[发明专利]基于介电钝化层场效应的非掺杂晶体硅太阳能电池

说明书

本发明公开了一种基于介电钝化层场效应的非掺杂晶体硅太阳能电池，包括n型单晶硅基础层，n型单晶硅基础层的反面依次有氟掺杂的氮化硅层/富氮的氮化硅层/银层，n型单晶硅基础层的正面依次有氟掺杂的氮化硅层/氧掺杂的氮化硅层/银电极。氟掺杂的氮化硅对硅起到了优异的表面钝化作用，氧掺杂的氮化硅、富氮的氮化硅分别起到了空穴选择性接触和电子选择性接触的作用。通过掺杂调控氮化硅薄膜中的固有电荷密度以及电荷的正负属性，从而改变材料的电荷俘获能力，使得氮化硅薄膜材料兼具电子选择性接触和空穴选择性接触的功能，同时电池的制备成本也可以得到大幅降低，并非常适合工业化量产。

技术领域

本发明属于晶体硅太阳能电池领域，涉及一种基于介电钝化层场效应的非掺杂晶体硅太阳能电池。

背景技术

传统的铝背场(BSF)晶体硅太阳能电池的载流子收集是通过沉积在硅背表面的金属铝(Al)与硅的直接接触来完成的，会产生严重的载流子复合，导致电池效率的显著下降。在发射极及背面钝化电池(PERC)中，由于硅背面采用了氧化铝钝化，消除了金属电极与硅片之间的大部分直接接触，使得PERC电池的量产效率可以超过23％。但是，PERC电池仍然是与BSF电池一样，采用杂质在硅片中扩散形成p-n结，利用p-n结内建电场来分离光生载流子，从而最终被外部电极收集。然而，在硅片中扩散制结需要在900℃以上的高温进行，在硅片的清洗和制绒过程中引入的微量金属杂质(如Cr、Ni、Fe等)，在高温条件下由硅片的表面扩散至体内，形成深能级缺陷，导致硅片少子寿命减少，从而降低电池效率。另外，扩散制结所需的掺杂剂(如三氯氧磷、溴化硼等)是剧毒化学品，产生的废液、废气等对人体和环境造成严重持久性损害。

为了避免金属电极与硅片的直接接触、高温扩散制结引起的硅片少子寿命恶化以及掺杂剂对环境造成的污染，一种新颖的载流子选择性钝化接触设计已经被证明是一种成功的晶体硅异质结太阳能电池的策略，它可以选择性地提取一种类型的光生载流子(电子或空穴)，同时阻挡另一种类型的载流子(空穴或电子)，而且对硅表面起到了优异的钝化功能。与硅相比，过渡金属氧化物(如氧化钼、氧化钒、氧化物等)具有较高的功函数，与硅接触界面的导带偏移较大，价带偏移较小，因此很适合作为晶体硅异质结电池的空穴选择性接触层。氧化镁、氧化钛，氟化镁和氟化锂等材料具有较低的功函数，与硅接触界面的导带偏移较小，价带偏移较大，因此很适合作为电子选择性接触层。

以上提到的这些载流子选择性接触材料的水氧稳定性和热稳定性普遍较差，例如，过渡金属氧化物的高功函数空穴选择性接触材料通常具有高氧化态，而高氧化态的金属离子具有较强氧化性，易被还原而形成低价态金属离子，导致材料的功函数显著下降，导致载流子的选择性收集能力下降和钝化性能衰减。载流子选择性材料普遍为传输性能较差的高禁带宽度材料，导致材料的纵向传输与横向传输均不足，载流子的迁移率低而无法及时被外部电极收集，增加了表面的复合速率。而且，由于载流子选择性接触材料的绝缘性，为了保证载流子的有效传输，材料的厚度必须精确控制在几纳米至十几纳米的范围内，因此需要精确的沉积工艺，这对于规模化工业生产带来了成本上和工艺上的挑战。

非晶氮化硅薄膜具有良好的绝缘性、致密性、稳定性、抗氧化性以及对杂质的掩蔽能力，广泛应用于微电子器件表面的钝化层、隔离层。采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法制备的氮化硅薄膜目前是晶体硅太阳能电池最主流的抗反层和钝化层，在制备过程中引入的原子氢还能够有效钝化硅中的缺陷。在近化学计量比或富氮的非晶氮化硅中，主要的电荷俘获中心，一般认为是K中心缺陷，由三个成键的氮原子和一个具有悬挂键的硅原子组成，在不成键的硅原子轨道上存在没有电子、一个电子、两个电子的三种状态，分别对应于K中心缺陷的三种电荷状态，即K⁺、K⁰和K^-。通常情况下制备的非晶氮化硅薄膜中K⁺的浓度大于K^-，因此薄膜带正的固定电荷(Q_f)。当介电薄膜与半导体接触时，位于薄膜内的固定电荷能够引起“场效应”作用，导致半导体在界面处能带发生弯曲，从而可以起到载流子选择性接触材料。

发明内容