CN114122173A - 石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构及制备方法，该集成结构包括n型硅基区、p+型晶体硅发射区、n+硅掺杂区、隔离槽、钝化层、背光面电极、石墨烯膜层、石墨烯表面电极以及迎光面电极。本发明通过将石墨烯旁路二极管与太阳电池集成，在不影响组件封装的情况下，实现每个太阳电池均受到旁路二极管的保护；通过激光划刻将石墨烯二极管与太阳电池隔离开，可以有效降低旁路二极管与太阳电池交界处的漏电与发热现象；由采用该技术的太阳电池组成的光伏组件可以大幅降低电流失配对组件的输出功率及安全性的影响。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源技术领域，涉及一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构及制备方法。
背景技术
常规的反向保护二极管是电力电子器件，其耐压高、整流特性好、正向电流大，一般以小的半导体管芯配合金属封装而成，外形成柱状或块状。由于成本高、且外形上无法与太阳能电池片集成，目前每个电池组件的电池(约60片)分3组，穿过背板配上3个反向二极管，以保护组件内电池。然而，太阳能电池的低开路电压需要以串联的形式连接成组件，因此，组件对阴影及不均匀光极为敏感。
为了减小阴影影响，人们采用了最大功率点跟踪的方法(MPPT)，即直流变压+算法+芯片控制技术。这一技术从开始的电站级、组串级、发展到目前的组件级。组件级的MPPT也叫优化器，每个组件配有3个，通过将电池切半、分3串混合串并联，以维持组件输出电压不变。但是优化器的售价在0.5元/瓦左右，成本较高。
一方面，现有的二极管多是管壳式的，无法实现集成在光伏组件中；常规的功率二极管设置在每个太阳能电池旁边会影响光伏组件封装，无法很好的实现在光伏组件内部集成。
另一方面，考虑到输出电压，单片电池输出的电压低，而有用的功率则是高电压和低电流，例如民用电路中电压为220V、而电流＜10A，所以光伏组件必须以电池串联的方式来提高组件的输出电压。
然而，电池串联的方式要求每个电池输出电流一致，也就是在太阳能电池质量相同的前提下光照均匀，如果有一片电池的光照受到遮挡，整个组件就会以这个电池的低电流输出，因此，现有的二极管无法集成于光伏组件中，阴影及光不均匀对光伏组件的输出功率影响很大，如何能够在集成保护二极管的基础上还能保证光伏组件的输出功率成为亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构及其制备方法和拓扑结构，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构，包括：
n型硅基区，用于制作晶硅太阳电池及石墨烯旁路二极管结构；
p+型晶体硅发射区，设置在n型硅基区的迎光面，用于与n型硅基区形成pn结，作为晶硅太阳电池进行光电转换的功能区；
n+硅掺杂区，设置在n型硅基区的背光面，作为晶硅太阳电池的背场，与晶硅太阳电池背光面电极形成欧姆接触；
隔离槽，设置在n+硅掺杂区上，将n+硅掺杂区隔离成两部分，用于防止晶硅太阳电池与石墨烯二极管交接处的漏电；
钝化层，设置在n+硅掺杂区背光面，钝化层上设有背光面电极窗口和目标窗口，用于钝化n+硅掺杂区表面；
背光面电极，设置在背光面电极窗口上，用于导出晶硅太阳电池体内的电子；
石墨烯膜层，设置在目标窗口上，用于与n+硅掺杂区形成肖特基结；
石墨烯表面电极，设置在石墨烯膜层背光面上，用于导出石墨烯二极管中载流子；以及
迎光面电极，设置在p+型晶体硅发射区上，用于导出晶硅太阳电池体内的空穴。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构的制备方法，包括：
在n型硅基区上制备p+型晶体硅发射区；
在n型硅基区上背光面制备n+硅掺杂区；
在n+硅掺杂区上制备隔离槽；
在n+硅掺杂区上制备钝化层，在钝化层上开设背光面电极窗口和目标窗口；
在目标窗口上转移石墨烯膜层，烘烤后与n+硅掺杂区形成肖特基结；
在石墨烯膜层背光面制备石墨烯表面电极；
在背光面电极窗口上制备背光面电极；
在p+型晶体硅发射区上制备迎光面电极，完成该集成结构的制备。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种拓扑结构，内含有至少两个如上所述的集成结构或如上所述制备方法得到的集成结构。
基于上述技术方案可知，本发明的石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构及其制备方法和拓扑结构相对于现有技术至少具有以下优势之一：
(1)对每个太阳能电池片并联一个旁路二极管作为反向保护二极管，可以减小局部阴影引起的受阴影电池的温度升高，同时解决了当有一个太阳能电池片出现阴影时同处一个反向二极管保护下的一串电池片均无法对外输出功率的问题，减少了光伏组件的功率损失；
(2)采用石墨烯二极管作为反向保护二极管，在形体上使反向保护二极管与太阳能电池片在厚度上兼容，石墨烯薄膜贴于在太阳能电池片的背光面，不遮挡太阳光，不占用太阳能电池片的光吸收面积，不影响太阳能电池片的发电工作；另外还可以通过调控石墨烯二极管的面积的大小来控制其所能承受的电流，而不会影响组件的封装和发电；
(3)通过激光划刻将石墨烯二极管与太阳电池隔离开，可以有效降低旁路二极管与太阳电池交界处的漏电与发热现象；
(4)本发明的石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构，由采用该技术的太阳电池组成的光伏组件可以大幅降低电流失配对组件的输出功率及安全性的影响。
附图说明
图1为本发明实施例中石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例中太阳电池的制备步骤结构示意图；
图3为本发明实施例中石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构的电路连接示意图；
图4为图3的电路连接等效图。
附图标记说明：
01-n型硅基区； 02-p+型晶体硅发射区；
03-n+硅重掺杂区； 04-隔离槽；
05-石墨烯膜层； 06-钝化层；
07-背光面电极； 08-石墨烯表面电极；
09-迎光面电极； 10-隔离区域；
11-背光面电极窗口； 12-目标窗口；
13-主栅； 14-副删线。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构，包括：
n型硅基区，用于制作晶硅太阳电池及石墨烯旁路二极管结构；
p+型晶体硅发射区，设置在n型硅基区的迎光面，用于与n型硅基区形成pn结，作为晶硅太阳电池进行光电转换的功能区；
n+硅掺杂区，设置在n型硅基区的背光面，作为晶硅太阳电池的背场，与晶硅太阳电池背光面电极形成欧姆接触；
隔离槽，设置在n+硅掺杂区上，将n+硅掺杂区隔离成两部分，用于防止晶硅太阳电池与石墨烯二极管交接处的漏电；
钝化层，设置在n+硅掺杂区背光面，钝化层上设有背光面电极窗口和目标窗口，用于钝化n+硅掺杂区表面；
背光面电极，设置在背光面电极窗口上，用于导出晶硅太阳电池体内的电子；
石墨烯膜层，设置在目标窗口上，用于与n+硅掺杂区形成肖特基结；
石墨烯表面电极，设置在石墨烯膜层背光面上，用于导出石墨烯二极管中载流子；以及
迎光面电极，设置在p+型晶体硅发射区上，用于导出晶硅太阳电池体内的空穴。
在本发明的一些实施例中，所述背光面电极、n+硅重掺杂区、石墨烯膜层和石墨烯表面电极形成肖特基二极管。
在本发明的一些实施例中，所述肖特基二极管的正向电流大小为4～9A，暗电流为(0.5～2)×10-6A。
在本发明的一些实施例中，所述n+硅重掺杂区的掺杂浓度为1×1019/cm3～1×1020/cm3。
在本发明的一些实施例中，所述隔离槽的深度为0.5～2um；
在本发明的一些实施例中，所述隔离槽延伸至n型硅基区。
本发明还公开了一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构的制备方法，包括：
在n型硅基区上制备p+型晶体硅发射区；
在n型硅基区上背光面制备n+硅掺杂区；
在n+硅掺杂区上制备隔离槽；
在n+硅掺杂区上制备钝化层，在钝化层上开设背光面电极窗口和目标窗口；
在目标窗口上转移石墨烯膜层，烘烤后与n+硅掺杂区形成肖特基结；
在石墨烯膜层背光面制备石墨烯表面电极；
在背光面电极窗口上制备背光面电极；
在p+型晶体硅发射区上制备迎光面电极，完成该集成结构的制备。
在本发明的一些实施例中，制备所述p+型晶体硅发射区采用的方法包括硼扩散方法；
在本发明的一些实施例中，制备所述n+硅掺杂区采用的方法包括丝网印刷方法；
在本发明的一些实施例中，制备石墨烯膜层步骤中所述烘烤温度为80～120℃；
在本发明的一些实施例中，制备迎光面电极和背光面电极步骤中对迎光面电极和背光面电极退火；
在本发明的一些实施例中，对迎光面电极和背光面电极退火中退火温度均为250～350℃。
在本发明的一些实施例中，所述背光面电极、n+硅重掺杂区、石墨烯膜层和石墨烯表面电极形成肖特基二极管；
在本发明的一些实施例中，所述隔离槽的深度为0.5～2um，例如为1um：
在本发明的一些实施例中，所述隔离槽延伸至n型硅基区。
本发明还公开了一种拓扑结构，内含有至少两个如上所述的集成结构或如上所述制备方法得到的集成结构。
在本发明的一些实施例中，至少两个所述集成结构之间串联；
在本发明的一些实施例中，相邻的两个集成结构即第一集成结构和第二集成结构；其中，第一集成结构的迎光面电极与第二集成结构的背光面电极连接；第一集成结构的背光面电极与第二集成结构的石墨烯表面电极连接；
在本发明的一些实施例中，在背光面电极上设有便于连接的主栅和副栅线。
在一个示例性实施例中，本发明公开了一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构，如图1所示，该集成结构主要包括两部分，一是晶硅太阳电池部分，由上而下包括：迎光面电极09、p+型晶体硅发射区02、n型硅基区01、n+硅重掺杂区03(即n+硅掺杂区)、背光面电极07；另一部分是石墨烯二极管部分，包括背光面电极07、n+硅重掺杂区03、石墨烯膜层05、SiO2钝化层06、石墨烯表面电极08。
其中，n+硅重掺杂区的掺杂浓度为1×1019/cm3～1×1020/cm3；
其中，晶硅太阳电池与石墨烯旁路二极管共用晶硅太阳能电池的n型硅基区01，共用背光面电极07，且晶硅太阳电池与石墨烯旁路二极管之间具有隔离槽04。
其中，n+硅重掺杂区03通过丝网印刷磷浆并高温烧结而成。
其中，石墨烯旁路二极管通过湿法转移法将生长在Cu基底上的石墨烯薄膜转移到晶硅太阳电池基底n+硅重掺杂区03(即目标衬底处)，并高温(80～120℃)烘烤形成肖特基结，形成的石墨烯膜层的面积为4～9cm2，所形成肖特基二极管的正向电流大小为4～9A，暗电流为(0.5～2)×10-6A，例如为1×10-6A。石墨烯旁路二极管通过石墨烯与n+-Si接触，在n+-Si表层形成内建电场，因此，由背光面电极07、n+硅重掺杂区03、石墨烯膜层05、石墨烯表面电极08构建了石墨烯/硅的肖特基二极管。
其中，石墨烯旁路二极管与太阳电池功能区通过激光划刻形成的隔离槽04进行隔离，并通过SiO2钝化层06钝化隔离槽04中裸露的Si表面；其中，隔离槽04深度为0.5～2um，例如为1um。
其中，晶硅太阳电池背光面电极07通过在原有背光面电极的基础上，增加一条横向副栅线14，将电池背光面多条纵向主栅13连接起来，方便石墨烯二极管与晶硅电池的拓扑连接。通过丝网印刷方法将背光面副栅线14与背光面主栅13同时制备完成。本发明中通过石墨烯二极管导线连接多个所述石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构形成拓扑结构，该集成结构中石墨烯二极管需与前方相邻集成结构中的晶硅太阳电池连接，即集成结构中石墨烯二极管的背光面电极07与相邻集成结构中晶硅太阳电池迎光面电极09连接(属于电池串联连接)，而石墨烯表面电极08与该相邻集成结构中晶硅太阳电池的背光面电极07相连。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
在本实施例提供了石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构的制备方法，包括如下步骤：
如图2中(a)图所示提供一个经过常规工艺清洗、制绒的n型硅片，作为n型硅基区01。
如图2中(b)图所示，对该n型硅片的正面进行常规的硼扩散工艺，形成p+晶硅发射区02，对该硅片的背光面进行常规的抛光工艺。
如图2中(c)图所示，在该硅片的背面丝网印刷磷浆，形成n+硅重掺杂区03。
如图2中(d)图和(e)图所示，用激光在晶硅太阳电池背面的一端隔离出面积为5cm×5cm的隔离区域10，形成隔离槽04，隔离槽04的深度为1um。
如图2中(f)图所示，通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)在晶硅太阳电池背面生长100nm SiO2钝化层06，并通过激光刻蚀出晶硅太阳电池背光面电极窗口11及石墨烯转移目标窗口12。
如图2中(g)图所示，转移面积为5cm2的石墨烯膜层05至晶硅太阳电池背面目标窗口12区域，并进行80～120℃、例如为100℃的烘烤。
如图2中(h)图所示，通过丝网印刷银浆，制备晶硅太阳电池背电极07及石墨烯表面电极08，其中背光面电极07中设置了一条横向副栅线14和主栅13。
如图2中(i)图所示，在晶硅太阳电池正面丝网印刷银铝浆，制备晶硅太阳电池迎光面电极09，然后进行250～350℃、例如为300℃的高温退火，使电极浆料与晶硅之间形成欧姆接触。
实施例2
石墨烯二极管导线连接与前后所述石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构形成拓扑结构如图3-4所示。
在本实施例中，晶硅太阳电池之间的串联方式为：1#晶硅太阳电池的迎光面电极09与2#晶硅太阳电池的背光面电极07相连，2#晶硅太阳电池的迎光面电极09与3#晶硅太阳电池的背光面电极07相连。
在本实施例中，石墨烯旁路二极管的连接方式为：1#晶硅太阳电池的背光面电极07与2#晶硅太阳电池的石墨烯表面电极08连接。即，2#石墨烯二极管的n型区(即n+硅重掺杂区03)与2#晶硅太阳电池的n型区共用，相当于2#石墨烯二极管的负极(即背光面电极07)与1#晶硅太阳电池的正极(即迎光面电极)相连；2#石墨烯二极管的正极(即石墨烯表面电极08)与1#晶硅太阳电池的负极(即背光面电极07)相连。
在本实施例中，每一个晶硅太阳电池集成的石墨烯二极管保护的是相邻晶硅太阳电池，例如2#石墨烯二极管与晶硅太阳电池集成结构中的石墨烯二极管保护的是1#集成结构中的晶硅太阳电池，3#集成结构中的石墨烯二极管保护的是2#集成结构中的太阳电池，依此类推。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。
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，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。
Claims (10)
1.一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构，包括：
n型硅基区，用于制作晶硅太阳电池及石墨烯旁路二极管结构；
p+型晶体硅发射区，设置在n型硅基区的迎光面，用于与n型硅基区形成pn结，作为晶硅太阳电池进行光电转换的功能区；
n+硅掺杂区，设置在n型硅基区的背光面，作为晶硅太阳电池的背场，与晶硅太阳电池背光面电极形成欧姆接触；
隔离槽，设置在n+硅掺杂区上，将n+硅掺杂区隔离成两部分，用于防止晶硅太阳电池与石墨烯二极管交接处的漏电；
钝化层，设置在n+硅掺杂区背光面，钝化层上设有背光面电极窗口和目标窗口，用于钝化n+硅掺杂区表面；
背光面电极，设置在背光面电极窗口上，用于导出晶硅太阳电池体内的电子；
石墨烯膜层，设置在目标窗口上，用于与n+硅掺杂区形成肖特基结；
石墨烯表面电极，设置在石墨烯膜层背光面上，用于导出石墨烯二极管中载流子；以及
迎光面电极，设置在p+型晶体硅发射区上，用于导出晶硅太阳电池体内的空穴。
2.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，
所述背光面电极、n+硅重掺杂区、石墨烯膜层和石墨烯表面电极形成肖特基二极管。
3.根据权利要求2所述的集成结构，其特征在于，
所述肖特基二极管的正向电流大小为4～9A，暗电流为(0.5～2)×10-6A。
4.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，
所述n+硅重掺杂区的掺杂浓度为1×1019/cm3～1×1020/cm3。
5.根据权利要求1所述的集成结构，其特征在于，
所述隔离槽的深度为0.5～2um；
所述隔离槽延伸至n型硅基区。
6.一种石墨烯旁路二极管与晶硅太阳电池的集成结构的制备方法，包括：
在n型硅基区上制备p+型晶体硅发射区；
在n型硅基区上背光面制备n+硅掺杂区；
在n+硅掺杂区上制备隔离槽；
在n+硅掺杂区上制备钝化层，在钝化层上开设背光面电极窗口和目标窗口；
在目标窗口上转移石墨烯膜层，烘烤后与n+硅掺杂区形成肖特基结；
在石墨烯膜层背光面制备石墨烯表面电极；
在背光面电极窗口上制备背光面电极；
在p+型晶体硅发射区上制备迎光面电极，完成该集成结构的制备。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
制备所述n+硅掺杂区采用的方法包括丝网印刷方法；
制备石墨烯膜层步骤中所述烘烤温度为80～120℃；
制备迎光面电极和背光面电极步骤中对迎光面电极和背光面电极退火；
其中，退火温度均为250～350℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述背光面电极、n+硅重掺杂区、石墨烯膜层和石墨烯表面电极形成肖特基二极管；
所述隔离槽的深度为0.5～2um；
所述隔离槽延伸至n型硅基区。
9.一种拓扑结构，内含有至少两个如权利要求1至5任一项所述的集成结构或如权利要求6至8任一项所述制备方法得到的集成结构。
10.根据权利要求9所述的拓扑结构，其特征在于，
至少两个所述集成结构之间串联；
其中，相邻的两个集成结构即第一集成结构和第二集成结构，其中，第一集成结构的迎光面电极与第二集成结构的背光面电极连接；第一集成结构的背光面电极与第二集成结构的石墨烯表面电极连接；
其中，在背光面电极上设有便于连接的主栅和副栅线。
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