层(2a)；与衬底(1)的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层(2b)；以及透明导电材料层(3)；所述电池的特征在于，在衬底(1)与钝化层(2a)之间，所述电池包括具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层(5)，在该层中，衬底(1)少数载流子的迁移率(μm)大于所述少数载流子在衬底(1)中的迁移率。本发明专利技术还涉及制造这种太阳能电池的工艺。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硅异质结太阳能电池
本专利技术涉及具有硅异质结的太阳能电池以及用于制造所述电池的工艺。
技术介绍
在硅异质结(Siliconheterojunctionsolarcell，SHJ)太阳能电池中，光伏效应所必需的内部电场是通过沉积在n型掺杂晶体硅衬底(一般表示为c-Si(n))上的p型掺杂氢化非晶硅层(一般表示为a-Si:H(p))而形成的，这不同于常规的同质结结构，在常规的同质结结构中，内部电场是经由p型掺杂硅/n型掺杂硅的结获得的。相反地，还存在这样的硅异质结电池，其中晶体硅衬底是p型掺杂的而氢化非晶硅层是n型掺杂的。一般而言，在衬底与掺杂的非晶硅层之间插入钝化层(例如，本征氢化非晶硅(一般表示为a-Si:H(i))，以便受益于极佳的a-Si:H(i)/c-Si(n或p)界面特性，并且增加太阳能电池的开路电压(Voc)。在界面处的复合陷阱的低浓度可以通过在a-Si:H(i)层中不存在掺杂物杂质而得到解释。为了限制光子在非晶层中的寄生吸收，这些层非常薄，而透明导电材料(例如，透明导电氧化物(TCO))层形成在正面，以便将光生电荷横向收集至旨在收集产生的电流的金属电极。除了低电阻率外，透明导电材料层还必须具有与高产率需求相匹配的光学特性，即，首先具有在外部环境的指数与非晶硅的指数之间的光学指数n(以用于抗反射功能)，以及其次具有能够实现低的光子吸收的低光学指数k。异质结可以位于电池的正面(即，暴露于太阳辐射的一侧)或与正面相对的背面。一般而言，在衬底的与包括异质结的面相对的面，电池包括钝化层和掺杂类型与衬底相同的掺杂非晶硅层的堆叠。图1是硅异质结太阳能电池的正面A的示意图。晶体硅衬底由附图标记1指示。在图1中为n型掺杂硅衬底，而p-n结在正面形成。衬底1相继地由(例如本征非晶硅层的)钝化层和p型掺杂的非晶硅层涂覆，每层各为几纳米厚。这两个非晶层的组合使用附图标记2。透明导电材料层3覆盖p型掺杂的非晶硅层。最后，金属电极4设置在正面上，与透明导电材料层相接触。在光子吸收的作用下，在衬底1中产生了电子e-/空穴h+对。在异质结所形成的电场的影响下，空穴h+向正面移动，穿过非晶硅层2，并且被透明导电材料层3收集(箭头f1，基本垂直于正面A)。然后，空穴在层3中被导向金属电极4(箭头f2，基本平行于正面A)。在文献中能够得知，很难实现在透明导电材料层的导电性与透明性之间的妥协[1]。对于最广泛使用的透明导电氧化物，即氧化铟锡(ITO)，载流子浓度的调制是通过层的氧掺杂来确保的。在沉积ITO层时大量的氧的存在减小了氧空位的数量，有助于载流子浓度的减小。低载流子浓度导致更大的层的电阻率，但是也导致更好的透明性。相反，低氧掺杂导致极佳的层的导电性(由于高的电子浓度)，但是也导致在红外区中的高吸收。在对沉积方法进行数年的优化之后，对在ITO层的电学/光学特性的妥协方面的改进已经达到了极限。ITO的替换材料，尤其是氧化铟(IO)、掺钨氧化铟(IWO)或掺锌氧化铟目前正进行研究，而且看起来很有前途。但是，SHJ技术对于透明导电材料层的沉积条件有严格的限制：该沉积必须在低温低功率下进行，以便不损坏下面的非晶硅层。这些制造限制因此局限了研发路径的范围。本专利技术的一个目标为，进一步提高硅异质结太阳能电池的产率。
技术实现思路
根据本专利技术，提出了一种硅异质结太阳能电池，该太阳能电池相继地包括：-掺杂的晶体硅衬底，-钝化层，-与衬底的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层，-透明导电材料层，所述电池的特征在于，在衬底与钝化层之间，所述电池包括具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层，在该层中，衬底少数载流子的迁移率(μm)大于所述少数载流子在衬底中的迁移率。“本征硅”指的是不含任何掺杂物的硅，或至少在材料的形成期间没有故意添加掺杂物的硅。无论如何，如果硅的有效掺杂物的浓度小于1E15/cm3，则认为其是本征的。为此，非晶或晶体形态的本征硅的沉积是在没有受到掺杂物杂质污染的环境中进行的。“微掺杂硅”指的是有效掺杂物的浓度在1E15/cm3到1E17/cm3之间的硅。掺杂的硅指的是有效掺杂物的浓度高于1E17/cm3的硅。具有高少数载流子迁移率的材料的所述层与衬底接触。在尤其有益的方式中，将具有高少数载流子迁移率的材料的层的厚度选择为薄于临界厚度，当所述材料在晶体硅衬底上外延生长时，在达到临界厚度时以及超过临界厚度后，在所述层中会出现晶体缺陷。具有高少数载流子迁移率的材料的层的厚度优选在3nm到25nm之间。根据本专利技术的一个实施方案，衬底是n型掺杂的，于是少数载流子为空穴。根据一个优选的实施方案，具有高空穴迁移率的材料是Si1–xGex式的硅和锗的合金，其中0<x≤1。根据另一个实施方案，衬底是p型掺杂的，于是少数载流子为电子。在该情况下，有益地，具有高电子迁移率的材料是GaAs或InGaAs合金。根据本专利技术的一个尤其有益的实施方案，在具有高少数载流子迁移率的材料的层与钝化层之间，所述电池进一步包括本征晶体硅层，该本征晶体硅层的作用为，提高所述层与钝化层之间的界面的质量。有益地，所述本征晶体硅层的厚度在1nm到5nm之间。进一步的目标涉及用于制造上述太阳能电池的工艺。所述工艺包括在掺杂的晶体硅衬底上形成下列相继的层：-钝化层，-与衬底的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层，-透明导电材料层，所述工艺的特征在于，在形成所述层之前，所述工艺包括在衬底上外延生长具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层，在该层中，衬底少数载流子的迁移率(μm)高于所述少数载流子在衬底中的迁移率。在尤其有益的方式中，将具有高少数载流子迁移率的材料的层的厚度选择为薄于临界厚度，在达到临界厚度时以及超过临界厚度后，在所述层中会出现晶体缺陷。具有高少数载流子迁移率的材料的层的厚度优选在3nm到25nm之间。根据本专利技术的一个实施方案，衬底是n型掺杂的，于是少数载流子为空穴。根据一个优选的实施方案，具有高空穴迁移率的材料是Si1–xGex式的硅和锗的合金，其中0<x≤1。根据另一个实施方案，衬底是p型掺杂的，于是少数载流子为电子。在该情况下，有益地，具有高电子迁移率的材料是GaAs或InGaAs合金。根据一个尤其有益的实施方案，该工艺进一步包括在具有高少数载流子迁移率的材料的所述层上外延生长本征晶体硅层。有益地，所述本征晶体硅层的厚度在1nm到5nm之间。附图说明通过下面参考所附附图给出的详细描述，本专利技术的其他特征和益处将更加清楚，在附图中：-图1是常规硅异质结太阳能电池的正面的示意图；-图2示出了常规硅异质结太阳能电池的正面的能带图；-图3是根据本专利技术的硅异质结太阳能电池的正面的截面视图；-图4显示了根据硅-锗合金中锗的比例的合金层临界厚度的变化；-图5是根据本专利技术的硅异质结太阳能电池的正面的示意图。应当了解，为了显示的清楚性，不同的层的厚度不是按比例绘制的。具体实施方式本专利技术提出，在电池包括异质结的一侧，在具有一种掺杂类型的晶体硅衬底与钝化层之间插入附加层，从而在称为反型层的层中提高电导率，该反型层位于钝化层与晶体硅衬底之间的界面处。附加层的存在旨在提供与在透明导电材料层中观察到的路径平行的导电路径，这有益地允许使用相比于通常使用的透明导电材料而言导电性降低但是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅异质结太阳能电池，其相继地包括：‑掺杂的晶体硅衬底(1)，‑钝化层(2a)，‑与衬底(1)的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层(2b)，‑透明导电材料层(3)，所述电池的特征在于，在衬底(1)与钝化层(2a)之间，所述电池包括具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层(5)，在该层中，衬底(1)少数载流子的迁移率(μm)大于所述少数载流子在衬底(1)中的迁移率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.17 FR 13556491.一种硅异质结太阳能电池，其相继地包括：-掺杂的晶体硅衬底(1)，-钝化层(2a)，-与衬底(1)的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层(2b)，-透明导电材料层(3)，所述电池的特征在于，在衬底(1)与钝化层(2a)之间，所述电池包括具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层(5)，衬底(1)少数载流子在该具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)中的迁移率(μm)大于所述衬底(1)少数载流子在衬底(1)中的迁移率。2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)与衬底(1)接触。3.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池，其特征在于，将具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)的厚度选择为薄于临界厚度，当所述晶体材料在晶体硅衬底(1)上进行外延生长时，在达到临界厚度时以及超过临界厚度后，在所述具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)中会出现晶体缺陷。4.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池，其特征在于，具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)的厚度在3nm到25nm之间。5.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池，其特征在于，衬底(1)是n型掺杂的，于是少数载流子为空穴。6.根据权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，具有高少数载流子迁移率的晶体材料是锗或者Si1–xGex式的硅和锗的合金，其中0<x<1。7.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池，其特征在于，衬底(1)是p型掺杂的，于是少数载流子为电子。8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于，具有高少数载流子迁移率的晶体材料是GaAs或InGaAs合金。9.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池，其特征在于，在具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)与钝化层(2a)之间，所述太阳能电池进一步包括本征晶体硅层(6)。10.根据权利要求9中所述的太阳能电池，其特征在于，本征晶体硅层(6)的厚度在1nm到5nm之间。11.根据权利要求1或...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·夸尼斯，
申请(专利权)人：原子能和能源替代品委员会，
类型：发明
国别省市：法国;FR