[發(fā)明專利]一種廣譜吸收的黑硅太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制作方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010113745.0
• 申請日: 2010-02-24
• 公開（公告）號(hào): CN101789462A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱洪亮;朱小寧;梁松;張興旺;劉德偉;王圩
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): H01L31/068
• 分類號(hào): H01L31/068;H01L31/18;H01L31/0236
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及硅基太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種廣譜吸收的黑硅 太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制作方法。

背景技術(shù)

太陽能是取之不盡用之不竭最具開發(fā)潛力的無污染可再生清潔能源， 地球上含量豐富的硅材料是制作太陽能電池的最佳物質(zhì)，但目前硅基電池 的發(fā)電成本還較高，普及民用難度大。降低硅基太陽能電池發(fā)電價(jià)格的重 要途徑是提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。目前所采用的主要技術(shù)手段，一是減 少光在電池表面的反射率，如采用透明減反電極膜、金字塔織構(gòu)表面、多 孔硅陷光表面結(jié)構(gòu)等；二是提高光在電池內(nèi)部的吸收率，如背反射結(jié)構(gòu)、 多結(jié)結(jié)構(gòu)、聚光透鏡等；三是減少光生載流子在體內(nèi)和表面的復(fù)合，如進(jìn) 行分區(qū)域摻雜、表面鈍化等等。這些措施使硅基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效 率提高到了24.7％的新水平[Prog.Photovolt：Res.Appl.7，471-474(1999)]。 要進(jìn)一步提高硅基電池的效率，從光譜上可以看出，一條重要的可循途徑 是提高電池材料對太陽光譜的吸收率，尤其是近紅外光的吸收率。因?yàn)楣? 基電池受到紅外吸收限的限制，只有能量大于硅禁帶寬度、波長短于1.1 微米的光子才能將硅介帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶被吸收，而波長大于1.1微米的 近紅外光子則基本不被吸收，如同透過玻璃一樣泄露走了。穿過電池的這 部分近紅外光約占太陽光譜的近1/3。

1998年美國哈佛大學(xué)教授艾瑞克·馬茲爾和他的研究團(tuán)隊(duì)利用超強(qiáng)飛 秒激光掃描裝置于六氟化硫氣體中的硅片表面，獲得了一種森林狀微結(jié)構(gòu) 錐體表面材料，其在0.25微米～2.5微米的幾乎整個(gè)太陽光譜范圍內(nèi)具有 ＞90％的光吸收率，極大地拓展了硅基材料的光譜吸收范圍[Appl.Phys.Lett. 73，1673(1998)]。即這種新材料對太陽光具有幾乎黑體吸收的效果，所 以亦稱之為“黑硅”。經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)，這種微結(jié)構(gòu)黑硅有兩大特點(diǎn)，一是 入射光進(jìn)入錐體面會(huì)不斷地向錐體底部折射，具有很強(qiáng)的減反射陷光效 果；二是這種微結(jié)構(gòu)黑硅表面的硫系物質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其在硅晶體中的 飽和濃度，使得硅禁帶中產(chǎn)生大量的局域態(tài)能級(jí)從而可擴(kuò)展黑硅的光譜吸 收范圍。

人們自然想到利用這種黑硅材料來制作太陽能電池。但十多年過去 了，這種利用黑硅廣譜吸收特點(diǎn)制作的太陽能電池還只僅僅獲得2.20％的 光電轉(zhuǎn)換效率[PhD?thesis，Harvard?University，2007]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。利 用所謂多孔黑硅陷光結(jié)構(gòu)制作的太陽能電池雖然獲得了16.8％的轉(zhuǎn)換效率 [Appl.Phys.Lett.95，123501(2009)]，其實(shí)還不如成熟的金字塔織構(gòu)電池， 因?yàn)樵撾姵夭]有利用黑硅的廣譜吸收特點(diǎn)。

造成這一現(xiàn)象的原因認(rèn)為是黑硅材料遷移率低、載流子壽命短、重?fù)? 雜表層俄歇復(fù)合嚴(yán)重、深能級(jí)導(dǎo)致開路電壓降低等，而目前的研究都將黑 硅材料作為電池的迎光面，導(dǎo)致這些問題尤為突出，從而極大地制約了黑 硅太陽能電池效率的改善。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提出一種廣譜吸收的黑硅太陽能電池 結(jié)構(gòu)及其制作方法，以解決傳統(tǒng)硅基電池受紅外吸收限制不能吸收和轉(zhuǎn)化 1.1微米以上波長太陽光譜的問題，提高硅基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

(二)技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種廣譜吸收的黑硅太陽能電池結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由上至下依次包括：

迎光面廣譜陷光層；

p型硅基襯底；

n型磷擴(kuò)散層；以及

背光面廣譜吸收黑硅層。

上述方案中，所述n型磷擴(kuò)散層是在p型硅基襯底的一面進(jìn)行磷擴(kuò)散 所形成的，且該n型磷擴(kuò)散層與p型硅基襯底形成PN結(jié)。

上述方案中，所述背光面廣譜吸收黑硅層采用摻有硫系元素的硅材 料，其表層結(jié)構(gòu)是具有間隔為0.1至20μm，尺度為0.1至20μm，深度為 0.1至20μm的硅微錐、硅微粒或硅微孔，這種材料對0.25微米至2.5微米 波長范圍內(nèi)的太陽光具有＞90％的光吸收率。

上述方案中，所述迎光面廣譜陷光層具有間隔為50nm至50μm、尺 度為50nm至50μm、高度為50nm至50μm的硅微錐、硅微粒或硅微孔的 表層材料，對0.25微米至2.5微米的太陽光譜具有＜10％的反射率。