CN104600137B - 体钝化的晶体硅太阳能电池及其体钝化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，该晶体硅太阳能电池包括半导体结构以及分别位于该半导体结构的正反两面的钝化层，该半导体结构包括硼掺杂区域，该方法包括为该硼掺杂区域提供氢；在第一温度下对该晶体硅太阳能电池进行光注入达第一预定时段；以及在第二温度下对该晶体硅太阳能电池进行光注入达第二预定时段，其中该第二温度低于该第一温度。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及体钝化的晶体硅太阳能电池及其体钝化方法。
背景技术
目前，晶体硅太阳电池使用的硅材料多采用石英坩埚进行熔融铸锭而成，对于单晶硅棒一般采用直拉法(Czochralski)利用籽晶进行提拉。在制备过程中不可避免的让空气中的氧以及坩埚中的氧和杂质在高温过程中进入硅的晶格。这些杂质多以成对出现的形式存在，在半导体内部形成杂质复合中心。这些复合中心的俘获截面和密度决定了晶体硅电池体内的复合电流密度和剩余载流子的有效寿命，制约了晶体硅太阳电池的转换效率。
目前已经探明的多种有害杂质多数与金属有关，如Ni、Cu、Co等，这些金属离子随着铸锭技术的发展和工艺的改进已经逐步被控制。其他的重要杂质，如铁、铬和氧在硅片内部会形成间隙态[Fei]、[Cri]和[Oi]，这些间隙态的离子会在载流子的参与下与替位的硼原子[Bs]形成复合对。特别是[Oi]，很难通过工艺途径对其含量进行控制，这使得目前大规模使用的硼掺杂材料中存在体寿命限制。
因此，一种能够消除或降低硼掺杂材料中的杂质复合中心的技术是本领域所期望的。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
为了克服上述缺陷，本发明提供一种对晶体硅电池进行体钝化，以降低体复合中心对太阳电池效率的影响，从而电池效率的方法。
根据本发明的一方面，提供了一种用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，该晶体硅太阳能电池包括半导体结构以及分别位于该半导体结构的正反两面的钝化层，该半导体结构包括硼掺杂区域，该方法包括：
为该硼掺杂区域提供氢；
在第一温度下对该晶体硅太阳能电池进行光注入达第一预定时段；以及
在第二温度下对该晶体硅太阳能电池进行光注入达第二预定时段，其中该第二温度低于该第一温度。
在一实例中，该钝化层中含有氢，为该硼掺杂区域提供的氢来源于该钝化层。
在一实例中，为该硼掺杂区域提供氢包括将该晶体硅太阳能电池置于含氢的气氛中。
在一实例中，该含氢的气氛为以下至少之一：氢气、空气、以及含氢的氮气。
在一实例中，该第一温度高于230℃，以及该第二温度低于200℃。
在一实例中，以高于20℃/s的温度变化速率在该第一温度和该第二温度之间切换。
在一实例中，该第一时段在5s～60s的范围内，以及该第二时段在1s～30s的范围内。
在一实例中，在施加该第一温度和该第二温度下对该晶体硅太阳能电池进行光注入使注入浓度超过1×1015cm-3。
在一实例中，在施加该第一温度下对该晶体硅太阳能电池进行光注入使注入浓度超过2×1015cm-3。
在一实例中，重复在该第一温度下和该第二温度下对该晶体硅太阳能电池进行光注入的步骤至少一次。
根据本发明的另一方面，提供了一种晶体硅太阳能电池，该晶体硅太阳能电池包括半导体结构以及分别位于该半导体结构的正反两面的钝化层，该半导体结构包括硼掺杂区域，其中该晶体硅太阳能电池根据上述方法进行了体钝化处理。
在本发明中，采用氢与载流子、温度场相结合的方式对杂质原子进行钝化，有效的降低了可激活杂质原子的浓度，降低了太阳电池硼掺杂区域的复合中心密度。另一方面，利用交替出现的温度场调节氢的活动能力，反复切换的温度场与持续的光注入保证了足够的钝化-固化过程。而且，本发明提供的方案适用于大规模生产技术，能够提高太阳电池，特别是高效太阳电池的开路电压和转换效率。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1是示出了常规晶体硅太阳能电池的结构示意图；
图2是示出了根据本发明的一方面的用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法的流程图；
图3是示出了在光照条件下晶体硅太阳能电池产生光生载流子的示意图；
图4是示出了根据本发明的体钝化原理的示意图；以及
图5是示出了根据本发明所施加的温度场和注入浓度随时间变化的曲线图。
为清楚起见，以下给出附图标记的简要说明：
100：晶体硅太阳能电池 110：正面钝化层 111：正面电极
130：背面钝化层 131：背面电极 120：半导体结构
121：p型半导体层、硼掺杂区域 122：n型半导体层、磷掺杂区域
140：替位硼原子 150：间隙杂质
160a：带正电的氢离子 160b：电中性的氢原子 160c：带负电的氢离子
171：空穴 172：电子 180a以及180b：氢钝化形成的共价对
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
图1是常规晶体硅太阳能电池100的结构示意图。如图1所示，太阳能电池100可包括半导体结构120和位于其正面的钝化层110和位于其背面的钝化层130。半导体结构120具体可包括p型半导体层122和n型半导体层121，该p半导体层122是掺杂了硼的硼掺杂区域，该n型半导体层121是磷掺杂形成的磷掺杂区域。半导体结构120是太阳能电池100的核心部件，其在太阳光的照射下能够产生光生载流子，从而产生电流。图1中所示的是p型背钝化电池，例如，是采用Cz硼掺杂的面积为156mm×156mm的p型硅片制备的太阳电池，即p型半导体层122作为硅衬底。但是也可以是其他类型的太阳能电池，例如n型背钝化电池。
正面钝化层110可以是PECVD制备的SiNx叠层膜，背面钝化层130可以是SiO2/SiNx叠层膜。钝化层110、130的主要作用是降低光生载流子的复合率，以提高光电转换效率。钝化层110和130上分别设有正面电极111和背面电极131。一般地，采用丝网印刷分别在电池的正面和背面印刷金属浆料，在高温烧结过程中，浆料与钝化层发生化学反应，刻蚀钝化层并与硅形成良好的欧姆接触，形成正面电极和背面电极。
如图1所示，在硼掺杂区域122中，替位硼原子140与间隙杂质150形成复合中心，这些复合中心的俘获截面和密度决定了晶体硅太阳能电池100体内的复合电流密度和剩余载流子的有效寿命，制约了晶体硅太阳能电池100的转换效率。另外，由于钝化层的加工工艺，钝化层110、130中会含有氢，如图1所示。
图2是示出了根据本发明的一方面的用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法200的流程图。如图2所示，方法200可包括：
步骤202：为硼掺杂区域提供氢。
如上所述，由于加工工艺的原因，目前太阳能电池的钝化层中含有氢元素。典型地，含氢钝化层的主要材料为含氢的氮化硅、氧化铝、非晶硅、氧化硅、碳化硅、氧化钛中的一种或多种。相应地，该步骤中氢的来源可以为钝化层110、130中的氢。如图1所示，在钝化层110、130与半导体结构120的交界处含有许多带正电的氢离子160a。
较优地，为了有更充分的氢，还可以将太阳能电池100置于含氢的气氛中。该含氢的气氛可以是纯氢气，或者是空气。在另一实例中，该含氢的气氛可以是氢气与氮气的混合气体，例如氢气与氮气的流量比为1:4的气氛。
步骤204：在第一温度下对晶体硅太阳能电池进行光注入达第一预定时段。
在此步骤中，对太阳能电池100施加温度场，以使太阳能电池100的温度达到第一温度，例如高于230℃，更优地，高于270℃。与此同时，使太阳能电池100暴露在光照下对其进行光注入，例如可使注入浓度超过2×1015cm-3，更优地超过3×1015cm-3，这里的注入浓度是指由于光注入而产生的光生载流子的浓度。
图3是示出了在光照条件下晶体硅太阳能电池产生光生载流子的示意图。暴露于光照条件下，光注入过程导致光生载流子的产生，包括空穴171和电子172。在电场作用下，空穴171向p型半导体一侧的背面电极131方向移动，电子172向n型半导体一侧的正面电极111方向移动。
在此情形中，电子172在运动过程中与氢离子160a发生电荷交换，从而获得电中性氢原子160b或者带负电荷的氢离子160c，如图4所示。如前所述，氢离子160a的来源可以是来自钝化层111、130，例如在钝化层111、130与半导体结构120的交界面处的带正电的氢离子160a可与电子172发生电子交换。在较优实施例中，为了保证有足够的氢，还可将太阳能电池100置于含氢的气氛中，因此，在半导体结构120与外界的交界面处的氢也通过与电子172的电荷交换成为电中性氢原子160b或者带负电的氢离子160c。
中性氢原子160b以及带负电荷的氢离子160c可在温度场中获得足够的能量，形成游离的氢原子160b以及游离的离子160c。氢原子160b以及氢负离子160c在运动过程中有一定几率与电子或者空穴再次发生电荷交换，改变带点性质，并且与替位硼140以及间隙杂质原子150形成的复合对进行碰撞。通过碰撞，氢离子160c将取代间隙杂质原子150，与替位硼140形成新的共价键180a，或者与间隙杂质原子150形成新的共价键180b。
该过程可持续约5s～60s的时间，以使得游离的氢原子160b以及游离的离子160c能够充分地与替位硼140以及间隙杂质原子150形成更多的共价键180a和180b。
步骤206：在第二温度下对晶体硅太阳能电池进行光注入达第二预定时段，其中第二温度低于第一温度。
在施加高温场之后，对太阳能电池100施加低温场，即施加第二温度，例如低于200℃，较优地低于180℃。在此过程中，保持对太阳能电池100进行光注入，例如光注入浓度为1×1015cm-3。在该较低温度下，新形成的共价键180被固化在电池体区，达到体钝化的效果，如图4所示。此低温过程可持续约1s～30s的时间。
在一实例中，可重复上述步骤204、206。重复出现的温度场和持续的光注入使越来越多的氢从正面钝化层110和背面钝化层130中运动到硼掺杂区域122，进行体钝化，温度场与注入浓度随时间的变化如图5所示。气氛中的氢气从半导体结构120与外界的交界面处进行补充，保证在体钝化中有足量的氢。在高温和低温之间切换的温度变化速率可高于20℃/s。
在进行例如30分钟的体钝化工艺后，太阳电池开路电压从660mV增加到662mV，电池效率从20％增加到20.2％，电池效率达到明显提升。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
另外，本发明还提供了一种通过上述方法进行了体钝化处理的晶体硅太阳能电池。
在本发明中，采用氢与载流子、温度场相结合的方式对杂质原子进行钝化，有效的降低了可激活杂质原子的浓度，降低了太阳电池硼掺杂区域的复合中心密度。另一方面，利用交替出现的温度场调节氢的活动能力，反复切换的温度场与持续的光注入保证了足够的钝化-固化过程。而且，本发明提供的方案适用于大规模生产技术，能够提高太阳电池，特别是高效太阳电池的开路电压和转换效率。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (9)
1.一种用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，所述晶体硅太阳能电池包括半导体结构以及分别位于所述半导体结构的正反两面的钝化层，所述半导体结构包括硼掺杂区域，所述方法包括：
为所述硼掺杂区域提供氢；
在第一温度下对所述晶体硅太阳能电池进行光注入达第一预定时段；以及
在第二温度下对所述晶体硅太阳能电池进行光注入达第二预定时段，其中所述第二温度低于所述第一温度，
其中，重复在所述第一温度下和所述第二温度下对所述晶体硅太阳能电池进行光注入的步骤至少一次，
其中以高于20℃/s的温度变化速率在所述第一温度和所述第二温度之间切换。
2.如权利要求1所述的用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于，所述钝化层中含有氢，为所述硼掺杂区域提供的氢来源于所述钝化层。
3.如权利要求1所述的用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于，为所述硼掺杂区域提供氢包括将所述晶体硅太阳能电池置于含氢的气氛中。
4.如权利要求3所述的用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于，所述含氢的气氛为以下至少之一：氢气、空气、以及含氢的氮气。
5.如权利要求1所述的用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于，所述第一温度高于230℃，以及所述第二温度低于200℃。
6.如权利要求1所述的用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于，所述第一时段在5s～60s的范围内，以及所述第二时段在1s～30s的范围内。
7.如权利要求1所述的用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于，在施加所述第一温度和所述第二温度下对所述晶体硅太阳能电池进行光注入使注入浓度超过1×1015cm-3。
8.如权利要求7所述的用于体钝化晶体硅太阳能电池的方法，其特征在于，在施加所述第一温度下对所述晶体硅太阳能电池进行光注入使注入浓度超过2×1015cm-3。
9.一种晶体硅太阳能电池，所述晶体硅太阳能电池包括半导体结构以及分别位于所述半导体结构的正反两面的钝化层，所述半导体结构包括硼掺杂区域，其中所述晶体硅太阳能电池根据权利要求1至8中任一项所述的方法进行了体钝化处理。
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