CN101986437B

CN101986437B - 一种晶体硅太阳能电池

Info

Publication number: CN101986437B
Application number: CN2009100901492A
Authority: CN
Inventors: 胡立琼
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: CN101986437A

Abstract

本发明提供一种晶体硅太阳能电池，包括：p型晶体硅的衬底，所述衬底上的n型层，所述n型层上的阴极；其中，所述阴极为透明导电膜，其功函数小于或等于4.26eV。所述透明导电膜包括LaB6，其功函数的范围为2.6至3.0eV，所述透明导电膜的透光率为35％至70％。由于采用透明导电膜作为电池的阴极，有利于太阳光透过阴极入射至pn结，提高入射光的使用率从而将更多的光能转换为电能，而且，该透明导电膜的功函数至少不高于金属银的功函数，可以与n型层形成良好的欧姆接触，从而提高电子的注入效率，因此，所述晶体硅太阳能电池具有更高的转换效率。

Description

一种晶体硅太阳能电池

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种晶体硅太阳能电池。

背景技术

自1954年适于实用的太阳能电池问世以来，晶体硅太阳能电池一直在世界光伏市场居统治地位，占太阳能电池总产量的80％～90％。近年来，随着晶体硅的原料成本降低，预计这种优势地位在相当长一个时期之内，还将继续保持。

为了不被具有更为廉价优势的薄膜太阳能电池所取代，晶体硅太阳能电池研发均是紧紧围绕提高电池转换效率和降低电池成本两个方面展开。目前制约晶体硅太阳能电池转换效率进一步提高的主要技术障碍包括：①电池迎光面上栅线的遮光影响；②光传导的损失；③电池界面的光反射损失；④电池表面及内部的复合损失等。改善甚至克服这些障碍，能够有效的提高晶体硅太阳能电池的转换效率。

图1为传统的晶体硅太阳能电池的结构示意图，如图所示，p型单晶硅为衬底1，衬底1的上表面内形成有n型区2，与所述p型单晶硅的衬底构成pn结3。n型区2表面(即该电池的迎光面)上的栅状金属电极(栅线)4作为阴极，衬底1的背面(即该电池的背光面)为金属背电极5。所述栅状金属电极4和金属背电极5分别与n型区2和p型的衬底1形成欧姆接触。

所述栅线4一般通过丝网印刷的方法将银浆印制在所述迎光面，银材料的功函数较低(约为4.26eV)，有利于提高电子的注入效率。然而问题在于，入射光hν经由栅线4入射至pn结3发生光伏效应从而产生电流，由于银材料的不透光性，当栅线4过密时，覆盖于受光面的栅线4会导致电池有效受光面积减少，入射光使用率降低；而栅线4过疏时，又不能与n型区2形成良好的欧姆接触，同样也会影响电池的转换效率。由此可见，金属材料构成的栅线作为晶体硅太阳能电池的阴极结构，阻碍了电池将更多的光能转换为电能，不利于电池转换效率的提高。

发明内容

本发明解决的问题是如何提供一种具有更高光电转换效率的晶体硅太阳能电池。

为解决上述问题，本发明提供一种晶体硅太阳能电池，包括：

p型晶体硅的衬底，

所述衬底上的n型层，

所述n型层上的阴极；

其中，所述阴极为透明导电膜，其功函数小于或等于4.26eV。

所述透明导电膜包括LaB₆。

所述透明导电膜功函数的范围为2.6至3.0eV。

所述透明导电膜的透光率为35％至70％。

所述透明导电膜将整个n型层的表面覆盖，从而作为电池的迎光面。

所述n型层为在所述p型晶体硅表面形成的扩散层。

所述n型层为掺杂薄膜硅。

所述掺杂薄膜硅和衬底之间还具有本征薄膜硅层。

所述透明导电膜的上表面为绒面结构。

所述透明导电膜与所述n型层之间的界面为绒面结构。

上述技术方案具有以下优点：

传统的晶体硅太阳能电池采用金属银的栅线作为阴极，虽然银材料的功函数较低，但是金属的不透光性影响了电池的转换效率，而上述技术方案提供一种新型晶体硅太阳能电池，其包括：p型晶体硅的衬底，所述衬底上的n型层，所述n型层上的阴极；其中，所述阴极为透明导电膜，其功函数小于或等于4.26eV。由于采用透明导电膜作为电池的阴极，有利于太阳光透过阴极入射至pn结，提高入射光的使用率从而将更多的光能转换为电能，而且，该透明导电膜的功函数至少不高于金属银的功函数(4.26eV)，可以与n型层形成良好的欧姆接触，从而提高电子的注入效率，因此，所述晶体硅太阳能电池具有更高的转换效率。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为传统的晶体硅太阳能电池的结构示意图；

图2为实施例一中晶体硅太阳能电池的结构示意图；

图3为实施例二中晶体硅太阳能电池的结构示意图；

图4为实施例三中晶体硅太阳能电池的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

如何提高光电转换效率(简称转换效率)一直是晶体硅太阳能电池研发面临的核心问题。实际上，影响转换效率的因素有很多，例如，电池迎光面上阴极的透光率、光在传导界面的损失、电池表面及内部的复合损失等。传统的晶体硅太阳能电池中，入射光能量hν经由阴极栅线入射至pn结发生光伏效应从而产生电流，发明人研究发现，由于构成栅线的银材料的不透光性，当栅线过密时，覆盖于受光面的栅线会导致电池有效受光面积减少，入射光使用率降低；而栅线过疏时，又不能与n型区形成良好的欧姆接触，同样也会影响电池的转换效率。

基于此，本发明提供一种晶体硅太阳能电池，通过采用功函数相对于金属银较低的透明导电膜作为电池的阴极，而提高转换效率。具体在以下实施例中结合附图进行详细说明。

实施例一

图2为本实施例中晶体硅太阳能电池的结构示意图。

如图2所示，晶体硅太阳能电池包括：

p型晶体硅的衬底12，

所述衬底12上的n型层13，

所述n型层上的阴极14；

其中，所述阴极14为透明导电膜，其功函数小于或等于4.26eV。

作为优选的技术方案，本实施例中，所述衬底12由p型晶体硅(单晶硅)构成，该衬底12的厚度范围为100～300μm，优选厚度为220μm，电阻率的范围约为0.1～100Ω·cm，优选电阻率为1.0Ω·cm。

在衬底12的背光面具有传统工艺制作的金属铝电极11，该金属铝电极11作为电池的背电极，功函数较低金属材料；所述衬底12的迎光面为平面，在所述衬底12的迎光面具有扩散层13，该扩散层13掺杂有n型杂质即构成所述的n型层13，其深度为300～500nm，方块电阻约为20～70Ω/□。所述扩散层13的迎光面具有阴极14。该阴极14由透明导电膜构成，因此也可称为前透明导电电极，其功函数小于或等于4.26eV。

传统的晶体硅太阳能电池采用金属银的栅线作为阴极，虽然银材料的功函数较低，但是金属的不透光性影响了电池的转换效率，而上述技术方案由于采用透明导电膜作为电池的阴极，有利于太阳光hν透过阴极入射至pn结，提高入射光的使用率从而将更多的光能转换为电能，而且，该透明导电膜的功函数至少不高于金属银的功函数(4.26eV)，可以与n型层形成良好的欧姆接触，从而提高电子的注入效率，因此，所述晶体硅太阳能电池具有更高的转换效率。

一般说来，金属-半导体接触分为肖特基接触和欧姆接触，肖特基接触具有较大的势垒(Barrier)高度，而欧姆接触势垒高度较低其接触电阻可以忽略不计。事实上，形成何种接触与材料的功函数密切相关。对n型半导体而言，如公式(1)所示，qφ_Bn表示金属-半导体接触的势垒高度，qφ_m表示金属功函数，qχ表示半导体的电子亲和力，可见，势垒高度为金属功函数与半导体电子亲和力之差。在半导体材料相同的前提下，金属功函数越大则势垒高度越大，更容易形成肖特基接触；金属功函数越小则势垒高度越小，更容易形成欧姆接触。

qφ_Bn＝qφ_m-qχ ......(1)

有研究者提出TCO阴极/p型薄膜硅/本征薄膜硅/n型晶体硅衬底/金属背电极的太阳能电池结构，该电池以透明导电氧化物(Transparent ConductiveOxides，TCO)薄膜为阴极，以p型薄膜硅为发射极，而n型晶体硅为吸收层，由于TCO(例如为氧化铟锡或掺铝氧化锌)具有可以与金属银相比拟的低电阻率，并且薄膜透光性优良，因此该TCO阴极能有效的避免传统晶体硅电池中金属银栅线的遮光问题，改善了电池的转换效率。

相对于n型晶体硅衬底而言，p型晶体硅径向电阻率分布更加均匀，成本更低，应用也更为广泛。然而，基于p型晶体硅衬底的电池转换效率却远远低于上述基于n型晶体硅衬底的电池，发明人研究发现，造成这种情况的原因除了p型晶体硅材料本身的性能之外，更重要的是电池的结构，目前基于p型晶体硅衬底的电池的基本结构为TCO阴极/n型薄膜硅/p型晶体硅衬底/金属背电极结构。其中，TCO阴极与n型薄膜硅构成金属-半导体接触(TCO的电阻率接近金属，导电性良好，可将其等同于金属)，由于TCO材料的功函数都很高(一般高于5.0eV)，根据公式(1)导致势垒高度较大，因此TCO阴极与n型的薄膜硅形成肖特基接触，肖特基接触较高的势垒不利于电子的有效注入，导致电池开路电压较低，因而转换效率不高。可见，TCO并不是由n型薄膜硅/p型晶体硅衬底组成pn结的电池的合适阴极材料。

发明人进一步研究发现，合适的阴极材料应当至少满足以下条件：电阻率较低；透光性好；能与作为发射极的n型半导体层形成欧姆接触。

基于以上发现，本实施例一种更为优选的方案中，组成阴极14的透明导电膜为LaB₆，采用电子束蒸发法沉积于n型层上，LaB₆材料的功函数约为2.6～3.0eV，LaB₆透明导电膜厚度范围为80～800nm，优选厚度为250nm。

上述太阳能电池选择透光度高且功函数较低的LaB₆材料作为电池阴极。LaB₆材料具有电子逸出功低、电导率高、热稳定性和化学稳定性高的特点，其功函数约为2.6～3.0eV，从而降低势垒高度，与n型层形成良好的欧姆接触，这对于电子注入很有利，能够提高电子的注入效率。更重要的是，作为太阳能电池的迎光面，在可见光范围内，LaB₆薄膜具有很高的透光率，根据厚度的不同，其透光率在35％～70％之间，能够大大改善传统金属栅线不透光的缺点，而且还可以避免传统丝网印刷工艺中可能出现的断线等问题。

因此，LaB₆透明导电膜/n型层/p型晶体硅衬底/金属背电极的电池，一方面相对于传统的金属栅线透光性更好，可以引入更多的入射光，另一方面相对于TCO阴极/n型层的金属-半导体接触，由于LaB₆的功函数仅为2.6～3.0eV，低于TCO的功函数(大于5.0eV)，根据公式(1)可知，n型半导体层材料相同的情况下，LaB₆透明导电膜/n型层的势垒高度更小，可以实现良好的欧姆接触，有利于提高电子的注入效率，综合以上两方面的因素本实施例中的太阳能电池具有较高的光电转换效率。

优选的，正因为透明导电膜的良好透光性，所以可采用整面的阴极结构，也即，透明导电膜将整个n型层的表面覆盖，从而作为电池的迎光面，不仅能够获得更大的受光面积，而且可以增加欧姆接触的面积、进一步增加入射光和提供电子注入效率，改善转换效率。

本发明其他实施例中，所述太阳能电池还可以具有绒面结构，具体参见以下实施例。

实施例二

图3为本实施例中晶体硅太阳能电池的结构示意图。

如图3所示，晶体硅太阳能电池包括：

p型晶体硅的衬底22，

所述衬底22上的n型层23，该n型层23也为衬底22表面一定深度内形成的扩散层，

所述n型层上的阴极24，衬底22的背光面具有金属背电极21；

其中，所述阴极24为透明导电膜，其功函数小于或等于4.26eV。优选的，阴极24的透明导电膜为LaB₆，采用电子束蒸发法沉积于n型层上，LaB₆材料的功函数约为2.6～3.0eV，LaB₆透明导电膜厚度范围为80～800nm，优选厚度为250nm。

以上均与实施例一的结构相同，区别在于，所述透明导电膜的上表面为绒面结构，或者，所述透明导电膜与所述n型层之间的界面为绒面结构。

其中，所述绒面结构通过制绒工艺形成，例如，在形成扩散层之后利用化学腐蚀液或等离子体刻蚀法对不同晶面的腐蚀速率的差异，在扩散层表面制作“金字塔”式或“微沟道”式的绒面231，同样的，可在透明导电膜24表面形成绒面241.所述绒面231、241可以减少入射光的反射和透射损失，并增加光线在受光表面的传播路程，从而增加光的吸收，间接提高电池的转换效率。

上述实施例中，所述n型层均为采用扩散工艺制作的扩散层，即在p型晶体硅的衬底上进行杂质扩散，在衬底表面的一定深度范围内形成n型晶体硅层，从而实现同质pn结进行光电转换，相对于n型薄膜硅/p型晶体硅的pn结，扩散层内部缺陷少，界面质量好，因此有利于改善转换效率。

本发明其他实施例中，所述太阳能电池的n型层还可以为薄膜硅，具体参见以下实施例。

实施例三

图4为本实施例中晶体硅太阳能电池的结构示意图。

如图4所示，晶体硅太阳能电池包括：

p型晶体硅的衬底32，

所述衬底32上的n型层33，该n型层33为掺杂薄膜硅，

所述n型层上的阴极34；

其中，所述阴极34为透明导电膜，其功函数小于或等于4.26eV。优选的，阴极34的透明导电膜为LaB6，采用电子束蒸发法沉积于n型层上，LaB6材料的功函数约为2.6～3.0eV，LaB6透明导电膜厚度范围为80～800nm，优选厚度为250nm。

本实施例与前述实施例所不同的是采用n型掺杂薄膜硅层代替n型扩散层与p型晶体硅形成异质pn结。所述掺杂薄膜硅可以是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或其它含硅材料，厚度范围为1～50nm之间，优选厚度为15nm，掺杂浓度为1.0×10²⁰/cm³。这种异质pn结电池兼具有单晶硅电池的稳定与薄膜硅电池廉价的优点。

优选的，为改善掺杂薄膜硅/晶体硅异质结的界面质量，n型薄膜硅层33与p型晶体硅32之间还可形成有本征薄膜硅层35，所述本征薄膜硅层35可以是非晶硅、纳米晶硅、微晶硅或其它含硅材料，厚度范围为1～20nm之间，优选厚度为3nm。

另外，与实施例二类似，所述透明导电膜的上表面也可以为绒面结构，或者，所述透明导电膜与所述n型层之间的界面为绒面结构，或者所述本征薄膜硅层上下表面为绒面结构。

以上所有实施例中，除了采用电子束蒸发制备LaB₆外，还可以采用射频溅射、激光蒸发等其他薄膜沉积方法制备。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种晶体硅太阳能电池，其特征在于，包括：

p型晶体硅的衬底，

所述衬底上的n型层，

所述n型层上的阴极；

其中，所述阴极为透明导电膜，所述透明导电膜功函数的范围为2.6至3.0eV，所述透明导电膜包括LaB₆，LaB₆透明导电膜的厚度范围为80-800nm。

2.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述透明导电膜的透光率为35％至70％。

3.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述透明导电膜将整个n型层的表面覆盖，从而作为电池的迎光面。

4.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述n型层为在所述p型晶体硅表面形成的扩散层。

5.根据权利要求1所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述n型层为掺杂薄膜硅。

6.根据权利要求5所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述掺杂薄膜硅和衬底之间还具有本征薄膜硅层。

7.根据权利要求1、4或5所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述透明导电膜的上表面为绒面结构。

8.根据权利要求1、4或5所述的晶体硅太阳能电池，其特征在于，所述透明导电膜与所述n型层之间的界面为绒面结构。