一种广谱吸收的黑硅太阳能电池结构及其制作方法 【技术领域】
本发明涉及硅基太阳能电池技术领域，特别涉及一种广谱吸收的黑硅太阳能电池结构及其制作方法。
背景技术
太阳能是取之不尽用之不竭最具开发潜力的无污染可再生清洁能源，地球上含量丰富的硅材料是制作太阳能电池的最佳物质，但目前硅基电池的发电成本还较高，普及民用难度大。降低硅基太阳能电池发电价格的重要途径是提高电池的光电转换效率。目前所采用的主要技术手段，一是减少光在电池表面的反射率，如采用透明减反电极膜、金字塔织构表面、多孔硅陷光表面结构等；二是提高光在电池内部的吸收率，如背反射结构、多结结构、聚光透镜等；三是减少光生载流子在体内和表面的复合，如进行分区域掺杂、表面钝化等等。这些措施使硅基太阳能电池的光电转换效率提高到了24.7％的新水平[Prog.Photovolt：Res.Appl.7，471-474(1999)]。要进一步提高硅基电池的效率，从光谱上可以看出，一条重要的可循途径是提高电池材料对太阳光谱的吸收率，尤其是近红外光的吸收率。因为硅基电池受到红外吸收限的限制，只有能量大于硅禁带宽度、波长短于1.1微米的光子才能将硅介带电子激发到导带被吸收，而波长大于1.1微米的近红外光子则基本不被吸收，如同透过玻璃一样泄露走了。穿过电池的这部分近红外光约占太阳光谱的近1/3。
1998年美国哈佛大学教授艾瑞克·马兹尔和他的研究团队利用超强飞秒激光扫描装置于六氟化硫气体中的硅片表面，获得了一种森林状微结构锥体表面材料，其在0.25微米～2.5微米的几乎整个太阳光谱范围内具有＞90％的光吸收率，极大地拓展了硅基材料的光谱吸收范围[Appl.Phys.Lett.73，1673(1998)]。即这种新材料对太阳光具有几乎黑体吸收的效果，所以亦称之为“黑硅”。经深入研究发现，这种微结构黑硅有两大特点，一是入射光进入锥体面会不断地向锥体底部折射，具有很强的减反射陷光效果；二是这种微结构黑硅表面的硫系物质浓度远远超过了其在硅晶体中的饱和浓度，使得硅禁带中产生大量的局域态能级从而可扩展黑硅的光谱吸收范围。
人们自然想到利用这种黑硅材料来制作太阳能电池。但十多年过去了，这种利用黑硅广谱吸收特点制作的太阳能电池还只仅仅获得2.20％的光电转换效率[PhD thesis，Harvard University，2007]，远远低于预期。利用所谓多孔黑硅陷光结构制作的太阳能电池虽然获得了16.8％的转换效率[Appl.Phys.Lett.95，123501(2009)]，其实还不如成熟的金字塔织构电池，因为该电池并没有利用黑硅的广谱吸收特点。
造成这一现象的原因认为是黑硅材料迁移率低、载流子寿命短、重掺杂表层俄歇复合严重、深能级导致开路电压降低等，而目前的研究都将黑硅材料作为电池的迎光面，导致这些问题尤为突出，从而极大地制约了黑硅太阳能电池效率的改善。
【发明内容】
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种广谱吸收的黑硅太阳能电池结构及其制作方法，以解决传统硅基电池受红外吸收限制不能吸收和转化1.1微米以上波长太阳光谱的问题，提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种广谱吸收的黑硅太阳能电池结构，该结构由上至下依次包括：
迎光面广谱陷光层；
p型硅基衬底；
n型磷扩散层；以及
背光面广谱吸收黑硅层。
上述方案中，所述n型磷扩散层是在p型硅基衬底的一面进行磷扩散所形成的，且该n型磷扩散层与p型硅基衬底形成PN结。
上述方案中，所述背光面广谱吸收黑硅层采用掺有硫系元素的硅材料，其表层结构是具有间隔为0.1至20μm，尺度为0.1至20μm，深度为0.1至20μm的硅微锥、硅微粒或硅微孔，这种材料对0.25微米至2.5微米波长范围内的太阳光具有＞90％的光吸收率。
上述方案中，所述迎光面广谱陷光层具有间隔为50nm至50μm、尺度为50nm至50μm、高度为50nm至50μm的硅微锥、硅微粒或硅微孔的表层材料，对0.25微米至2.5微米的太阳光谱具有＜10％的反射率。
上述方案中，所述p型硅基衬底采用(100)p型单晶硅或多晶硅，双面不抛光或双面抛光或单面抛光，厚度为100至500μm，电阻率为0.1至10Ω.cm。
上述方案中，在迎光面广谱陷光层表面和背光面广谱吸收黑硅层表面作硅氧化物介质钝化层，然后在钝化层上分别制作正面接触栅电极和背面接触电极与背反电极金属层。
本发明提供了一种广谱吸收的黑硅太阳能电池结构的制作方法，该方法包括：
步骤1：在p型硅基衬底的一面进行磷扩散形成n型磷扩散层，并以此形成电池的pn结；
步骤2：采用高能激光辐照或化学腐蚀的方法，在p型硅基衬底未进行磷扩散的一面制作迎光面广谱陷光层，以此形成电池的迎光面；
步骤3：在p型硅基衬底进行磷扩散地一面制作背光面广谱吸收黑硅层，以此形成电池的背光面；
步骤4：在迎光面广谱陷光层和背光面广谱吸收黑硅层表面作硅氧化物介质钝化层，然后在钝化层上分别制作正面接触栅电极和背面接触电极与背反电极金属层。
上述方案中，步骤1中所述磷扩散的深度为1至100μm，磷扩散后的表面浓度为1017至1020cm-3；步骤2中所述迎光面广谱陷光层采用广谱陷光黑硅或多孔硅或织构硅材料，其表层结构是具有间隔为50nm至50μm，尺度为50nm至50μm，厚度为50nm至50μm的硅微锥、硅微粒或硅微孔。
上述方案中，步骤3中所述背光面广谱吸收黑硅层，其表层结构是具有间隔为0.1至20μm，尺度为0.1至20μm，厚度为0.1至20μm的硅微锥、硅微粒或硅微孔；步骤3中所述背光面广谱吸收黑硅层是在硫系环境下，在n型磷扩散层的表面通过高能激光辐照形成，激光辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体，该层材料对0.25微米至2.5微米波长范围内的太阳光具有＞90％的光吸收率。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的这种利用背光面黑硅材料实现广谱吸收高效黑硅太阳能电池的结构及其制作方法，可充分利用黑硅材料的特点，使进入电池的太阳光几乎能被全部吸收，同时利用背面掺杂梯度自建场分离黑硅中产生的光生电子-空穴对，使之被电极接收转化为光电流，解决了传统硅基电池受红外吸收限制，不能吸收和转化1.1微米以上波长太阳光谱的问题；该结构的pn结由扩散结形成，能确保电池开路电压不受黑硅低能光子转化降低的影响，从而有效提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
2、将广谱吸收黑硅材料应用于硅基太阳能电池的背光面，可以避免现行方案中黑硅材料作为电池的迎光面所受表面俄歇复合影响而导致的光生载流子湮灭现象，增加光生电流；
3、电池的pn结由扩散形成，处于电池内部，所以该结构的开路电压基本不受背面广谱吸收黑硅材料的影响，避免了黑硅迎光面电池由于低能光子转化而降低太阳能电池开路电压的问题；
4、由背面黑硅和磷扩散形成的n型梯度掺杂，构建起将光生电子和空穴分开的内建电场，有利于黑硅材料中产生的光生载流子的分离和收集，可抵消黑硅材料迁移率低和载流子寿命短的影响；
5、背面黑硅材料可以吸收透过电池的几乎所有光子，尤其是绝大部分近红外光子，通过吸收产生的光生载流子被电极收集而转化为光生电流，可解决传统硅基电池受红外吸收限制，不能吸收和转化1.1微米以上波长近红外太阳光谱的限制，有效提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
【附图说明】
图1为本发明提供的广谱吸收的黑硅太阳能电池结构的示意图；
图2为本发明提供的制作广谱吸收的黑硅太阳能电池结构的流程示意图。
其中标注：
1为p型硅基衬底，d1为其厚度；
2为n型磷扩散层，d2为其厚度；
3为迎光面广谱陷光层，d3为其厚度；
4为背光面广谱吸收黑硅层，d4为其厚度。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的广谱吸收的黑硅太阳能电池结构，通过背面黑硅层吸收穿透过来的红外光，利用杂质梯度场分离于其中产生的光生电子-空穴对并将其转化为光电流，解决了传统硅基电池不能吸收和转化1.1微米以上波长近红外太阳光谱的限制，可有效提高硅基太阳能电池的光电转换效率。
如图1所示，图1为本发明提供的广谱吸收的黑硅太阳能电池结构的示意图，该结构由上至下依次包括：
迎光面广谱陷光层；
p型硅基衬底；
n型磷扩散层；以及
背光面广谱吸收黑硅层。
其中，所述n型磷扩散层是在p型硅基衬底的一面进行磷扩散所形成的，且该n型磷扩散层与p型硅基衬底形成PN结。所述背光面广谱吸收黑硅层采用掺有硫系元素的硅材料，其表层结构是具有间隔为0.1至20μm，尺度为0.1至20μm，深度为0.1至20μm的硅微锥、硅微粒或硅微孔，这种材料对0.25微米至2.5微米波长范围内的太阳光具有＞90％的光吸收率。所述迎光面广谱陷光层具有间隔为50nm至50μm、尺度为50nm至50μm、高度为50nm至50μm的硅微锥、硅微粒或硅微孔的表层材料，对0.25微米至2.5微米的太阳光谱具有＜10％的反射率。所述p型硅基衬底采用(100)p型单晶硅或多晶硅，双面不抛光或双面抛光或单面抛光，厚度为100至500μm，电阻率为0.1至10Ω.cm。
在迎光面广谱陷光层表面和背光面广谱吸收黑硅层表面作硅氧化物介质钝化层，然后在钝化层上分别制作正面接触栅电极和背面接触电极与背反电极金属层。
下面通过附图2阐述本发明提供的制作广谱吸收的黑硅太阳能电池结构的流程，包括以下步骤：
步骤1：在p型硅基衬底1的一面进行磷扩散形成n型磷扩散层2(见图2a)，并以此形成电池的pn结；p型硅基衬底材料1为商用(100)面的单晶硅或多晶硅，双面不抛光或双面抛光或单面抛光，衬底材料的厚度d1为100至500μm，电阻率为0.1至10Ω.cm。
步骤2：采用高能激光辐照或化学腐蚀的方式，在p型硅基衬底1未进行磷扩散的一面制作迎光面广谱陷光层3(见图2b)，以此形成电池的迎光面；该层陷光材料是在p型硅衬底1的未扩散面上通过高能激光辐照或化学腐蚀形成，该层材料对0.25微米至2.5微米的太阳光谱具有＜10％的反射系数。
步骤3：在p型硅基衬底进行磷扩散的一面制作背光面广谱吸收黑硅层4(见图2c)，以此形成电池的背光面；该层广谱吸收黑硅材料是在硫系环境下，在磷掺杂层2的表面通过高能激光辐照形成，该层材料对0.25微米至2.5微米波长范围内的太阳光具有＞90％的光吸收率。
步骤4：在迎光面广谱陷光层和背光面广谱吸收黑硅层表面作硅氧化物介质钝化层，然后在钝化层上分别制作正面接触栅电极和背面接触电极与背反电极金属层(见图2d)，即完成了这种广谱吸收高效黑硅太阳能电池的制作过程。
其中，步骤1中所述磷扩散的深度为1至100μm，磷扩散后的表面浓度为1017至1020cm-3。步骤2中所述迎光面广谱陷光层采用广谱陷光黑硅或多孔硅或织构硅材料，其表层结构是具有间隔为50nm至50μm，尺度为50nm至50μm，厚度为50nm至50μm的硅微锥、硅微粒或硅微孔。步骤3中所述背光面广谱吸收黑硅层，其表层结构是具有间隔为0.1至20μm，尺度为0.1至20μm，厚度为0.1至20μm的硅微锥、硅微粒或硅微孔。步骤3中所述背光面广谱吸收黑硅层是在硫系环境下，在n型磷扩散层的表面通过高能激光辐照形成，激光辐照时的硫系环境为硫系气体、硫系粉末或硫系液体，该层材料对0.25微米至2.5微米波长范围内的太阳光具有＞90％的光吸收率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。