專利名稱：基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及高效太陽能電池的背鈍化技術及高效太陽能電池的工藝制程，尤其是一種基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構及其制備工藝。
背景技術：
太陽能發電是目前最具潛力的綠色清潔能源，而高效太陽能電池片是太陽能發電的核心。目前太陽能電池產業化和成熟度最高的電池材料仍為晶體硅電池，而在現有的高效晶體硅電池技術中背鈍化技術差別最大。晶體硅背鈍化程度的好壞不僅影響太陽能電池的長波入射光響應、開路電壓的高低，甚至還能影響太陽能電池的溫度特性，因而對晶體硅組件性能都有重大影響。
目前效率最高的晶體硅電池為 PERL(passivated emitter, real localized)結構的太陽能電池，其背鈍化技術為采用熱氧化生長二氧化硅(SiO2)鈍化和背面定域P型擴散的技術。和PERL結構類似的太陽能電池結構是PERF結構(passivated emitter, rear floating p-n junction)，它在背面采用定域P型擴散和熱氧化SiO2鈍化的同時，還在SW2 層下面形成一個擴散P-N結。由于P-N處于S^2層下面，不和背電極直接接觸，因而該P-N 結也被稱為浮動結(floating junction)。PERF電池的研究表明理想的浮動結背鈍化具有比Si02層更好的背鈍化效果，具有更低的表面復合速率，開路電壓達到720mV也超過PERL 電池的700mV。目前實驗上PERF結構電池的效率還低于PERL結構電池，文獻一般認為是 PERF背結構的浮動結和鋁背電極通過熱氧SiO2的針孔形成寄生回路(parasitic shunt), 在電流-電壓曲線上出現紐結(kink)，從而降低了填充因子，降低了有效的太陽能電池光電轉化效率。
在晶體硅上將傳統的N擴散發射極和P-P+擴散背電場用沉積摻雜非晶硅實現，三洋公司制備出效率高達23%的異質結HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer) 電池。其電池高效率的原因是(1)利用晶體硅做光吸收層，避免了非晶硅薄膜電池的光致衰減問題( 非晶硅具有氫鈍化效果C3)非晶硅的帶隙大于晶體硅的帶隙，因而在非晶硅和晶體硅的P-N或P-P+結不僅具有同質結的靜電場還具有由親合勢差異導致的有效場。 目前HIT結構主要應用于N型晶硅，原因是P型晶硅的背電場和背電極均在同一層P型非晶硅上完成，而P型非晶硅的價帶和P型晶硅有較大的失配，影響了光生空穴的收集效率。 HIT電池的背鈍化技術一個缺點是背電極和背鈍化均由同一層非晶硅層完成，不能同時優化背電極和背鈍化，只能取折中。
對于異質結HIT結構的一個改進是將發射極和收集極都做到電池背部，形成梳狀電極結構(interdigitated structure)，而太陽能電池的正面沒有電極，因而適合聚光的太陽能電池應用。該結構的P+P和P-N結都由異質結薄膜在電池背部實現，與HIT電池一樣，異質結非晶硅既作為背鈍化層，又作為背電極層，因而也存在異質結處的能帶失配問題，影響光生空穴的收集效率。另外其P-N結作為發射極由金屬直接接觸形成電極，與浮動結的“浮動”概念完全不一樣。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提出一種基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化新結構，在保留異質結的良好鈍化效果的同時，可以將光生空穴通過背結構良好導出，還能防止同質浮動結的針孔寄生回路問題。本發明所采用的技術方案為一種基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構， 包括P型晶體硅，所述的P型晶體硅襯底底部具有由本征異質材料層以及N型異質材料層構成的異質結結構，所述的本征異質材料層插于N型異質材料層與P型晶體硅之間，N型異質材料層外部包裹有絕緣層，所述的絕緣層的底部設置有鋁金屬層；所述的P型晶體硅襯底底部兩端設置有P+定域摻雜區，P+定域摻雜區的下方具有點接觸的鋁燒結區。本發明結構在P型晶體硅襯底背部具有由薄膜沉積技術形成的異質結結構本征異質材料層，N型異質材料層。薄膜的摻雜類型與晶體硅襯底的摻雜類型不同，構成P-N異質結構。為了利用薄膜沉積的氫鈍化，在N型異質材料層和P型晶體硅之間插入本征異質材料層。本征異質材料層和N型異質材料層可以為非晶硅，非晶碳化硅等帶隙不同于晶體硅的非晶材料。所述的本征異質材料層的厚度為0 15nm。所述的N型異質材料層的厚度為5 30nm，N摻雜濃度為lE16cnT3到lE20cnT3。本發明結構在異質結結構上還有Si02絕緣層，且Si02絕緣層將異質P-N結構完全包圍隔離，物理上實現浮動結的異質P-N結構。所述的絕緣層的厚度為20 lOOnm。本發明所述的鋁金屬層由低溫沉積鋁金屬形成，避免了鋁金屬層通過高溫燒結由 SiO2絕緣層針孔擴散進N型異質材料層，解決了同質P-N浮動結中的針孔寄生回路的問題。 所述的鋁金屬層、鋁燒結區以及P+定域摻雜區與N型異質材料層完全隔離，所述的本征異質材料層和絕緣層作為隔離層。本發明結構在P型晶體硅襯底底部具有點接觸的鋁燒結區，利用點接觸電極引出背部的光生載流子。鋁燒結區和P+定域摻雜區可以通過Al金屬層的退火燒結同時制備。 退火可以采用脈沖激光點燒結技術，不影響浮動結的異質非晶材料。所述的P+定域摻雜區和鋁燒結區形成背電極，所述的本征異質材料層和N型異質材料層實現背鈍化。為了實現此結構，本發明還提出了一種可行的工藝制程利用脈沖激光退火實現基于異質結的浮動結背鈍化結構的工藝制程。其特征是在準備形成歐姆接觸的地方開孔， 沉積Si02絕緣層和鋁金屬層，最后利用脈沖激光退火驅動Al金屬層穿透Si02絕緣層燒進到晶體硅中，形成P+P歐姆接觸。這個工藝制程使得Si02絕緣層將P-N異質結整個和鋁金屬層隔離，充分保證了 P-N異質結的浮動特性。具體工藝流程如下1)在P型晶體硅襯底上利用PECVD沉積本征非晶硅層，厚度范圍為O 15nm ；2)在本征非晶層上繼續利用PECVD沉積N型非晶硅層，厚度范圍為5 30nm，N摻雜的濃度為lE16cnT3 lE20cnT3 ；3)利用掩膜刻蝕N型非晶硅層和本征非晶硅層；4)利用PECVD等離子化學氣相沉積設備沉積SW2絕緣層，沉積的厚度為20 IOOnm ；5)利用PVD物理氣相沉積設備沉積100 500nm的鋁金屬層；6)利用激光脈沖退火技術將鋁穿透SW2層燒結進P型晶體硅，形成P+定域摻雜區和鋁燒結區。
所述的步驟3)中刻蝕工藝為利用微電子工藝中的光刻膠定義出圖形，然后采用 HF和HNO3的腐蝕液進行刻蝕。所述的步驟4)中PECVD的功率和沉積時間的選擇需要使得 N型非晶硅層和本征非晶硅層的側壁都能蒸發上一層Si02。
本發明的有益效果是
本發明所述的結構兼具同質P-N鋁背場良好的光生空穴導出能力，又有異質結背鈍化技術的氫鈍化效果，而異質浮動結設計保證了太陽能電池的背鈍化效果，低表面復合速率和高開路電壓。
1、與傳統的同質結PERF結構相比，浮動結利用異質薄膜沉積實現。相比同質P_N 浮動結，異質P-N浮動結還有非晶沉積帶來的氫鈍化效果，因而不僅有背鈍化還兼具體鈍化。
2、本發明的工藝制程上可以避免同質浮動結的針孔寄生回路問題。對同質PERF 浮動結結構，通常的工藝是在熱氧Si02上開背電極孔、印刷鋁漿、高溫燒結形成P+背電極。 而本發明提出的新異質結結構工藝上為了避免高溫對異質非晶材料的破壞，在工藝實現上嚴格避免高溫工藝，金屬層是采用低溫沉積鋁薄膜，形成金屬-絕緣體-半導體接觸結構后，采用脈沖激光點退火燒結技術形成P+P歐姆點接觸。低溫沉積金屬可以很好防止浮動結上面的鋁金屬通過絕緣層針孔形成寄生回路。
3、相比異質結HIT結構或者梳妝電極結構(interdigitated back contact structure)，本發明的結構只利用到了異質結構的鈍化效果，背電極仍然采用同質P+P結構導出空穴電流。因而可以針對鈍化效果對異質結構進行優化，如在摻雜異質層的上面進一步沉積本征非晶材料/Si02的多層膜，進一步增強了鈍化效果。
4、另外，傳統的異質結HIT結構或者梳狀電極結構的背電極均采用和P型硅襯底摻雜類型相同的P+摻雜。而本專利的異質結結構為采用N+摻雜，因而形成浮動結異質結構，機理上也迥異于傳統的異質結HIT結構或者梳狀電極結構。
5、本發明結構的實現采用區別于傳統的脈沖激光退火工藝方法傳統的脈沖激光退火工藝沒有形成SiO2隔離層這一步驟，但是這一步驟對浮動結工藝實現至關重要。鋁金屬層在脈沖激光燒結時會與異質N型非晶材料也形成歐姆接觸，從而破壞了 P-N異質結的浮動特性，引入了電極到P-N浮動結的寄生回路，大大降低了 P-N浮動結的背鈍化效果。我們改進了脈沖激光退火的工藝流程，在準備形成點歐姆接觸的地方開孔，沉積S^2絕緣層， 然后才低溫沉積Al金屬層和脈沖激光燒結形成點歐姆接觸。S^2絕緣層將P-N異質結整個包圍，充分保證了 P-N異質結的浮動特性。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是本發明的優選實施例的結構示意圖2 圖7為本發明工藝流程的步驟示意圖
圖中1、P型晶體硅襯底；2、本征異質材料層；3、N型異質材料層；4、Si02絕緣層； 5、鋁金屬層；6、鋁燒結區；7、P+定域摻雜區。
具體實施例方式現在結合附圖和優選實施例對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。下面以P型晶體硅襯底為例具體說明如何利用改進的脈沖激光退火工藝實現本發明結構。由于本發明結構只針對背鈍化和背電極的形成，所述的實施例只介紹形成太陽能電池背鈍化和背電極的具體工藝實現，太陽能電池正面的P-N發射極、SiNx減反膜和正面電極部分可以用傳統的晶體硅太陽能電池工藝實現。在實施實例時我們以非晶硅為例實現異質材料的沉積和工藝制備，但本發明的異質材料不局限于非晶硅，還可以由非晶碳化硅等異質材料實現。在太陽能電池正面完全制備完成后，可繼續如下步驟1、在P型晶體硅襯底1上利用PECVD沉積本征非晶硅層2，厚度范圍0納米到15 納米，如圖2所示。0納米意味著沒有本征非晶硅層，這在本結構上是允許的，但是加入本征非晶硅層具有更好的氫鈍化效果。2、在本征非晶層2上繼續利用PECVD沉積N型非晶硅層3，厚度范圍從5nm到 30nm，N摻雜的濃度可以從lE16cm-3到lE20cm-3。N摻雜的具體濃度取決于本征非晶硅層 2的厚度、P型晶硅襯底1的摻雜濃度，總的效果是實現最小的晶體硅背部的表面復合速度。 如圖3所示。3、利用掩膜刻蝕N型非晶硅層3和本征非晶硅層2，，形成圖4所示的結構。亥Ij蝕的精度沒有要求，過度刻蝕掉部分晶體硅可以接受。刻蝕的實現可以利用微電子工藝中的光刻膠定義出圖形，然后采用HF和HN03的腐蝕液進行刻蝕。腐蝕掉的部分將用于后面的點接觸電極制作，因此光刻膠開孔的大小只需要大于脈沖激光燒結退火所用的脈沖激光斑點大小。為了防止腐蝕對正面^Vg柵線的影響，需要采用單面腐蝕設備或者直接利用光刻膠將太陽能電池的正面保護起來。4、利用PECVD等離子化學氣相沉積設備沉積Si02絕緣層4，沉積的厚度在20至 IOOnm,將N型非晶硅層3和本征非晶硅層2隔離保護起來，如圖5所示。N型非晶硅層3， 本征非晶硅層2和P型晶硅硅襯底1形成了浮動的PIN結。需要注意的是PECVD的功率和沉積時間的選擇需要使得N型非晶硅層3和本征非晶硅層2側壁也能蒸發上一層Si02，實現完全隔離的浮動結。5、利用PVD物理氣相沉積設備沉積100-500nm的鋁金屬層5，如圖6所示。鋁金屬層5，Si02絕緣層4和下面半導體層一起形成了金屬-絕緣體-半導體MIS結構，增強了浮動結的背鈍化效果。6、利用激光脈沖退火技術將鋁穿透Si02層燒結進P型晶體硅1，形成P+定域摻雜區7和鋁燒結區6，如圖7所示。激光脈沖退火燒結工藝已經很成熟，如文獻Hofmarm， Μ.,C. Schmidt,et al. (2008). " Stack system of PECVD amorphous silicon and PECVD silicon oxide for silicon solar cell rear side passivation. " Progress in Photovoltaics =Research and Applications 16(6) :509-518.即利用激光退火燒結形成背部的點接觸，在形成良好的歐姆接觸同時也避免了高溫退火燒結工藝。以上說明書中描述的只是本發明的具體實施方式
，各種舉例說明不對本發明的實質內容構成限制，所屬技術領域的普通技術人員在閱讀了說明書后可以對以前所述的具體實施方式
做修改或變形，而不背離發明的實質和范圍。
權利要求
1.一種基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構，包括P型晶體硅，其特征在于所述的P型晶體硅襯底底部具有由本征異質材料層以及N型異質材料層構成的異質結結構， 所述的本征異質材料層插于N型異質材料層與P型晶體硅之間，N型異質材料層外部包裹有絕緣層，所述的絕緣層的底部設置有鋁金屬層；所述的P型晶體硅襯底底部兩端設置有P+ 定域摻雜區，P+定域摻雜區的下方具有點接觸的鋁燒結區。
2.如權利要求1所述的基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構，其特征在于所述的本征異質材料層的厚度為0 15nm。
3.如權利要求1所述的基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構，其特征在于所述的N型異質材料層的厚度為5 30nm，N摻雜濃度為lE16cnT3到lE20cnT3。
4.如權利要求1所述的基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構，其特征在于所述的絕緣層為二氧化硅絕緣層，絕緣層將本征異質材料層以及N型異質材料層的正面和側面完全包裹，所述的絕緣層的厚度為20 lOOnm。
5.如權利要求1所述的基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構，其特征在于所述的鋁金屬層、鋁燒結區以及P+定域摻雜區與N型異質材料層完全隔離，所述的本征異質材料層和絕緣層作為隔離層。
6.如權利要求1所述的基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構，其特征在于所述的P+定域摻雜區和鋁燒結區形成背電極，所述的本征異質材料層和N型異質材料層實現背鈍化。
7.—種如權利要求1所述的基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構的制備工藝， 其特征在于包括以下步驟1)在P型晶體硅襯底上利用PECVD沉積本征非晶硅層，厚度范圍為O 15nm;2)在本征非晶層上繼續利用PECVD沉積N型非晶硅層，厚度范圍為5 30nm，N摻雜的濃度為 lE16cnT3 lE20cnT3 ；3)利用掩膜刻蝕N型非晶硅層和本征非晶硅層；4)利用PECVD等離子化學氣相沉積設備沉積SW2絕緣層，沉積的厚度為20 IOOnm；5)利用PVD物理氣相沉積設備沉積100 500nm的鋁金屬層；6)利用激光脈沖退火技術將鋁穿透S^2絕緣層燒結進P型晶體硅，形成P+定域摻雜區和鋁燒結區。
8.如權利要求7所述的基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構的制備工藝，其特征在于所述的步驟幻中刻蝕工藝為利用微電子工藝中的光刻膠定義出圖形，然后采用 HF和HNO3的腐蝕液進行刻蝕。
9.如權利要求7所述的基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構的制備工藝，其特征在于所述的步驟4)中PECVD的功率和沉積時間的選擇需要使得N型非晶硅層和本征非晶硅層的側壁都能沉積上SW2絕緣層。
全文摘要
本發明涉及一種基于異質結的浮動結太陽能電池背鈍化結構，包括P型晶體硅，所述的P型晶體硅襯底底部具有由本征異質材料層以及N型異質材料層構成的異質結結構，所述的本征異質材料層插于N型異質材料層與P型晶體硅之間，N型異質材料層外部包裹有絕緣層，所述的絕緣層的底部設置有鋁金屬層；所述的P型晶體硅襯底底部兩端設置有P+定域摻雜區，P+定域摻雜區的下方具有點接觸的鋁燒結區。本發明在保留異質結的良好鈍化效果的同時，可以將光生空穴通過背結構良好導出，還能防止同質浮動結的針孔寄生回路問題。
文檔編號H01L31/18GK102522445SQ20111040526
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者王旺平 申請人:常州天合光能有限公司