CN101142689A - 太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池，其具有含第一种掺杂的基底层(12)，它与极性相反的含第二种掺杂的正面层(14)形成一个界面。该太阳能电池具有至少一个正面接触件(18)和至少一个背面接触件(32)。在基底层(12)和背面接触件(32)之间设有一个钝化层(24)和一个隧道接触层(26、28)。
Description
技术领域
本发明所涉及一种太阳能电池，特别是一种背面接触件得以改进的、可取得更高效率的太阳能电池。
背景技术
在太阳能电池技术中，设计者总是尽力追求以最低的成本来达到特别高的效率。
根据所使用的基底材料的不同，在实验室中虽然可以部分地取得高于20％的效率，但市场上通行的一般太阳能模块的典型效率均明显低于20％.
为取得最高效率，一般使用单晶体硅作为基底材料，而为了降低成本，在使用时将该材料的厚度尽可能制成最薄。在此条件下，加装背面接触件被成了问题。
例如，当背面接触件被设计为连续的金属层时，在金属-半导体界面上的复合损耗会导致效率的降低。出于这个原因，通常将背面接触件设计为点式或线式接触，这种接触优选通过丝网印刷工艺形成。
此外，薄的硅片在冷却时，覆盖整个面的背面接触件会产生较强的机械应力，从而导致断裂，并为可加工性带来不利影响。
此外，丝网印刷工艺的成本相对较高，其最低温度要求大约为400℃。然而，在使用薄的晶片作为材料时，如此高的温度会带来一个问题，即所述晶片在加工过程中容易断裂，并由此导致产出率的大大降低。特制的丝网印刷膏是太阳能电池生产中一个主要的成本构成因素，且对其组成和接触构造的可再造性的控制也需要耗费很高的成本。
JP10135497A(日本专利摘要)中公开了一种太阳能电池，在该电池中，基底材料包括一种p型掺杂材料，且其背面具有由p+型高掺杂材料制成的钝化层。在所述材料上铺设有可导电的透明材料层，如ITO(氧化铟锡)，该涂层上涂覆有点状或线状的电极。这个可导电的透明材料层可通过溅射工艺来制造，由此，最高温度便不会超过200℃。
在一种基底由p型或n型掺杂材料制成的类似结构的太阳能电池中，由ITO或类似材料制成的可导电的透光层被铺设在基底的两面，其目的是为了避免导致电池板拱起的弯曲应力(参照日本专利摘要JP-A-20031977943)。
然而这些太阳能电池仍旧存在一个问题，即虽然在使用n型掺杂基底时可能实现与诸如ITO等导电体的良好接触，但在使用p型掺杂基底材料时，接触过程会产生问题。
而另一方面，由于p型掺杂材料能够以相对较低的成本进行大批量生产，因此在太阳能电池技术中普遍使用这种材料。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进的太阳能电池，它可以保证即使在使用p型掺杂材料时也可实现良好的背面接触。太阳能电池的生产成本应尽可能低，并尽可能高效地达到该效果。
上述目的是通过具有如下特点的太阳能电池来解决的：具有含第一种掺杂的基底层，它与含第二种掺杂且(发射极)极性相反的正面层形成一个边界层；具有至少一个正面接触件和至少一个背面接触件，其中在基底层和背面接触件之间至少设置有一个钝化层和一个隧道接触层。
本发明的目的通过这种方式而得以彻底解决。
通过使用一个隧道接触层，即使是以p型掺杂材料作为基底材料时，也可以实现与导电体——即与金属或透光性导体，如氧化锌或氧化铟锡(ITO)等——之间的优质接触。
在本发明的优选改进方案中，钝化层由与基底层极性相同的掺杂材料构成。
此外，在根据本发明的太阳能电池中，背面接触件还可以设计为金属接触面，且不会由此而导致效率降低。
为达到这一目的，本发明具有优势的改进方案中，隧道接触层和背面接触层之间设置有一个透明的导电层，该导电层优选由氧化锌、氧化铟锡或一种可导电的聚合物构成。该材料层还具有提高背面反射能力的作用，从而使效率得以提高。
其中尤以选用氧化锌层为最佳，原因是该材料与氧化铟锡(ITO)相比在成本方面具有明显优势。
背面接触件和正面接触件(如果需要)，可金属材料构成，并由例如铝或者在高品质应用方案中，可由金、银或某种其他金属制成。
钝化层优选由无定形硅(a-Si)构成。
隧道接触层优选由微晶体硅(μc-Si)制成。该层可以例如由与基底层极性相同的第一高掺杂材料层构成，随后是极性相反的第二高掺杂材料层。
在基底层为p型掺杂的情况下，正面层则为n型掺杂，钝化层最好为p型掺杂层，接着是p+型高掺杂层形式的隧道接触层，该隧道接触层随后是n+型高掺杂层。可通过简单而可靠的方法来实现n+型高掺杂层与可导电的材料，如氧化锌等之间的接触。
在上述情况下，“高掺杂”指的是该层相比基底材料具有更高的掺杂度，也就是说单位体积内所掺杂的原子数量至少要高出一个量级。
根据本发明的另一可选设计方案，隧道接触层可以制成为不含有n+型掺杂层，而仅由第一p型掺杂层构成，随后是第二p+型掺杂层，这两个材料层都优选由μc-Si制成。
根据本发明的进一步的实施方式，钝化层和基底层之间设置有一个由a-Si构成的薄的非掺杂层(本征层)。
该本征层用来作为晶片和钝化层之间的缓冲。这种结合会产生特别好的钝化效果。
根据本发明的进一步的实施方式，至少在钝化层、隧道接触层或本征层中含有氢。
在此可以使用的原子百分比浓度大约为1到20at.％的氢，最好在本征层、钝化层和隧道接触层中都含有氢。
氢在“悬挂键”(dangling bonds)的钝化过程中起到了主要作用。总之在氢浓度适合的条件下，电池的效率会得到进一步改善。
在需要达到特别高的效率时，太阳能电池的基底材料则优选由单晶体硅构成。
对于价格较为低廉的太阳能电池，其基底材料也可以由多晶体硅(μc-Si)构成。
太阳能电池向光面的结构可以通过现有技术中已知的任意方式构造而成。
在此可使用例如为金属质地的正面接触件，而太阳能电池的向光表面装有减弱反射的钝化层，例如氧化硅。当然，钝化层在正面接触件区域内中断。
在现有技术中，太阳能电池的向光面尤其多可被设计为异质结过渡结构，例如可利用无定形硅发射极(a-Si-Emitter)，在最高约为250℃(以最高温度200℃为最佳)的较低过程温度条件下制造。
加装太阳能电池的各材料层时优选使用薄膜工艺，尤其是等离子增强化学气相沉积法(CVD)、溅射或催化CVD法(热丝化学气相沉积法)。
可以将太阳能电池所有生产环节的过程温度限定为最高不超过大约250℃，最高温度优选为200℃。
通过这种方式，即使在使用薄的基底材料时，也可以避免太阳能电池板的弯曲、拱起和断裂。
本发明的上述特征和以下将进一步阐释的特征不仅可在文中所提出的结合方案中得到应用，在其他的结合方式或单独应用方案中同样可用，且仍属于本发明的范畴。
附图说明
以下将参照附图通过一例优选实施方式对本发明进一步的特征和优点进行描述。其中：
唯一的附图1表示根据本发明的太阳电池的局部剖面的简图。
具体实施例
图1所示为以数字10作为总标注的本发明太阳能电池的横截面图。太阳能电池10具有一个由单晶体硅构成的p型掺杂基底层12。
在与辐射面相对的前侧装有一个n型掺杂的硅层14，它与基底层12形成了一个界面(pn结)。n型掺杂的硅层14优选设计为可以减少反射的结构。此外，正面层14通过一个例如由氧化硅构成的钝化层16而被钝化。前侧带有正面接触件18的接触结构可以通过铝材接触件来实现，最好分别通过一个区域20而与高n型掺杂层相接触。此外，正面层14通过一个由氧化硅构成的钝化层16而被钝化。
基底层12在背面与一个由无定形硅构成的薄的本征层22相接。
本征层22之后紧接钝化层24，该钝化层优选设计为p型掺杂的无定形硅(a-Si)层。
进一步与钝化层24相接的是由微晶体硅μc-Si构成的p型高掺杂层26(p+)。
该μc-Si层26进一步与由微晶体硅μc-Si构成的材料层28相接，所述材料层28同样也为高掺杂层，但却具有相反的极性(n+)。
这两个由μc-Si构成、且随后紧接有n型高掺杂层的p型高掺杂层26、28共同形成了一个隧道接触层。
与n型高掺杂的μc-Si层28相连接的是一个氧化锌层30，上面装有一个连续金属层形式的背面接触层32，它可由铝构成。
层22至28中最好含有原子百分比为1到20at.％的氢。
通过这种材料层结构，即使当基底层12的p型掺杂度较低时，也可以保证基底层12与导电体之间实现非常好的接触。这一点尤其可通过隧道接触层26、28而达到，该隧道接触层由p+型高掺杂的微晶体层与n+型高掺杂的微晶体层连接构成。可选择地，隧道接触层26、28也可以由第一p+型高掺杂a-Si层或μc-Si层紧接p+型高掺杂的微晶体μc-Si层构成，同样可取得良好的效果。
只供选用的本征a-Si层22的厚度优选介于大约5到20nm之间，以大约10nm为首选。钝化层24的厚度优选介于大约20到60nm之间，以大约40nm为首选。微晶体层26的厚度最好介于大约5到25nm之间，以大约10nm为首选。微晶体层28的厚度优选介于大约1到15nm之间，以大约5nm为首选。
由氧化锌(ZnO)、氧化铟锡或类似物质构成的透明导电层的厚度优选介于大约20到150nm之间，尤以大约40到120nm之间，例如大约80nm为首选。
由铝或其他材料构成的背面接触层32的厚度可以介于大约0.5到5μm之间，例如为1μm。
由例如氧化锌等透明材料构成的导电层30(在相应波长范围内)，可以改善背面接触层32的反射，从而提高效率。原则上也可以用氧化铟锡等另外的材料来取代氧化锌，但在批量生产时氧化锌的成本明显更低。
可采用适合的薄膜工艺来将这些材料层涂覆到基底层上，如等离子增强化学气相沉积(PECVD)、溅射、热丝化学气相沉积(Hot-Wire-CVD)等方法。在层22至28之间的优选氢扩散效果通过随后的升温至约200℃的过程来实现。
在制造本发明太阳能电池的实验室样本时，一方面使用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)，另一方面使用热丝化学气相沉积法(Hot-Wire-CVD)。采用离子增强化学气相沉积法(PECVD)时，在等离子频率为13.65MHz、压力为200毫托、输出功率为4瓦的条件下，利用矽甲烷(SiH4)和氢对本征a-Si层进行沉积。掺杂的本征a-Si层则利用矽甲烷、氢和乙硼烷(B2H6)——也可选用磷化氢(PH4)——在等离子频率为80MHz、压力为400毫托、功率为20瓦的条件下制成。
在采用热丝化学气相沉积方法时，所采用的热丝温度大约为1700℃，压力大约为100毫托。所有沉积均在高真空或超高真空设备中进行。
按照实验室标准，制造本发明太阳能电池的隧道接触层时，既可采用p+型高掺杂的μc-Si层随后紧接n+型高掺杂的μc-Si层的构成方式，也可以采用另一种隧道接触办法即p+型高掺杂的μc-Si层随后紧接p型高掺杂的μc-Si层，都可以达到至少20％的效率。在此仅使用铝掺杂的氧化锌作为背面接触层。在此并不需要使用成本明显较高的氧化铟锡接触。
如果是工业生产，则可使用连续生产设备。
不论在前侧面上所采用的是何种接触方式，本发明的背面接触件适用于所有的硅太阳能电池。
Claims (19)
1.一种太阳能电池，具有：含第一种掺杂的基底层(12)，它与极性相反的含第二种掺杂的正面层(14)形成一个界面；带有至少一个正面接触件(18)和至少一个背面接触件(32)，其中，在基底层(12)和背面接触件(32)之间至少装有一个钝化层(24)和一个隧道接触层(26、28)。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，钝化层(24)由与基底层(12)极性相同的掺杂或高掺杂材料构成。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池，其特征在于，背面接触件(32)为金属接触面。
4.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，至少背面接触件(32)或正面接触件(18)由铝、金、银或其他金属构成。
5.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，钝化层(24)由无定形硅(a-Si)构成。
6.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，隧道接触层(26、28)由微晶体硅(μc-Si)构成。
7.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，隧道接触层(26、28)具有第一高掺杂层(26)和极性相反的第二高掺杂层(28)。
8.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，基底层(12)为p型掺杂，正面层为n型掺杂，隧道接触层(26、28)具有一个p+型高掺杂层(26)和一个n+型高掺杂层(28)。
9.根据权利要求1至6所述的太阳能电池，其特征在于，隧道接触层(26、28)具有第一掺杂层(26)和极性相同的第二高掺杂层(28)。
10.根据权利要求1至6所述的太阳能电池，其特征在于，基底层(12)为p型掺杂，正面层为n型掺杂，隧道接触层(26、28)具有第一个p型掺杂层(26)和第二个p+型高掺杂层(28)。
11.根据权利要求8或10所述的太阳能电池，其特征在于，钝化层(24)是p型掺杂层或p+型高掺杂层。
12.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，在钝化层(24)和基底层(12)之间装有一个由a-Si构成的本征层。
13.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，在隧道接触层(26、28)和背面接触件(32)之间设置有一个可导电的透明材料层(30)，该层优选由氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)或一种可导电的聚合物构成。
14.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，至少钝化层(24)、隧道接触层(26、28)或本征层(22)中含有氢。
15.根据权利要求14所述的太阳能电池，其特征在于，至少其钝化层(24)、隧道接触层(26、28)或本征层(22)含有原子百分比浓度大约为1到20at.％的氢。
16.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，基底材料(12)由单晶体硅或多晶体硅(μc-Si)构成。
17.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，正面层(14)配有一个钝化层(16)，该钝化层在正面接触区域内(18)中断。
18.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，至少有一个层是通过薄膜工艺、尤其是等离子增强化学气相沉积法、溅射或催化CVD法(热丝化学气相沉积法)来制成的。
19.根据上述任一权利要求所述的太阳能电池，其特征在于，在最高温度约为250℃，最好为200℃的条件下加装材料层。
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