[发明专利]双面黑晶硅高效太阳能电池

说明书

技术领域：

本发明涉及一种利用掺硫黒晶硅制备的太阳能电池。

技术背景：

近年来，传统的煤炭、石油等化石能源短缺，过多的使用化石能源导致全球气候变暖、环境污染日益严重，人类急需寻找可再生的绿色能源。太阳能取之不尽、绿色环保，有望替代传统能源，而作为太阳能使用的重要装置—太阳能电池能直接将光能转换成电能。近年来，晶体硅太阳能电池得到了快速的发展，比较其它类型的太阳能电池，晶硅电池的技术较为成熟，市场占有率达到80%左右。目前，单晶硅太阳能电池实验室研究的转换效率达到24.7% [Solar Energy Materials & Solar Cells.65(2001)],大规模生产的商业电池效率一般在18%左右，要想实现大量民用，还是存在转换效率不高、价格较为昂贵的问题。要想进一步发展晶硅太阳能电池，首先要解决的问题是如何通过提高转换效率降低电池的成本。

从电池对光的吸收来看，晶硅吸收太阳光的波段主要是可见光波段，只有能量大于硅的禁带宽度波长小于1.1μm的光子才能被吸收产生载流子，而波长大于1.1μm的红外光子基本对电流无贡献而是以热量的形式损失掉。通过理论计算和分析，大于1.1μm的红外光的能量占据太阳能光总能量的30%以上，如果能够将这个范围的光谱加以利用，就可以实现电池转换效率的提高。2001年美国哈佛大学研究人员Mazur领导的研究团队在含硫的气氛中利用激光扫描晶体硅，得到黒硅，并且发现黒硅在可见光波段的吸收率高达99%以上，对波长在1.1μm到2.5μm范围内的近红外光吸收可达95%，大大的拓宽了硅基材料的光谱吸收范围[APPLIED PHYSICS LETTERS.78,13(2001)]。利用掺硫黒硅制备的太阳能电池增加对近红外光谱的吸收是能够提高太阳能电池转换效率的一个重要途径。

近几年利用黑硅制备光电器件与太阳能电池的报道逐渐增多，有利用飞秒激光制备的黑硅仅作为陷光层运用到电池的上表面，增加近红外波段能量的吸收，并没有将黑硅吸收的光能有效转化为电能，所吸收的光能大部分被损耗；或者直接在电池的背面制作黑硅，专门用来吸收透过硅片的红外光，但是通过吸收红外光子产生的载流子寿命很短无法有效转换成电能，导致对红外光能量的利用率较低。目前，国内外掺硫黑硅微结构基本都是通过飞秒激光在H₂S、SF₆气氛中烧蚀一步形成，形成的黑硅多半是非晶体结构。这样导致制备出的黑硅电池中载流子迁移率低、寿命短，且电池的串联电阻R_s大。制备的黑硅电池均只存在单面PN结，不能更有效的吸收近红外光谱，也不能迅速的将吸收的能量有效转化为输出电流。飞秒激光掺硫的黑硅面积小、加工效率低。用飞秒激光进行高能量的烧蚀制备黑硅，生产效率低，对大面积生产使用不利。

申请号为201010543469.1的发明（以下简称巳有申请）在硅基衬底的正反面分别依次制作掺杂扩散层、微米吸光层、纳米减反射层。该申请采用二氧化硅或氮化硅单层减反射膜。电池结构中减反射膜使用的是单层二氧化硅或者氮化硅，二氧化硅的折射率为1.46，氮化硅的折射率为1.97。单层膜减反射的光波范围窄，效果不及双层复合薄膜。

巳有申请只是将黑硅作为减反射层（吸收层），通过DRIE无掩膜刻蚀形成的黑硅的掺硫杂质浓度极低，其掺硫浓度远低于10¹⁶/cm³，硫在黑硅层中不能形成有效掺杂，黑硅只是纯粹的减反射层，对载流子的输运没有促进作用。采用DRIE无掩膜刻蚀，不能形成高浓度的掺硫（n⁺）层，不具有对近红外光的有效吸收能力。采用DRIE无掩膜刻蚀制备黑硅主要是运用F^—离子对硅片表面进行物理化学刻蚀形成微纳结构，腐蚀过程中硅不会出现熔融状态，仅有少量的硫离子吸附在硅片表面，而且含硫量极低。刻蚀出的纳米微结构的直径为50nm至1000 nm，高度为100nm至10000nm、间距100nm至1000nm，此情况下形成的黑硅主要是作为吸收层和减反射层，增加对可见光的吸收。在SF₆气氛中进行RIE刻蚀有少量的硫离子掺入黑硅中，硫含量很低（≦10¹⁶/cm³），不能形成掺硫的黑硅半导体。同时，由于低硫含量无法形成高浓度的掺硫层（n⁺层），不能得到高低结(n⁺/n结)，使电池中载流子的输运变慢，影响载流子寿命和电池转换效率。这种太阳能电池只能对可见光形成光电转换，对近红外光不能有效吸收并产生光电转换。